基于AVR单片机的谷物水分检测系统

1、图1系统结构框图Fig.1Thechartofsystemstructure基于AVR单片机的谷物水分检测系统摘要:提出了一种米用ATmega16单片机和电容式传感器测量谷物水分含量的方法，详细地论述了谷物水分检测系统的工作原理及结构设计，介绍了电容式传感器的原理及应用电路，通过蜂鸣器报警电路和液晶显示电路显示谷物的水分，当超标时进行报警。关键词:谷物水分检测;电容式传感器;ATmega16;报警电路中图分类号:S226.6;S126文献标识码:A文章编号:1003188X(2010)060183030引言谷物的干燥过程是谷物安全储存的重要环节，其流程是原始谷物经过处理后送入干燥塔再经过预热、

2、干燥、缓苏及冷却等过程，达到储存要求的安全水分含量。在此流程中谷物水分含量的检测是必不可少的常规检测。谷物水分检测米用比较多的方法为用牙咬判断，这种方法准确度不高，也无法使谷物干燥过程实现自动化;也有米用电阻测试法测量谷物水分的，但取样数量较少;还有米用红外测试法在某一测量范围能达到精度，但整个范围精度不高。这几种方法都不能较理想地实现谷物的连续干燥测量。本系统米用电容式双传感器的方式测量谷物的水分含量，可实现谷物水分的快速动态测量。1系统组成及工作原理系统由入口谷物水分检测传感器、出口谷物水分检测传感器、大型干燥设备、调速控制电路、报警电路、液晶显示以及上位计算机等组成，如图1所示。入口和出

3、口谷物水分检测传感器在线检测谷物颗粒的水分，并将水分值以电容信号的形式提取后转换成电压信号形式输出。经过信号放大处理后，由ATmega16单片机内部的A/D进行转换，实现对信号的处理，然后经过D/A转换，输出标准的电流信号。输出的信号传输至调速控制电路，并与标准信号比较后输出控制干燥设备机器的转速，从而对谷物水分的干燥进行自动控制。系统可通过串口与上位计算机进行通信，以实现计算机显示和输出打印等功能，同时液晶显示部分也可对入口和出口的谷物水分含量进行实时显示。如果出现出入口处谷物水分含量超标、风热温度超标及干燥设备停机等情况，报警器可进行自动报警。报警部分上位计算机液晶显示2电容式传感器原理及

4、电路电容式传感器1，4测量谷物水分是由于干燥谷物的相对介电常数远小于水，而含水谷物的相对介电常数是介于干燥谷物和水之间，谷物水分含量的高低直接影响谷物介电常数以谷物作为电容器的极间介质，当电容器的极板面积A和极板间的距离d保持不变时，通过测量电容器的电容值变化即可测定谷物的相对介电常数值，由此可获得被测谷物的含水量。2.1电容式传感器测量原理电容式传感器采用的圆柱形结构如图2所示。圆柱体内芯为柱状绝缘实体，与圆柱外壁间形成电容传感器的双电极，圆柱体底部与外壁间留有一定间隙，以保证谷物的流动，并充满圆柱体。图2中，R为电容传感器外筒的内径，r为电容传感器内筒外径，L为传感器放入介质的高度。设电容

5、器两极板所带电荷分别为+q和-q,忽略边缘效应（LR-r），电荷均匀分布在内外两圆柱面上，圆柱每单位长度所带电荷的绝对值X=q/Lo因为圆柱电场的轴对称性，所以两圆柱间离圆柱轴线距离S处的电场强度E为TOC o 1-5 h zE=X/（2n0s）（1）因此，两极板间的电势差为U=UU=REds=R-ds=QIn-（2）12rr2neS2ne厶r由电容的定义可得到传感器的电容为C=q/u=20L0RIn杲r当放入介电常数为的谷物时，相对介电常数为兮时，有C=C=2肛丿L（4）r0汕r由此可见，传感器电容的变化与谷物的相对介电常数成线性关系，而相对介电常数随谷物所含水分而改变，因此可得到谷物的水分

6、含量。介质空腔外电极内电极图2电容式传感器结构图2.2电容式传感器检测电路电容式传感器检测电路采用脉冲宽度调制电路。该电路利用传感器电容的充电和放电的原理，使电路输出脉冲的占空比随电容传感器的电容量变化而发生变化，通过低通滤波器可得到对应于被测量变化的直流信号。电容式传感器检测电路如图3所示电容式传感器检测电路由比较器A1和A2、双稳态触发器、电容充电、放电回路及低通滤波器所组成。其中，Cx为电容传感器。脉冲宽度调制电路具有线性输出，无需解调器即能获得直流输出的特点。R1COeK3YD2半匕图3电容式传感器检测电路3A/D和D/A转换电路ATmega16有8通道10位逐次比较的ADC模数转换器

7、，ADC通过逐次比较方式将输入端的模拟电压转换成10位的数字量。它能够对PA端口作为输入引脚的8路单端模拟输入电压进行采样，可直接把电容式传感器输出的模拟量接入ATmega16的PA6和PA7引脚上，并分别对入口电容传感器和出口电容传感器的模拟量进行转换。D/A转换芯片采用美国ADI公司的AD421高性能数模转换芯片。它由电流环路供电，16位数字信号以串行方式输入。AD421主要由电压调整器、数模转换器和电流放大器组成，电压调整器由一个运放、带隙基准和外接耗尽型FET调整管构成。电压调整器从电流环路中获取电流，并给AD421及其他器件提供电流。AD421的连接如图4所示。C1UmDRIVEIt

8、MWpJ电将卞:丄COMeoosioREFIN0DATA0CLOCKLATCHOH為接外那电砧60-*REFREFOUTSOUTlALM21DM盯DJCOJU-O-ClpCOMF图4AD421连接电路图4显示和报警电路ATmega16单片机与液晶LCD1602的连接采用4位并行数据传输的方式，仅用到液晶的4根数据线；ATmega16单片机的PB0-PB3连接液晶LCD1602的高4位数据线；PB7连接寄存器选择位RS,以控制单片机对数据寄存器或是控制寄存器的操作;PB6连接读写控制位R/W；PB5连接使能端E；液晶的VDD端连接5V的电源；VSS端连接地；VEE端通过连接一个510欧的电阻接地

9、用以调节背光;报警电路采用蜂鸣器连接到Mega16的PCO上，实现蜂鸣报警。显示电路连接图如图5所示。ILCD1LIJ16L曲宙ETPCD：LPCWDAXTAL1卩CZTCKXTAL2flcanusFPODCtlPGI/TDOPCWDiPC6HQSC1FraWpDCJPCT/TOSC2PClWXD卩PD1ZRDPMMDC5PDNrro卩新曲DGTPDjINTIPDIOC1IPD5QC-1ftPHimPDEHCP1Plff2INMNT2PDTJQC2PffMIN1J3CDPBS/UO$I叭IIISOAfiEFPI7SCKwvcc2221T151613尹2132ATIIBGA16图5显示电路连接图

10、图6程序流程图5软件设计根据系统硬件的连接及功能，其程序的流程图如程序开始后初始化一些寄存器的值，中断服务子程序中放置报警服务程序，循环调用显示、读电容水分传感器程序，当超过设定值时进入到中断服务程序报警。6结论1）谷物水分检测系统与传统的牙咬或手感判断的方法相比，提高了检测谷物水分的准确度，同时也提高了谷物在干燥过程中的自动化程度。2）与电阻的方法测量谷物水分相比，克服了其采样数量较低的缺点，同样也可提高测量的精确度，使系统的重复性较好。3）与红外方法测量谷物的水分相比，在整个测量范围都有较高的测量精度，不会出现某一个范围具有较高的测量精度的现象。4）实验表明，采用电容式传感器方式测量谷物的

11、水分，不但可实现谷物水分的快速测量，而且还能较准确的测量出大范围的谷物的水分含量。参考文献:张永林谷物干燥实时在线智能水分测量系统J.农业工程学报，2007,23（9）：137-140.马潮.AVR单片机嵌入式系统原理及应用实践M.北:北京航空航天大学，2003:71-99.李群芳单片机原理、接口及应用M.北京:清华大学出版社，2005:67-212.王洪明粮食烘干在线水分监测系统的研究设计J.农机化研究，2003（3）:103-104.TheMeasuringMoistureContentofGrainBasedonAVRLiZhang，YuanYijun（PhysicsScienceandEngineeringCollege，YichunUniversity，Yichun336000，China）Abstract:AmethodformeasuringmoisturecontentofgrainwaspresentedbasedonATmega16andcapacitivesensor.Thestructuraldesignandtheoperatingprincipleofsystemwereexpounded，theprincipleandtheapplyingcircuitofcapacitivesensorwasi