周 攀, 姚啟龍, 沙 文

(安徽大學 電氣工程與自動化學院，安徽 合肥 230601)

0 引 言

含水率是衡量谷物質(zhì)量的主要指標之一，直接影響到谷物的品質(zhì)進而影響其價值。當前，谷物含水率的檢測方法可以分為兩大類，直接檢測法和間接檢測法[1]。直接檢測法是利用物理或化學方法將谷物中的水分移除后，利用前后重量的變化來計算其含水率，方法檢測周期長，實時性較差，不適用于烘干現(xiàn)場的實時檢測;間接檢測法多采用的是碾壓式電阻檢測法，水分儀體積較大、安裝復雜、檢測時需將谷物碾碎，且誤差也較大。目前烘干廠更多的是采用人工每隔一段時間使用量杯進行測量，費力費時。本文提出一種基于FDC2214的烘干機水分實時檢測系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計

系統(tǒng)主要包括主控模塊、電源模塊、溫度采集模塊、電容測量模塊和RS—485電路。采用了STM8為主控芯片，具有UART，SPI和I2C通信接口，簡化了代碼編寫難度。由于谷物含水分量不同，從而使電容傳感器的相對介電常數(shù)發(fā)生變化[2]，進而在通過方形電容式傳感器腔體時引起了其電容值的變化，芯片通過I2C接口讀取FDC2214的數(shù)據(jù)以獲得方形電容式傳感器的電容值，再通過SPI接口驅(qū)動MAX6675讀取K型熱電偶的溫度值，芯片內(nèi)部對原始數(shù)據(jù)進行處理得到實際水分值，最終通過UART再經(jīng)由RS—485電路上傳至上位機。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

2.1 STM8主控單元

STM8主控單元負責通過SPI和I2C讀取溫度和電容數(shù)據(jù)，同時將數(shù)據(jù)經(jīng)過處理得到谷物含水率，再將處理結(jié)果通過UART接口發(fā)送至上位機。STM8主控單元的硬件設(shè)計原理圖如圖1所示，這里將NRST復位引腳通過上拉電阻直接拉高，使芯片始終處于工作狀態(tài)。

圖1 STM8主控單元

2.2 溫度采集模塊

MAX6675是美國MAXIM公司生產(chǎn)的帶有冷端補償、線性校正、熱電偶斷線檢測的串行K型熱電偶模數(shù)轉(zhuǎn)換器[3，4]，其溫度分辨率為0.25 ℃，冷端補償范圍為-20～+80 ℃，工作電壓為3.0～5.5 V，采用SO—8封裝，體積小，可靠性高，滿足本系統(tǒng)的設(shè)計要求。溫度采集原理圖如圖2所示。

圖2 MAX6675溫度采集原理

2.3 電容測量模塊

系統(tǒng)采用了方形電容式傳感器，形狀如圖3所示，將其安裝在烘干機外壁上，烘干時谷物填充其中，由于谷物含水率的不同，使介電常數(shù)發(fā)生變化，引起了電容值的改變，STM8使用I2C接口通過FDC2214便可直接讀取出其當前電容值。

圖3 方形電容式傳感器

FDC2214芯片是由德州儀器(TI)推出的一種高分辨率多通道電容感測集成電路產(chǎn)品，其不受來自無線電、電源、光照和電機等環(huán)境噪聲的影響[5]。針對噪聲敏感性，由于其采用了創(chuàng)新型抗EMI架構(gòu)，即使在高噪聲環(huán)境中也能維持性能不變，適用于烘干廠這樣的復雜場景。

2.4 RS—485電路

RS—485多采用的是二線制接線協(xié)議，在同一總線上最多可以掛載32個節(jié)點，采用差分方式來傳輸信號，能夠有效抑制共模干擾，電壓差在+(0.2～6)V時表示邏輯高，在-(0.2～6)V時表示邏輯低。在烘干廠復雜的現(xiàn)場環(huán)境下，能夠提高通信的可靠性。其最大傳輸速度可達到10 Mb/s以上，滿足本系統(tǒng)的速度要求。設(shè)計系統(tǒng)使用典型的MAX485芯片構(gòu)成了RS—485電路[6]，其原理圖如圖4所示。

圖4 RS—485電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

單片機程序使用了KEil5開發(fā)環(huán)境，直接調(diào)用了庫函數(shù)，降低了編寫難度。程序功能主要包括電容測量部分、溫度采集部分以及Modbus協(xié)議的實現(xiàn)。上位機的使用了亞控科技的組態(tài)王KingView6.55，并基于Modbus-RTU協(xié)議進行開發(fā)。

3.1 單片機程序設(shè)計

設(shè)置中斷分組，初始化SPI，I2C和UART后，開啟1 ms定時器中斷和300 ms定時器中斷，分別供Modbus協(xié)議和MAX6675(兩次溫度采集需要間隔200 ms以上)使用。主程序中做300 ms每次的電容值和溫度采集，經(jīng)過預先已經(jīng)建立好的數(shù)學模型得出對應的含水率，收到上位機的讀取命令后將數(shù)據(jù)通過UART經(jīng)由RS—485回傳給上位機，一次處理流程結(jié)束。

3.2 上位機設(shè)計

上位機基于組態(tài)王KingView開發(fā)而成，使用了Mod-bus-RTU協(xié)議，實時顯示由單片機上傳的溫度值、電容值和經(jīng)計算得到的含水率，并通過“歷史趨勢曲線”控件繪制成圖，方便直觀的觀察，也同時將數(shù)據(jù)以.excel的數(shù)據(jù)格式保存在“歷史數(shù)據(jù)報表”控件中，方便后期的數(shù)據(jù)分析與處理,如圖5所示。

圖5 上位機界面

4 系統(tǒng)測試

4.1 實驗環(huán)境

在經(jīng)過肥西縣某烘干廠采集大量數(shù)據(jù)并分析得到含水率數(shù)學模型后，為了進一步檢驗該系統(tǒng)的準確性，聯(lián)系了另一家烘干廠進行測試，替換了其原先的電阻式水分儀，進行了一次為期約14 h的烘干實驗。為了避免偶然性，此次驗證實驗使用了2臺烘干機同時進行測試。

4.2 測試結(jié)果分析

在烘干機進糧完成后，記錄此時的電容值作為基準頻率，此后上位機每隔1 min記錄一次電容值、溫度值和計算得出的含水率，并繪制成圖以供觀察，并記錄成表以便后期數(shù)據(jù)處理。人工每隔45 min使用量杯測量一次水分值，記錄成表，待烘干結(jié)束后和系統(tǒng)計算值進行比對。兩臺烘干機的系統(tǒng)測量含水率和人工量杯測量含水率對比如圖6所示。可以看出:隨著烘干的進行，兩者的水分總體上呈下降趨勢，符合實際情況。通過對比數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，兩者含水率的差值在0.5 %以內(nèi)，可以替代人工使用量杯進行測量，達到系統(tǒng)設(shè)計預期要求。

圖6 系統(tǒng)計算和人工量杯測量的水分對比

5 結(jié) 論

通過實驗表明:基于FDC2214的烘干機水分實時檢測系統(tǒng)運行穩(wěn)定，準確率高，精度在0.5 %以內(nèi)，滿足實際使用要求，降低了人力工作量，提高了生產(chǎn)效率，可適用于谷物存儲、烘干過程中的水分實時檢測等應用場景。后期可使用工控屏替代上位機，真正應用于實際生產(chǎn)環(huán)境。