1、 基于 AT89S51 单片机粮食水分检测系统的设计 摘要 测量粮食的含水量对于粮食的运输、存储、加工等都非常重要，水分过高会造成粮食在运输和存储过程中发热、霉变等变化，从而变质，给人们的生产和生活都造成巨大损失。测量谷物水分，是粮食、种子部门科研生产过程中不可缺少的步骤，水分检测仪对其起着重要的作用。本文介绍了一种基于单片机的电容式粮食水分含量测量方法。将粮食水分含量的变化转换为电容的变化，再利用施密特触发器组成的多谐振荡器测量由该电容变 化而引起的输出频率的变化，最后由单片机检测频率的变化，进而计算出粮食水分含量。该方法可以实现粮食水分含量的实时测量，且比传统的测量方法更快捷、更准确，而且
2、以液晶显示器显示测量结果，增加了系统的可读性。 关键字： 粮食含水量、单片机、液晶显示器 目 录 目 录 . 1 摘 要 . 1 1 引言 . 5 1.1 选题目的及意义 . 5 1.2 技术发展历程 . 5 2 方案设计 . 7 2.1 理论基础知识 . 7 2.2 设计方案 . 7 3 硬件设计 . 9 3.1 电路设计 应用软件环境 . 9 3.2 施密特触发器电路 . 10 3.2.1 施密特触发器 . 10 3.2.2 多谐振荡器电路设计 . 12 3.3 单片机测量电路 . 13 3.3.1 单片机简介 . 13 3.3.2 时钟与复位电路 . 16 3.3.3 单片机测量电路设计
3、 . 17 3.4 显示电路 . 18 3.5 电源电路 . 19 4 软件设计 . 21 4.1 软件设计应用环境 . 21 4.2 设计流程 . 21 4.3 单片机中断 . 23 4.3.1 单片机中断系统 . 23 4.3.2 中断程序设计 . 24 4.3.3 液晶显示程序设计 . 25 5 硬件制作 . 29 5.1 元器件清单 . 29 5.2 制作过程 . 29 6 总结 . 31 致 谢 . 32 参考文献 . 错误 !未定义书签。 附录 . 36 1 引言 1.1 选题目的及意义 我国有 13 亿多人口， 9 亿多农民，是粮食生产和消费大国，保持粮食生产和流通的稳定至关重要
4、，粮食仓储和流通设施的建设意义重大。由于粮食仓储规模逐渐增大以及多种仓型和供应的需要，已经使目前的粮仓储备仓容严重不足，由于粮食霉坏变质、鼠咬虫蛀和跑冒滴漏等情况，就可造成巨大损失。所以 防霉、防潮、防腐、防爆是 粮食存储中 经常需要注意的重要内容，是衡量一个仓库 粮食管理质量的重要指标，它直接影响到储备 粮食 的寿命和 质量 。 所 以 首要问题就是加强 粮食 温度与湿度的监控工作。 粮食的湿度还制约着粮食加工工艺与流通的过程，实时测量粮食的湿度或含水量是粮食烘干过程自动化和连续化的保证，在小麦着水、大米抛光、油料调质等加工环节也需要测量粮食的水分含量。 但是，迄今为止许多部门测温、测湿的手
5、段还是传统的方式，传统的方法是用湿度表、毛发湿度表、双金属式测量计和湿度试纸等测试器材，通过人工检测，对不符合温度和湿度要求的环境进行通风、去湿和降温等工作。就测湿而言， 17世纪创制的毛发湿度计和 19 世纪发明的干湿球湿度计仍在普遍使用着，不仅精度低、响应时间 长，更重要的是无法转换为电信号，不能直接应用微处理器、电子计算机等先进设备进行信息处理，所以用干湿球湿度计或毛发湿度计来测量湿度的方法早已无法满足现代科技的需要。所以，研究一款高性能、智能型的检测水分装置非常有必要。 1.2 技术发展历程 对于湿度测量仪器，传统的电阻湿度计、半导体湿敏元器件等，都属于分立式湿度测量元件，使用这些元器
6、件来进行测量湿度的，统称为分立式湿度测量。20世纪 50 年代以来，随着传统的电阻、电容湿度计的出现，湿度测量走向了一个新的台阶。此类测量方法所使用的元件通常不能单独完成测量任务，使 用时还需要配上二次仪表，才能完成湿度测量及控制功能。其主要缺点是外围电路比较复杂、测量精度比较低、分辨力不高，还有就是它们的体积比较大、使用起来不够方便。所以，传统的分立式湿度测量方法受到了现在科学技术发展的挑战，已经逐渐被淘汰。到了 20 世纪 90 年代，这种湿度测控已经很难再找到了。在 20世纪 80 年代中，采用硅半导体集成工艺的集成湿度传感器问世，它是将湿度传感器集成在一个芯片上、可完成湿度测量及模拟信
7、号输出功能的专用 IC，它属于最简单的一种集成湿度传感器。用这种模拟集成湿度传感器来进行实验室室内湿度测控，外围 电路是较为简单，所以这种测量方法最为广泛应用。 水分测量主要有以下几种方法： 一、热干燥法 ： 热干燥法是将 待测样品放置于高温下令水分蒸发，根据干燥前后样品的重量变化来得出样品的水分。热干燥法主要有直接干燥法、真空干燥法和红外线干燥法。 二、蒸馏法：蒸馏法是基于两种互不相容的液体二元体系的沸点低于个组分的沸点这一事实，将食品中的水分于其他物质而蒸出，冷凝并收集溜液，由于密度不一样，馏出液在接收挂中会分层，根据馏出液中水分的体积就可以算出样品中的水分含量。 三、微波加热法：微波加热
8、法是利用微波炉的磁控管所产生的 2450MHz 或915MHz 的超高频率微波快速震荡粮食中的水分子，使分子相互碰撞和摩擦，进而出去粮食中的水分。 四、电容法：电容法是根据水分的介电常数远远大于粮食中其他成分的介电常数，水分的含量的变化势必会引起电容量的变化的原理来测量的，通过测量与样品中水分变化相对应的电容变化即可测得样品中水分的含量。 2 方案设计 2.1 理论基础知识 1法电容的大小定义为：带 1 库的电量时两级间的电势差是 1伏，此时这个电容器的电容是 1 法，即 C=Q/U，但电容的大小不是由点亮和电压决定的 ，实际计算公式为 C= S/4 kd，是一个常数， S 为电容极板的正对面
9、积， d 为电容极板的距离， k 是静电力常量。常见的平行板电容器电容计算方法为 C= S/ d，其中为极板间的介质的介电常数， S 为极板面积， d为极板间的距离。 因为平板电容器比较少收外接干扰，所以本设计选用平板电容器方法来测量粮食水分含量， 选用两块铜板作为电容器的两个平行板，将待测粮食放入两块平行板之间。设待测粮食的介电常数为 x ，平行板面积为 S，两块平行板之间的距离为 S，则电容器的电容为： dSC x 所以，根据上式，只要测出电容的变化，即得到介电常数的变化，这样就得到了粮食水分的含量。 2.2 设计方案 本设计选用电容式粮食水分测量法。首先利用铜板制造和待测物制造一个电容器
10、，再设计一个施密特触发器产生矩形脉冲，将电容器接入施密特触发器电路中， 作为变介质型电容式测量传感器件。被测粮食放入电容式传感器两极板间时，由于粮食的含水量不同，从而使电容式传感器的相对介电常数发生变化，即引起了电容值变化。在电容式传感器一端施加一个正弦高频激励信号，则在其输出端必然产生一个 衰减响应，而且，激励与响应信号是同频的，只是相位发生了平移，通过测量相角即可求得电容与电导的比值， 通过电容器电容的改变使得施密特触发器输出的脉冲频率发生变化，将该脉冲接至单片机触发单片机中断，单片机根据单位时间内触发中断的次数计算出频率，根据频率值通过计算得到电容值，进而转换为粮食水分的含量。单片机将水
11、分含量值送至显示电路显示。 综上所述，本设计的主要电路包括施密特触发器电路、单片机测量电路和显示电路。施密特触发器本设计选用基于 NE555 的时基电路来设计，单片机选用ATMEL 公司生产的 AT89S51 单片机， 显示电路采用 LCD1602 液晶显示模块进行显示。系统硬件电路设计框图如图 2-1所示。 图 2-1 系统硬件设计框图 施密特触发器电路 单片机测量电路 LCD1602液晶显示 频率 测量结果 3 硬件设计 3.1 电路设计应用软件 环境 PROTEL 是 PORTEL 公司在 80 年代末推出的 EDA 软件，在电子行业的 CAD 软件中，它当之无愧地排在众多 EDA 软件
12、的前面，是电子设计者的首选软件，它较早就在国内开始使用，在国内的普及率也最高，几乎所有的电子公司都要用到它。早期的 PROTEL 主要作为印制板自动布线工具使用，运行在 DOS 环境，对硬 件的要求很低，在无硬盘 286 机的 1M内存下就能运行，但它的功能也较少，只有电原理图绘制与印制板设计功能，其印制板自动布线的布通率也低，而现今的PROTEL 已发展到 PROTEL99（网络上可下载到它的测试板），是个庞大的 EDA 软件，完全安装有 200 多 M，它工作在 WINDOWS95 环境下，是个完整的板级全方位电子设计系统，它包含了电原理图绘制、模拟电路与数字电路混合信号仿真、多层印制电路
13、板设计（包含印制电路板自动布线）、可编程逻辑器件设计、图表生成、电子表格生成、支持宏操作等功能，并具有 Client/Server（客户 /服务器）体系结构，同时还兼容一些其它设计软件的文件格式，如 ORCAD， PSPICE， EXCEL等，其多层印制线路板的自动布线可实现高密度 PCB100布通率。 进行原理图设计步骤： 一、新建设计数据库文件。双击 Protel 图标，点击 File(文件 )中 new 项，新建设计数据库。 出现如下图对话框。 Database File Name 处可输入设计库存盘文件名，点击 Browse.改变存盘目录。 二、打开和管理设计数据库。 Protel 9
14、9 包括许多设计例子，选择文件打开菜单 Design Explorer 99Example folder，点击 photoplotter.ddb 文件，左侧窗口呈现树状结构。点 Photohead.pcb 文件， PCB 版图将出现，点Photohead.prj，原理图管理文件将被打开。关闭文件，可以用鼠标右键，选择Close，也可以用 CTRL+F4 来关闭。 三、原理图连线设计。利用 Protel 所提供的各种工具、命令进行画图工作，将事先放置好的元器件用具有电气意义的导线、网络标号等连接起来，布线结束后，一张完整的电路原理图基本完成。 四、检查原理图电性能可靠性。打开设计数 据库，点取文
15、件夹下的 .prj 后缀原理图设计窗口， Protel99 可以帮助我们进行电气规则检查选择 Tools 下面的 ERC，在“ Rule Matrix”中选择要进行电气检查的项目，设置好各项后，在“ Setup Electrical Rlues Check”对话框上选择“ OK”即可运行电气规则检查，检查结果将被显示到界面上。 图 3-1 原理图设计流程 3.2 施密特触发器电路 3.2.1 施密特触发器 施密特触 发器也有两个稳定状态，但与一般触发器不同的是，施密特触发器采用电位触发方式，其状态由输入信号电位维持；对于负向递减和正向递增两种不同变化方向的输入信号，施密特触发器有不同的阀值电压。 门电路有一个阈值电压，当输入电压从低电平上升到阈值电压或从高电平下降到阈值电压时电路的状态将发生变化。 施密特 触发器是一种特殊的门电路，与普通的门电路不同，施密特触发器有两个阈值电压，分别称为正向 阈值电压和负向阈值电压。在输入信号从低电平上升到高电平的过程中使电路状态发生变化的输入电压称为正向阈值电压，在输入信号从高电平下降到低电平的过程中使电路状态发生变化的输入电压称为负向阈值电压。正向阈值电压与负向阈值电压之差称为回差电压。 设置图纸大小 开始 设置环境 放置元件 原理图布线 输出报表 存盘打印 结束
