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　　摘要：

　　介紹了一種基于STC89C52單片機(jī)的棉花水分檢測儀的組成及工作原理，分析了棉花水分檢測原理，進(jìn)行了系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計(jì)。通過選擇合適電路元件，改進(jìn)設(shè)計(jì)方法，使該檢測儀滿足棉花水分智能檢測的要求。

　　關(guān)鍵詞：棉花；水分；水分檢測儀

　　棉花是世界上最主要的農(nóng)作物之一，是僅次于糧食的第二大農(nóng)作物，也是關(guān)系國計(jì)民生的重要戰(zhàn)略物資。棉花的品質(zhì)在收購、加工、儲(chǔ)存等過程中受到多種因素的影響，特別是超高水分對棉花的質(zhì)量影響很大。因此，棉花水分檢測是棉花各個(gè)環(huán)節(jié)檢驗(yàn)的一項(xiàng)重要內(nèi)容。準(zhǔn)確和快速地測量棉花水分直接影響到棉花收購的質(zhì)量以及后續(xù)的存儲(chǔ)加工等工作。隨著科技的不斷發(fā)展，我國的棉花收購檢驗(yàn)工作正朝著規(guī)范化、儀器化的方向發(fā)展，最終達(dá)到棉花的水分檢驗(yàn)準(zhǔn)確和可靠[1]。

　　目前，在我國大量使用的棉花水分檢測儀，仍停留在早期的研制水平，基本上是最開始所研制的電阻式水分檢測儀，這種儀器存在著體積較大、攜帶不方便、操作繁瑣、數(shù)據(jù)顯示不直觀等缺陷[2]。因此，研制一種操作簡單、便攜式攜帶方便的棉花水分檢測儀器已勢在必行。

　　本設(shè)計(jì)采用STC89C52單片機(jī)為核心，這種單片機(jī)具有高速、低功耗、超強(qiáng)抗干擾等特點(diǎn)，特別適合于便攜式智能儀器的研制，旨在滿足棉花水分智能檢測儀的要求。

　　1 系統(tǒng)的組成

　　便攜式智能棉花水分檢測儀主要由STC89C52單片機(jī)、數(shù)字溫度傳感器DS18B20、電容式水分傳感器、串口通訊RS485、人機(jī)界面顯示與按鍵、電源及電源處理模塊等組成。棉花水分檢測儀的設(shè)計(jì)原理圖，如圖1所示。該棉花水分檢測儀主要包括上位機(jī)和下位機(jī)兩大部分。其中上位機(jī)主要包括電源、電源開關(guān)、按鍵、顯示屏、交直流選擇按鈕等，下位機(jī)主要包括測濕電容及相關(guān)電路、溫度傳感器等。電源包括DC(直流6V)和AC(交流220V)兩種電源，可根據(jù)實(shí)際檢驗(yàn)情況任選其一。該棉花水分檢測儀的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是采用交直流兩用電源，因而擴(kuò)大了儀器的使用范圍，具有攜帶方便、實(shí)用性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)[3]。

　　整個(gè)棉花水分檢測儀的工作原理為：溫度信號(hào)和濕度信號(hào)由各自傳感器輸出，經(jīng)過放大、濾波后輸入到單片機(jī)內(nèi)，經(jīng)過片內(nèi)A/D轉(zhuǎn)換后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，利用通訊接口RS485，將單片機(jī)處理完的結(jié)果送入上位機(jī)以便于數(shù)據(jù)的分析和整理，實(shí)現(xiàn)了單片機(jī)與上位機(jī)即計(jì)算機(jī)的通訊。

　　2 水分檢測原理

　　當(dāng)電容器以棉花為介質(zhì)時(shí)，其電容值隨棉花水分的變化而不同，棉花水分檢測儀就是利用這一特點(diǎn)來進(jìn)行棉花(籽棉)含水率的非電量轉(zhuǎn)換。電容器的電容大小與極板間材料的介電常數(shù)有關(guān)，把被測棉花當(dāng)作電容的中間介質(zhì)時(shí)，其介電常數(shù)取決于棉花中的含水量，通過測量電容的大小就可得到棉花含水量[4]。與此同時(shí)，棉花水分檢測儀的具體檢測效果還受棉花溫度、棉花蓬松程度、棉花含雜率等其他因素的影響。因此，棉花水分的非線性校正和溫度補(bǔ)償是棉花水分檢測儀開發(fā)的技術(shù)關(guān)鍵[5]。本設(shè)計(jì)中的棉花水分檢測系統(tǒng)由待測電容(測量傳感頭)、參考電容、阻容脈沖轉(zhuǎn)換電路、數(shù)字溫度傳感器、單片微機(jī)、RS485通訊模塊等單元組成。工作過程是：待測電容和參考電容分別產(chǎn)生脈沖信號(hào)，脈沖信號(hào)的脈沖數(shù)與電容器的容值負(fù)相關(guān)，一定時(shí)間內(nèi)兩列脈沖序列的脈沖數(shù)之差與待測物料的水分正相關(guān)，單片機(jī)通過計(jì)數(shù)器檢測在一定時(shí)間內(nèi)的脈沖數(shù)之差，將此數(shù)與數(shù)字溫度傳感器產(chǎn)生的溫度測量值一起通過RS485串行總線發(fā)給上位機(jī)即計(jì)算機(jī)[3]。

　　該方法的關(guān)鍵是測量電容，常用的電容測量方法是給電容加上交流信號(hào)后，通過測量電容兩端的阻抗并經(jīng)過換算得到電容值，這種方法需要相應(yīng)的電路和元器件來實(shí)現(xiàn)，主要包括交流信號(hào)發(fā)生電路、交流電橋以及A/D轉(zhuǎn)換器等。這種測量方法存在電路相對復(fù)雜，元器件較多，不適用于便攜式設(shè)計(jì)使用。為了適應(yīng)便攜式設(shè)計(jì)，需要簡化電路，該設(shè)計(jì)中采用充放電電路將電容測量轉(zhuǎn)變?yōu)轭l率的測量[6]。把對敏感電容的測量轉(zhuǎn)化為對輸出信號(hào)頻率的測量，電容隨著棉花濕度的變化而變化，則輸出的信號(hào)頻率也就隨著棉花濕度的變化而變化，從而可以實(shí)現(xiàn)測量頻率就可以得到棉花的含水量[4]。

　　3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　硬件是該檢測儀的主要部分，設(shè)計(jì)的好壞會(huì)直接影響到檢測儀的諸多性能。在硬件設(shè)計(jì)中主要考慮選用一些低功耗和性價(jià)比高的電路元件，同時(shí)要盡量減少所有的電路，以減小檢測儀的體積，也要保證檢測儀良好的性能、較小的電耗和低廉的價(jià)格等。整個(gè)硬件系統(tǒng)分為以下幾個(gè)模塊：

　　(1)信號(hào)采集處理控制系統(tǒng)模塊。包括水分信號(hào)采集、溫度補(bǔ)償信號(hào)采集、壓力補(bǔ)償信號(hào)采集、通信電路(信號(hào)傳遞)和單片機(jī)控制部分。

　　(2)按鍵和顯示控制部分模塊。包括顯示的部分、按鍵部分、上位機(jī)即計(jì)算機(jī)控制部分。

　　(3)電源電路模塊。電源電路主要為系統(tǒng)的各個(gè)子電路提供獨(dú)立電源。

　　本檢測儀的單片機(jī)選用STC89C52RC單片機(jī)，這是一款低功耗、高性價(jià)比的微型處理器。它集成了很多硬件功能，外圍配置簡單、明晰，具有較強(qiáng)的抗外界干擾的能力。本設(shè)計(jì)中溫度傳感器選用DS18B20，這種數(shù)字溫度傳感器接線方便，封裝成后可應(yīng)用于多種場合，如管道式，螺紋式，磁鐵吸附式，不銹鋼封裝式等。具有耐磨耐碰、體積小、使用方便、封裝形式多樣等特點(diǎn)。適用于各種狹小空間設(shè)備數(shù)字測溫和控制領(lǐng)域。該種溫度傳感器可編程的分辨率為9～12位，溫度值的位數(shù)是12位，溫度轉(zhuǎn)換時(shí)的延時(shí)時(shí)間為750ms。

　　4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　根據(jù)檢測儀功能要求和系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)，在軟件部分的設(shè)計(jì)中應(yīng)能完成信號(hào)的數(shù)據(jù)采集、濕度數(shù)字顯示、按鍵設(shè)定以及開關(guān)量的輸出等功能。為此，需要在儀器操作面板上設(shè)置開機(jī)、測量、復(fù)位、結(jié)束和上傳5個(gè)功能鍵[2]，分別實(shí)現(xiàn)不同的功能，實(shí)現(xiàn)智能檢測。

　　為了方便程序調(diào)試和提高軟件的可靠性，本檢測儀的軟件設(shè)計(jì)采用了模塊化程序結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)的整個(gè)軟件包括系統(tǒng)主程序、主監(jiān)控程序、數(shù)據(jù)采集與處理子程序、鍵盤顯示管理子程序等。系統(tǒng)主程序是鍵盤掃描程序，這是一段無限循環(huán)的程序，當(dāng)有鍵按下時(shí)即開始運(yùn)行，沒有鍵按下時(shí)則循環(huán)判斷。主監(jiān)控程序主要功能是完成系統(tǒng)初始化、自檢、中斷管理分配等，通過中斷調(diào)用其他相應(yīng)程序[2]。

　　5 結(jié)論

　　在本設(shè)計(jì)中采用了高性價(jià)比、高性能、低功耗等功能部件，采用了合適的設(shè)計(jì)方法，由此設(shè)計(jì)出的棉花水分檢測儀具有低功耗、低成本、結(jié)構(gòu)簡單、測量準(zhǔn)確、精度較高、性能穩(wěn)定、智能化和使用方便等特點(diǎn)。該棉花水分檢測儀可用于棉花收購、加工、紡織、檢驗(yàn)等各部門對棉花含水量的快速測定。

　　參考文獻(xiàn)：

　　[1]王偉,宗望遠(yuǎn),吳文福,等.基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的棉花水分檢測儀設(shè)計(jì)[J].華中農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2010,29(4):533-536.

　　[2]林敏,于忠得,侯秉濤. HS1100/HS1101電容式濕度傳感器及其應(yīng)用[J].儀表技術(shù)與傳感器,2001,(10):44-45.

　　[3]呂金煥,盧慶林,杜云,等. MWS型微電腦原棉水分測定儀的設(shè)計(jì)[J].西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報(bào),2004,(10) :140-144.

　　[4]胡智宏,鄒琳.便攜電容式棉花含水量測量儀[J].儀表技術(shù)與傳感器, 2008,(7):19-21.

　　(來源：中國纖檢雜志社)