粮仓料位智能检测系统研究.docx

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粮仓料位智能检测系统研究

学士学位论文

粮仓料位智能检测系统研究

学生姓名：

袁建恒

学院：

机电工程学院

专业：

测控技术与仪器

指导教师：

钱东平霍晓静王文娣

职称：

教授讲师助教

时间：

2007年6月8日

粮仓料位智能检测系统研究

摘要：

粮食储藏是国家为防备战争、灾荒及其它突发性事件而采取的有效措施，因此，粮食的安全储藏具有重要意义。

针对粮食储藏装置料位检测的需要,设计了一种以双电容料位传感器的智能检测系统，双电容传感器技术,消除了温、湿度等干扰因素,使该检测系统能适应恶劣的工业环境。

同时该系统以AT89C51单片机为微控制器，由双电容式料位传感器、传感器信号检测电路,CPU及显示电路、报警电路和系统软件等构成。

关键词：

双电容式传感器；单片机；微小电容测量电路；C/V转换电路；报警器

Abstract：

Foodstorageisaneffectivemeasureofnationalpreparednessforwar,famineandotherunforeseenincidents.Sothesafeofthegrainstorageisofgreatsignificance.InresponsetotheneedsoftheLeveldetectionforfoodsstorage,thispaperdescribesanintelligentdetectionsystemwhichisbasedonatwo-capacitancesensor.Theuseofthetwo-capacitancesensortechnologyeliminatestheinterferencefactorsoftemperature,humidityandotherfactorsinthedetectionsystem,whichadaptstotheharshindustrialenvironment.Meanwhile,basedontheAT89C51microcontroller,thesystemaremadeupofthedouble-Levelcapacitivesensor,thedetectioncircuitofsensorsignals,CPUanddisplaycircuits,alarmcircuitsandsystemsoftware.

Keywords:

two-capacitancesensor;singlechipprocessor;Smallmeasurementcircuitofcapacitance;C/Vconvertingcircuit;annunciator

目录

1绪论1

1.1课题背景1

1.2粮仓料位检测的目的和意义1

1.3国内外料位监测的发展现状2

1.4本论文的研究内容2

2电容式料位传感器原理、应用及发展3

2.1电容式料位传感器3

2.1.1电容式料位传感器的基本原理3

2.1.2目前电容式料位传感器存在的问题与不足4

2.1.3电容式料位传感器的改进和其发展趋势5

3粮仓料位智能检测系统5

3.1电容式传感器的设计5

3.2系统设计方案的确定7

4系统硬件电路设计8

4.1正弦激励源电路8

4.2信号检测电路8

4.3数据采集电路设计（A/D）9

4.4显示电路的设计12

4.5报警系统电路设计13

4.6看门狗电路设计14

5系统软件实现15

5.1主程序16

5.2数据采集子程序16

5.3显示子程序17

6结论18

参考文献18

1绪论

1.1课题背景

粮食是国民经济的基础，是关系国计民生的特殊战略物资。

粮食的数量、质量与安全直接关系到国民经济发展和社会稳定的大局。

粮食问题始终是党中央、国务院密切关注的重点问题。

因此，做好粮食储备工作，为促进经济稳定发展创造良好的基础，具有重大的意义。

据专家预测，从现在起到本世纪30年代，中国的粮食和农业的发展，正在进入一个重要的历史时期，人口将要达到高峰期，耕地继续减少到低谷，非耕地资源开发需要投入巨大的资金，人民生活将要进入到富裕阶段，这一时期中国的粮食和农业状况如何，成了举世瞩目的重大问题。

随着国家农业产业政策的不断完善，以及现代科学技术在农业生产中的应用和推广，国家粮食总产量不断突破历史新高。

但国家的粮食储备状况自建国以来却没有得到明显改善，全国80%左右的粮食仍采用原始的存储方式。

每年由于粮食储存不善造成的损耗，几乎抵消了农业的增产。

在这样一种大形势下，国家投资兴建了大型现代化粮库，最大粮库方圆几公里，仓房数很多。

由于大型粮库的规模和其粮仓的容量都是前所未有的，这些因素对粮库的正常运行带来了一些新问题，主要存在问题是如何随时掌握每个仓内粮食的质量变化情况，粮食受温度、湿度及其它因素的影响，可能出现发热、霉变、虫害等情况。

同时在粮食储藏过程中，粮食料位的控制是必不可少的。

料位失控后，就会发生跑粮或塔空，造成粮食损失，热量失散，浪费能源。

同时为了减少粮食储藏过程中的损失，保障粮食的品质和质量，首先应该及时准确地掌握粮食储藏过程中各种物理因素的变化情况，找出其变化规律。

粮情监控系统是利用现代电子技术来实现粮食储藏过程中对粮情变化的实时检测、对检测数据进行分析与预测、对异常粮情提出处理建议和控制措施等，为科学及安全储粮提供技术保证和科学依据。

1.2粮仓料位检测的目的和意义

粮情监控中对粮仓料位高度的实时测量可谓关键技术之一。

料位失控后，就会发生跑粮或塔空，造成粮食损失，热量失散，浪费能源。

储粮的料位主要物理参数是粮食的介电常数、空气的介电常数，这些参数的快速、准确、自动监测对于减少粮食损耗具有重要意义。

粮情监控系统是能够对粮食料位进行连续的自动监测，完成粮食状态的分析与估计的智能系统。

该系统利用计算机构成整个粮食仓储区管理系统，系统设计应具备通讯、数据显示、数据存储、数据分析等主要管理功能。

散粒体颗粒在料仓中存放时具有以下特点:

（1）物料在自然堆积时，存在着堆积倾斜角，因此料面是不平的。

（2）粉料、块料之间有微小间隙，它在受到振动、压力及潮湿时，间隙会产生变化，料位也随之改变。

（3）物料在下落过程中，会产生物料的飞溅、气体的飞扬等现象。

由于料位测量具有以上特点，给精确测量带来困难。

本课题的测量对象除具有上述的特点外，同时还面临高温、水蒸气多和粉尘等恶劣环境的影响，这也是我们选择测量方法的技术关键。

建立粮情监测产品技术应用新体系，应本着一切从国情出发，从实际需要出发，从目前国内的技术水平出发，面向遍布全国各产区和销区粮库的不同仓房类型和功能的粮情检测成套系列化产品，经济实用地满足粮食储藏的不同需求。

针对上述情况，我们采用了具有高可靠性、寿命长、成本低的双电容式智能料位传感器。

该传感器结构简单，安装灵活，可垂直安装在容器内的任意部位，可工作在恶劣的环境中，可减小因温度和湿度造成的测量误差，可减小分布电容和寄生电容对测量结果的影响，不仅适用于金属容器，也适用于非金属容器的粉体、颗粒物料料位的测量。

1.3国内外料位监测的发展现状

要实现对料位高度的在线监测与控制，关键在于能否精确的检测当前料位高度。

近年来，出现了许多新型的料位检测方法，各种料位测量仪也发展很快。

目前物位测量仪表主要有三个发展方向:

非接触测量、物位仪表智能化和小型化、集成化。

同时随着科学技术的发展，以及其它相关领域的最新成果向物位测量方面的移植，使得物位测量仪在一些特殊场合（如高温、高压、高真空等）获得了更广泛的应用，测量精度也有了进一步的提高。

对于物位测量这一领域的研究，外国的起步早，投入的资金雄厚，发展非常迅速，在70年代就取得了瞩目的成就。

到目前为止，国外的许多家公司都研制出具有代表性的一系列功能齐全、自动化程度高、精度高的测量系列与相应产品。

我国的经济发展水平比较落后，各种基础行业的资金投入少，各相关领域发展缓慢，使得物位测量技术、测量方法相当落后，产品自动化程度不高，精度、可靠性、功能等与国外的物位测量水平有很大的差距。

近年来，特别是改革开放的近二十年间，我国的经济技术水平得到了迅猛的发展，国家增加了各基础行业的资金投入，测量技术得到了更新，料位测量发展比较迅速。

例如:

上海自动化仪表五厂、上海集成仪器仪表研究所、北京新大运传感技术公司等科研机构与部门研制开发了开关式和连续式电容料位计、智能超声料ILM232、浮子式物位计和重捶式物位计UZZ-02等，北京集讯系统有限公司开发的LevelPlus液位计，这些产品的性能指标、功能较以前同类产品有很大程度上的提高，但和国外的物位测量仪表相比有待改进[2]。

1.4本论文的研究内容

本系统需要测量物料在粮仓中的存储高度，属于料位测量的范畴，就料位检测方式来说。

测量料位的方法主要有：

电容式、重锤探测式、雷达式、超声波式、激光式、放射性式等。

对料位的智能检测我们采用的是一种新型的双电容式料位传感器，电容式料位传感器测量粮食料位的依据是利用粮食介电常数不同于空气的介电常数,当粮食接触传感器时,引起电容式传感器电容量的变化。

其基本工作原理是电容式传感器把粮食的料位转换为电容量的变化,再由电容量转换位电压通过A/D进行数据采集送入单片机进行控制检测。

有单片机进行检测、显示、记录、报警等并采取相应的处理措施，以确保粮食储藏过程的安全。

电容式料位传感器是根据圆筒电容器原理进行工作的，在实际的料位测量中，一般以物料的容器壁作为电容的一个极，传感器探头固定在容器中作为电容的另一极，其结构如图1-1所示。

图1-1料位传感器测量的结构示意图

利用自动控制技术，选用合适的测试手段和控制方法，建立以单片机为核心的粮仓的料位参数自动监测控制系统。

从而实现粮仓料位的智能化控制，是本课题研究的重要内容。

具体包括以下方面：

（1）硬件系统的设计：

包括单片机监测控制系统的组建，传感器、调控设备及其他元器件的选型；控制电路的设计，显示及报警电路的设计。

（2）软件系统的设计与实现：

包括软件流程图，以及部分软件编程设计（如：

单片机控制的A/D转换程序）。

2电容式料位传感器原理、应用及发展

2.1电容式料位传感器

在现代料位测量系统中，所采用的料位传感器按所测量的物料种类的不同和工矿环境等因素的不同而不同，诸如电阻式、电感式、电容式、超声波式、核辐射式等物位传感器，可谓种类繁多，机理各异。

但在这多种传感器中，并不是每种料位传感器都可用在各种物料与工矿环境中，它们几乎均有一定的适用范围及局限性。

在目前我国的工业物位测量中，电容式料位传感器较其他种类的传感器有较广泛的用途，因为电容式传感器以其灵敏性好，输出电压高、误差小、动态响应好、无自热现象，对恶劣环境的适应性强等优点被很多厂矿等工业物位测量中使用。

2.1.1电容式料位传感器的基本原理　

1.电容式传感器基本原理　

电容式传感器具有结构简单、灵敏度高、动态响应好、价格便宜等优点，可以实现非接触测量，且具有平均效应。

电容传感器可以用来检测压力、力、位移、物位以及振动等沸点参量，是一种应用广泛和有发展前途的传感器[2]。

电容式传感器是把被测的非电量转换为自身电容量变化的一种传感器。

这些被测量是用于改变组成电容器的可变参数而实现其转换的。

电容式传感器的基本工作原理可以用最普通的平行极板电容器来说明。

两块相互平行的金属极板，当不考虑其边缘效应（两个极板边缘处的电力线