基于單片機(jī)的畢業(yè)的水分測試儀

1、水分測試儀1 引言糧食中的水分按物理性質(zhì)可分為結(jié)合水 (結(jié)晶水) 和游離水 (自由水) 。結(jié)合水是在糧粒生長過程中自然形成的 ,存在于糧 食細(xì)胞內(nèi)與糧粒內(nèi)親水物質(zhì)結(jié)合得很牢固 ,性質(zhì)很穩(wěn)定 ,難以解 吸 ,結(jié)合水不參加導(dǎo)電 ;游離水是通過物理吸附作用凝聚在糧食 內(nèi)部的毛細(xì)管內(nèi)和分子間隙中的水分 ,它具有普通水的導(dǎo)電性 質(zhì) ,平時檢測指示的水分指的是游離水 。如果不加選擇地購進(jìn) 和儲藏糧食 ,必然會影響糧食的儲藏周期 , 導(dǎo)致糧食的過早發(fā) 霉 、變質(zhì) 、腐爛 ,因此必須時刻在意糧食的水分含量 ,本文根據(jù)糧 食的介電特性 ,利用凌陽科技公司的 SPCE061A 單片機(jī)的快速運(yùn) 算與處理數(shù)據(jù)的能力和

2、語音功能的特點(diǎn) ,設(shè)計了完整的測試方 案 ,它具有低功耗 、便于攜帶 、具有語音提示功能 、操作方便 、人 機(jī)界面友好等特點(diǎn) ,可廣泛地應(yīng)用于糧食的調(diào)撥 、征購 、儲藏 、加 工等環(huán)節(jié)中 。2 SPCE061A 單片機(jī)簡介SPCE061A 是臺灣凌陽科技公司推出的一款以 nS PTM 為核心的基于 SOC ( System On Chip) 技術(shù)的 16 位單片機(jī) 。SPCE061A 中包括 2 K 字節(jié)的 SRAM 和 32 K 字節(jié)的閃存 ROM ; 32 位可編程 的多功能 I/ O 端口 ;兩個 16 位可編程定時器/ 計數(shù)器 ;14 個中斷 源 ,兩級優(yōu)先級 ,三種中斷類型 ;327

3、68Hz 實(shí)時時鐘 ;低電壓復(fù)位/ 監(jiān)測功能 ;可編程的看門狗功能 ; 7 通道 10 位 A/ D 輸入和單通 道內(nèi)置麥克風(fēng)放大器和自動增益控制 AGC 功能的聲音 A/ D 轉(zhuǎn) 換器 ;雙通道 10 位 D/ A 音頻轉(zhuǎn)換器 ; 具有 ICE ( In Circuit Emula2 tion) 接口 , 能夠方便的實(shí)現(xiàn)在線仿真和程序的下載 ; SPCE061A 在 2. 63. 6V 工作電壓范圍內(nèi)的工作頻率范圍為 0. 3249.152MHz ,較高的數(shù)據(jù)處理速度使 SPCE061A 能夠非常容易地 、快 速地處理復(fù)雜的數(shù)字信號 , SPCE061A 能夠?qū)崿F(xiàn)用于處理數(shù)字 信號的 16

4、位 3 16 位的內(nèi)積運(yùn)算 ,因此非常適合于數(shù)字語音識別 和應(yīng)用領(lǐng)域 。凌陽的指令系統(tǒng)采用精簡指令集 ,它以字為單位 , 從而格式緊湊 、靈活 ;執(zhí)行時間短 。由此可見 ,SPCE061A 是一款 以單片機(jī)的價格獲得 DSP 處理速度的具有高性價比的單片機(jī) 。3 系統(tǒng)軟硬件設(shè)計3 . 1 系統(tǒng)的硬件設(shè)計系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)圖如圖 1 所示 :圖 1 硬件結(jié)構(gòu)圖數(shù)字溫度傳感器采用 DALLAS 公司的單總線器件 DS18B20 , 用于補(bǔ)償環(huán)境溫度對糧食內(nèi)部水分的影響 ,環(huán)境溫度直接以“一 線總線的數(shù)字方式傳輸 , 省去了溫度傳感器的放大處理等環(huán) 節(jié) ,大大提高了系統(tǒng)的抗干擾性 ,適合于惡劣環(huán)境的現(xiàn)場

5、溫度測 量 。同時它只占用單片機(jī)的一個端口 ,節(jié)約了系統(tǒng)的硬件資源 , 因此具有較高的性價比 。糧食水分的測試通常采用電阻法和電容法 ,由于非金屬干 燥物質(zhì)的電阻很大 ,通常能到達(dá)幾十到幾百兆歐 ,要使這樣大的 電阻流過電流必須在檢測電極兩端加上高電壓 ,即使這樣獲得 的電流也只是微安級的 ,必須要經(jīng)過放大等處理措施 ,因此用電 阻法檢測獲得的測量信號微弱 ,影響測量精度 。本電路采用電 容法進(jìn)行測量 , 經(jīng)過實(shí)驗(yàn)的反復(fù)驗(yàn)證 ,水分傳感器采用圓柱形 容器測量糧食的含水量比平板式容器要準(zhǔn)確些 ,操作也較方便 , 測量值受邊緣效應(yīng)影響較小 。信號調(diào)理電路采用 555 芯片構(gòu)成 的非重復(fù)觸發(fā)的單穩(wěn)觸

6、發(fā)電路 ,如圖 2 所示 :圖 2 信號調(diào)理電路糧食中的水分含量越大 ,糧食的介電常數(shù)就越大 ,電容值就 越大 。電容與水分存在一定的函數(shù)關(guān)系 ,同時在單穩(wěn)觸發(fā)電路 中 ,輸出的脈沖寬度 Tpo = RCln3 ,其中 C 就是要測的電容值 ,因 此水分與脈沖寬度存在函數(shù)關(guān)系 ,只要測出脈沖寬度就可獲得 糧食水分的含量 。信號的采樣波形如圖 3 所示 。脈寬的測量由 單片機(jī)的外中斷和定時中斷來完成 ,由于 SPCE061A 的 EXT1 和 EXT2 均為負(fù)跳沿觸發(fā)中斷 , 因此在 555 的輸出端加一級反相 器 , EXT1 中斷采樣輸出信號的上跳沿 ,然后再經(jīng)過一級反相器 , EXT2 采

7、樣輸出信號的下跳沿 。兩者采樣的時間差就是脈沖寬 度 。時間差的計算可由單片機(jī)的定時中斷來實(shí)現(xiàn) , 在 EXT1 的 中斷程序里開啟定時中斷 , 在EXT2 的中斷程序里關(guān)閉定時中。電路中的同步觸發(fā)信號來自單片機(jī)的輸出控制端口使采樣和計時保持同步 ,提高系統(tǒng)的測量精度 。圖 3 信號采樣波形為了降低功耗 ,系統(tǒng)采用圖形點(diǎn)陣式 LCD 顯示 。相應(yīng)的數(shù) 據(jù)線和控制線與 SPCE061A 的 16 位并行 A 口連接 ,用來顯示測 量的糧食的種類 、每次測量的數(shù)值 、次數(shù) 、平均值 ,以及測量的修 正值 。整個人機(jī)界面清晰 、明確 。按鍵輸入局部由品種選擇鍵 、修正值輸入鍵 、保存鍵 、測試 鍵

8、、平均鍵 、去除鍵等組成 ,根據(jù)需要 ,可測量大米 、小麥 、高粱等 不同種類的糧食 。SPCE061A 的音頻輸出采用雙通道的 DAC 方式 , 即數(shù)字信 號通過 10 位 DAC 轉(zhuǎn)換成 3mA 驅(qū)動電流的模擬輸出 ,語音提示 信號輸出經(jīng)過驅(qū)動放大以后 ,通過揚(yáng)聲器輸出 。3 . 2 系統(tǒng)軟件設(shè)計糧食水分測試儀是具有區(qū)域特色的產(chǎn)品 ,它對不同地區(qū)的 糧食作物具有不同的測量基準(zhǔn)值 ,因此在測試之前 ,需要根據(jù)不 同的糧食種類 ,在不同的狀態(tài)下建立起標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)庫 ,這些數(shù)據(jù) 可以預(yù)先存入系統(tǒng)中 ,也可以由用戶根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)場設(shè)定 。這樣 在測試時就與標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比擬 ,判斷是否符合標(biāo)準(zhǔn) 。軟件采用模

9、塊化設(shè)計 ,包括初始化程序 、鍵盤掃描 、溫度采 樣 、水分采樣中斷處理 、測量數(shù)據(jù)線性化和溫度漂移的補(bǔ)償?shù)臄?shù) 據(jù)處理 、語音提示等模塊 。主程序負(fù)責(zé)整個系統(tǒng)的協(xié)調(diào)與控制 工作 ,通過調(diào)用不同的模塊完成相應(yīng)的工作 。本測試儀以每個 品種 10 次隨機(jī)采樣的算術(shù)平均值作為測量結(jié)果 ,有效地提高了 測量的準(zhǔn)確性和重復(fù)性 。在測試完成后就輸出語音提示 ,判斷 所測試的水分為多少并且是否合格 。主程序的流程圖如圖 4 所 示 :圖 4 主程序流程圖4 語音提示系統(tǒng)工作原理SPCE061A 的音頻輸出有兩種方式 ,一種是音調(diào)輸出方式 , 另一種是語音輸出方式 ,兩者的區(qū)別在于輸出的控制機(jī)理不同 。 前者

10、是通過控制定時器溢出所產(chǎn)生的不同頻率來決定聲波振動 次數(shù)的多少 ,從而決定發(fā)出的聲音音調(diào)的上下 ;后者是用與聲音數(shù)據(jù)采樣率相同的速率將聲音數(shù)據(jù)通過數(shù)模轉(zhuǎn)換通道復(fù)原成音 頻電壓或電流輸出 ,其中聲音數(shù)據(jù)采樣率決定了聲音音質(zhì)的好 壞 ,并決定了聲音數(shù)據(jù)所需要占據(jù)的存儲空間3 。提示語音的 輸入可以采用兩種方式 :一是通過 PC 機(jī)的聲卡 ,用麥克風(fēng)采集 語音的 3 . wav 文件 ;二是用 SPCE061A 系統(tǒng)采集語音信號 ,通過 通信模塊將語音信號傳送到 PC 機(jī)上保存 。第二種方式最好 ,因 為它能保證語音特征的一致性 ,從而減少硬件系統(tǒng)不一致帶來 的誤差 。不管采用哪種方式 , 3 .

11、wav 文件占用的存儲空間很 大 ,對于微控制器來說想要存儲大量的語音信息顯然是不可能 的 ,必須將音頻文件壓縮 。為了方便用戶使用 , 凌陽公司的 SPCE061A 提供了各種音頻壓縮編碼的算法和 API 函數(shù)庫 , 即 SACM - L IB 。用戶只須了解每個模塊所要實(shí)現(xiàn)的功能及參數(shù)的 內(nèi)容 ,然后調(diào)用該 API 函數(shù)即可實(shí)現(xiàn)該功能 。凌陽科技公司提 供三種不同壓縮率的語音提示的算法 ,表 1 是各種壓縮算法名 稱及編碼率類型 。先壓縮好的語音數(shù)據(jù) ,解壓縮后存放在播放隊列中 ,中斷效勞程 序定時地從播放隊列中讀取數(shù)據(jù) ,從 D/ A 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后送揚(yáng)聲 器發(fā)出聲音 。播放程序如下 :S

12、ound : proc ;r1 = 1 ;call F SACM S240 Initial ;r1 = 8 ;call F SACM S240 Volume ;r1 = Speech 1 ;r2 = dac1 ;r3 = Ramp UpDn On ;call F SACM S240 Play ; LOOP ;call F SACM S240 ServiceLoop syg1 ;call F SACM S240 Status ;test r1 ,0x0001 ; jz Sound End ; jmp LOOP ; Sound End ; retf ;endp ; 實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果本測試儀采用浮動三點(diǎn)

13、定標(biāo)法對各種不同種類的糧食預(yù)先 定標(biāo) ,用戶在使用時可直接測量 ,以小麥為例 ,在不同的水分情 況下 ,實(shí)測值與標(biāo)準(zhǔn)值的數(shù)據(jù)比對如表 2 所示 :表 2 實(shí)測值與標(biāo)準(zhǔn)值的比對標(biāo)準(zhǔn)值3. 2 %4. 5 %8. 1 %10. 3 %13. 7 %18. 4 %24. 7 %28. 3 %32. 1 %35. 3 %實(shí)測值3. 1 %4. 7 %8. 0 %10. 4 %13. 9 %18. 5 %25. 0 %28. 5 %32. 5 %35. 7 %表 1 SPCE061A 的語音壓縮算法及編碼率類型壓縮算法名稱語音壓縮編碼率類型采樣率/ KHzSACM A200016 KBits/ s 、2

14、0 KBits/ s 、24 KBits/ s16SACM S480/ S7204 . 8 KBits/ s 、7 . 2 KBits/ s16SACM S2402 . 4 KBits/ s16這三種壓縮算法的區(qū)別在于壓縮率不同 、音質(zhì)也不同 。 SACM A2000 壓縮率相對較小 , 音質(zhì)較好 , 相應(yīng)的資源占用較 多 。SACM S240 的壓縮率最大 , 音質(zhì)相對較差 。SACM S480 介于這兩者之間 。本系統(tǒng)在沒有擴(kuò)展存儲器的情況下 , 采用 SACM S240 方式 ,它可容納 210 秒的語音數(shù)據(jù) 。語音播放子程 序包括語音播放程序和效勞中斷程序 ,語音播放程序主要完成D/

15、A 轉(zhuǎn)換器 、TIMERA 定時器和音量的初始化 ,從 ROM 里取出預(yù)經(jīng)過非線性補(bǔ)償和誤差修正 ,本測試儀的測量誤差 ±0.5 % ,測量的水分范圍為 335 % ,重復(fù)誤差 0. 1 % ,使用的溫度 范圍為 0 40 。根本上到達(dá)國內(nèi)外同類先進(jìn)產(chǎn)品的技術(shù)指 標(biāo) ?？蛇m用于多種種類的糧食水分測量 ,具有比擬廣闊的市場 前景 。6 參考文獻(xiàn) :1 薛鈞義 ,等. 凌陽十六位單片機(jī)原理及應(yīng)用M . 北京 : 北京航 空航天大學(xué)出版社 ,2003 ,22 張永林 ,等. 糧食水分在線測量技術(shù)評述J . 武漢工業(yè)學(xué)院學(xué) 報 ,2003 , (12) :36 - 403 李晶姣. 嵌入式語

16、音技術(shù)及凌陽 16 位單片機(jī)應(yīng)用M . 北京 :北京航空航天大學(xué)出版社 ,2003 ,11作者簡介 :鄭長征 (1971 - ) ,男 ,工學(xué)碩士 ,教師 ,研究方向 :智能檢測與控制技 術(shù) 。鄭長征1 , 吳傳菊2(1. 武漢工業(yè)學(xué)院 電氣與信息工程系 , 湖北 武漢 430023 ; 2. 武漢科技大學(xué) 城建學(xué)院根底課部 , 湖北 武漢 430023)摘 要 :利用臺灣凌陽公司新一代 16 位單片機(jī) SPCE061A 的快速數(shù)據(jù)處理能力和具有語音功能的特點(diǎn) ,結(jié)合糧食的介電特性 ,設(shè)計出智能化的糧食水分測試儀 。該測試儀采用電容測量法 ,對測量信號的非線性和溫度漂移進(jìn)行了數(shù)字化的修正和補(bǔ)償

17、 。并 根據(jù)測試結(jié)果判斷是否與標(biāo)準(zhǔn)值一致 ,進(jìn)行語音提示 。關(guān)鍵詞 :語音提示 ; 介電特性 ; SPCE061A 單片機(jī)中圖分類號 : TP93412 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 : B 文章編號 : 100327241 (2004) 1120067203Th e Gr ai n M ois t u r e Te s t Ap p a r a t u s Wit h P h o n e tic Fu n c ti o n sZHENG Chang - zheng1 , WU Chuan - ju2(1. Wuhan Polythnic University ,Wuhan 430023 ,China ; 2. Wuhan University of Science & Technology ,Wuhan 430023 ,China)Abstract :This paper introduces the intelligent grain moisture test apparatus with phonetic functions. It is