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1谷物的电阻特性分析
大量试验研究表明，谷物的电阻值与水分值之间存在明显的函数关系。谷物的电阻特性具体表现为:含水率在9%～20%之间时，谷物电阻值的对数与水分值呈线性关系，在该范围内，谷物的电阻值变化范围从1～几十MΩ不等;此外，不同温度条件下，同一水分值的谷物电阻值也不一样。谷物的电阻特性确保了在线式谷物水分测量仪理论上的可行性，而控制温度对测量精度的影响是提高测量精度和稳定性的关键技术。温度的影响可分为两个方面:一是同一水分值的谷物在不同温度条件下其电阻值不同;二是测量电路在不同的温度下产生的漂移对测量结果的影响。温度对谷物电阻值的影响具有一定的规律性，通过建立数学模型采用温度补偿的方法可避免其对测量精度的影响，而测量电路随不同温度产生的漂移难以采用温度补偿的方法消除。因此，采用测量仪环境温度控制系统，对测量仪测量电路的环境温度进行调控，使其在测量精度最为稳定的温度条件下工作。
2谷物水分测量仪结构设计
电阻法的谷物水分测量仪主要由电刷、螺旋外壳、电极A、内螺旋轴(电极B)、料斗、减速箱体、集成电路壳体、显示屏、按键板、测量控制电路系统以及制冷制热温度控制系统等组成。整个测量仪装在干燥机箱体上，取样碾压测阻机构装在干燥机的内部;安装在螺旋外壳内的内螺旋轴在驱动电机的带动下与螺旋外壳形成螺旋推进式碾碎和挤压;绝缘层使电极A与螺旋外壳绝缘，并与内螺旋轴(电极B)形成环形物料出口。该出口亦是碾碎的谷物阻值测量通道，内螺旋轴通过电刷保证其在旋转的过程中将信号可靠地输送出来。整个测量控制电路置于干燥箱体外面的集成电路壳体中，该密闭容器内通过制冷制热温度控制系统保持温度恒定，从而降低温度对测量电路元件的影响。工作时，干燥机在干燥的过程中不断地取样经料斗落料，螺旋机构在电动机的带动下一边将谷物碾碎，一边不断地将碾碎的谷物挤出以通过环形测量通道。该结构可以保证测量结果的稳定性和可靠性，电极A和电极B的信号经转换电路转换成电压信号与干燥温度采集信号一同送入单片机，通过单片机预先标定的程序可以快速地显示出谷物的水分值;用户可以通过按键板事先输入最终水分值，当达到这一水分值时控制系统将控制干燥机停止干燥。
3．1测量控制系统总体规划
谷物水分测量控制系统主要由单片机、水分值测量模块、温度传感器、电源模块、按键输入模块、通信串口、显示电路、电机驱动模块及控制信号等组成。其中，控制信号包括电路环境温度调整、蜂鸣器控制信号及干燥机控制信号。
3．2单片机的选择
单片机是谷物水分测量控制系统的核心，该系统涉及到谷物电阻值的测量与干燥温度的补偿、电路环境温度的测量与控制、按键扫描控制，以及显示系统显示等模块，运用单片机实现各模块的功能，形成一个集采集、运算、存储、显示、控制为一体的智能化测量控制系统。该设计所选用的STC89C52单片机是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器;拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得能为该测量控制系统提供高灵活、超有效的解决方案。
3．3水分值测量模块设计
测阻模块由环形测量通道、电极A、电极B及R/V转换电路等部分组成。目前，电阻的测量有很多方法，该测量模块选择比例法将电阻量转化为电压量间接测量。测量时，被碾碎的谷物通过电极A与电极B之间时所测电阻为Rx，与Rx相串联一个电阻R0。由分压原理可知ADC0端的电压值随着电阻Rx的变化而变化，ADC0端与单片机的引脚39相连接，通过单片机的AD转化可以读出电压值，单片机根据预先储存的标定值就可以快速地测出谷物的水分值。
3．4温度测量与控制模块设计
所设计的谷物水分在线测量系统温度测量分为两块，一是谷物干燥温度的测量，一是测量仪电路环境温度的测量;前者用于对水分测量值进行温度补偿，后者用于控制电路环境处于最适的恒定温度条件下。温度测量选用两个DS1820单线数字温度传感器分别测量。DS1820在与单片机连接时只需要一条口线即可实现微处理器与DS1820的双向通信，在使用过程中不需要任何外围件，具有低功耗、微型化、高性能、低成本、精度高等优点。单片机的两个I/O端口分别与两个DS1820的信号输出线相连采集温度信号。电路环境温度控制依靠微处理器根据测量值智能控制制冷制热，确保密闭电路环境的温度处于一定范围内。
3．5显示模块设计
显示模块用于实时显示当前被干燥谷物的水分值及干燥温度、谷物品种等参数信息。该显示模块选择1602液晶，能够提供各种控制命令，如清屏、字符闪烁、光标闪烁、显示移位等多种功能，具有微功耗、体积小、显示内容丰富、超薄轻巧等优点。1602的7～14引脚与单片机P0连接;1、16引脚接GND;2、15引脚接VCC;4、5、6不连接;3引脚串联一个滑动变阻器，用来控制屏幕的背光亮度。
3．6通信模块设计
通信模块实现单片机与PC机之间的信号接收与发送，STC89C52单片机的串行通信接口是P3．0和P3．1，接口输出的是TTL电平。由于TTL电平的通讯距离有限，本设计采用MAX232芯片使TTL电平转为RS232电平，通过RS232接口使通讯距离大大提升。电脑上的COM口就是RS232接口，STC单片机也是通过此COM口烧写程序的。电路中的MAX232外接电容C31、C32、C33和C34，可将输出电位差拉高，与接口RS232电平相符合。C35是电源滤波电容，这里只起到稳定电源的作用。MAX232的9、10引脚分别于单片机上的10、11引脚相连接。
4软件设计
在线式谷物水分测量系统采用模块化程序设计，C语言编写程序，除主程序外还包括初始化模块、按键输入模块、电机驱动模块、温度采集模块、水分数据采集模块、水分值计算处理模块、显示模块、电路恒温环境控制模块、干燥机控制模块，以及通信模块等子程序。模块化程序设计方案使得所设计的程序清晰，便于后期的修改和维护。软件设计所要达到的主要功能分为测量与控制两大部分，测量分为温度的测量与谷物水分值的测量。谷物水分值的测量受多重因素的影响，因此采取多次测量求平均值与剔除粗大误差相结合的方法并根据所测谷物干燥温度进行温度补偿计算出所测谷物水分值。控制主要包括控制电路环境处于恒定的最适温度状态，以及当所干燥的谷物达到预先设定值时可以控制干燥机停止干燥。
5结论
1)在线式谷物水分测量系统采用螺旋式测阻机构，同时起到碾碎、挤压、测阻多重作用，其结构简单、稳定可靠。2)针对电阻法测量精度受温度影响大的问题，该系统采用谷物干燥温度补偿与电路环境温度恒定相结合的方法避免温度对测量精度的影响。3)该在线式谷物水分测量系统适用于干燥机上控制谷物干燥最终的水分值，易于自动化与智能化。
作者：梅庆 金亦富 张瑞宏 缪宏 袁菁芸 赵荔 单位：扬州大学机械工程学院