【植物叶片含水率检测仪的硬件和软件设计案例5700字】

目录 1 1 2 2 41.1.1微小电容检测电路的比较与选择 41.1.2RC振荡式电容检测电路的设计 7 10 11 12 12 13 13 14 14 14 14 15 15 16 17 17 18 18 19 19 19 20 21本章基于电容检测法，设计了植物叶片含水率检测仪的硬件系统，并依据模块化的设计思想，将检测系统的硬件划分为信号釆集模块、信号处理模块和显示模块，并分别完成各个模块的设计与调试，最后将各个模块组合后进行系统调试，完成硬件系统的整体设计。如图3-1所示，该检测仪硬件系统主要包括AT89S52单片机、电容传感器、电容信号检测及调理电路、压力传感器、压力信号检测电路以及湿度和温度传感器、键盘、液晶显示器和电源模块等。电容监测与调理电路电源检测电路键盘液晶显示器电源供电电路压力监测与调理电路压力传感器湿度传感器温度传感器A/D转换模块图3-1硬件系统框图微控制器模块包括复位电路、晶振电路和程序下载电路，并与各功能模块连接，用于实现系统的正常工作。电源模块实现系统的供电，并时刻监视微控制器工作电压，避免系统欠压工作。电容传感器完成电容信号的采集，经信号检测及调理电路后转化为脉冲信号送给微控制器处理运算。在经过压力传感器、A/D转换模块完成模数转换，根据转换后的数字量计算出极板对叶片的压力。根据前期试验得到关系式计算含水率。键盘和液晶显示器是检测仪的输入输岀模块，以实现功能的输入和检测结果显示。植物叶片厚度比较薄，叶片内部组织构成也有其自身的特殊性，用游标卡尺分别测量玉叶片的厚度为0.11-0.18mm,为了避免实际测量过程中叶片受到损伤，本文自行设计了叶片夹持装置，如图3-2。666571.压力传感器2、2.垫片1.电容传感器5,螺母6.螺杆7.支撑架图3-2叶片夹持装置结构图（1）电容传感器的选择与设计常用于含水率检测的电容器，根据其极板结构主要分为以下两种：平行极板结构和同芯圆柱结构。因为叶片的形状，决定使用平板电容器，其电容值为（3-1）一极板面积，m2一为极板间距，m—真空介电常数，8.854×10-12F/m一相对介电常数，F/m由公式（3-1）可知，叶片电容的相对变化ΔC/C与相对介电常数的相对变化沿呈线性相关。因此，我们可以间接得出电容值的变化。（2）压力传感器的选择结合植物叶片自身的特点，选择超薄型FSR力敏电阻式传感器。FSR并不是测压元件或形变测量仪，而是Interink公司生产的一款高分子聚合物薄膜（PVDF薄膜），具有重量轻，纤薄轻柔小巧等特点，能将施加在传感器薄膜区域的压力变化转换成电阻值的变化，其输出电阻值随作用于传感器表面压力的增大而增大，测力范围为0.1-100N。本文选择FSR402型传图3-3FSR402压力传感器测量时，将植物叶片放入电容传感器上、下极板间，通过旋转螺母调节上、下极板的间距以及改变上、下极板对植物叶片压力。由压力传感器感知该压力，由电容传感器测量此压力下植物叶片的电容值，由微处理器获取检测信号并进行处理运算。根据叶片种类与厚度的不同，适当控制螺母的旋转幅度，避免极板对叶片造成损伤。1.1.1微小电容检测电路的比较与选择本文设计制作的电容传感器的电容变化量很小,输出信号比较微弱，放入叶片后测量结果仅为几十到几百个pF,属于微小电容。目前，常用的微小电容检测方法有直流充放电式电路、交流电桥式电路、脉宽调制式电路和电容/频率转换式电路o（1）直流充放电电路如图3-4所示该电路的基本测量原理是采用两组频率相同的脉冲信号控制COMS开关S1-S4的通断，实现对被测电容C进行重复的充放电过程，其中S1和S4同步,S2和S3同步，该电路最终得到一个与被测电容呈线性关系的输出直流电压U,因此通过计算输出电压可以得出被测电容值。图3-4直流充放电电路直流充放电电路能有效地抑制杂散电容，但存在漂移；另外采用COMS电子开关，对被测电容产生注入电流，使得被测电容量减小，对测量结果影响较大。（2）交流电桥式检测电路如图3-5所示，当被测电容发生变化，Cx/C时，电路存在输出电压Uo,因此，根据输出电压的变化可测出被测电容Cx的变化。图3-5交流电桥检测电路（3）脉宽调制电路脉宽调制电路主要由电压比较器、双稳态触发器、充放电回路和低通滤波电路组成。如图3-6所示。图中CX和C中有一个为电容传感器电容，另一个为已知电容，利用两个电容的差异使充电时间不同，从而使双稳态触发器输出端的脉冲宽度不同而产生输出，可以直接获得直流输出，脉宽调制电路的稳态输出值为（3-2）可由式（3-2）推出（3-3）图3-6脉宽调制检测电路（4）振荡式电容检测电路该电路将电容信号转换为频率信号输出，经鉴频器和滤波器处理后，可直接根据输出的频率信号来计算电容值，也可将频率信号转换为电压信号在进行检测。振荡式电容检测电路具有结构简单，灵敏度高，抗干扰能力强等优点，且转换后的频率信号容易于采集和处理。图3-7振荡式检测电路本文所设计的电容传感器电容信号较小，且考虑到所设计检测仪的便携性，要求测量电路尽可能简单，易于实现，并且具有较高的稳定性和灵敏度、良好的线性度，对比以上几种检测电路，本文选用RC振荡式电容检测电路。1.1.2RC振荡式电容检测电路的设计（1）振荡芯片的选取振荡电路结构简单，可由集成门电路、555时基芯片和信号发生器芯片等构成。根据不同的使用条件与精度要求，自行选择所需的振荡芯片。MAX038就是一款常用的高频精密函数信号发生器IC,频率范围从0.1Hz-20MHz,占空比和频率均可单独调节，波形失真小，因此价格较为昂贵。且该芯片产生的频率信号过高，需要设计相应的分频电路，且该芯片采用±5V双电源供电，在便携式仪器上的实现上较为复杂。经比较，本文选择性能稳定，价格便宜，且实现比较方便的NE555芯片构成振荡回路，将电容信号转化为脉冲信号。（2）电容检测及处理电路的设计555系列IC的接脚功能及运用都是相容的，本文选择555系列中的NE555芯片构成振荡电路，该款芯片振荡频率范围宽，且稳定性较高。表3-1列出了NE555各引脚的功能。表3-1NE555引脚功能引脚引脚符号功能1GND接地2Trigger触发NE5553Output输出4Reset通常被接到正电源或忽略不用5Controlvoltage准许由外部电压改变触发和闸限电压6Threshold重置锁定并使输岀呈低态7Discharge放电8VCC电源本文所设计电容检测及处理电路由C/F转换电路和信号处理电路组成，如图3-8所示，C/F转换电路以NE555为核心，将平行板电容传感器作为外接电容Cx接入电路，釆用施密特触发器对此频率信号进行鉴幅、整形。图3-8电容检测电路多谐振荡器的放电时间常数分别为(3-4)(3-5)振荡周期T为(3-6)振荡频率f为(3-7)预研究发现，平行板电容传感器中放入植物叶片前后，传感器的输出电容范围为50-800pF。而NE555芯片的振荡频率为0-500kHz,为使NE555的工作性能最佳，取Rl=5kΩ,R2=22.5kΩ。为了消除漂移，在电路中接上C1和C2。由于C1远大于Cx,串联结果约为Cx,所以TRIG引脚的电容C约为(3-8)故电容传感器的输出信号Cx经该转换电路后输出信号的频率f为(3-9)在已知f、R1、R2和C2的条件下，根据式（3-9）,在后续软件开发中编写相应的电容计算子程序即可求岀Cx。（3）信号处理电路NE555的输出的矩形脉冲在传输中经常发生畸变,施密特触发器可以鉴幅和整形的作用，如图3-9所示。上升沿和下降沿不理想的情况，施密特触发器整形后，可获得较理想的矩形脉冲，如图3-10所示。图3-9脉冲鉴幅图3-10脉冲整形选择具有施密特触发功能的芯片74LS132对NE555输出的频率信号进行鉴幅整形。74LS132为四输入与非门，当芯片工作电压VCC为5V时，芯片工作参数如表3-2所示。表3-274LS132工作参数符号参数名称参数值（典型）Vt+正向阈值电压1.6VVT.负向阈值电压0.8VVT+-VT-滞后电压0.8VVO输出电平1.4V经检测NE555输岀的脉冲信号幅度为1.0-1.8V,满足74LS132正常工作的阈值电压要求，该信号经脉冲鉴幅整形电路处理后，得到的频率信号与原来信号频率相同，且输出脉冲信号幅值基本恒定，便于信号的后期处理。由于该信号为数字信号，微控制器可直接对此频率信号进行读取，由自制的5V精密稳压源为提供电容检测及施密特触发电路提供工作电压。结合植物叶片自身的特点，选择超薄型FSR电阻式压力传感器。压力检测电路如图3-11所示，AT89S52单片机所能处理信号的最大幅度为5V,运算电路的参考电压不宜过高，经过前期试验，选择5v作为压力测量电路的参考电压Urefo压阻式压力传感器FSR402的电源端接参考电压Uref其输出端接运算放大器LM324的反相输入端，此时LM324的输岀电压U0（3-10）式中，——LM324的输出电压，V——参考电压，V——不同压力下FRS402的输出电阻，Ω——LM324的反馈电阻，Ω由式（3-10）可知参考电压与输出电压或极性相反，的大小决定了输出电压的变化幅度，为保证芯片工作性能最佳，反馈电阻取2KΩ根据FSR压力传感器数据手册，传感器的阻抗值与所承受的压力存在着特定的关系，由式（3-10）可知，输出电压与压力传感器的阻抗值秩成反比例关系，故通过测量输出电压就可以间接地获取压力传感器所承受的压力。图3-11压力检测电路微控制器是系统的正常运作的核心部分，结合本文的设计目的和应用范围，选择AT89S52单片机作为微控制器。如图3-12。本次设计是用AT89S52单片机为核心，所以我们要先对AT89S52的各个引脚及其功能有一个全面的认识。图3-12AT89S52单片机引脚图本文选用QC12864B液晶显示模块。如图3-13。图3-13QC12864液晶显示电路本检测仪采用2x4矩阵式键盘，R3和R4为上拉电阻。矩阵式键盘占用I/O口较少,通过检测行列相应的I/O口的电平状态判断键盘是否按下。每个按键对应一个相应程序,实现指定功能。主要包括开/关键、植物叶片种类选择键、含水率测量键、显示信息选择键、数据保存/传输键和使用方法简介键用全桥整流电路进行整流，,基于单片机和硬件系统要求,选用固定输出线形稳压集成器LM78H05。该稳压器的输入电压VIN在7V～35V的范围变化,输出电压可保证为5V输出和A/D转换芯片TLC549的电源电压，如图3-14。图3-14电源电路设计MAX809在电池供电的设备中应用较为理想。为此本文将MAX809与微控制器连接，如图3-15所示,实现微控制器工作电压的实时监测。图3-15电源检测电路jaja采用TLC549转换芯片，用于实现模拟量向数字量的转换。AD590温度传感器如3-16。图1.16AD590的电路原理图采用了HIH-3610相对湿度传感器，湿度信号进行放大，经过A/D转换输入到单片机。电路连接图如图3-17所示。图1.17湿度检测模块与单片机的连接图本设计采用TLC549与单片机AT89S52相连实现电信号的转换与采集，TLC549具有转换误差小，与单片机接口简单的特点，连接图如下图1.18所示。图1.18TLC549与AT89S52的连接图jaja本章首先设计了植物叶片含水率检测仪的总体硬件系统方案，进而采用模块化设计的方法，逐一完成个单元模块的设计与调试。在比较了若干种常用微小电容检测电路的优缺点后，选择振荡式式电路为仪器的电容检测电路，在此基础上设计了电容检测模块等。最后，在完成各模块电路的设计以及整体系统调试。这一章主要对检测仪的软件系统进行设计和编写，合理的软件设计方法不仅可以节约软件设计的时间，同时可以提高仪器的工作性能。同硬件系统一样，本文的软件设计亦采用模块化的设计方法，采用C语言编写，开发软件为ARsystemo基本思想是在系统主程序的框架下，分别编写键盘扫描子程序、电容检测子程序、模数转换子程序、含水率计算子程序、液晶显示子程序等，并对软件系统进行调试。系统主程序模块主要完成检测仪的初始化以及其他各个功能模块的调用，检测仪软件系统主程序流程如图4-1所示。图4-1系统主程序流程图如图4-1所示，设置软件系统主程序定义及各模块和寄存器的初始化之后。主程序执行的是一个按键循环扫描的过程，有键按下时，执行对应的按键功能程序，并顺序执行后面的程序，完成压力传感器压力值的获取，电容传感器电容值的获取，根据含水率计算子程序计算相应的含水率，并显示其测量结果。本文设计含水率检测仪采用2x4矩阵式键盘，主要包括开/关键、植物叶片种类选择键、含水率测量键、显示信息选择键、数据保存/传输键和使用方法简介键等。为了实现检测仪各个按键的具体功能，编写了相应的键盘扫描子程序，根据扫描结果执行相应的功能实现程序，每个功能实现程序段对应一个按键的特定功能操作。在增加或者改变相应的按键操作时，只需添加或者修改所需要的程序代码。如图4-2所示。图4-2键盘扫描子程序流程图电容采集子程序设计流程如图4-3所示。利用AT89S52单片机的定时器A检测脉冲信号（即C/F转换电路的输出信号），应用定时器B定时Is,Is内采集的外部脉冲数，即为C/F转换电路输出信号的频率，根据式（3-9）将频率转换为电容值。图4-3电容采集子程序流程图含水率计算模块是检测仪软件系统设计的一个核心模块，此部分子程序的设计直接关系到仪