毕业论文《电阻式粮食水分测试仪的设计—电路设计部分》

1、武汉工业学院 毕业设计论文设计论文题目：电阻式粮食水分测试仪的设计-电路设计局部 姓 名 学 号 080408328 院系 电气与电子工程学院 专 业 电气工程及其自动化 指导教师 2021 年 5 月 28 日 目录摘要 . IAbstract .II1 绪 论 . 1 1.1 研究背景及意义. 1 1.2 国内外研究现状. 2 1.3 水分检测技术的开展趋势 . 3 1.4 本文研究内容. 42 系统根底和概述 . 5 2.1 方案设计与论证. 5 2.2 系统控制器介绍. 5 2.3 555 集成定时器的介绍. 7 2.4 液晶显示模块的介绍. 8 2.5 EEPROM 存储器的介绍 .

2、 9 2.6 电机驱动芯片的介绍. 113 系统硬件设计 . 13 3.1 系统根本组成. 13 3.2 电机驱动模块. 14 3.3 EEPROM 存储器模块 . 14 3.4 信号调理电路模块. 15 3.5 显示模块 . 16 3.6 键盘模块 . 17 3.7 单片机模块 . 18 3.8 电源模块 . 19结论 . 20致谢 . 21参考文献 . 22附录原理图 . 23 摘要 粮食水分含量是粮食储藏和加工中一个重要的环节1，如何快速准确地测定是企业降低生产本钱、提高生产效率的需要，目前有多种测量方法，但各有优缺点。在分析粮食的介电特性的根底上，提出了基于脉宽测量的电阻比值法的测量方

3、法，详细介绍了它的测试原理、硬件结构和软件流程。该测定仪具有测量精度高、低功耗、便于携带、操作方便、人机界面友好等特点。硬件局部主要由电阻式水分取样电路、信号调理电路、LCD 显示电路、键盘扫描电路、电机驱动电路、RS232 接口电路等。 其中，对于电阻式水分取样电路是基于 555 实现的。该设计是基于 LM1138 完成的， 该微控制器是针对工业应用方案而设计的，它还具有一个电池备用的休眠模块，从而有效的使 LM3S1138 芯片在未被激活的时候进入低功耗状态，这为用户提供了灵活性，能够适应各种精确的需求。关键词：水分测定；电阻比值法；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 绪 论1.1 研究背景及意义 粮食问题是涉及到每一个国家国计民生的重大课题，粮食水分检测对粮食的收购、输、储藏、加工贸易都具有十分重要的意义。粮食的水分是指粮食中含有的自由水和结合水的总称。粮食水分含量的多少有着两种不同的意义 一方面含有适当水分是粮种维持生命和保持粮食固有的色、气、味、种用品质及食用品质所必须的 另一方面水分影响粮食贮藏和加工。一般说来 水分含量愈高 粮食的新陈代谢强度愈大呼吸作用愈旺盛结果消耗干物质并生产大量热能 给霉菌、细菌和昆虫的生长繁殖提供条件 不但降低粮食的营养价值而且影响粮食加工与食用品质 严重时会导致发霉变质 造成巨大的经济损失。粮

9、食在储藏过程中。假设水分含量增加，其酶活力上升呼吸作用增强储藏稳定性随之减弱当水分增加到一定程度时，粮食开始发芽。这主要是由粮食中的游离水造成的，只有粮食的含水量下降到合水的范围内，粮食籽粒才能处于休眠状态，生命活动减到最低限度。在粮食加工过程中要求粮食的含水量适宜，过高过低都会影响粮食的物理性质和工艺品质，对加工不利。例如制米假设粮食水分过高，稻粒硬度低，容易碾碎，碎米增多，出米率降低；假设粮食水分过低，稻粒硬度高也容易产生碎米，降低出米率。所以说粮食水分既是流通环节按质论价的依据 又是粮食平安储藏和粮食加工的配备根据。在我国由于水分检测技术的不完善每年有数百亿斤的粮食因水分含量过高在运输和

10、储藏过程中霉烂变质造成了巨大损失。而粮食水分过低减少了粮食重量影响粮食品质。因此水分一直是粮食的一项重要质量指标。准确的测量粮食中所包含的水分对于我国的农业生产和储藏有着重要意义。 传统的直接水分测量法周期长，难以满足现代生产对速度和连续化的要求，而非电量的电测方法是比直接法更高效的水分测量方法，当前应用十分广泛。粮食水分检测方法原理上可以有：电阻法、电容法、中子法、微波法、红外法、核磁共振法等。考虑物料对象特性，红外法主要用于外表水分测量，多见于纸张水分检测中；中子法和核磁共振法基于水分中氢原子效应，系统复杂，造价高，不能表达检测对象的专用性。微波法是利用水对微波能量的吸收或作用于粮食的微波

11、参量随水分变化的原理进行水分测量，其测量值与物料成分有关，测量电路及信号处理较复杂，价格偏高。电阻方法因其快速、准确、本钱低的特点一直是最常用的水分测量方法，但由于电阻方法存在信号强度小、取样要求高、抗干扰性较差等缺陷，近年来出现了许多新的基于电阻测量原理的创新方法，如两量程直流电阻法，脉冲电阻法，复阻抗别离法，交流 2阻抗法等 。 本设计在上述研究的根底上，创新地提出基于脉宽测量的电阻比值法和测量信号的数据处理方法，能够快速准确地对水分进行测试。1.2 国内外研究现状 粮食水分的检测方法概括起来可分为无损检测和有损检测两大类。无损检测是指在不破坏待测物原来的状态和化学特性等前提下，通过粮食本

12、身的物理、光学、化学特性来测其含水量，有损检测是指在测量过程中待测物粉碎或发生了化学变化，致使其不能保持原来的形状或组成。在这两类中，无损检测的方法更经济、快捷，开展也最为迅速，是当今世界水分测试的主流。 3 1 粮食水分无损检测的主要方法 直接枯燥法是指将待测样品置于烘箱中，根据 ASAE 标准，在 130的温度下保持19h，测量前后的质量差即为其水分含量。 电容法是根据水分含量的变化势必引起电容量变化的原理，通过测量与样品中水分变化相对应的电容变化即可知粮食的水分含量。 红外线加热枯燥法是利用红外线加热样品使其失水，从而到达测量水分含量的目的。 微波加热法是利用微波炉的磁控管所产生的 24

13、50MHz 或 915MHz 的超高频率微波快速振荡粮食中的水分子，使分子相互碰撞和摩擦，进而去除粮食中的水分。 介电损失角法是利用谷物含水率不同，介电损失角也不同，并且呈单值分段线性关系。 复阻抗别离电容法通过复阻抗别离电路的设计有效消除电阻参量的影响而只保存电容参量的变化。 高频阻抗法是依据在敏感频带100k250kHz施以外加电场的情况下粮食水分与其交流阻抗呈现对数关系这一理论来测量其水分的。 摩擦阻力法利用粮食的动态摩擦阻力与含水率成线性关系，含水率高、摩擦阻力大。 声学法是利用粮食水分中的粮食籽粒的弹性和振动特性，不同水分的粮食在流动过程中碰撞物体外表时所产生的声压不同。 核磁共振法

14、是在一定条件下原子核自旋重新取向，从而使粮食在某一确定的频率上吸收电磁场的能量，吸收能量的多少与试样中所含的核子数目成比例。 射线法是利用不同的分子对不同波长的近红外光具有不同特征的吸收，当用近红外光照射样品时，漫反射光的强度与样品的成分含量有关。 微波吸收法利用粮食中的水分对微波能量的吸收或微波空腔谐振频率和相位等参数随水分的变化来间接地测量水分含量的。 中子式水分仪通过计量慢中子探测器中产生的电压脉冲个数测量粮食的水分含量。 2 粮食水分有损检测的主要方法 105恒重法用比水沸点略高的温度1052使经过粉碎的定量式样中的水分全部汽化蒸发根据所失水分的质量来计算水分含量。 定温定时烘干法是在

15、一定规格的烘盒内称取经过粉碎的试样在规定加热温度的烘箱内烘干一定时间烘干前后质量差即为水分含量。 双烘法主要用于测量高含水量粮食。 放 测量时先称取整粒试样 20-30g， 入 105烘箱中烘干 30min，取出冷却称质量，然后粉碎，再用 105恒重法进行烘干测量。 隧道式烘箱法是定温定时法的一种，它将象限秤与烘箱结合起来，烘干试样后无需冷却可直接用象限秤称量，并可在象限秤上直接读出试样的水分含量。快速失重法是在物料的极限失重温度下烘干物料，进行粮食水分测试。 减压枯燥称重法利用真空处理技术、微小定量测定技术和数据处理技术来测定水分的。 直流电阻法：枯燥粮食的直流电阻很大，而水的电阻很小，被测

16、样品的含水量的变化势必引起其导电能力的变化。含水量越高，电阻越小，通过测量样品的电阻，即可以间接地测定含水量。 甲苯蒸馏法是利用与水分不相溶的溶剂甲苯、二甲苯组成沸点较低的二元共沸体系，将试样中的水分蒸馏出来。 卡尔费休法是利用甲醇和吡啶存在的情况下水与碘和亚硫酸发生定量化学反响的原理，根据碘的消耗量测出水分含量。 压力法是利用水与碳化钙发生化学反响生成乙炔，在一定条件下，乙炔气体的压力与其含水量呈线性关系。1.3 水分检测技术的开展趋势 水分仪的种类虽然很多，但其市场潜力却不尽相同，计算机技术、原子技术与半导体技术的飞速开展，给粮食水分检测技术的开展提供了广阔的空间4。随着对无损检测技术的需

17、要，无损检测仪器将逐步实现标准化、通用化和系列化大规模可编程逻辑器件和数字信号处理器的推广和本钱的降低，必将加速其在无损检测技术上的应用，不仅提高信号采集和处理速度，满足市场大量实时性要求也将缩短开发时间，增加硬件的功能和扩展性。计算机软件及硬件在无损检测技术上的应用，将实现温度等重要检测因素的自动补偿，使检测仪器由过去的单一化向多用途方向开展，适用于多种不同环境下的无损检测。互联网技术的迅猛开展会为无损检测技术带来质的飞跃，实现多用户共享和远程控制，防止人力、物力和财力的浪费。 本课题所设计的电阻式粮食水分测试仪，创新地提出基于脉宽测量的电阻比值法和测量信号的数据处理方法，能够快速地对粮食中

18、水分进行实时的、无损的数字化检测，具有经济、实用、快捷等优点。其最终测量结果的数字化过程易于实现与微处理器和计算机接口技术，实现测量的自动化和智能化。考虑设计本钱和设计时间问题，这里就没有进行下去。1.4 本文研究内容 本文设计的粮食水分测定仪通过人机界面的模式选择进入粮食测试界面，然后通过按键的加减设定测试的次数，点击确认键后连续检测，经过单片机综合处理后，将检测结果显示在数码管上，且通过单片机处理判断与标准值比拟做后续处理。它包括了水分检测模块、信号处理模块、控制单元 LM1138、显示模块、键盘扫描模块和电机驱动模块等。 2 系统根底和概述2.1 方案设计与论证 粮食水分测定仪是具有区域

19、特色的产品，它对不同地区的粮食作物具有不同的测量基准值，因此在测试之前，需要根据不同的粮食种类，在不同的状态下进行标定工作，建立起标准的测量数据关系，这些数据可以由生产厂家写入测定仪的EEPROM 数据区中，也可以由用户根据标准现场标定。该系统利用Atmel公司的AT24C02芯片的EEPROM来存储不同种类的粮食的水分的标定值、温度补偿系数和系统的密码等参数。在使用之前需要进行水分的标定工作，把同一样本分别在标准测定仪和本测定仪同时进行比对测量，确定水分和电阻的关系，然后再通过键盘把对应关系写入EEPROM中的相应单元中保存起来，形成标准的测量曲线或数据表格。同时考虑到温度的影响，可加上温度

20、补偿系数以进行修正。在实际测量时，把当前的测量值与这些标准值进行比拟，就可以实现水分的测量。2.2 系统控制器介绍 EasyARM1138 是专门针对广阔电子信息专业在校大学生而设计的一款基于 ARMCortex0 -M3 先进内核的高性能、低价格开发板，用于教学、毕业设计、电子竞赛，等等。也是广阔单片机爱好者、开发工程师首选的 Cortex0 -M3 开发板。 p0 EasyARM1138 的核心 MCU 是美国 Luminary Micro 公司的 Stellaris 群星系列 ARM 之 LM3S1138。该芯片采用的是国际上最优秀的 MCU 内核设计公司 ARM 最新推出的先进 Cor

21、tex0 -M3 处理器；由国内最大、技术最强的晶圆制造公司台积电TSMC代工；经世界上最专业的封装测试公司OSE、i2a/IPAC层层把关，确保产品的可靠性。【功能特点】 强大的 MCU 内核 32 位 ARM Cortex3 -M3 内核ARM v7M 架构 兼容 Thumb 的 Thumb-2 指令集，提高代码密度 25以上 50MHz 运行频率，1.25 DMIPS/MHz，加快 35以上 单周期乘法指令，212 周期硬件除法指令 快速可嵌套中断，612 个时钟周期 具有 MPU 保护设定访问规那么 64KB 单周期 Flash 16KB 单周期 SRAM 内置可编程的 LDO 输出 2.25V2.75V，步进 50mV 支持非对齐数据的访问，有效地压缩数据到内存 支持位操作，最大限度使用内存，并提供创新的外设控制 内置系统节拍定时器SysTick，方便操作系统移植 丰富的外设资源 7 组 GPIO，可配置为输入、输出、开漏、弱上拉等模式 4 个 32 位 Timer，每个都可拆分为 2 个独立的 16 位子定时器，具有定时、捕获、PWM、RTC 等丰富功能 3 路全双工 UART，位速率高达 3.125Mbps，16 单元接收 FIFO和发送 FIFO，支持串行红外协议IrDA SIR 2 2 路 I