电阻式粮食水分测试仪的设计电路设计部分.docx

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电阻式粮食水分测试仪的设计电路设计部分

武汉工业学院

毕业设计（论文）

设计（论文）题目：

电阻式粮食水分测试仪的设计----电路设计部分

姓名郭耀

学号*********

院（系）电气与电子工程学院

专业电气工程及其自动化

指导教师郑长征

2012年5月28日

摘要

粮食水分含量是粮食储藏和加工中一个重要的环节[1]，如何快速准确地测定是企业降低生产成本、提高生产效率的需要，目前有多种测量方法，但各有优缺点。

在分析粮食的介电特性的基础上，提出了基于脉宽测量的电阻比值法的测量方法，详细介绍了它的测试原理、硬件结构和软件流程。

该测定仪具有测量精度高、低功耗、便于携带、操作方便、人机界面友好等特点。

硬件部分主要由电阻式水分取样电路、信号调理电路、LCD显示电路、键盘扫描电路、电机驱动电路、RS232接口电路等。

其中，对于电阻式水分取样电路是基于555实现的。

该设计是基于LM1138完成的，该微控制器是针对工业应用方案而设计的，它还具有一个电池备用的休眠模块，从而有效的使LM3S1138芯片在未被激活的时候进入低功耗状态，这为用户提供了灵活性，能够适应各种精确的需求。

关键词：

水分测定；电阻比值法；LM1138；555；

Abstract

Grainmoistureisakeyproblemofgrainstorageandprocess．Howtomeasureitfastandtrulyisthedemandofreducingcostandraisingproduceefficiencyforenterprises．Bysofartherearedifferentmethodswhichhavetheirdisadvantages．Thispaperintroducesresistanceratiomethodbasedonmeasuringimpulsewidthaccordingtothegrainsmediae1ectriccharacteristics．Itdescribesmeasureprinciple，hardwaredesignandsoftwareflowchartindetail．Thisapparatushassomeadvantagessuchashighmeasureaccuracy，lowpowerconsumption，goodinterfaceformanandmachinesoon.

Hardwaremainlyconsistoftheresistivewatersamplingcircuit,signalregulatecircuit,LCDdisplaycircuit,keyboardscancircuit,motordrivecircuitandRS232interfacecircuit,etc.

Amongthem,thewatersamplingcircuitforresistivebasedonthe555isrealized.ThedesignbasedonLM1138isfinished.TheLM3S1138microcontrolleristargetedforindustrialapplications，themicrocontrollerfeaturesabattery-backedHibernationmoduletoefficientlypowerdowntheLM3S1138toalow-powerstateduringextendedperiodsofinactivity.providingflexibilitytofitourcustomers'preciseneeds.

Keyword：

moisturetest；resistanceratiomethod；LM1138；555;

1绪论

1.1研究背景及意义

粮食问题是涉及到每一个国家国计民生的重大课题，粮食水分检测对粮食的收购、输、储藏、加工贸易都具有十分重要的意义。

粮食的水分是指粮食中含有的自由水和结合水的总称。

粮食水分含量的多少有着两种不同的意义,一方面含有适当水分是粮种维持生命和保持粮食固有的色、气、味、种用品质及食用品质所必须的;另一方面水分影响粮食贮藏和加工。

一般说来,水分含量愈高,粮食的新陈代谢强度愈大,呼吸作用愈旺盛,结果消耗干物质并生产大量热能,给霉菌、细菌和昆虫的生长繁殖提供条件,不但降低粮食的营养价值,而且影响粮食加工与食用品质,严重时会导致发霉变质,造成巨大的经济损失。

粮食在储藏过程中。

若水分含量增加，其酶活力上升呼吸作用增强储藏稳定性随之减弱当水分增加到一定程度时，粮食开始发芽。

这主要是由粮食中的游离水造成的，只有粮食的含水量下降到合水的范围内，粮食籽粒才能处于休眠状态，生命活动减到最低限度。

在粮食加工过程中要求粮食的含水量适宜，过高过低都会影响粮食的物理性质和工艺品质，对加工不利。

例如制米若粮食水分过高，稻粒硬度低，容易碾碎，碎米增多，出米率降低；若粮食水分过低，稻粒硬度高也容易产生碎米，降低出米率。

所以说粮食水分既是流通环节按质论价的依据,又是粮食安全储藏和粮食加工的配备根据。

在我国,由于水分检测技术的不完善,每年有数百亿斤的粮食因水分含量过高在运输和储藏过程中霉烂变质,造成了巨大损失。

而粮食水分过低,减少了粮食重量,影响粮食品质。

因此,水分一直是粮食的一项重要质量指标。

准确的测量粮食中所包含的水分对于我国的农业生产和储藏有着重要意义。

传统的直接水分测量法周期长，难以满足现代生产对速度和连续化的要求，而非电量的电测方法是比直接法更高效的水分测量方法，当前应用十分广泛。

粮食水分检测方法原理上可以有：

电阻法、电容法、中子法、微波法、红外法、核磁共振法等。

考虑物料对象特性，红外法主要用于表面水分测量，多见于纸张水分检测中；中子法和核磁共振法基于水分中氢原子效应，系统复杂，造价高，不能体现检测对象的专用性。

微波法是利用水对微波能量的吸收或作用于粮食的微波参量随水分变化的原理进行水分测量，其测量值与物料成分有关，测量电路及信号处理较复杂，价格偏高。

电阻方法因其快速、准确、成本低的特点一直是最常用的水分测量方法，但由于电阻方法存在信号强度小、取样要求高、抗干扰性较差等缺陷，近年来出现了许多新的基于电阻测量原理的创新方法，如两量程直流电阻法，脉冲电阻法，复阻抗分离法，交流阻抗法等[2]。

本设计在上述研究的基础上，创新地提出基于脉宽测量的电阻比值法和测量信号的数据处理方法，能够快速准确地对水分进行测试。

1.2国内外研究现状

粮食水分的检测方法概括起来可分为无损检测和有损检测两大类。

无损检测是指在不破坏待测物原来的状态和化学特性等前提下，通过粮食本身的物理、光学、化学特性来测其含水量，有损检测是指在测量过程中待测物粉碎或发生了化学变化，致使其不能保持原来的形状或组成。

在这两类中，无损检测的方法更经济、快捷，发展也最为迅速，是当今世界水分测试的主流。

（1）粮食水分无损检测的主要方法[3]

直接干燥法是指将待测样品置于烘箱中，根据ASAE标准，在130℃的温度下保持19h，测量前后的质量差即为其水分含量。

电容法是根据水分含量的变化势必引起电容量变化的原理，通过测量与样品中水分变化相对应的电容变化即可知粮食的水分含量。

红外线加热干燥法是利用红外线加热样品使其失水，从而达到测量水分含量的目的。

微波加热法是利用微波炉的磁控管所产生的2450MHz或915MHz的超高频率微波快速振荡粮食中的水分子，使分子相互碰撞和摩擦，进而去除粮食中的水分。

介电损失角法是利用谷物含水率不同，介电损失角也不同，并且呈单值分段线性关系。

复阻抗分离电容法通过复阻抗分离电路的设计有效消除电阻参量的影响而只保留电容参量的变化。

高频阻抗法是依据在敏感频带（100k~250kHz）施以外加电场的情况下粮食水分与其交流阻抗呈现对数关系这一理论来测量其水分的。

摩擦阻力法利用粮食的动态摩擦阻力与含水率成线性关系，含水率高、摩擦阻力大。

声学法是利用粮食水分中的粮食籽粒的弹性和振动特性，不同水分的粮食在流动过程中碰撞物体表面时所产生的声压不同。

核磁共振法是在一定条件下原子核自旋重新取向，从而使粮食在某一确定的频率上吸收电磁场的能量，吸收能量的多少与试样中所含的核子数目成比例。

射线法是利用不同的分子对不同波长的近红外光具有不同特征的吸收，当用近红外光照射样品时，漫反射光的强度与样品的成分含量有关。

微波吸收法利用粮食中的水分对微波能量的吸收或微波空腔谐振频率和相位等参数随水分的变化来间接地测量水分含量的。

中子式水分仪通过计量慢中子探测器中产生的电压脉冲个数测量粮食的水分含量。

（2）粮食水分有损检测的主要方法

105℃恒重法用比水沸点略高的温度（105°±2℃）使经过粉碎的定量式样中的水分全部汽化蒸发,根据所失水分的质量来计算水分含量。

定温定时烘干法是在一定规格的烘盒内称取经过粉碎的试样,在规定加热温度的烘箱内烘干一定时间,烘干前后质量差即为水分含量。

双烘法主要用于测量高含水量粮食。

测量时,先称取整粒试样20-30g，放入105℃烘箱中烘干30min，取出冷却称质量，然后粉碎，再用105℃恒重法进行烘干测量。

隧道式烘箱法是定温定时法的一种，它将象限秤与烘箱结合起来，烘干试样后无需冷却可直接用象限秤称量，并可在象限秤上直接读出试样的水分含量。

快速失重法是在物料的极限失重温度下烘干物料，进行粮食水分测试。

减压干燥称重法利用真空处理技术、微小定量测定技术和数据处理技术来测定水分的。

直流电阻法：

干燥粮食的直流电阻很大，而水的电阻很小，被测样品的含水量的变化势必引起其导电能力的变化。

含水量越高，电阻越小，通过测量样品的电阻，即可以间接地测定含水量。

甲苯蒸馏法是利用与水分不相溶的溶剂（甲苯、二甲苯）组成沸点较低的二元共沸体系，将试样中的水分蒸馏出来。

卡尔·费休法是利用甲醇和吡啶存在的情况下水与碘和亚硫酸发生定量化学反应的原理，根据碘的消耗量测出水分含量。

压力法是利用水与碳化钙发生化学反应生成乙炔，在一定条件下，乙炔气体的压力与其含水量呈线性关系。

1.3水分检测技术的发展趋势

水分仪的种类虽然很多，但其市场潜力却不尽相同，计算机技术、原子技术与半导体技术的飞速发展，给粮食水分检测技术的发展提供了广阔的空间[4]。

随着对无损检测技术的需要，无损检测仪器将逐步实现标准化、通用化和系列化大规模可编程逻辑器件和数字信号处理器的推广和成本的降低，必将加速其在无损检测技术上的应用，不仅提高信号采集和处理速度，满足市场大量实时性要求也将缩短开发时间，增加硬件的功能和扩展性。

计算机软件及硬件在无损检测技术上的应用，将实现温度等重要检测因素的自动补偿，使检测仪器由过去的单一化向多用途方向发展，适用于多种不同环境下的无损检测。

互联网技术的迅猛发展会为无损检测技术带来质的飞跃，实现多用户共享和远程控制，避免人力、物力和财力的浪费。

本课题所设计的电阻式粮食水分测试仪，创新地提出基于脉宽测量的电阻比值法和测量信号的数据处理方法，能够快速地对粮食中水分进行实时的、无损的数字化检测，具有经济、实用、快捷等优点。

其最终测量结果的数字化过程易于实现与微处理器和计算机接口技术，实现测量的自动化和智能化。

考虑设计成本和设计时间问题，这里就没有进行下去。

1.4本文研究内容

本文设计的粮食水分测定仪通过人机界面的模式选择进入粮食测试界面，然后通过按键的加减设定测试的次数，点击确认键后连续检测，经过单片机综合处理后，将检测结果显示在数码管上，且通过单片机处理判断与标准值比较做后续处理。

它包括了水分检测模块、信号处理模块、控制单元LM1138、显示模块、键盘扫描模块和电机驱动模块等。

2系统基础和概述

2.1方案设计与论证

粮食水分测定仪是具有区域特色的产品，它对不同地区的粮食作物具有不同的测量基准值，因此在测试之前，需要根据不同的粮食种类，在不同的状态下进行标定工作，建立起标准的测量数据关系，这些数据可以由生产厂家写入测定仪的EEPROM数据区中，也可以由用户根据标准现场标定。

该系统利用Atmel公司的AT24C02芯片的EEPROM来存储不同种类的粮食的水分的标定值、温度补偿系数和系统的密码等参数。

在使用之前需要进行水分的标定工作，把同一样本分别在标准测定仪和本测定仪同时进行比对测量，确定水分和电阻的关系，然后再通过键盘把对应关系写入EEPROM中的相应单元中保存起来，形成标准的测量曲线或数据表格。

同时考虑到温度的影响，可加上温度补偿系数以进行修正。

在实际测量时，把当前的测量值与这些标准值进行比较，就可以实现水分的测量。

2.2系统控制器介绍

EasyARM1138是专门针对广大电子信息专业在校大学生而设计的一款基于ARMCortex™0-M3先进内核的高性能、低价格开发板，用于教学、毕业设计、电子竞赛，等等。

也是广大单片机爱好者、开发工程师首选的Cortex™0-M3开发板。

EasyARM1138的核心MCU是美国LuminaryMicro公司的Stellaris®p0（群星）系列ARM之LM3S1138。

该芯片采用的是国际上最优秀的MCU内核设计公司ARM最新推出的先进Cortex™0-M3处理器；由国内最大、技术最强的晶圆制造公司台积电（TSMC）代工；经世界上最专业的封装测试公司（OSE、i2a/IPAC）层层把关，确保产品的可靠性。

【功能特点】

●强大的MCU内核

◆32位ARMCortex™3-M3内核（ARMv7M架构）

◆兼容Thumb的Thumb-2指令集，提高代码密度25%以上

◆50MHz运行频率，1.25DMIPS/MHz，加快35%以上

◆单周期乘法指令，2～12周期硬件除法指令

◆快速可嵌套中断，6～12个时钟周期

◆具有MPU保护设定访问规则

◆64KB单周期Flash,16KB单周期SRAM

◆内置可编程的LDO输出2.25V～2.75V，步进50mV

◆支持非对齐数据的访问，有效地压缩数据到内存

◆支持位操作，最大限度使用内存，并提供创新的外设控制

◆内置系统节拍定时器（SysTick），方便操作系统移植

●丰富的外设资源

◆7组GPIO，可配置为输入、输出、开漏、弱上拉等模式

◆4个32位Timer，每个都可拆分为2个独立的16位子定时器，

具有定时、捕获、PWM、RTC等丰富功能

◆3路全双工UART，位速率高达3.125Mbps，16单元接收FIFO

和发送FIFO，支持串行红外协议（IrDASIR）

◆2路I2C，支持100kbps标准模式、400kbps快速模式

◆2路SSI，兼容FreescaleSPI、MICROWIRE、TexasInstruments

串行通信协议，位速率高达25Mbps

◆6路16位PWM，通过CCP管脚能产生高达25MHz的方波

◆3个模拟比较器

◆8通道10位ADC，采样速率可达1M/s，附带温度传感器

◆内置看门狗定时器（WatchDogTimer），确保芯片可靠运行

●内嵌USB接口的下载仿真器

◆仅需插入一根USB电缆就能实现“三合一”功能：

5V供电、程序下载与在线仿真、UART串行通信

◆不再要求电脑具有串口或并口，无论台式机还是笔记本电脑，只要拥有USB1.1或USB2.0接口就能运用自如

◆除了能够下载仿真自身以外，保留的JTAG接口还可以用来仿真其它LM3S系列开发板，短接JP2短接器的GND和U-RST，还可实现JTAG接口对内仿真功能

◆USB接口提供虚拟UART的功能，不需要额外的接口电路

●简明的外围电路设计，调试时无需任何连线和跳线，操作极为方便

◆5只LED指示灯

◆3只KEY

◆1只交流蜂鸣器，可演奏动听乐曲，如《梁祝》

◆两排插针引出全部GPIO资源，以及ADC0～7、5V/3.3V/GND

◆GPIO插针间距正好为2000mil（50.8mm），很容易插接在万用板或其它自制的电路板上，为教学实验提供了极大方便

图1为LM1138管脚图

图1

2.3555集成定时器的介绍

555芯片是定时器[7],是一种模拟和数字功能相结合的中规模集成器件。

一般用双极性工艺制作的称为555，用CMOS工艺制作的称为7555，除单定时器外，还有对应的双定时器556/7556。

555定时器的电源电压范围宽，可在4.5V~16V工作，7555可在3~18V工作，输出驱动电流约为200mA，因而其输出可与TTL、CMOS或者模拟电路电平兼容。

555定时器成本低，性能可靠，只需要外接几个电阻、电容，就可以实现多谐振荡器、单稳态触发器及施密特触发器等脉冲产生与变换电路。

它也常作为定时器广泛应用于仪器仪表、家用电器、电子测量及自动控制等方面。

555定时器的内部电路框图和引脚排列图分别如图。

它内部包括两个电压比较器，三个等值串联电阻，一个RS触发器，一个放电管T及功率输出级。

它提供两个基准电压VCC/3和2VCC/3。

图2（555外部引脚图）

555引脚图介绍如下:

1地GND2触发3输出4复位5控制电压6门限（阈值）7放电8电源Vcc

图3（555内部结构图）

2.4液晶显示模块的介绍

本设计选用液晶显示模块（如图4）是SMG12864G2-ZK，它是128×64点阵的汉字图形型液晶显示模块，可显示汉字及图形，内置国标GB2312码简体中文字库（16X16点阵）、128个字符（8X16点阵）及64X256点阵显示RAM（GDRAM）。

可与CPU直接接口，提供两种界面来连接微处理机：

8-位并行及串行两种连接方式。

具有多种功能：

光标显示、画面移位、睡眠模式等[8]。

以下是该模块的一些相关参数：

引脚说明

主要技术参数

图4

2.5EEPROM存储器的介绍

AT24C02（图5）是一个2K位串行CMOSE2PROM[10]，内部含有256个8位字节，CATALYST公司的先进CMOS技术实质上减少了器件的功耗。

AT24C02有一个16字节页写缓冲器。

该器件通过IIC总线接口进行操作，有一个专门的写保护功能。

图5

管脚名称

功能

A0、A1、A2

器件地址选择

SDL

串行数据、地址

SCL

串行时钟

WP

写保护

VCC

+1.8V~6.0V工作电压

VSS

地

极限参数：

工作温度工业级-55℃+125℃　　

商业级0℃+75℃　　

贮存温度-65℃+150℃　　

各管脚承受电压-2.0Vcc+2.0V　　

Vcc管脚承受电压-2.0+7.0V　　

封装功率损耗（Ta=25℃）1.0W　　

焊接温度（10秒）300℃　　

输出短路电流100mA

特性：

1.数据线上的看门狗定时器　　

2.可编程复位门栏电平　　

3.高数据传送速率为400KHz和1C总线兼容　　

4.2.7V至7V的工作电压　　

5.低功耗CMOS工艺　　

6.16字节页写缓冲区　　

7.片内防误擦除写保护　　

8.高低电平复位信号输出　　

9.100万次擦写周期　　

10.数据保存可达100年　　

11.商业级、工业级和汽车温度范围

2.6电机驱动芯片的介绍

ULN2003（图6）是高耐压、大电流复合晶体管阵列，由七个硅NPN复合晶体管组成。

图6

该电路的特点[16]如下：

ULN2003的每一对达林顿都串联一个2.7K的基极电阻,在5V的工作电压下它能与TTL和CMOS电路直接相连，可以直接处理原先需要标准逻辑缓冲器来处理的数据。

ULN2003工作电压高，工作电流大，灌电流可达500mA，并且能够在关态时承受50V的电压，输出还可以在高负载电流并行运行。

ULN2003采用DIP—16或SOP—16塑料封装。

图7

引脚1：

CPU脉冲输入端，端口对应一个信号输出端。

引脚2：

CPU脉冲输入端。

引脚3：

CPU脉冲输入端。

引脚4：

CPU脉冲输入端。

引脚5：

CPU脉冲输入端。

引脚6：

CPU脉冲输入端。

引脚7：

CPU脉冲输入端。

引脚8：

接地。

引脚9：

该脚是内部7个续流二极管负极的公共端，各二极管的正极分别接各达林顿管的集电极。

用于感性负载时，该脚接负载电源正极，实现续流作用。

如果该脚接地,实际上就是达林顿管的集电极对地接通。

引脚10：

脉冲信号输出端，对应7脚信号输入端。

引脚11：

脉冲信号输出端，对应6脚信号输入端。

引脚12：

脉冲信号输出端，对应5脚信号输入端。

引脚13：

脉冲信号输出端，对应4脚信号输入端。

引脚14：

脉冲信号输出端，对应3脚信号输入端。

引脚15：

脉冲信号输出端，对应2脚信号输入端。

引脚16：

脉冲信号输出端，对应1脚信号输入端。

3系统硬件设计

3.1系统基本组成

按照系统所需功能，系统硬件结构可以划分为一下几个主要模块：

水分检测系统、处理器控制系统、人机界面系统和电机驱动模块等。

系统硬件结构框如图8所示：

图8

本系统的主要功能为利用电机控制粮食样品的压力、利用电阻比值法检测粮食水分、通过555电路进行信号调理、然后利用单片机中断与定时器测脉宽、显示所测粮食的电阻值等。

其中检测系统有取样电阻输入电路、信号调理电路构成，控制部分以LM3S1138单片机为核心，在使用之前需要利用单片机进行水分的标定工作，把同一样本分别在标准测定仪和本测定仪同时进行比对测量，确定水分和电阻的关系，然后再通过键盘把对应关系写入E2PROM中的相应单元中保存起来，形成标准的测量曲线或数据表格。

做好以上工作后，处理器将检测到的数据与标准值进行比对，然后在LCD上显示出来，这样即可进行水分检测了。

人机界面由键盘扫描和LCD显示模块构成，通过写入单片机的菜单程序，用户可以通过键盘来操作测试仪，在LCD上可以直观显示数据。

3.2电机驱动模块

电机驱动电路（图9）由继电器驱动芯片ULN2O03和+5VDc继电器组成，测试开始时，单片机发出控制信号，由电机带动取样器使样品压结实，保持压力恒定，以获取比较一致的电阻取样值，当一个样品测试完成后，使取样器复位，准备下次测量。

图9

3.3EEPROM存储器模块

本设计选用的是ATMEL公司的AT24C02来存储不同种类的粮食的水分的标定值、温度补偿系数和系统的密码等参数。

图10

3.4信号调理电路模块

信号调理电路采用555芯片构成的非重复触发的单稳触发电路，为提高