具有语音提示功能的粮食水分测试仪

1 引言 粮食中的水分按物理性质可分为结合水(结晶水) 和游离水(自由水) 。结合水是在粮粒生长过程中自然形成的，存在于粮食细胞内与粮粒内亲水物质结合得很牢固，性质很稳定，难以解吸，结合水不参加导电；游离水是通过物理吸附作用凝聚在粮食内部的毛细管内和分子间隙中的水分，它具有普通水的导电性质，平时检测指示的水分指的是游离水。如果不加选择地购进和储藏粮食，必然会影响粮食的储藏周期，导致粮食的过早发霉、变质、腐烂，因此必须时刻在意粮食的水分含量，本文根据粮食的介电特性，利用凌阳科技公司的SPCE061A 单片机的快速运算与处理数据的能力和语音功能的特点，设计了完整的测试方案，它具有低功耗、便于携带、具有语音提示功能、操作方便、人机界面友好等特点，可广泛地应用于粮食的调拨、征购、储藏、加工等环节中。 2 SPCE061A 单片机简介 SPCE061A 是台湾凌阳科技公司推出的一款以μ nSPTM为核心的基于SOC(System On Chip) 技术的16 位单片机。SPCE061A中包括2K字节的SRAM和32K字节的闪存ROM； 32 位可编程的多功能I/ O 端口；两个16 位可编程定时器/ 计数器；14 个中断源，两级优先级，三种中断类型；32768Hz 实时时钟；低电压复位/监测功能；可编程的看门狗功能；7 通道10 位A/ D 输入和单通道内置麦克风放大器和自动增益控制AGC 功能的声音A/ D 转换器；双通道10 位D/ A 音频转换器；具有ICE( In Circuit Emula2tion) 接口，能够方便的实现在线仿真和程序的下载； SPCE061A在2. 6～3. 6V 工作电压范围内的工作频率范围为0. 32～49.152MHz ，较高的数据处理速度使SPCE061A 能够非常容易地、快速地处理复杂的数字信号， SPCE061A 能够实现用于处理数字信号的16 位3 16 位的内积运算，因此非常适合于数字语音识别和应用领域。凌阳的指令系统采用精简指令集，它以字为单位，从而格式紧凑、灵活；执行时间短。由此可见，SPCE061A 是一款以单片机的价格获得DSP 处理速度的具有高性价比的单片机。 3 系统软硬件设计 3. 1 系统的硬件设计 系统的硬件结构图如图1 所示： 图1 硬件结构图

数字温度传感器采用DALLAS 公司的单总线器件DS18B20 ，用于补偿环境温度对粮食内部水分的影响，环境温度直接以“一线总线”的数字方式传输，省去了温度传感器的放大处理等环节，大大提高了系统的抗干扰性，适合于恶劣环境的现场温度测量。同时它只占用单片机的一个端口，节约了系统的硬件资源，因此具有较高的性价比。 粮食水分的测试通常采用电阻法和电容法，由于非金属干燥物质的电阻很大，通常能达到几十到几百兆欧，要使这样大的电阻流过电流必须在检测电极两端加上高电压，即使这样获得的电流也只是微安级的，必须要经过放大等处理措施，因此用电阻法检测获得的测量信号微弱，影响测量精度。本电路采用电容法进行测量， 经过实验的反复验证，水分传感器采用圆柱形容器测量粮食的含水量比平板式容器要准确些，操作也较方便，测量值受边缘效应影响较小。信号调理电路采用555 芯片构成的非重复触发的单稳触发电路，如图2 所示： 图2 信号调理电路

粮食中的水分含量越大，粮食的介电常数就越大，电容值就越大。电容与水分存在一定的函数关系，同时在单稳触发电路中，输出的脉冲宽度Tpo = RCln3 ，其中C 就是要测的电容值，因此水分与脉冲宽度存在函数关系，只要测出脉冲宽度就可获得粮食水分的含量。信号的采样波形如图3 所示。脉宽的测量由单片机的外中断和定时中断来完成，由于SPCE061A 的EXT1 和EXT2 均为负跳沿触发中断， 因此在555 的输出端加一级反相器，EXT1 中断采样输出信号的上跳沿，然后再经过一级反相器，EXT2 采样输出信号的下跳沿。两者采样的时间差就是脉冲宽度。时间差的计算可由单片机的定时中断来实现，在EXT1 的中断程序里开启定时中断，在EXT2 的中断程序里关闭定时中断。电路中的同步触发信号来自单片机的输出控制端口使采样和计时保持同步，提高系统的测量精度。

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