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摘 要

粮食的含水量是粮食在干燥、加工、运输、贮藏等过程中必须要参考的指标。如果含水量很高，粮食在运输等过程中会非常容易霉变，这样会造成很多不必要的损失。所以准确的测量粮食含水率具有十分重要的意义。

本次毕业设计就针对如何运用电容法来设计一套稳定性好、精度高的粮食含水量检测系统，根据粮食的含水量和电容式传感器特性的关系，设计了电容式粮食水分仪的检测系统。本文主要的研究内容如下：

1. 通过研究谷物和水分的介电特性，选用变介质型的电容式传感器测量谷物的含水量。通过查阅相关文献，总结归纳设计过程中的难题。
2. 分析了不同结构类型的电容传感器的特性，通过比较各种结构的优劣，结合实际设计的便利选择了同芯柱型电容式传感器，并且研究了几种应用很广泛的微小电容测量电路，有利于后续硬件电路的设计。
3. 设计同芯柱型电容式传感器的结构尺寸，并对其结构进行优化，可以减小边缘效应的影响，使传感器有较好的灵敏度。
4. 设计水分仪检测系统的硬件电路，由单片机作为核心控制系统，传感器激励源电路、电容/电压转换电路、放大电路、相敏检测、AD转换来处理传感器信号。
5. 完成水分仪的数据存取、处理以及显示和按键等功能的程序设计流程。

关键词：谷物水分 介电常数 电容式传感器 电容检测 C/V转换

Design of capacitive grain moisture meter

Abstract

The water content of grain is an indicator that must be referenced in the process of drying, processing, transportation and storage of grain. If the water content is high, the grain will be very susceptible to mildew during transportation, which will cause many unnecessary losses. Therefore, accurate measurement of grain moisture content is of great significance.

This graduation design is designed to use a capacitance method to design a stable and high-precision grain moisture monitoring system. Based on the relationship between the water content of the grain and the characteristics of the Capacitance sensor, the monitoring system of the Capacitance grain moisture meter is designed. The main research contents of this paper are as follows:

(1) By studying the dielectric properties of grain and moisture, a variable-media capacitive sensor is selected to measure the moisture content of the grain. Through the review of relevant literature, summarize the problems in the design process.

(2) Analyzing and comparing the advantages and disadvantages of capacitive sensors with different structures, according to the actual situation, this design selects the same-core capacitive sensor, and studies several small-capacitance measurement circuits that are widely used. Helps with subsequent circuit design

(3) In order to make the sensor have better sensitivity. Optimize the structure of the capacitive sensor.

(4) The single-chip computer controls the whole detection system, the sensor excitation source circuit, the capacitance/voltage conversion circuit, the amplification circuit, the phase sensitive detection, and the AD conversion to process the sensor signal.

(5) The moisture meter can realize functions such as data access and processing as well as display.

Key words: grain moisture；dielectric constant；Capacitance sensor；capacitance detection；C/V conversion

目录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 研究背景和意义 1

1.2 谷物中水分的存在形式及其介电常数特性的研究 1

1.3 常用谷物水分测量的方法 2

1.3.1 直接法 2

1.3.2 间接法 3

1.4 国内外谷物水分测量研究情况 5

1.5 本设计主要研究内容 6

第二章 电容传感器原理 8

2.1 电容式传感器结构特性 8

2.1.1 电容传感器测量原理 8

2.1.2 电容传感器的特点 8

2.2 不同结构类型的电容传感器 9

2.2.1 同芯柱型电容式传感器 9

2.2.2 平行极板式电容传感器 10

2.2.3 平板结构电容传感器 10

2.3 几种微小电容的测量方法 10

2.3.1 电桥电路 11

2.3.2 谐振电路 11

2.3.3 运算放大电路 11

2.3.4 脉冲宽度调试电路 12

2.3.5 DC充/放电检测电路 13

第三章 同芯柱型电容传感器优化设计 14

3.1 有限元分析法原理 14

3.2 电容传感器设计 14

3.2.1 同芯柱型电容传感器模型建立 14

3.2.2 传感器结构尺寸设计 15

3.3 电容传感器优化 16

第四章 电容式水分仪硬件电路设计 18

4.1 系统硬件电路整体设计框架 18

4.2 信号发生电路设计 18

4.3 信号调理电路 20

4.3.1 电容/电压转化电路 20

4.3.2 交流放大电路 20

4.3.3 相敏检波 21

4.3.4 A/D转换 21

4.4 单片机控制系统 21

4.4.1 单片机主要外围电路 22

4.4.2 显示和按键模块的设计 22

4.4.3 数据存储模块 23

第五章 电容式水分仪软件系统 25

5.1 程序设计框图 25

5.2 显示与按键功能设计 26

5.3 数据采集程序设计 26

第六章 总结与展望 28

参考文献 29

致谢 31

附录 32

第一章 绪论

1.1 研究背景和意义

我国地域.幅员辽阔，南北的气候差异非常明显，不同地域粮食的分布有很大的差别。而且由于我国人口资源丰富，所以非常重视粮食的生产，自古以来就是一个粮食生产大国。粮食是人们稳定生活的基本保证，所以粮食生产和储备是国家安全和国家经济发展的基础。随着全球化的发展，我国粮食也需要出口到其他国家，同时也需要从一些国家进口粮食。所以粮食的质量检测是一个极其重要的环节。而粮食水分的含量作为粮食质量的重要参考指标^[1]，在粮食的运.输、储.存、加工等过程中是首要的考虑因素，需要被相关粮食负.

责部门进行严格检测。过高的粮食含水量会导致粮食在运输的过程中发生霉变，给国家造成损失，而且会给粮食加工等过程造成很多困难。所以准确测量粮食和谷物的含水量是粮食产业非常重要的一项工作。而传统的通过烘干谷物来测量它重量变化的方法已经不能达到在线、连续测量的要求了，所以精度高、快速的能连续测量的水分仪需要来代替以前传统的烘干失重法。并且伴随着传感器技术、电子技术、和信息技术等相关学科的发展，又为谷物水分仪的设计提供了新的设计思路^[2]。

1.2 谷物中水分的存在形式及其介电常数特性的研究

干燥谷物的相对介电常数在常温下介于2~5之间，而水的介电常数却高达80^[3]。谷物水分含量的高低会直接影响谷物介电常数ε_r值的变化。

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