1、水分測試儀1 引言糧食中的水分按物理性質可分為結合水 (結晶水) 和游離水 (自由水) 。結合水是在糧粒生長過程中自然形成的 ,存在于糧 食細胞內與糧粒內親水物質結合得很牢固 ,性質很穩定 ,難以解 吸 ,結合水不參加導電 ;游離水是通過物理吸附作用凝聚在糧食 內部的毛細管內和分子間隙中的水分 ,它具有普通水的導電性 質 ,平時檢測指示的水分指的是游離水 。如果不加選擇地購進 和儲藏糧食 ,必然會影響糧食的儲藏周期 , 導致糧食的過早發 霉 、變質 、腐爛 ,因此必須時刻在意糧食的水分含量 ,本文根據糧 食的介電特性 ,利用凌陽科技公司的 SPCE061A 單片機的快速運 算與處理數據的能力和

2、語音功能的特點 ,設計了完整的測試方 案 ,它具有低功耗 、便于攜帶 、具有語音提示功能 、操作方便 、人 機界面友好等特點 ,可廣泛地應用于糧食的調撥 、征購 、儲藏 、加 工等環節中 。2 SPCE061A 單片機簡介SPCE061A 是臺灣凌陽科技公司推出的一款以 nS PTM 為核心的基于 SOC ( System On Chip) 技術的 16 位單片機 。SPCE061A 中包括 2 K 字節的 SRAM 和 32 K 字節的閃存 ROM ; 32 位可編程 的多功能 I/ O 端口 ;兩個 16 位可編程定時器/ 計數器 ;14 個中斷 源 ,兩級優先級 ,三種中斷類型 ;327

3、68Hz 實時時鐘 ;低電壓復位/ 監測功能 ;可編程的看門狗功能 ; 7 通道 10 位 A/ D 輸入和單通 道內置麥克風放大器和自動增益控制 AGC 功能的聲音 A/ D 轉 換器 ;雙通道 10 位 D/ A 音頻轉換器 ; 具有 ICE ( In Circuit Emula2 tion) 接口 , 能夠方便的實現在線仿真和程序的下載 ; SPCE061A 在 2. 63. 6V 工作電壓范圍內的工作頻率范圍為 0. 3249.152MHz ,較高的數據處理速度使 SPCE061A 能夠非常容易地 、快 速地處理復雜的數字信號 , SPCE061A 能夠實現用于處理數字 信號的 16

4、位 3 16 位的內積運算 ,因此非常適合于數字語音識別 和應用領域 。凌陽的指令系統采用精簡指令集 ,它以字為單位 , 從而格式緊湊 、靈活 ;執行時間短 。由此可見 ,SPCE061A 是一款 以單片機的價格獲得 DSP 處理速度的具有高性價比的單片機 。3 系統軟硬件設計3 . 1 系統的硬件設計系統的硬件結構圖如圖 1 所示 :圖 1 硬件結構圖數字溫度傳感器采用 DALLAS 公司的單總線器件 DS18B20 , 用于補償環境溫度對糧食內部水分的影響 ,環境溫度直接以“一 線總線的數字方式傳輸 , 省去了溫度傳感器的放大處理等環 節 ,大大提高了系統的抗干擾性 ,適合于惡劣環境的現場

5、溫度測 量 。同時它只占用單片機的一個端口 ,節約了系統的硬件資源 , 因此具有較高的性價比 。糧食水分的測試通常采用電阻法和電容法 ,由于非金屬干 燥物質的電阻很大 ,通常能到達幾十到幾百兆歐 ,要使這樣大的 電阻流過電流必須在檢測電極兩端加上高電壓 ,即使這樣獲得 的電流也只是微安級的 ,必須要經過放大等處理措施 ,因此用電 阻法檢測獲得的測量信號微弱 ,影響測量精度 。本電路采用電 容法進行測量 , 經過實驗的反復驗證 ,水分傳感器采用圓柱形 容器測量糧食的含水量比平板式容器要準確些 ,操作也較方便 , 測量值受邊緣效應影響較小 。信號調理電路采用 555 芯片構成 的非重復觸發的單穩觸

6、發電路 ,如圖 2 所示 :圖 2 信號調理電路糧食中的水分含量越大 ,糧食的介電常數就越大 ,電容值就 越大 。電容與水分存在一定的函數關系 ,同時在單穩觸發電路 中 ,輸出的脈沖寬度 Tpo = RCln3 ,其中 C 就是要測的電容值 ,因 此水分與脈沖寬度存在函數關系 ,只要測出脈沖寬度就可獲得 糧食水分的含量 。信號的采樣波形如圖 3 所示 。脈寬的測量由 單片機的外中斷和定時中斷來完成 ,由于 SPCE061A 的 EXT1 和 EXT2 均為負跳沿觸發中斷 , 因此在 555 的輸出端加一級反相 器 , EXT1 中斷采樣輸出信號的上跳沿 ,然后再經過一級反相器 , EXT2 采

7、樣輸出信號的下跳沿 。兩者采樣的時間差就是脈沖寬 度 。時間差的計算可由單片機的定時中斷來實現 , 在 EXT1 的 中斷程序里開啟定時中斷 , 在EXT2 的中斷程序里關閉定時中。電路中的同步觸發信號來自單片機的輸出控制端口使采樣和計時保持同步 ,提高系統的測量精度 。圖 3 信號采樣波形為了降低功耗 ,系統采用圖形點陣式 LCD 顯示 。相應的數 據線和控制線與 SPCE061A 的 16 位并行 A 口連接 ,用來顯示測 量的糧食的種類 、每次測量的數值 、次數 、平均值 ,以及測量的修 正值 。整個人機界面清晰 、明確 。按鍵輸入局部由品種選擇鍵 、修正值輸入鍵 、保存鍵 、測試 鍵

8、、平均鍵 、去除鍵等組成 ,根據需要 ,可測量大米 、小麥 、高粱等 不同種類的糧食 。SPCE061A 的音頻輸出采用雙通道的 DAC 方式 , 即數字信 號通過 10 位 DAC 轉換成 3mA 驅動電流的模擬輸出 ,語音提示 信號輸出經過驅動放大以后 ,通過揚聲器輸出 。3 . 2 系統軟件設計糧食水分測試儀是具有區域特色的產品 ,它對不同地區的 糧食作物具有不同的測量基準值 ,因此在測試之前 ,需要根據不 同的糧食種類 ,在不同的狀態下建立起標準的數據庫 ,這些數據 可以預先存入系統中 ,也可以由用戶根據標準現場設定 。這樣 在測試時就與標準值進行比擬 ,判斷是否符合標準 。軟件采用模

9、塊化設計 ,包括初始化程序 、鍵盤掃描 、溫度采 樣 、水分采樣中斷處理 、測量數據線性化和溫度漂移的補償的數 據處理 、語音提示等模塊 。主程序負責整個系統的協調與控制 工作 ,通過調用不同的模塊完成相應的工作 。本測試儀以每個 品種 10 次隨機采樣的算術平均值作為測量結果 ,有效地提高了 測量的準確性和重復性 。在測試完成后就輸出語音提示 ,判斷 所測試的水分為多少并且是否合格 。主程序的流程圖如圖 4 所 示 :圖 4 主程序流程圖4 語音提示系統工作原理SPCE061A 的音頻輸出有兩種方式 ,一種是音調輸出方式 , 另一種是語音輸出方式 ,兩者的區別在于輸出的控制機理不同 。 前者

10、是通過控制定時器溢出所產生的不同頻率來決定聲波振動 次數的多少 ,從而決定發出的聲音音調的上下 ;后者是用與聲音數據采樣率相同的速率將聲音數據通過數模轉換通道復原成音 頻電壓或電流輸出 ,其中聲音數據采樣率決定了聲音音質的好 壞 ,并決定了聲音數據所需要占據的存儲空間3 。提示語音的 輸入可以采用兩種方式 :一是通過 PC 機的聲卡 ,用麥克風采集 語音的 3 . wav 文件 ;二是用 SPCE061A 系統采集語音信號 ,通過 通信模塊將語音信號傳送到 PC 機上保存 。第二種方式最好 ,因 為它能保證語音特征的一致性 ,從而減少硬件系統不一致帶來 的誤差 。不管采用哪種方式 , 3 .

11、wav 文件占用的存儲空間很 大 ,對于微控制器來說想要存儲大量的語音信息顯然是不可能 的 ,必須將音頻文件壓縮 。為了方便用戶使用 , 凌陽公司的 SPCE061A 提供了各種音頻壓縮編碼的算法和 API 函數庫 , 即 SACM - L IB 。用戶只須了解每個模塊所要實現的功能及參數的 內容 ,然后調用該 API 函數即可實現該功能 。凌陽科技公司提 供三種不同壓縮率的語音提示的算法 ,表 1 是各種壓縮算法名 稱及編碼率類型 。先壓縮好的語音數據 ,解壓縮后存放在播放隊列中 ,中斷效勞程 序定時地從播放隊列中讀取數據 ,從 D/ A 轉換器轉換后送揚聲 器發出聲音 。播放程序如下 :S

12、ound : proc ;r1 = 1 ;call F SACM S240 Initial ;r1 = 8 ;call F SACM S240 Volume ;r1 = Speech 1 ;r2 = dac1 ;r3 = Ramp UpDn On ;call F SACM S240 Play ; LOOP ;call F SACM S240 ServiceLoop syg1 ;call F SACM S240 Status ;test r1 ,0x0001 ; jz Sound End ; jmp LOOP ; Sound End ; retf ;endp ; 實驗測試結果本測試儀采用浮動三點

13、定標法對各種不同種類的糧食預先 定標 ,用戶在使用時可直接測量 ,以小麥為例 ,在不同的水分情 況下 ,實測值與標準值的數據比對如表 2 所示 :表 2 實測值與標準值的比對標準值3. 2 %4. 5 %8. 1 %10. 3 %13. 7 %18. 4 %24. 7 %28. 3 %32. 1 %35. 3 %實測值3. 1 %4. 7 %8. 0 %10. 4 %13. 9 %18. 5 %25. 0 %28. 5 %32. 5 %35. 7 %表 1 SPCE061A 的語音壓縮算法及編碼率類型壓縮算法名稱語音壓縮編碼率類型采樣率/ KHzSACM A200016 KBits/ s 、2

14、0 KBits/ s 、24 KBits/ s16SACM S480/ S7204 . 8 KBits/ s 、7 . 2 KBits/ s16SACM S2402 . 4 KBits/ s16這三種壓縮算法的區別在于壓縮率不同 、音質也不同 。 SACM A2000 壓縮率相對較小 , 音質較好 , 相應的資源占用較 多 。SACM S240 的壓縮率最大 , 音質相對較差 。SACM S480 介于這兩者之間 。本系統在沒有擴展存儲器的情況下 , 采用 SACM S240 方式 ,它可容納 210 秒的語音數據 。語音播放子程 序包括語音播放程序和效勞中斷程序 ,語音播放程序主要完成D/

15、A 轉換器 、TIMERA 定時器和音量的初始化 ,從 ROM 里取出預經過非線性補償和誤差修正 ,本測試儀的測量誤差 ±0.5 % ,測量的水分范圍為 335 % ,重復誤差 0. 1 % ,使用的溫度 范圍為 0 40 。根本上到達國內外同類先進產品的技術指 標 。可適用于多種種類的糧食水分測量 ,具有比擬廣闊的市場 前景 。6 參考文獻 :1 薛鈞義 ,等. 凌陽十六位單片機原理及應用M . 北京 : 北京航 空航天大學出版社 ,2003 ,22 張永林 ,等. 糧食水分在線測量技術評述J . 武漢工業學院學 報 ,2003 , (12) :36 - 403 李晶姣. 嵌入式語

16、音技術及凌陽 16 位單片機應用M . 北京 :北京航空航天大學出版社 ,2003 ,11作者簡介 :鄭長征 (1971 - ) ,男 ,工學碩士 ,教師 ,研究方向 :智能檢測與控制技 術 。鄭長征1 , 吳傳菊2(1. 武漢工業學院 電氣與信息工程系 , 湖北 武漢 430023 ; 2. 武漢科技大學 城建學院根底課部 , 湖北 武漢 430023)摘 要 :利用臺灣凌陽公司新一代 16 位單片機 SPCE061A 的快速數據處理能力和具有語音功能的特點 ,結合糧食的介電特性 ,設計出智能化的糧食水分測試儀 。該測試儀采用電容測量法 ,對測量信號的非線性和溫度漂移進行了數字化的修正和補償

17、 。并 根據測試結果判斷是否與標準值一致 ,進行語音提示 。關鍵詞 :語音提示 ; 介電特性 ; SPCE061A 單片機中圖分類號 : TP93412 文獻標識碼 : B 文章編號 : 100327241 (2004) 1120067203Th e Gr ai n M ois t u r e Te s t Ap p a r a t u s Wit h P h o n e tic Fu n c ti o n sZHENG Chang - zheng1 , WU Chuan - ju2(1. Wuhan Polythnic University ,Wuhan 430023 ,China ; 2. Wuhan University of Science & Technology ,Wuhan 430023 ,China)Abstract :This paper introduces the intelligent grain moisture test apparatus with phonetic functions. It is