摘要：

　　介绍了一种基于STC89C52单片机的棉花水分检测仪的组成及工作原理，分析了棉花水分检测原理，进行了系统的硬件和软件设计。通过选择合适电路元件，改进设计方法，使该检测仪满足棉花水分智能检测的要求。

　　关键词：棉花；水分；水分检测仪

　　棉花是世界上最主要的农作物之一，是仅次于粮食的第二大农作物，也是关系国计民生的重要战略物资。棉花的品质在收购、加工、储存等过程中受到多种因素的影响，特别是超高水分对棉花的质量影响很大。因此，棉花水分检测是棉花各个环节检验的一项重要内容。准确和快速地测量棉花水分直接影响到棉花收购的质量以及后续的存储加工等工作。随着科技的不断发展，我国的棉花收购检验工作正朝着规范化、仪器化的方向发展，最终达到棉花的水分检验准确和可靠[1]。

　　目前，在我国大量使用的棉花水分检测仪，仍停留在早期的研制水平，基本上是最开始所研制的电阻式水分检测仪，这种仪器存在着体积较大、携带不方便、操作繁琐、数据显示不直观等缺陷[2]。因此，研制一种操作简单、便携式携带方便的棉花水分检测仪器已势在必行。

　　本设计采用STC89C52单片机为核心，这种单片机具有高速、低功耗、超强抗干扰等特点，特别适合于便携式智能仪器的研制，旨在满足棉花水分智能检测仪的要求。

　　1 系统的组成

　　便携式智能棉花水分检测仪主要由STC89C52单片机、数字温度传感器DS18B20、电容式水分传感器、串口通讯RS485、人机界面显示与按键、电源及电源处理模块等组成。棉花水分检测仪的设计原理图，如图1所示。该棉花水分检测仪主要包括上位机和下位机两大部分。其中上位机主要包括电源、电源开关、按键、显示屏、交直流选择按钮等，下位机主要包括测湿电容及相关电路、温度传感器等。电源包括DC(直流6V)和AC(交流220V)两种电源，可根据实际检验情况任选其一。该棉花水分检测仪的结构特点是采用交直流两用电源，因而扩大了仪器的使用范围，具有携带方便、实用性强的优点[3]。

　　整个棉花水分检测仪的工作原理为：温度信号和湿度信号由各自传感器输出，经过放大、滤波后输入到单片机内，经过片内A/D转换后进行数据处理，利用通讯接口RS485，将单片机处理完的结果送入上位机以便于数据的分析和整理，实现了单片机与上位机即计算机的通讯。

　　2 水分检测原理

　　当电容器以棉花为介质时，其电容值随棉花水分的变化而不同，棉花水分检测仪就是利用这一特点来进行棉花(籽棉)含水率的非电量转换。电容器的电容大小与极板间材料的介电常数有关，把被测棉花当作电容的中间介质时，其介电常数取决于棉花中的含水量，通过测量电容的大小就可得到棉花含水量[4]。与此同时，棉花水分检测仪的具体检测效果还受棉花温度、棉花蓬松程度、棉花含杂率等其他因素的影响。因此，棉花水分的非线性校正和温度补偿是棉花水分检测仪开发的技术关键[5]。本设计中的棉花水分检测系统由待测电容(测量传感头)、参考电容、阻容脉冲转换电路、数字温度传感器、单片微机、RS485通讯模块等单元组成。工作过程是：待测电容和参考电容分别产生脉冲信号，脉冲信号的脉冲数与电容器的容值负相关，一定时间内两列脉冲序列的脉冲数之差与待测物料的水分正相关，单片机通过计数器检测在一定时间内的脉冲数之差，将此数与数字温度传感器产生的温度测量值一起通过RS485串行总线发给上位机即计算机[3]。

　　该方法的关键是测量电容，常用的电容测量方法是给电容加上交流信号后，通过测量电容两端的阻抗并经过换算得到电容值，这种方法需要相应的电路和元器件来实现，主要包括交流信号发生电路、交流电桥以及A/D转换器等。这种测量方法存在电路相对复杂，元器件较多，不适用于便携式设计使用。为了适应便携式设计，需要简化电路，该设计中采用充放电电路将电容测量转变为频率的测量[6]。把对敏感电容的测量转化为对输出信号频率的测量，电容随着棉花湿度的变化而变化，则输出的信号频率也就随着棉花湿度的变化而变化，从而可以实现测量频率就可以得到棉花的含水量[4]。

　　3 系统硬件设计

　　硬件是该检测仪的主要部分，设计的好坏会直接影响到检测仪的诸多性能。在硬件设计中主要考虑选用一些低功耗和性价比高的电路元件，同时要尽量减少所有的电路，以减小检测仪的体积，也要保证检测仪良好的性能、较小的电耗和低廉的价格等。整个硬件系统分为以下几个模块：

　　(1)信号采集处理控制系统模块。包括水分信号采集、温度补偿信号采集、压力补偿信号采集、通信电路(信号传递)和单片机控制部分。

　　(2)按键和显示控制部分模块。包括显示的部分、按键部分、上位机即计算机控制部分。

　　(3)电源电路模块。电源电路主要为系统的各个子电路提供独立电源。

　　本检测仪的单片机选用STC89C52RC单片机，这是一款低功耗、高性价比的微型处理器。它集成了很多硬件功能，外围配置简单、明晰，具有较强的抗外界干扰的能力。本设计中温度传感器选用DS18B20，这种数字温度传感器接线方便，封装成后可应用于多种场合，如管道式，螺纹式，磁铁吸附式，不锈钢封装式等。具有耐磨耐碰、体积小、使用方便、封装形式多样等特点。适用于各种狭小空间设备数字测温和控制领域。该种温度传感器可编程的分辨率为9～12位，温度值的位数是12位，温度转换时的延时时间为750ms。

　　4 系统软件设计

　　根据检测仪功能要求和系统硬件电路设计，在软件部分的设计中应能完成信号的数据采集、湿度数字显示、按键设定以及开关量的输出等功能。为此，需要在仪器操作面板上设置开机、测量、复位、结束和上传5个功能键[2]，分别实现不同的功能，实现智能检测。

　　为了方便程序调试和提高软件的可靠性，本检测仪的软件设计采用了模块化程序结构，系统的整个软件包括系统主程序、主监控程序、数据采集与处理子程序、键盘显示管理子程序等。系统主程序是键盘扫描程序，这是一段无限循环的程序，当有键按下时即开始运行，没有键按下时则循环判断。主监控程序主要功能是完成系统初始化、自检、中断管理分配等，通过中断调用其他相应程序[2]。

　　5 结论

　　在本设计中采用了高性价比、高性能、低功耗等功能部件，采用了合适的设计方法，由此设计出的棉花水分检测仪具有低功耗、低成本、结构简单、测量准确、精度较高、性能稳定、智能化和使用方便等特点。该棉花水分检测仪可用于棉花收购、加工、纺织、检验等各部门对棉花含水量的快速测定。

　　参考文献：

　　[1]王伟,宗望远,吴文福,等.基于BP神经网络的棉花水分检测仪设计[J].华中农业大学学报,2010,29(4):533-536.

　　[2]林敏,于忠得,侯秉涛. HS1100/HS1101电容式湿度传感器及其应用[J].仪表技术与传感器,2001,(10):44-45.

　　[3]吕金焕,卢庆林,杜云,等. MWS型微电脑原棉水分测定仪的设计[J].西北农林科技大学学报,2004,(10) :140-144.

　　[4]胡智宏,邹琳.便携电容式棉花含水量测量仪[J].仪表技术与传感器, 2008,(7):19-21.

　　(来源：中国纤检杂志社)