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Emirates Journal of Food and Agriculture. 2018. 30(10): 893-902 doi: 10.9755/ejfa.2018.v30.i10.1833

http://www.ejfa.me/

长文 E

基于STM32和MATLAB的花生水分检测仪的设计

Liqing Zhao1, Dongwei Wang1, Yuanyuan Yin1*, Lianxing Gao2, Mimi Zhang1

青岛农业大学机电工程学院，青岛266109,2沉阳农业大学工程学院，辽宁沉阳, 110866, 中国

摘要 T

现有花生水分检测仪的测量精度和重复率较差。为解决这一问题，本文设计了一种基于电容法的电容式花生湿度检测仪。首先，我们优化了同轴圆柱电容式湿度传感器的结构。主控芯片采用STM32单片机，通过电容检测电路将电容的变化转换为频率的变化。花生仁的温度和质量分别用DS18B20温度传感器和重量传感器测量。采用差分频率法研究了粒径，含水率，温度和体积密度对电容传感器输出差频的影响。在水分含量为4.3％-19.1％，温度为10℃-40℃的范围内，建立了水分含量，温度和微分频率之间关系的数学模型。花生仁含水量的预测试验表明，水分含量的测量误差在plusmn;0.5％以内，表明该仪器在用于检测花生仁含水量时具有较高的测量精度和重复性，具有广泛的应用前景。

关键词：电容法;花生仁;水分检测;频率;温度

介绍

花生的营养价值高，具有健脾养胃，增强记忆力和抗衰老等功能（Trabelsi等，2016）。评估和确保花生质量的一个重要因素是水分含量。花生通常在秋末收获（Wu等，2017）。新收获的花生的水分含量为45％-50％。如果水分含量过高，花生会发霉并产生有毒物质，造成大量浪费（Zhao 等，2015）。但是，过于干燥的谷物会导致谷物重量的减少，也会增加人力，能源和设备的消耗，并且可能会导致谷物干燥后开裂和糊化从而降低谷物质量，因此水分含量应干燥至小于安全储存前为10.5％（Zhang 等，2017）。水作为谷物作物的组成部分十分为重要，谷物定价的主要标准是谷物的水分含量。因此，在花生的收获，干燥和贮藏过程中，科学而准确地控制花生的含水量的关键是要去确

保花生的高质量并节省干燥成本（Bell等，2018; Cui等，2018; Hassan等，2018; Omymen等，2017）。

根据测试过程中被测物体的原始状态是否发生变化，谷物水分测量方法可分为两类：有损检测和无损检测。有损检测意味着需要对样品进行物理破碎，或者在检测到样品时需要通过化学反应来改变样品的原始状态。同时，非破坏性测试不会破坏样品的特性，而是通过其化学，物理和光学特性检测样品的水分含量（Liu，2017; Wang等，2018）。国内外常用的测量花生含水量的方法有干燥法，微波法，近红外法，中子法，阻抗法和电容法（Anastassova等，2018; Khaleel等，2018） ; More et al。，2017; Sautrot-Ba et al。，2018）。干燥法是根据加热后谷粒的重量测量水分的方法。它具有很高的检测精确率，但需要将花生仁切成薄片，操

*通讯作者：

尹元元，青岛农业大学机电工程学院，山东青岛266109

电子邮件：Zhlq017214@163.com

修订：2017年12月24日; 接受：2018年4月24日

作过程繁琐，干燥时间长（Liu，2017; Song等，2016）。微波法快速且适用于在线检测，但检测结果很容易受到测试样品密度和形状的影响（Feng等，2016; Wu和Han，2016）。近红外法与测量样品不接触，测量范围广（Bai and Zhou 2018; Liao and Chen，2016）。它适用于检测表面水分。难以测量样品中的真实含水量，价格较贵，难以推广。中子方法的优点在于高湿度部分的灵敏度非常高（Zhao et al。，2016）。检测不会干扰材料的正常运行，也不需要破坏材料结构，但计数比例会因原点等外部因素造成很大差异，在很大程度上受其影响。所测量的颗粒的形状密度和校准等因素比较麻烦，因此不能广泛使用;阻抗法快速准确，但不适合在线检测。电容法具有响应快，成本低的优点。它广泛用于市场上的水检测器的开发（Cui和Yan，2017; Yang等，2017）。

通过使用微波，近红外和电容法，国外学者在花生仁含水量检测研究方面取得了一些进展（Cerullo等，2017），但国内研究尚未见报道。在商业化水分检测仪中，国外产品的市场份额很高。在中国，上海青浦绿洲探测仪器有限公司生产的LDS系列水分探测器采用同轴圆柱形电容传感器结构，该仪器测量花生含水量时重复性差，精度低;韩国G-won公司生产的GMK-303U谷物水分检测仪可测量花生仁的含水量在4.8％-14.7％范围内，精度为plusmn;0.5％。日本的PM8188型电容式湿度检测器可用于检测水分含量为4％-15％的花生仁样品（Basu等，2018; Taki等，2018）。该仪器操作简便，但与标准干燥方法相比，某些样品的测量结果误差高达2％-3％。 DICKEY-john公司生产的GAC2500高精度谷物水分分析仪采用三平行板结构，每次可测量约500g花生仁，精度为0.1％。然而，仪器的体积很大，携带不方便（Antohe等，2016）

基于电容法检测花生仁含水量简单，灵敏，但是测量结果受到许多因素的影响。因此，优化了同轴圆柱电容传感器的结构（Basak和Gajbhiye，2018; Camacho Martinez Morales，2017）。通过设计测试系统和实验研究了颗粒尺寸，含水率，温度和体积密度对电容传感器输出差频的影响。为花生仁电容式水分检测器的开发和优化提供了理论依据（Ahamed等，2017; Zhang等， 2018）。

方法和材料

检测装置设计

花生含水量检测装置的结构如图1所示。该装置的检测部分主要由电容传感器，温度传感器，重量传感器和底座组成。板材为铝合金，结构直径为5cm，外径为8.4cm，圆柱高度为11cm。由Dallas Semiconductor Company生产的DS18B20温度传感器用于检测样品温度（Huang等，2016; Li等，2015）。该传感器抗干扰能力强，检测精度高，测量温度范围为-55°Cplusmn;125°C，精度为plusmn;0.5°C;称重传感器为LCS-D1平行光束传感器，由上海天河自动化仪器有限公司生产，传感器灵敏度为（2plusmn;0.1）mV / V.

硬件电路设计

硬件系统框图如图2所示。系统硬件主要由主控芯片（STM32微控制器），电容传感器，称重传感器，温度传感器，A / D转换模块，显示器，串行通信模块和电源模块组成。

图1. 探测器的主要结构。 1.电容传感器的极板

2.样品腔3.温度传感器4.重量传感器。

图片2 系统硬件图

STM32微控制器由STMicroelectronics生产。它具有许多外部接口，具有低功耗和优异的实时性等诸多优点。称重传感器使用具有平行梁的应变式称重传感器;温度传感器是DS18B20数字温度传感器;硬件系统显示模块是真彩色液晶显示器（TFT-LCD）。显示模块具有触摸屏功能，灵敏度高，功耗低;串行通信模块是CH340G模块。通过该模块，收集的信息被发送到主计算机进行存储。用户可以直接查询计算机上的测量数据并进行处理分析，大大提高了效率（W.B. 2017）。

电容检测电路

用于检测花生水分含量的电容方法的原理是放置在传感器板之间的样品的水分含量的差异导致电容值的变化，并且间接地获得测量的样品的水分含量。关于电容的变化（Yu，2017; Wu 等。，2016）。可以根据不同的电极对电容传感器进行分类。由于晶粒的水分含量不同，介电常数不同，导致不同的电容变化。发现传感器的电容变化与材料的介电常数（Ye和She 2018）之间存在线性变化。本文使用圆柱形传感器。由于电容传感器的电容值很小，一般是皮法级。在设计时，经典模拟电路用于将微电容的变化转换为频率变化。设计的电容检测电路如图3所示。在由检测花生仁含水量的圆柱形电容式传感器设计的检测电路中，注入传感器的花生仁的含水量不同，频率也不同，电路输出也就不同。分别测量未放入样品时的传感器频率和样品放入时的频率，，并根据频率的差异间接获得样品的水分含量（Gao，Y。等，2017）。

温度检测电路

花生仁的介电特性受温度变化的影响。根据大量相关实验，花生仁的相对介电常数随温度的升高而变大。 DS18B20温度传感器用于检测花生仁的温度。 DS18B20的结构主要包括存储器和控制逻辑电路，程序设置寄存器，温度传感器，寄生电源，ROM和单总线接口，存储器RAM，TH和TL，8位CRC发生器等。优点是传感器是采用1-Wire总线技术的产品。 1-Wire总线技术可以减少I / O端口的使用，结构简单，温度值可以在很短的时间内转换为数字，即速度更快，并具有掉电保护功能功能。设计的温度检测电路如图4所示（Mahmud，N。等，2018）

重量检测电路

为了研究体积密度对检测结果的影响，称重传感器用于测量花生仁的质量。称重传感器是通过测量从重量转换的电信号而获得的重量值。本设计中使用的称重传感器是具有平行梁的双孔应变型结构。其优点是测量精度高，测量范围大，频率响应特性好，易于实现小型化，集成化和种类多样化。由于称重传感器的输出信号非常小，因此HX711模块用于模数转换和放大（Antohe等，2016; Sunet 2017）。重量检测电路的设计如图5所示。

24位A / D转换器芯片HX711是专为高精度重量传感器设计的芯片。作为A / D转换芯片，HX711具有其他类型芯片必须具备的外部电路。它具有响应时间短，抗干扰能力强的优点。该芯片还具有两个可选的差分输入，一个用于上电的自动复位电路，以及简单的数字控制和串行端口通信。 HX711时钟振荡器不需要提供额外的模拟电源，也不需要其他设备。简化电路的主要优点是在编程时，它可以节省程序存储器的部分空间，使初始化过程大大简化。无论是从硬件还是软件，它都是一个相对不错的选择。

图3. 电容检测和转换电路

在实际测试中，设计的花生仁水分含量检测仪通电，并用固定容器取一定量的花生仁样品。 样品以自由下落的方式落入容器中，位于传感器端口的顶部。 在几秒钟的稳定性之后，读取TFT-LCD显示器上的重量，频率，温度和水分含量。 点击屏幕上的发送图标，可以将数据发送到主机，配置主机上串口助手的参数，发送的数据以文本文件的格式保存。 信息显示界面如图7所示。

图 4. 温度检测电路

串行通信电路

串行通信是指通过地址，信号线，控制线等在外部设备和计算机之间逐位传输数据信息的通信方法。使用的CH340G模块是USB转TTL芯片，具有500mA高灵敏度过流保护和3.3V稳压器IC。测试数据通过有线传输方式传输到主计算机。检测数据功能通过模块以有线方式传输到主计算机。

水分检测仪的软件设计

水分检测系统的主要功能模块如图6所示。

软件部分主要完成各模块的初始化，温度，重量和输出频率信息的采集，水分含量的计算，信息的显示和保存。

结果

物料

本文采用的试验材料为山东省枣庄市大壳花生。取出花生样品进行杂质处理，除去受损和发霉的花生。选择完整且均匀的花生作为测试样品。花生仁的最终样品如图8所示。

方法

样品的制备

根据国家标准粮油水分测定方法确定花生含水量的要求（郑等，2016;李等，2016），剥皮后花生的含水量通过干燥来测定。方法，花生的初始含水量约为7.3％。为了获得具有不同水分梯度的花生仁样品，去除杂质后的带壳花生样品被分成10个密封袋。通过在每个花生样品中加入不等量的水，得到含水量较高的样品，然后每次加入少量水，每隔一段时间摇动样品袋，使样品充分吸收水分。

896 Emir. J. Food Agric ● Vol 30 ● Issue 10 ● 2018

图 5. 重量检测电路

图 6. 软件系统框图

图 7. 信息显示界面

通过样品的自然干燥获得具有较低水分含量的花生样品（Li和Mao，2016; Tu和Bian 2017）。 剥离花生样品后，通过干燥法测量10个花生仁的含水量。 花生仁含水量分别为4.3％，5.6％，7.3％，9.5％，11.1％，12.6％，13.6％，14％，16.6％和19.1％。

水分含量的测定