基于FDC2214的烘干机水分实时检测系统*

周 攀, 姚启龙, 沙 文

(安徽大学 电气工程与自动化学院，安徽 合肥 230601)

0 引 言

含水率是衡量谷物质量的主要指标之一，直接影响到谷物的品质进而影响其价值。当前，谷物含水率的检测方法可以分为两大类，直接检测法和间接检测法[1]。直接检测法是利用物理或化学方法将谷物中的水分移除后，利用前后重量的变化来计算其含水率，方法检测周期长，实时性较差，不适用于烘干现场的实时检测;间接检测法多采用的是碾压式电阻检测法，水分仪体积较大、安装复杂、检测时需将谷物碾碎，且误差也较大。目前烘干厂更多的是采用人工每隔一段时间使用量杯进行测量，费力费时。本文提出一种基于FDC2214的烘干机水分实时检测系统。

1 系统总体方案设计

系统主要包括主控模块、电源模块、温度采集模块、电容测量模块和RS—485电路。采用了STM8为主控芯片，具有UART，SPI和I2C通信接口，简化了代码编写难度。由于谷物含水分量不同，从而使电容传感器的相对介电常数发生变化[2]，进而在通过方形电容式传感器腔体时引起了其电容值的变化，芯片通过I2C接口读取FDC2214的数据以获得方形电容式传感器的电容值，再通过SPI接口驱动MAX6675读取K型热电偶的温度值，芯片内部对原始数据进行处理得到实际水分值，最终通过UART再经由RS—485电路上传至上位机。

2 系统硬件电路设计

2.1 STM8主控单元

STM8主控单元负责通过SPI和I2C读取温度和电容数据，同时将数据经过处理得到谷物含水率，再将处理结果通过UART接口发送至上位机。STM8主控单元的硬件设计原理图如图1所示，这里将NRST复位引脚通过上拉电阻直接拉高，使芯片始终处于工作状态。

图1 STM8主控单元

2.2 温度采集模块

MAX6675是美国MAXIM公司生产的带有冷端补偿、线性校正、热电偶断线检测的串行K型热电偶模数转换器[3，4]，其温度分辨率为0.25 ℃，冷端补偿范围为-20～+80 ℃，工作电压为3.0～5.5 V，采用SO—8封装，体积小，可靠性高，满足本系统的设计要求。温度采集原理图如图2所示。

图2 MAX6675温度采集原理

2.3 电容测量模块

系统采用了方形电容式传感器，形状如图3所示，将其安装在烘干机外壁上，烘干时谷物填充其中，由于谷物含水率的不同，使介电常数发生变化，引起了电容值的改变，STM8使用I2C接口通过FDC2214便可直接读取出其当前电容值。

图3 方形电容式传感器

FDC2214芯片是由德州仪器(TI)推出的一种高分辨率多通道电容感测集成电路产品，其不受来自无线电、电源、光照和电机等环境噪声的影响[5]。针对噪声敏感性，由于其采用了创新型抗EMI架构，即使在高噪声环境中也能维持性能不变，适用于烘干厂这样的复杂场景。

2.4 RS—485电路

RS—485多采用的是二线制接线协议，在同一总线上最多可以挂载32个节点，采用差分方式来传输信号，能够有效抑制共模干扰，电压差在+(0.2～6)V时表示逻辑高，在-(0.2～6)V时表示逻辑低。在烘干厂复杂的现场环境下，能够提高通信的可靠性。其最大传输速度可达到10 Mb/s以上，满足本系统的速度要求。设计系统使用典型的MAX485芯片构成了RS—485电路[6]，其原理图如图4所示。

图4 RS—485电路

3 系统软件设计

单片机程序使用了KEil5开发环境，直接调用了库函数，降低了编写难度。程序功能主要包括电容测量部分、温度采集部分以及Modbus协议的实现。上位机的使用了亚控科技的组态王KingView6.55，并基于Modbus-RTU协议进行开发。

3.1 单片机程序设计

设置中断分组，初始化SPI，I2C和UART后，开启1 ms定时器中断和300 ms定时器中断，分别供Modbus协议和MAX6675(两次温度采集需要间隔200 ms以上)使用。主程序中做300 ms每次的电容值和温度采集，经过预先已经建立好的数学模型得出对应的含水率，收到上位机的读取命令后将数据通过UART经由RS—485回传给上位机，一次处理流程结束。

3.2 上位机设计

上位机基于组态王KingView开发而成，使用了Mod-bus-RTU协议，实时显示由单片机上传的温度值、电容值和经计算得到的含水率，并通过“历史趋势曲线”控件绘制成图，方便直观的观察，也同时将数据以.excel的数据格式保存在“历史数据报表”控件中，方便后期的数据分析与处理,如图5所示。

图5 上位机界面

4 系统测试

4.1 实验环境

在经过肥西县某烘干厂采集大量数据并分析得到含水率数学模型后，为了进一步检验该系统的准确性，联系了另一家烘干厂进行测试，替换了其原先的电阻式水分仪，进行了一次为期约14 h的烘干实验。为了避免偶然性，此次验证实验使用了2台烘干机同时进行测试。

4.2 测试结果分析

在烘干机进粮完成后，记录此时的电容值作为基准频率，此后上位机每隔1 min记录一次电容值、温度值和计算得出的含水率，并绘制成图以供观察，并记录成表以便后期数据处理。人工每隔45 min使用量杯测量一次水分值，记录成表，待烘干结束后和系统计算值进行比对。两台烘干机的系统测量含水率和人工量杯测量含水率对比如图6所示。可以看出:随着烘干的进行，两者的水分总体上呈下降趋势，符合实际情况。通过对比数据可以发现，两者含水率的差值在0.5 %以内，可以替代人工使用量杯进行测量，达到系统设计预期要求。

图6 系统计算和人工量杯测量的水分对比

5 结 论

通过实验表明:基于FDC2214的烘干机水分实时检测系统运行稳定，准确率高，精度在0.5 %以内，满足实际使用要求，降低了人力工作量，提高了生产效率，可适用于谷物存储、烘干过程中的水分实时检测等应用场景。后期可使用工控屏替代上位机，真正应用于实际生产环境。