基于微波的糧食水分檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

糧食水分含量是糧食質(zhì)量的關(guān)鍵指標(biāo)，直接影響糧食的收購(gòu)、運(yùn)輸、儲(chǔ)藏、加工、貿(mào)易等過程。目前在國(guó)內(nèi)糧食收購(gòu)時(shí)，憑手摸牙咬或者傳統(tǒng)檢測(cè)方法來判斷糧食的水分，存在測(cè)定結(jié)果極不可靠、檢測(cè)時(shí)間長(zhǎng)、浪費(fèi)人力物力等問題。為了快速、準(zhǔn)確檢測(cè)糧食水分，設(shè)計(jì)了基于微波的糧食水分檢測(cè)系統(tǒng)，通過檢測(cè)微波信號(hào)與被測(cè)糧食相互作用前后微波幅值、相位等變化，推算出糧食水分含量。

1 微波水分檢測(cè)
    微波水分檢測(cè)是近幾年發(fā)展起來的一項(xiàng)無損檢測(cè)新技術(shù)，它具有檢測(cè)精度高、測(cè)量范圍廣、穩(wěn)定性好、便于動(dòng)態(tài)檢測(cè)、對(duì)環(huán)境的敏感性小、可以在相對(duì)惡劣環(huán)境條件下進(jìn)行等優(yōu)點(diǎn)。微波作為一種頻率非常高的電磁波具有很強(qiáng)的穿透性，它所檢測(cè)的不僅僅是糧食表面的水分，還能夠在無損的情況下檢測(cè)到糧食內(nèi)部的水分含量。糧食中水的介電常數(shù)和衰減因子比其中干物質(zhì)的介電特性值高很多，且作為極性分子的水在微波場(chǎng)作用下極化，表現(xiàn)出對(duì)微波的特殊敏感性。微波糧食水分檢測(cè)正是利用水對(duì)微波能量的吸收、反射等作用，引起微波信號(hào)相位、幅值等參數(shù)變化的原理進(jìn)行水分含量檢測(cè)的。微波水分檢測(cè)正在逐步取代精度低、取樣要求高、適應(yīng)性差的電容法、電阻法等傳統(tǒng)水分檢測(cè)方法，成為一種理想的糧食水分檢測(cè)技術(shù)。微波水分檢測(cè)可以采用透射式和反射式檢測(cè)方法，其微波傳感器布置如圖1所示。

    一般物料厚度比較薄時(shí)，采用透射式檢測(cè)方法；物料厚度比較厚，密度比較大時(shí)采用反射式檢測(cè)方法。微波檢測(cè)是一種深度測(cè)量技術(shù)，所測(cè)結(jié)果為體積總體水分而具有代表性，這比之表面測(cè)量技術(shù)要優(yōu)越得多。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2．1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
    在理論分析和大量實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了基于微波的糧食水分檢測(cè)系統(tǒng)，如圖2所示。該系統(tǒng)主要由微波發(fā)生器器、微波傳感器天線、溫度傳感器、檢測(cè)控制器及分析處理等部分組成。

    微波發(fā)生器工作頻率為10．5 GHz，微波傳感器采取透射式檢測(cè)方法布置。隔離器使正向傳輸?shù)奈⒉o衰減或衰減很小的通過，而對(duì)于反向傳輸?shù)奈⒉▌t有較大的衰減。使用隔離器，可把負(fù)載不匹配所引起的反射通過隔離器吸收掉，不能返回到信號(hào)源，使信號(hào)源能穩(wěn)定地工作。檢波器把微波信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，經(jīng)檢測(cè)控制器放大、濾波及A／D轉(zhuǎn)換后，檢測(cè)控制器通過串行總線與計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。計(jì)算機(jī)可完成對(duì)數(shù)據(jù)分析與實(shí)時(shí)顯示。檢測(cè)控制器可進(jìn)行系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)置、水分標(biāo)定、檢測(cè)結(jié)果顯示等操作。通過溫度傳感器信號(hào)進(jìn)行溫度補(bǔ)償，以獲得微波檢測(cè)信號(hào)與糧食水分含量的理想線性關(guān)系，提高系統(tǒng)檢測(cè)精度。
2．2 硬件設(shè)計(jì)
    糧食水分檢測(cè)控制器是硬件設(shè)計(jì)的核心部分，它由放大濾波電路、A／D轉(zhuǎn)換、微控制器、鍵盤、LCD顯示和串行總線接口組成，如圖3所示。微波傳感器探頭拾取的微波電信號(hào)，經(jīng)過放大、濾波處理后，再進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換，糧食水分推算結(jié)果在LCD上進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。鍵盤接口可以進(jìn)行控制器參數(shù)設(shè)置、水分標(biāo)定等操作。通過串口與計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，CAN總線為多個(gè)控制器的級(jí)聯(lián)接口。

    微波傳感器模擬信號(hào)處理決定了整個(gè)系統(tǒng)的水分檢測(cè)范圍和檢測(cè)精度。圖4為傳感器信號(hào)處理電路。微控制器采用Microchip公司的PICl-8F6527。該處理器采用納瓦技術(shù)，功耗低，抗干擾能力強(qiáng)，外圍接口豐富，如CCP模塊(PWM)、MSSP模塊(SPI，I2C)、EUSART模塊、A／D轉(zhuǎn)換模塊等，可滿足系統(tǒng)應(yīng)用需求。4種晶振模式，最高可達(dá)40 MHz。內(nèi)部具有看門狗電路，可在線串行編程(in-circuit serial programming，ICSP)。A／D轉(zhuǎn)換器采用AD7806，16位采樣，其參考電壓源3 V由AD780提供，A／D采樣分辨率為45．8μV／bit，使系統(tǒng)具有較高的檢測(cè)精度。AD7806具有采樣自校正功能，保證了采樣的準(zhǔn)確性，通過SPI總線與微控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。上電初始化完成后，AD7806通過引腳由高變?yōu)榈拖蛭⒖刂破魈峁┲袛嘈盘?hào)，通知微控制一個(gè)新的A／D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)已經(jīng)準(zhǔn)備好，可以進(jìn)行讀取操作。信號(hào)處理電路的放大倍數(shù)可在線調(diào)節(jié)，通過PICl8F6527控制數(shù)字電位器AD5227來完成，兩者之間通過3根數(shù)據(jù)線連接，提高了系統(tǒng)的水分檢測(cè)范圍。整個(gè)系統(tǒng)采用5 V工作電壓，低功耗設(shè)計(jì)，與外部設(shè)備的接口進(jìn)行光電隔離，降低外部十?dāng)_，提高系統(tǒng)工作可靠性。
2．3 軟件設(shè)計(jì)
    糧食水分檢測(cè)系統(tǒng)軟件由數(shù)據(jù)采集、水分值標(biāo)定、水分值推算、系統(tǒng)靈敏度調(diào)節(jié)及顯示模塊組成。系統(tǒng)靈敏度調(diào)節(jié)模塊可根據(jù)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬信號(hào)放大倍數(shù)的調(diào)整，提高系統(tǒng)魯棒性。圖5為實(shí)時(shí)微波水分檢測(cè)軟件界面。

    圖6為軟件設(shè)計(jì)流程。檢測(cè)系統(tǒng)在初次安裝或檢測(cè)的物料品種變換時(shí)，需要進(jìn)行系統(tǒng)水分標(biāo)定和參數(shù)的設(shè)置，一般需要標(biāo)定2或2個(gè)以上數(shù)據(jù)點(diǎn)，根據(jù)標(biāo)定值進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合處理。系統(tǒng)初始化完成后，數(shù)據(jù)采集模塊每采集一小段微波信號(hào)，對(duì)這段數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理。采用冒泡法先進(jìn)行排序，選用中間的數(shù)據(jù)加權(quán)平均，并對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行溫度補(bǔ)償。水分值推算模塊根據(jù)事先的標(biāo)定值和平滑預(yù)處理后的結(jié)果，通過線性匹配算法推算出糧食水分含量值并實(shí)時(shí)顯示。

3 結(jié)果與分析
    1)實(shí)驗(yàn)材料 實(shí)驗(yàn)樣品為8種不同水分的小麥(水分范圍8％～20％)各40kg。標(biāo)準(zhǔn)烘干法需要的材料有電熱恒溫烘箱、精度為0．001 g的電子天平、電動(dòng)粉碎機(jī)、鋁盒等。
    2)方法 用基于微波的糧食水分檢測(cè)系統(tǒng)在試驗(yàn)平臺(tái)上對(duì)小麥進(jìn)行測(cè)量，測(cè)得小麥水分值。同時(shí)取一定樣品，用標(biāo)準(zhǔn)烘干法獲得小麥的標(biāo)準(zhǔn)水分值。將系統(tǒng)測(cè)量值與烘干法獲得的標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較、分析。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表l。

    經(jīng)實(shí)驗(yàn)檢測(cè)該糧食水分檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)含水量范圍為8％～20％，測(cè)量精度為O．5％?，F(xiàn)場(chǎng)大量實(shí)驗(yàn)檢測(cè)表明，該系統(tǒng)完全可以滿足糧食水分含量檢測(cè)的需求。

4 結(jié)論
    基于微波的糧食水分檢測(cè)系統(tǒng)可以連續(xù)、準(zhǔn)確地對(duì)糧食水分含量進(jìn)行檢測(cè)，為糧食的收購(gòu)、運(yùn)輸和儲(chǔ)藏提供了強(qiáng)有力的技術(shù)保障。相對(duì)于傳統(tǒng)的電容、電阻等糧食水分檢測(cè)方法，微波檢測(cè)速度快、精度高、穩(wěn)定性好，解決了目前在國(guó)內(nèi)糧食收購(gòu)時(shí)，檢測(cè)時(shí)間長(zhǎng)、測(cè)定結(jié)果極不可靠、不能實(shí)現(xiàn)在線檢測(cè)等問題。大量室內(nèi)外實(shí)驗(yàn)表明，該系統(tǒng)可以滿足在糧食收購(gòu)、儲(chǔ)藏、加工等過程中水分含量的檢測(cè)需要，具有廣闊的應(yīng)用前景和經(jīng)濟(jì)效益。