畢業(yè)論文《電阻式糧食水分測試儀的設計—電路設計部分》

1、武漢工業(yè)學院 畢業(yè)設計論文設計論文題目：電阻式糧食水分測試儀的設計-電路設計局部 姓 名 學 號 080408328 院系 電氣與電子工程學院 專 業(yè) 電氣工程及其自動化 指導教師 2021 年 5 月 28 日 目錄摘要 . IAbstract .II1 緒 論 . 1 1.1 研究背景及意義. 1 1.2 國內外研究現(xiàn)狀. 2 1.3 水分檢測技術的開展趨勢 . 3 1.4 本文研究內容. 42 系統(tǒng)根底和概述 . 5 2.1 方案設計與論證. 5 2.2 系統(tǒng)控制器介紹. 5 2.3 555 集成定時器的介紹. 7 2.4 液晶顯示模塊的介紹. 8 2.5 EEPROM 存儲器的介紹 .

2、 9 2.6 電機驅動芯片的介紹. 113 系統(tǒng)硬件設計 . 13 3.1 系統(tǒng)根本組成. 13 3.2 電機驅動模塊. 14 3.3 EEPROM 存儲器模塊 . 14 3.4 信號調理電路模塊. 15 3.5 顯示模塊 . 16 3.6 鍵盤模塊 . 17 3.7 單片機模塊 . 18 3.8 電源模塊 . 19結論 . 20致謝 . 21參考文獻 . 22附錄原理圖 . 23 摘要 糧食水分含量是糧食儲藏和加工中一個重要的環(huán)節(jié)1，如何快速準確地測定是企業(yè)降低生產本錢、提高生產效率的需要，目前有多種測量方法，但各有優(yōu)缺點。在分析糧食的介電特性的根底上，提出了基于脈寬測量的電阻比值法的測量方

3、法，詳細介紹了它的測試原理、硬件結構和軟件流程。該測定儀具有測量精度高、低功耗、便于攜帶、操作方便、人機界面友好等特點。硬件局部主要由電阻式水分取樣電路、信號調理電路、LCD 顯示電路、鍵盤掃描電路、電機驅動電路、RS232 接口電路等。 其中，對于電阻式水分取樣電路是基于 555 實現(xiàn)的。該設計是基于 LM1138 完成的， 該微控制器是針對工業(yè)應用方案而設計的，它還具有一個電池備用的休眠模塊，從而有效的使 LM3S1138 芯片在未被激活的時候進入低功耗狀態(tài)，這為用戶提供了靈活性，能夠適應各種精確的需求。關鍵詞：水分測定；電阻比值法；LM1138；555； Abstract How Gra

4、in moisture is a key problem of grain storage and process to measureit fast and truly is the demand of reducing cost and raising produce efficiencyfor enterprisesBy so far there are different methods which have theirdisadvantages This paper introduces resistance ratio method based onmeasuring impuls

5、e width according to the grains media e1ectriccharacteristicsIt describes measure principle，hardware design and softwareflow chart in detailThis apparatus has some advantages such as high measureaccuracy，low power consumption，good interface for man and machine so on.Hardware mainly consist of the re

6、sistive water sampling circuit signalregulate circuit LCD display circuit keyboard scan circuit motor drivecircuit and RS232 interface circuit etc. Among them the water sampling circuit for resistive based on the 555 isrealized.The design based on LM1138 is finished .The LM3S1138 microcontrolleris t

7、argeted for industrial applications ， the microcontroller features abattery-backed Hibernation module to efficiently power down the LM3S1138 toa low-power state during extended periods of viding flexibilityto fit our customers precise needs.Key word：moisture test；resistance ratio metho

8、d；LM1138；555 1 緒 論1.1 研究背景及意義 糧食問題是涉及到每一個國家國計民生的重大課題，糧食水分檢測對糧食的收購、輸、儲藏、加工貿易都具有十分重要的意義。糧食的水分是指糧食中含有的自由水和結合水的總稱。糧食水分含量的多少有著兩種不同的意義 一方面含有適當水分是糧種維持生命和保持糧食固有的色、氣、味、種用品質及食用品質所必須的 另一方面水分影響糧食貯藏和加工。一般說來 水分含量愈高 糧食的新陳代謝強度愈大呼吸作用愈旺盛結果消耗干物質并生產大量熱能 給霉菌、細菌和昆蟲的生長繁殖提供條件 不但降低糧食的營養(yǎng)價值而且影響糧食加工與食用品質 嚴重時會導致發(fā)霉變質 造成巨大的經濟損失。糧

9、食在儲藏過程中。假設水分含量增加，其酶活力上升呼吸作用增強儲藏穩(wěn)定性隨之減弱當水分增加到一定程度時，糧食開始發(fā)芽。這主要是由糧食中的游離水造成的，只有糧食的含水量下降到合水的范圍內，糧食籽粒才能處于休眠狀態(tài)，生命活動減到最低限度。在糧食加工過程中要求糧食的含水量適宜，過高過低都會影響糧食的物理性質和工藝品質，對加工不利。例如制米假設糧食水分過高，稻粒硬度低，容易碾碎，碎米增多，出米率降低；假設糧食水分過低，稻粒硬度高也容易產生碎米，降低出米率。所以說糧食水分既是流通環(huán)節(jié)按質論價的依據(jù) 又是糧食平安儲藏和糧食加工的配備根據(jù)。在我國由于水分檢測技術的不完善每年有數(shù)百億斤的糧食因水分含量過高在運輸和

10、儲藏過程中霉爛變質造成了巨大損失。而糧食水分過低減少了糧食重量影響糧食品質。因此水分一直是糧食的一項重要質量指標。準確的測量糧食中所包含的水分對于我國的農業(yè)生產和儲藏有著重要意義。 傳統(tǒng)的直接水分測量法周期長，難以滿足現(xiàn)代生產對速度和連續(xù)化的要求，而非電量的電測方法是比直接法更高效的水分測量方法，當前應用十分廣泛。糧食水分檢測方法原理上可以有：電阻法、電容法、中子法、微波法、紅外法、核磁共振法等。考慮物料對象特性，紅外法主要用于外表水分測量，多見于紙張水分檢測中；中子法和核磁共振法基于水分中氫原子效應，系統(tǒng)復雜，造價高，不能表達檢測對象的專用性。微波法是利用水對微波能量的吸收或作用于糧食的微波

11、參量隨水分變化的原理進行水分測量，其測量值與物料成分有關，測量電路及信號處理較復雜，價格偏高。電阻方法因其快速、準確、本錢低的特點一直是最常用的水分測量方法，但由于電阻方法存在信號強度小、取樣要求高、抗干擾性較差等缺陷，近年來出現(xiàn)了許多新的基于電阻測量原理的創(chuàng)新方法，如兩量程直流電阻法，脈沖電阻法，復阻抗別離法，交流 2阻抗法等 。 本設計在上述研究的根底上，創(chuàng)新地提出基于脈寬測量的電阻比值法和測量信號的數(shù)據(jù)處理方法，能夠快速準確地對水分進行測試。1.2 國內外研究現(xiàn)狀 糧食水分的檢測方法概括起來可分為無損檢測和有損檢測兩大類。無損檢測是指在不破壞待測物原來的狀態(tài)和化學特性等前提下，通過糧食本

12、身的物理、光學、化學特性來測其含水量，有損檢測是指在測量過程中待測物粉碎或發(fā)生了化學變化，致使其不能保持原來的形狀或組成。在這兩類中，無損檢測的方法更經濟、快捷，開展也最為迅速，是當今世界水分測試的主流。 3 1 糧食水分無損檢測的主要方法 直接枯燥法是指將待測樣品置于烘箱中，根據(jù) ASAE 標準，在 130的溫度下保持19h，測量前后的質量差即為其水分含量。 電容法是根據(jù)水分含量的變化勢必引起電容量變化的原理，通過測量與樣品中水分變化相對應的電容變化即可知糧食的水分含量。 紅外線加熱枯燥法是利用紅外線加熱樣品使其失水，從而到達測量水分含量的目的。 微波加熱法是利用微波爐的磁控管所產生的 24

13、50MHz 或 915MHz 的超高頻率微波快速振蕩糧食中的水分子，使分子相互碰撞和摩擦，進而去除糧食中的水分。 介電損失角法是利用谷物含水率不同，介電損失角也不同，并且呈單值分段線性關系。 復阻抗別離電容法通過復阻抗別離電路的設計有效消除電阻參量的影響而只保存電容參量的變化。 高頻阻抗法是依據(jù)在敏感頻帶100k250kHz施以外加電場的情況下糧食水分與其交流阻抗呈現(xiàn)對數(shù)關系這一理論來測量其水分的。 摩擦阻力法利用糧食的動態(tài)摩擦阻力與含水率成線性關系，含水率高、摩擦阻力大。 聲學法是利用糧食水分中的糧食籽粒的彈性和振動特性，不同水分的糧食在流動過程中碰撞物體外表時所產生的聲壓不同。 核磁共振法

14、是在一定條件下原子核自旋重新取向，從而使糧食在某一確定的頻率上吸收電磁場的能量，吸收能量的多少與試樣中所含的核子數(shù)目成比例。 射線法是利用不同的分子對不同波長的近紅外光具有不同特征的吸收，當用近紅外光照射樣品時，漫反射光的強度與樣品的成分含量有關。 微波吸收法利用糧食中的水分對微波能量的吸收或微波空腔諧振頻率和相位等參數(shù)隨水分的變化來間接地測量水分含量的。 中子式水分儀通過計量慢中子探測器中產生的電壓脈沖個數(shù)測量糧食的水分含量。 2 糧食水分有損檢測的主要方法 105恒重法用比水沸點略高的溫度105°±2使經過粉碎的定量式樣中的水分全部汽化蒸發(fā)根據(jù)所失水分的質量來計算水分含

15、量。 定溫定時烘干法是在一定規(guī)格的烘盒內稱取經過粉碎的試樣在規(guī)定加熱溫度的烘箱內烘干一定時間烘干前后質量差即為水分含量。 雙烘法主要用于測量高含水量糧食。 放 測量時先稱取整粒試樣 20-30g， 入 105烘箱中烘干 30min，取出冷卻稱質量，然后粉碎，再用 105恒重法進行烘干測量。 隧道式烘箱法是定溫定時法的一種，它將象限秤與烘箱結合起來，烘干試樣后無需冷卻可直接用象限秤稱量，并可在象限秤上直接讀出試樣的水分含量?？焖偈е胤ㄊ窃谖锪系臉O限失重溫度下烘干物料，進行糧食水分測試。 減壓枯燥稱重法利用真空處理技術、微小定量測定技術和數(shù)據(jù)處理技術來測定水分的。 直流電阻法：枯燥糧食的直流電阻很

16、大，而水的電阻很小，被測樣品的含水量的變化勢必引起其導電能力的變化。含水量越高，電阻越小，通過測量樣品的電阻，即可以間接地測定含水量。 甲苯蒸餾法是利用與水分不相溶的溶劑甲苯、二甲苯組成沸點較低的二元共沸體系，將試樣中的水分蒸餾出來。 卡爾費休法是利用甲醇和吡啶存在的情況下水與碘和亞硫酸發(fā)生定量化學反響的原理，根據(jù)碘的消耗量測出水分含量。 壓力法是利用水與碳化鈣發(fā)生化學反響生成乙炔，在一定條件下，乙炔氣體的壓力與其含水量呈線性關系。1.3 水分檢測技術的開展趨勢 水分儀的種類雖然很多，但其市場潛力卻不盡相同，計算機技術、原子技術與半導體技術的飛速開展，給糧食水分檢測技術的開展提供了廣闊的空間4

17、。隨著對無損檢測技術的需要，無損檢測儀器將逐步實現(xiàn)標準化、通用化和系列化大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷蛿?shù)字信號處理器的推廣和本錢的降低，必將加速其在無損檢測技術上的應用，不僅提高信號采集和處理速度，滿足市場大量實時性要求也將縮短開發(fā)時間，增加硬件的功能和擴展性。計算機軟件及硬件在無損檢測技術上的應用，將實現(xiàn)溫度等重要檢測因素的自動補償，使檢測儀器由過去的單一化向多用途方向開展，適用于多種不同環(huán)境下的無損檢測。互聯(lián)網技術的迅猛開展會為無損檢測技術帶來質的飛躍，實現(xiàn)多用戶共享和遠程控制，防止人力、物力和財力的浪費。 本課題所設計的電阻式糧食水分測試儀，創(chuàng)新地提出基于脈寬測量的電阻比值法和測量信號的數(shù)據(jù)處理

18、方法，能夠快速地對糧食中水分進行實時的、無損的數(shù)字化檢測，具有經濟、實用、快捷等優(yōu)點。其最終測量結果的數(shù)字化過程易于實現(xiàn)與微處理器和計算機接口技術，實現(xiàn)測量的自動化和智能化?？紤]設計本錢和設計時間問題，這里就沒有進行下去。1.4 本文研究內容 本文設計的糧食水分測定儀通過人機界面的模式選擇進入糧食測試界面，然后通過按鍵的加減設定測試的次數(shù)，點擊確認鍵后連續(xù)檢測，經過單片機綜合處理后，將檢測結果顯示在數(shù)碼管上，且通過單片機處理判斷與標準值比擬做后續(xù)處理。它包括了水分檢測模塊、信號處理模塊、控制單元 LM1138、顯示模塊、鍵盤掃描模塊和電機驅動模塊等。 2 系統(tǒng)根底和概述2.1 方案設計與論證

19、糧食水分測定儀是具有區(qū)域特色的產品，它對不同地區(qū)的糧食作物具有不同的測量基準值，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)下進行標定工作，建立起標準的測量數(shù)據(jù)關系，這些數(shù)據(jù)可以由生產廠家寫入測定儀的EEPROM 數(shù)據(jù)區(qū)中，也可以由用戶根據(jù)標準現(xiàn)場標定。該系統(tǒng)利用Atmel公司的AT24C02芯片的EEPROM來存儲不同種類的糧食的水分的標定值、溫度補償系數(shù)和系統(tǒng)的密碼等參數(shù)。在使用之前需要進行水分的標定工作，把同一樣本分別在標準測定儀和本測定儀同時進行比對測量，確定水分和電阻的關系，然后再通過鍵盤把對應關系寫入EEPROM中的相應單元中保存起來，形成標準的測量曲線或數(shù)據(jù)表格。同時考慮

20、到溫度的影響，可加上溫度補償系數(shù)以進行修正。在實際測量時，把當前的測量值與這些標準值進行比擬，就可以實現(xiàn)水分的測量。2.2 系統(tǒng)控制器介紹 EasyARM1138 是專門針對廣闊電子信息專業(yè)在校大學生而設計的一款基于 ARMCortex0 -M3 先進內核的高性能、低價格開發(fā)板，用于教學、畢業(yè)設計、電子競賽，等等。也是廣闊單片機愛好者、開發(fā)工程師首選的 Cortex0 -M3 開發(fā)板。 p0 EasyARM1138 的核心 MCU 是美國 Luminary Micro 公司的 Stellaris 群星系列 ARM 之 LM3S1138。該芯片采用的是國際上最優(yōu)秀的 MCU 內核設計公司 ARM

21、 最新推出的先進 Cortex0 -M3 處理器；由國內最大、技術最強的晶圓制造公司臺積電TSMC代工；經世界上最專業(yè)的封裝測試公司OSE、i2a/IPAC層層把關，確保產品的可靠性?！竟δ芴攸c】 強大的 MCU 內核 32 位 ARM Cortex3 -M3 內核ARM v7M 架構 兼容 Thumb 的 Thumb-2 指令集，提高代碼密度 25以上 50MHz 運行頻率，1.25 DMIPS/MHz，加快 35以上 單周期乘法指令，212 周期硬件除法指令 快速可嵌套中斷，612 個時鐘周期 具有 MPU 保護設定訪問規(guī)那么 64KB 單周期 Flash 16KB 單周期 SRAM 內置可編程的 LDO 輸出 2.25V2.75V，步進 50mV 支持非對齊數(shù)據(jù)的訪問，有效地壓縮數(shù)據(jù)到內存 支持位操作，最大限度使用內存，并提供創(chuàng)新的外設控制 內置系統(tǒng)節(jié)拍定時器SysTick，方便操作系統(tǒng)移植 豐富的外設資源 7 組 GPIO，可配置為輸入、輸出、開漏、弱上拉等模式 4 個 32 位 Timer，每個都可拆分為 2 個獨立的 16 位子定時器，具有定時、捕獲、PWM、RTC 等豐富功能 3 路全雙工 UART，位速率高達 3.125Mbps，16 單元接收 FIFO和發(fā)送 FIFO，支持串行紅外協(xié)議IrDA SIR 2 2 路