基于FDC1004的电容式谷物水分检测仪的设计

徐冬平，张鹏鹏，孙诗裕

(南京工业大学 自动化与电气工程学院，南京　211816)



基于FDC1004的电容式谷物水分检测仪的设计

徐冬平，张鹏鹏，孙诗裕

(南京工业大学 自动化与电气工程学院，南京211816)

摘要：提出了一种利用谷物介电特性快速测量谷物含水率的方法，采用同心圆筒电容传感器，对传感器做屏蔽干扰处理。运用Texas Instruments公司最新的电容数字转换芯片FDC1004，具有测量精度高电路简单及抗干扰等特点。加入NTC温度传感器对测量电路进行温度补偿，人机通过按键交互，测量结果通过LCD屏幕显示。系统核心器件采用单片机MSP430F5528，具有低功耗及运算速度快的优点。系统采用4.2V可充电蓄电池供电，系统的测量范围为5%~35%。标定后的系统经验证测试得测量平均误差为0.85%，符合设计要求。

关键词：水分检测仪；谷物；介电特性；电容传感器；温度补偿；低功耗

0引言

谷物的含水率是最重要的指标之一，直接反映的是种子质量的优劣，也是谷物在农业生产、商业销售、工业生产、科学研究的活动中最基本的指标参数。如何准确、快速地测量出谷物中的含水率，是生产实际中必须探究的重要问题。

在谷物水分测量的诸多方法中，传统的测量方法是通过物理和化学方法将谷物的水分去除，检测的精度高，但费时且成本较高，适用于实验室环境，不适于生产的实际现场。间接测量法是根据不同含水率的谷物在某一物理特性上的差异体现测得谷物的含水率，如红外方式、电容方式及核磁共振方式等。其中，电容方式最为简单快速且成本低。综合上述考虑，笔者设计了一种基于电容式的谷物水分检测系统，以实现谷物水分的快速、准确测量。

1传感器设计

1.1　测量原理

介电常数又称电容率，在非真空中由于介质被电极化，在物质内部的总电场会减小；电容率关系到介质传输电场的能力。介质极化图如图1所示。由图1可知：内部介质被极化使得整个电容的电场变小。

图1　介质极化图

介电常数以ε表示，ε=εr×ε0，ε0为真空绝对介电常数，ε0=8.85×1012F/m。εr为相对介电常数，可以通过静电场用如下方式测量：首先在两块极板之间为真空的时候测试电容器的电容C0；然后，用同样的电容极板间距离但在极板间加入电介质后(内部介质被极化后)测得电容Cx；最后，相对介电常数可以用εr=Cx/C0计算。

谷物主要由淀粉和少量的脂肪蛋白质和水构成。它们都有介电常数，但是上述成分中受环境湿度变化的只有水分，其他成分比较稳定，受环境影响小。谷物中水分的变化会直接体现为介电常数的变化。电容式水分传感的原理是将被测物作为电容的介质，利用介电常数对电容容值的影响来测量水分。

1.2　传感器设计

电容传感器的结构主要有平行板结构和同轴圆筒结构；但是在极板间体积一定的情况下，同轴圆筒电容的容值更大更利于容值测量，而且也更加符合测量仪的外形要求。所以，笔者选用同轴圆筒型的电容传感器进行研究和分析，其结构如图2所示。

图 2　传感器结构图与实物照片

传感器为两个同轴的圆筒形柱体作为电极。两个电极的高度为L，内电极半径为r，外电极的半径为R。本设计要求抗干扰性强，所以在内圆筒的内侧及外圆筒的外侧涂有树脂涂层用来屏蔽外部环境中的电磁波等的干扰(图2中的阴影部分为树脂涂层)。位于内侧圆筒上的是热敏电阻NTC，用于温度补偿。为避免对电容测量的影响，采用绝缘的环氧树脂绝缘封装，并且在筒壁上的开孔面积相对筒壁面积很小，NTC对容值的影响可忽略不计。当L>>R-r时，可忽略圆柱的边缘效应。设电容器两极各带电荷+q和-q时，若忽略边缘效应，电荷均匀分布在内外圆柱电极面上，圆柱每单位长度所带的电荷绝对值为λ(λ=q/L)。由于两圆柱面间的电场具有轴对称性，由高斯定理求距离为S出的电场强度为E为

两极板间的电势差ΔU为

R=er ΔU=U1-U2=∫RrEdS

由电容的定义可知

当极板间放入相对介电常数为εr的物质时，则

由上式可知：通过检测两极板间的电容值的公式中，只有εr是变量，而且εr直接和谷物间的含水量相关，所以两极板间的电容值就间接反映了谷物介质的含水量。当传感器中装入介电常数为的被测物后，电容的变化量为

2检测电路设计

2.1　电容测量电路

在实际设计的电容传感器，在几何尺寸的限制下，电容值都会很小(一般十几皮法)，容抗比较大，易受环境干扰，会给信息的采集造成麻烦。在本文的同心圆筒型电容传感器设计中，需在外电极的外侧及内电极的内侧涂上树脂绝缘层来隔绝外界环境的干扰。

电容传感监测系统的性能很大程度上决定于检测电路的性能。传统的电容测量电路多采用模拟电桥等手段，元件复杂集成性低，分立元件易受环境干扰。笔者将采用专业的集成芯片设计检测电路，既避免了检测电路可能串入的干扰，又使电路简洁、稳定。笔者采用的是TI公司生产的FDC1004四通道电容数字转换器(CDC)，其连接图如图3所示。FDC1004分辨率达0.5fF采用 Σ-Δ型电容数字转换器，线性度高精度高，要测量的电容可直接连接到器件输入端。FDC1004的电容输入范围是±15pF，内部有去干扰电容电路。其主处理器芯片可以直接通过寄存器对芯片进行配置和数据的存取，且具有一个双线式I2C兼容串行接口，可采用2.7 ～5.25 V单电源供电。

图 3　FDC1004连接图

所测电容CX连接在调制器输入端和地之间，转换期间在CX上施加方波激励信号，调制器会对流过CX的电荷进行连续采样。数字滤波器负责处理调制器输出，也就是以0和1密度形式表示信息的0和1数据流。数字滤波器输出的数据通过应用校准系数进行调整，然后通过串行接口读取最终结果。

为了获得最佳结果，应使FDC1004尽可能靠近容性传感器。传感器和FDC1004 CIN引脚之间的连接及传感器地和FDC1004 GND引脚之间的返回路径应尽可能短。应将PCB走线与CIN引脚屏蔽开来，并将屏蔽体连接到FDC1004 屏蔽引脚(见图3)。此外，如果使用屏蔽导线来连接传感器，则应将屏蔽体连接到FDC1004 屏蔽引脚。

2.2　电路整体结构图

图4为整个设计的硬件框图。图4中，同心圆筒电筒传感器和FDC1004芯片相连(并采取抗干扰处理)；FDC1004芯片和单片机处理器相连，单片机负责与FDC1004通信；单片机与LCD相连用来显示系统的工作状态和测量结果；按键与单片机相连用来设置系统工作模式和指令输入；电源模块负责整个系统的供电。

电路的核心处理器芯片采用高性价比的单片机MSP430F5528。该型号单片机是TI公司生产的16位精简指令架构的(RSIC)单片机，运算主频最高25MHz。本设计选用64引脚的RGC封装，拥有512k的Flash，66kB的SRAM；工作电压1.8～3.6V，具有低功耗特性；47个I/O端口，拥有12通道的12位ADC模块，集成有I2C单元；外部电路简单；且具有超强抗干特性，特别适合本设计。

LCD在本设计中用来显示测量结果、工作状态及人机交互，考虑到设计的低功耗、显示内容的复杂程度及价格成本，本设计采用的是LCD5510。该LCD 为84x48的点阵LCD，可以显示4行汉字；引脚包括电源在内9个，只需MCU的单个P口就可实现与LCD的通信，支持串口或者SPI模式；工作电压3.3V，正常显示时的工作电流在200μA以下，功耗低。该LCD显示测量的谷物品种、测量进度状态、谷物温度及系统状态信息，电路如图5所示。

图 4　系统结构框图

图5　LCD电路图

按键设置为4个机械按键，分别为“开关”“选择”“测量”“加料”。开关键用于系统的启动和关闭，选择键用于物料的选择，测量键触发系统进行测量，加料按键将物料由待测区填充到测量区。

温度传感器选用的是负温度热敏电阻(NTC)。该热敏电阻的封装很小，对电容传感器的影响很小，且采用的是环氧树脂绝缘封装，避免了对电容传感器的干扰。被测物的温度对水分的检测影响非常大，必须对系统进行温度补偿。

NTC传感器调理电路采用桥式电路(见图 6)，R19为NTC电阻，桥式电路输出的是差分信号，电路左侧通过稳压二极管提供稳定的参考电压，右侧试由LM358通用放大集成电路构成的直流差分信号放大器。LM358集成了两个放大器LM381_1和LM358_2。

图6　NTC温度测量电路图

电源采用可充电锂离子电池配合电源管理芯片AMS1117，如图7所示。

图7　电源电路图

AMS1117是降压型稳压器，具有1A的负载驱动能力能够输出3.3、5、12、15V的固定电压和电压可调节的可调电压输出方式；外部单路简单，驱动能力也符合设计要求。

2.3　测量系统的软件设计

系统软件软件流程主要负责测量数据的读取、优化计算及显示，如图8所示。单片机和FDC1004直接通过时序指令通讯，结合温度传感器的数据实现温度补偿，系统通过多次测量来获取平均值，最终输出测量结果。

3实验与数据分析

实验以小麦作为标定样本，样本分为15组，每组200g分别编号为1~15号。首先要对谷物的水分进行调节，即将小麦的水分含量尽量在5%~35%之间等间距规律分布；然后通过恒温烘干发测得样本的水分含量为17.6%，将1~6组样本用过加热干燥处理来获取水分含量为5%~16.5%的标定样本。加热干燥环境为最低档的微波炉。为使标定样本有精确的含水率，通过加热干燥实验获得加热时间和含水量的关系曲线，如图9所示。

图 8　软件流程图

图 9　加热时间和含水量关系曲线

通过上述曲线，计算加热时间获得准确含水量的标定样本。对7~15组样本，需要提高其含水率，本试验采用蒸馏水湿润法，以获得水分在20%~35%间等间距分布的标定样本。最终获得15组标定样本的水分含量与电容传感器的电容值之间的拟合关系曲线，如图10所示。

图10　含水量与容值拟合曲

系统标定过程中实验数据分析如表1所示。

表1　标定样本数据

标定样本的含水率和传感器的电容值线性相关系数为0.95，平均误差为0.85%，表明系统的测量精度满足设计目标。

4结论

设计了基于TI公司最新的FDC1004电容值转换芯片，处理器采用超低功耗的MSP430芯片。高精度的电容传感器和屏蔽干扰的处理保证了测量的高精度。通过标定实验和拟合试验，表明系统测量精度和测量范围满足设计要求，可实现谷物含水率的准确、快速测量。

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Design of a Grain Moisture Detector Based on Dielectric Character

Xu Dongping, Zhang Pengpeng, Sun Shiyu

(Department of Automation and Electrical Engineering, Nanjing University of Technology, Nanjing 211816, China)

Abstract：This article aims to present a rapid method of grain moisture measurement based on dielectric character. The capacitor sensor is composed of two metal barrels with the same center but different radiuses, deals with cutting out distractions. As the core of the capacitance measurement circuit, the device of FDC1004 which is a 24-Bit Capacitance-to-Digital Converter , minimizes the peripheral components and increase the accuracy. The system interface through the keys , with the NTC temperature sensor circuit working as temperature compensation and displaying results on the LCD. The MCU of this system is MSP430F5528 working with low-power. The measurement is powered by a storage battery of 4.2 volt , and the range of measurement is 5%～35%. After the calibration experiment,the average error was 0.85%,meeting the requirements of the design.

Key words：moisture detector; grain; dielectric property; capacitive sensor; temperature compensation; low-power Dissipation

中图分类号：S126；S237

文献标识码：A

文章编号：1003-188X(2016)08-0173-06

作者简介：徐冬平(1990-)，男，江苏泰兴人，硕士研究生，(E-mail)1304286168@qq.com。

基金项目：国家自然科学基金项目(61350008)；国家星火计划项目(2012GA690166);江苏省高校产业化推进项目(JHB2012-55)

收稿日期：2015-07-09