CN102818594A - 带恒温箱自动控制系统低温粮食动态检测仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带恒温箱自动控制系统低温粮食动态检测仪，在低温工作环境下低温粮食湿度动态检测仪的设置包括有：一设置-45℃的环境温度下，在检测粮食水分的湿度和温度传感器模块，被检测的粮食通过带恒温控制的传感器的进料斗进行湿度和温度的检测，检测完成后，由出料口排出；一主机控制单元，包含有显示装置、通信装置、按键装置等，集成设置在湿度检测仪的壳体内；一电源和电机控制单元，电源模块负责给整个低温粮食湿度动态检测仪提供能源，电机则是提供动力来源。本发明设备可实现在-45℃以内环境温度下对不同品种粮食进行湿度检测，极大地提高了粮食水分检测的竞争力。

Description

带恒温箱自动控制系统低温粮食动态检测仪

技术领域

本发明涉及低温粮食湿度动态的检测技术领域，具体涉及一种可以在-45℃以内低温环境下使结晶体的粮食根据温度的不同，用不同的时间让粮食的结晶体软化，便于检测水分的低温粮食湿度动态检测仪。

背景技术

我国是世界上人口最多的国家，土地面积广阔，最冷的产粮地区最低气温达到-45℃左右。同时我国也是世界上粮食消费最多的国家。我国由于人口众多、资源相对匮乏、对不同区域不同气候粮食安全问题，是关乎到我国国计民生的一个重大课题，而粮食问题中的一个较为迫切的问题便是对粮食中所含水分进行检测，使得粮在不同的环境下便于保管。

在粮食生产加工过程中，粮食中的水分含量是一个重要的参考量，粮食的水分一般指的是粮食中所含有的自由水和结合水，自由水也叫游离水，存在于粮食的细胞间隙和毛细管中。它具有普通水的性质，在粮食中很不稳定，常随着环境的温度和湿度的变化而增减；结合水存在于细胞内，与淀粉、蛋白质等亲水胶体牢固地结合在一起。结合水的性质较自由水稳定，不易随着环境的温度和湿度的变化而增减。在粮食水分检测中，一般检测的是自由水的含量。

在我国，由于相关的水分检测技术和配套设备的不完善，每年有大量的粮食因此在储存和运输过程中霉烂变质，造成了巨大的损失。因此，水分一直是粮食的一项重要质量指标。准确而又快速的检测粮食中所包含的水分，对于我国的农业生产和储藏以及经济效益都有重要意义。

粮食水分检测技术在近几十年来得到较快的发展，前苏联、日本和欧美一些国家在这方面都有不少的研究。国外开展这方面技术上比较先进的有：日本KETT研究所、美国的Denver公司等，都面向市场推出了不少的粮食水分检测仪器。但是由于它们的检测仪在-10℃以下的环境温度时就不可以准确的检测粮食含水率了。

我国在粮食水分检测方面起步相对较晚，且在前期多是吸收和借鉴前苏联的一些较好的技术方法。近来随着经济和社会的发展，粮食水分检测技术得到了较快的发展。目前在上海、武汉、山东、湖南等地都有相关的生产、研制单位。国内一些科研院所和高等院校在这方面做了不少的研究，也推出了不少面向市场的产品。比如沈阳工业大学在电容式粮食水分仪方面的研究，武汉凯特电子推出的DRCS和LSSC系列的粮食水分检测产品。这些产品一般多是在常温下的测量，对于实现低温环境下自动化和智能化、连续操作，则难以达到要求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种能够在低温环境下在线、连续地对粮食湿度进行动态检测的低温粮食湿度动态检测仪。

本发明所要解决的技术问题采用以下技术方案来实现：

带恒温箱自动控制系统低温粮食动态检测仪，其特征在于：包括一湿度检测仪壳体，所述的湿度检测仪壳体内安装有一主机控制模块，还包括一电源模块及电机控制电路模块，所述的电源模块负责给整个低温粮食湿度动态检测仪提供能源，所述的电机控制电路模块为整个低温粮食湿度动态检测仪提供动力。

所述的主机控制模块连接有显示模块、温度信号采集模块、湿度信号采集模块、按键控制模块、计算机串口通信模块、蜂鸣器模块及程序下载端口电路控制模块。

所述的主机控制模块包括一单片机。

所述的显示模块采用一128*64液晶显示器作为显示模块的核心显示元器件，可以在低温环境下实时在线、动态地显示粮食湿度检测仪工作的状态，包括被测量粮食的品种（稻谷、大豆、玉米、小麦、高粱等）、测量/校正两种状态的选择、误差的大小（在北方较干燥地区通过误差调整来修正检测值）、湿度含量、被测粮食的温度和湿度等数据信息；

所述的温度信号采集模块电路所采用的传感器为美国DALLAS公司生产的DS18B20数字温度传感器，具有结构简单，不需要外接电路，该传感器采用单线接口方式，具有“一线总线”的结构特点，可用一根I/O数据线既供电又传输数据。DS18B20具有三根引脚，分别是VCC、DQ和GND。DS18B20只需要通过DQ引脚连接到单片机的一个I/O引脚，由于单总线为开漏，所以需要外接一个4.7k的上拉电阻；GND与VCC引脚分别接地和接电源。DS18B20数字温度传感器在与单片机连接时仅需要一条口线即可实现单片机与DS18B20数字温度传感器的双向通讯，且由该数字温度传感器组成的温度测量单元体积小，便于携带、安装，同时，DS18B20的输出为数字量，可以直接与单片机连接，无需后级A/D转换，控制简单，测量精度较高。

所述的湿度信号采集模块主要是对被测量的粮食中的水分的含量进行数据采集并把采集到的信号反馈给单片机，通过显示模块进行显示，湿度信号采集模块是采用电容法测量频率值，当粮食充满电容器时，由于粮食含水量的不同，引起电容极板间介质介电常数的改变，从而会引起电容值的改变，利用555时基电路，将被测的电容转变成与电容值成线性正比的矩形波，单片机能够接收这些矩形波，通过计算处理就可以得出粮食的水分，进而在128*64液晶显示器上显示出来，湿度信号采集模块主要由555时基电路构成的多谐振荡器电路，555时基电路的第二引脚和第六引脚与电容传感器相连作为输入端，输出第三引脚与ATMEGA128的PD7（T2)脚相连，将输出信号传送至单片机，第五引脚为电压控制端，经电容C2接地，以防止干扰的引入，当信号自第六引脚，即高电平触发输入并超过参考电平2/3VCC时，触发器复位，555的输出端3脚输出低电平，同时555定时器内部由三极管构成的放电开关管导通；当输入信号自2引脚输入并低于1/3VCC时，触发器复位，555的3脚输出高电平，同时放电开关管截止。R9、R10、R20以及罗拉（电容）均是定时元件，决定着输出矩形波正负脉冲的宽度，定时器的触发端2、6脚与电容相连，7引脚与电阻及二极管D1相连，控制电容的充、放电，其中，二极管D1将电容的充、放电电路隔离，使输出矩形波的占空比可调（占空比：在一串理想的脉冲周期序列中，正脉冲的持续时间与脉冲总周期的比值），占空比q=R9/(R9+R10+R20)。

所述的按键控制模块设有K1-K7七个按键，K7、K6键分别为谷物品种选择按键+和谷物品种选择按键-，按键+的功能是选择谷物品种顺序从水稻开始，此后依次顺序为小麦、玉米、高粱、油菜；按键-的功能是选择谷物品种顺序从油菜开始，此后依次顺序为高粱、玉米、小麦、水稻，也就是说按键-的谷物品种选择顺序是按键+的谷物品种选择顺序的逆顺序，K1和K2是误差标定按键，设置这两个按键的目的是为了弥补温度对粮食水分含量造成的影响，用户可以根据需要设置误差值。K4为测量按键，K5为电机控制按键 。

所述的计算机串口通信模块用于数据的传输，采用的芯片为MAX232转换芯片。

所述的电源模块由外部提供220V交流电经变压器变压、随后经由二极管和电容组成的整流滤波电路、最后通过三端稳压芯片LM7805的输出端OUT输出的5V直流电压经过滤波电容滤波得到本控制系统需要的稳定的5V直流电，为单片机、128*64液晶显示模块、按键模块、计算机串口通信模块、蜂鸣器模块、温度信号采集模块、湿度信号采集模块等模块供电。

所述的蜂鸣器模块连接到单片机的PORTB.4 端口，当端口PORTB.4电平是低电平时，蜂鸣器响；当端口PORTB.4电平是高电平时，蜂鸣器不响。

所述的湿度信号采集模块包括一湿度采集检测单元，所述的湿度检测单元包括一粮食进料斗，所述粮食进料斗下方由两个罗拉构成两个电极用以碾压粮食，罗拉下方设有毛刷，用于清除测量后粘附在罗拉上的粮食，测量后的粮食由出料口排出，在所述的粮食进料斗内设有恒温加热器。

本发明的有益效果是：

1、市场上现有的粮食湿度测量系统，多是在常温环境下工作的、在低温环境下不能实现在线检测这个功能；在本发明中，得益于计算机串口通信模块的加入，仪器检测到的数据可以实时、在线的传输给相应的计算机进行数据的分析和处理；同时，计算机处理后的数据也可以反馈给单片机，以便实现更好的对粮食水分的检测，这样不但可以方便操作，更重要的是能够为下步的自动化和智能化提供技术支持，相比市场上其他的粮食湿度测量系统，更有竞争力。

2、温度和湿度信号采集模块的设计，温度信号采用技术稳定、性能成熟的传感器DS18B20数字温度传感器，湿度信号采集采用555定时器构成的振荡电路，这两种硬件电路虽然结构上都不是很复杂，但是能够满足本发明所要实现的功能需求，由于采用常见的元器件，在满足性能要求的同时，为企业节省了成本，提高了该产品在市场上的性价比。

3、本发明为了便于操作和后期的维护，整个系统分为电源和电机模块、温度和湿度信号采集模块、计算机串口模块、按键功能模块、液晶显示模块，并将这几大模块融为一体，设计出了一款新型的、能够实现在低温环境下在线检测的、环保节能型产品，在低温粮食湿度动态测量领域具有一定的先进性。

附图说明

图1为本发明方框模块图；

图2为本发明湿度信号采集模块电路图；

图3为本发明显示模块电路图；

图4为本发明水分检测流程图；

图5为本发明按键电路原理图；

图6为本发明电源模块电路图；

图7为本发明蜂鸣器模块电路图；

图8为本发明湿度采集检测单元示意图；

图9为本发明温度信号采集模块电路图；

图10为本发明计算机串口通信模块电路图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。

如图1-图10所示，

一种带恒温箱自动控制系统低温粮食动态检测仪，包括一湿度检测仪壳体，湿度检测仪壳体内安装有一主机控制模块，还包括一电源模块及电机控制电路模块，电源模块负责给整个低温粮食湿度动态检测仪提供能源，电机控制电路模块为整个低温粮食湿度动态检测仪提供动力。可实现在-45℃以内环境温度下对不同品种粮食进行湿度检测，极大地提高了粮食水分检测的竞争力。主机控制模块连接有显示模块、温度信号采集模块、湿度信号采集模块、按键控制模块、计算机串口通信模块、蜂鸣器模块及程序下载端口电路控制模块，主机控制模块包括一单片机，采用了ATMEL公司的Atmega 128单片机，控制程序使用C语言，采用CodeVisionAVR编译工具编写开发。

如图3所示，显示模块采用一128*64液晶显示器作为显示模块的核心显示元器件，可以在低温环境下实时在线、动态地显示粮食湿度检测仪工作的状态，包括被测量粮食的品种（稻谷、大豆、玉米、小麦、高粱等）、测量/校正两种状态的选择、误差的大小（在北方较干燥地区通过误差调整来修正检测值）、湿度含量、被测粮食的温度和湿度等数据信息；

如图9所示，温度信号采集模块电路所采用的传感器为美国DALLAS公司生产的 DS18B20数字温度传感器，具有结构简单，不需要外接电路，该传感器采用单线接口方式，具有“一线总线”的结构特点，可用一根I/O数据线既供电又传输数据。DS18B20具有三根引脚，分别是VCC、DQ和GND。DS18B20只需要通过DQ引脚连接到单片机的一个I/O引脚，由于单总线为开漏，所以需要外接一个4.7k的上拉电阻；GND与VCC引脚分别接地和接电源。DS18B20数字温度传感器在与单片机连接时仅需要一条口线即可实现单片机与DS18B20数字温度传感器的双向通讯，且由该数字温度传感器组成的温度测量单元体积小，便于携带、安装，同时，DS18B20的输出为数字量，可以直接与单片机连接，无需后级A/D转换，控制简单，测量精度较高。

如图2所示，湿度信号采集模块主要是对被测量的粮食中的水分的含量进行数据采集并把采集到的信号反馈给单片机，通过显示模块进行显示，湿度信号采集模块包括一湿度采集检测单元，如图8所示，湿度检测单元包括一粮食进料斗1，粮食进料斗1下方由两个罗拉2构成两个电极用以碾压粮食，罗拉2下方设有毛刷3，用于清除测量后粘附在罗拉2上的粮食，测量后的粮食由出料口4排出，在粮食进料斗1内设有恒温加热器5。湿度信号采集模块是采用电容法测量频率值，当粮食充满电容器时，由于粮食含水量的不同，引起电容极板间介质介电常数的改变，从而会引起电容值的改变，利用555时基电路，将被测的电容转变成与电容值成线性正比的矩形波，单片机能够接收这些矩形波，通过计算处理就可以得出粮食的水分，进而在128*64液晶显示器上显示出来，湿度信号采集模块主要由555时基电路构成的多谐振荡器电路，555时基电路的第二引脚和第六引脚与电容传感器相连作为输入端，输出第三引脚与ATMEGA128的PD7（T2)脚相连，将输出信号传送至单片机，第五引脚为电压控制端，经第二电容C2接地，以防止干扰的引入，当信号自第六引脚，即高电平触发输入并超过参考电平2/3VCC时，触发器复位，555的输出端3脚输出低电平，同时555定时器内部由三极管构成的放电开关管导通；当输入信号自2引脚输入并低于1/3VCC时，触发器复位，555的3脚输出高电平，同时放电开关管截止。电阻R9、R10、R20以及罗拉（电容）均是定时元件，决定着输出矩形波正负脉冲的宽度，定时器的触发端2、6脚与电容相连，7引脚与电阻及二极管D1相连，控制电容的充、放电，其中，二极管D1将电容的充、放电电路隔离，使输出矩形波的占空比可调（占空比：在一串理想的脉冲周期序列中，正脉冲的持续时间与脉冲总周期的比值），占空比q=R9/(R9+R10+R20)。

如图5所示，按键控制模块设有K1-K7七个按键，根据按键的硬件连接电路可知，按键状态的确认就是判断按键是否闭合，反映在输入口的电平就是与按键相连的I/O引脚呈现出高电平或低电平。如果输入高电平表示断开的话，那么低电平则表示按键闭合。因此，简单的讲，在程序中通过检测引脚电平的高低，便可确认按键是否按下。在本控制系统中，采用低电平有效方式判断，响应按键事件。当按键按下后，微处理器相对应的I/O端口检测到一个低电平信号，触发相应事件。在实际操作中，按键闭合的判断通常会受到干扰，容易产生误判断，这时需要通过消除按键抖动的方法来解决。消除按键的抖动既可采用硬件方法，也可采用软件的方法，考虑到软件方式消抖比硬件方式消抖具有更好的经济性，因此，在本控制系统中，采用的是软件消抖方法。具体的按键电路图如图5所示，其中，按键K1~K7分别与单片机的PD0、PD1、PE3、PE4、PE7、PE6、PE5相连。K7、K6键分别为谷物品种选择按键+和谷物品种选择按键-，按键+的功能是选择谷物品种顺序从水稻开始，此后依次顺序为小麦、玉米、高粱、油菜；按键-的功能是选择谷物品种顺序从油菜开始，此后依次顺序为高粱、玉米、小麦、水稻，也就是说按键-的谷物品种选择顺序是按键+的谷物品种选择顺序的逆顺序。K1和K2是误差标定按键，设置这两个按键的目的是为了弥补温度对粮食水分含量造成的影响，用户可以根据需要设置误差值。K4为测量按键，K5为电机控制按键 。首先，按下测量按键，系统程序开始启动，系统已准备好开始测量，显示的界面是“准备就绪可以开始检测”； 再按下测量按键，系统进入测量界面，开始测量温度和谷物水分数据，并显示在LCD128*64上。在软化晶体粮食后测量让粮食水分传感器传动轮反向转动几秒钟，然后正转约1-2分钟，得出在线检测的平均值，在显示屏上显示出检测数据。

如图10所示，计算机串口通信模块用于数据的传输，采用的芯片为MAX232转换芯片，用三根线完成串口通信，其中，引脚5与地线相连，引脚2与3分别完成数据的发送与接收，跳线JP1的3、2脚分别与单片机的串口的发送端TXD、接收端RXD相连。

如图6所示，电源模块由外部提供220V交流电经变压器变压、随后经由二极管和电容组成的整流滤波电路、最后通过三端稳压芯片LM7805的输出端OUT输出的5V直流电压经过滤波电容滤波得到本控制系统需要的稳定的5V直流电，为单片机、128*64液晶显示模块、按键模块、计算机串口通信模块、蜂鸣器模块、温度信号采集模块、湿度信号采集模块等模块供电。

如图7所示，蜂鸣器模块连接到单片机的PORTB.4 端口，当端口PORTB.4电平是低电平时，蜂鸣器响；当端口PORTB.4电平是高电平时，蜂鸣器不响。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.带恒温箱自动控制系统低温粮食动态检测仪，其特征在于：包括一湿度检测仪壳体，所述的湿度检测仪壳体内安装有一主机控制模块，还包括一电源模块及电机控制电路模块，所述的电源模块负责给整个低温粮食湿度动态检测仪提供能源，所述的电机控制电路模块为整个低温粮食湿度动态检测仪提供动力。

2.根据权利要求1所述的带恒温箱自动控制系统低温粮食动态检测仪，其特征在于：所述的主机控制模块连接有显示模块、温度信号采集模块、湿度信号采集模块、按键控制模块、计算机串口通信模块及蜂鸣器模块。

3.根据权利要求1所述的带恒温箱自动控制系统低温粮食动态检测仪，其特征在于：所述的主机控制模块包括一单片机。

4.根据权利要求1所述的带恒温箱自动控制系统低温粮食动态检测仪，其特征在于：所述的显示模块采用一128*64液晶显示器作为显示模块的核心显示元器件，可以在低温环境下实时在线、动态地显示粮食湿度检测仪工作的状态，包括被测量粮食的品种、测量/校正两种状态的选择、误差的大小、湿度含量、被测粮食的温度和湿度数据信息。

5.根据权利要求1所述的带恒温箱自动控制系统低温粮食动态检测仪，其特征在于：所述的温度信号采集模块电路所采用数字温度传感器。

6.根据权利要求1所述的带恒温箱自动控制系统低温粮食动态检测仪，其特征在于：所述的湿度信号采集模块主要是对被测量的粮食中的水分的含量进行数据采集并把采集到的信号反馈给单片机，通过显示模块进行显示。

7.根据权利要求1所述的带恒温箱自动控制系统低温粮食动态检测仪，其特征在于：所述的按键控制模块设有K1-K7七个按键，K7、K6键分别为谷物品种选择按键+和谷物品种选择按键-，按键+的功能是选择谷物品种顺序从水稻开始，此后依次顺序为小麦、玉米、高粱、油菜；按键-的功能是选择谷物品种顺序从油菜开始，此后依次顺序为高粱、玉米、小麦、水稻，也就是说按键-的谷物品种选择顺序是按键+的谷物品种选择顺序的逆顺序，K1和K2是误差标定按键，设置这两个按键的目的是为了弥补温度对粮食水分含量造成的影响，用户可以根据需要设置误差值，K4为测量按键，K5为电机控制按键 。

8.根据权利要求1所述的带恒温箱自动控制系统低温粮食动态检测仪，其特征在于：所述的计算机串口通信模块用于数据的传输，采用的芯片为MAX232转换芯片。

9.根据权利要求1所述的带恒温箱自动控制系统低温粮食动态检测仪，其特征在于：所述的电源模块由外部提供220V交流电经变压器变压、随后经由二极管和电容组成的整流滤波电路、最后通过三端稳压芯片LM7805的输出端输出的5V直流电压经过滤波电容滤波得到本控制系统需要的稳定的5V直流电，为单片机、显示模块、按键模块、计算机串口通信模块、蜂鸣器模块、温度信号采集模块、湿度信号采集模块供电。

10.根据权利要求1所述的带恒温箱自动控制系统低温粮食动态检测仪，其特征在于：所述的湿度信号采集模块包括一湿度采集检测单元，所述的湿度检测单元包括一粮食进料斗，所述粮食进料斗下方由两个罗拉构成两个电极用以碾压粮食，罗拉下方设有毛刷，用于清除测量后粘附在罗拉上的粮食，测量后的粮食由出料口排出，在所述的粮食进料斗内设有恒温加热器。

Images