籽棉回潮率快速检测装置设计与实现

■ 王会博 孟永法 夏 彬

〔中华全国供销合作总社郑州棉麻工程技术设计研究所，河南郑州450004〕

籽棉回潮率是影响棉花交售价格和加工品质的重要因素，当回潮率过高时，棉花品质降低，黄色加深，易霉变，不利于加工，影响农商交接，市场流通；当回潮率过低时，主要影响轧花过程的正常进行，不利于安全生产。因此，采用快速自动化检测装置能够有效提高效率和棉花市场竞争力。

一、工作原理

系统工作时，将300 g籽棉平铺在籽棉样品盒中，按下启动按钮，传送带将籽棉样品盒传送至压棉单元，接近开关检测到样品盒到达压棉位置时，传送带停止，压棉机构垂直压棉，当压棉玻璃板将籽棉表面压实后，回潮模块通过压面玻璃板上的电极，获得电阻值，用电阻法采样得到回潮值，回潮率检测结果通过RS-232上传给上位机，随后上位机显示实时数据，压棉机构复位，传送带带动籽棉样品盒复位。

二、回潮率检测单元硬件设计

（一）主控电路

以IAP15W4K61S4单片机为控制核心，该芯片可以将用户程序区的程序FLASH当EEPROM使用，节约成本；具有四组高速异步串行通信端口UART、A/D转换，可满足通信和回潮数据测量；该芯片工作温度范围为-40 ℃～85 ℃，可满足日常工作环境要求。

（二）电源电路

本次电路设计采用接入直流24 V，通过压降电路输出直流5 V，直接为数据处理供电，数据采集电源通过直流电感升压电路加倍压电路组成，由直流5 V升压至直流45 V和直流90 V，为数据测量部分提供电压。24 V降压至5 V电路，采用德州仪器公司的开关电源转换芯片TPS5430，该芯片与其他同类型开关电源转换芯片相比，具有带负载能力强，效率高，外围器件少的特性，为数据采集和数据处理供电，该部分原理图如图1所示。

图1 数据采集系统供电原理图

直流24 V转直流5 V降压电路，采用TPS5430的经典电路设计，如图2所示。由芯片手册可知，当芯片正常工作时，4引脚电压为1.221 V，VCC输出电压通过R31和R32反馈给4引脚，则由分压原理得到输出电压VCC=1.221 ×，当需要5 V输出时，R31若选择10 K，R32选择3.24 K，结合本电路设计，此次输出为5 V（详见图2）。

图2 24 V输入转5 V电压输出电路图

（三）回潮测量

回潮测量采用电阻分压原理。设计如下：压棉玻璃板上有两个环形电极，分别为采样电极A和采样电极B，电极A和电极B引出导线接入采样电路。当玻璃压棉板将籽棉压实以后，采样电路对A、B之间的电阻值进行检测，由棉纤维吸湿导电特性可知，不同的籽棉回潮值对应不同的电阻值，根据对应关系可测量棉花的回潮值。圆形电极如图3（a）所示，回潮采集部分原理图如图3（b）所示。

图3 回潮采集原理图

AQW214为2a型高性能和经济性兼备的半导体继电器，具有高灵敏度和高响应速度，4脚接单片机的IO口，当单片机IO口输出低电平时，继电器吸合，采样电极A和采样电极B分别接XH+和XH-，等效于可变电阻Rx，当R27开路时，OPA4344与外围电阻构成跟随电路，放大系数为1，此时AD1_DJ电压为R24的电压（由Vad1表示），由分压原理可得：

由单片机手册可知单片机IAP15W4K61S4具有高速10位ADC，则可得：

VCC为单片机供电电压5 V，Vad_value为单片机采样值，由公式（1）和（2）可得：

由公式（3）和（4）可得：不同的电阻值得到不同的AD值，由AD值可求得对应的电阻值。

（四）上位机通信

1.RS-232通信

通信采用美信公司专为RS-232标准串口设计的单电源电平转换芯片MAX232，该芯片由直流5 V供电，功耗低，集成度高，片外最低只需4个电容即可工作。该芯片采用标准modbus协议与上位机通信，RS-232通信距离可达到15 m，且几乎每一台电脑都会有一个或者多个接口，传输距离较长，使用方便。电路如图4所示。

图4 与上位机通信接口电路

2.UART-USB通信

通信采用USB总线转接芯片CH340G，可实现串口转USB功能。基本原理如图5所示。

图5 UART转USB原理图

UART转USB电路原理图如图6所示。

图6 UART转USB电路原理图

将没有使用到的信号线都可以悬空，该芯片电源电压范围是-0.5 V～6.0 V，所以采用直流5 V供电。USB通信接线简单，可方便调试使用。在本电路中，主要用于程序下载和工程师调试使用。

三、回潮率检测单元软件设计

以专业开发软件为开发环境，利用单片机C语言开发程序，主要有A/D采样，回潮值计算两部分。

（一）A/D采样

单片机IAP15W4K61S4具有10位A/D，转换速度快，采样精度高，利用定时器中断，每0.2 ms采集一个数据，采样100个数据后关闭定时器中断，利用插入排序法，去掉部分最大值和最小值后得到平均AD值，再次打开定时器中断，依此方法得到10个平均AD值，求得采样值为10次AD值的平均值Vad_value，此方法可以有效滤除干扰。将Vad_value带入公式（3）可以得到电阻值。

（二）回潮率检测算法

棉花属于纤维材质，在干燥的情况下几乎不导电，潮湿后，杂质会在潮湿的棉花中形成大量的离子，离子在电压的作用下定向移动，形成电流，即可以导电，含水量越高，导电能力越强，根据欧姆定律，可知，当电压一定时，电流越大，电阻越小。根据《棉花回潮率的测试研究》介绍，棉花回潮率的大小还受棉纤维所处的温湿度等外部环境的影响。基于上述研究，可得到回潮率计算公式：

回潮率=电阻法计算结果+外部补偿结果 式（5）

由于外部环境测试需要严格的测试环境和较长的测试时间，所以外部补偿将作为下一步的工作任务，实验过后再做出补偿方案。

由电极特性和实验数据得到电阻回潮率校验曲线，由曲线可以看出回潮值和电阻值不是线性对应关系，如图7所示。

图7 电阻-回潮率校验曲线

由于曲线不是线性对应关系，且不同回潮率对应电阻值差距较大，因此，采用分段函数的方法来拟合曲线，回潮率从4%开始，每增加1%所对应的电阻值为一个区间。设采样电阻为Rx，根据标准电阻值判断采样电阻值所在的区间，假设所在电阻区间为［R0，R1］，R1所对应的回潮值为r0，则此时Rx对应的回潮值为。据此方法得到的回潮值，于2022年10月1日在148团轧花厂试验验证，与其他回潮值仪器测出来的数据基本一致，最大误差在5%以内，实验数据见表1。

表1 回潮率实验数据表

四、整机控制系统设计

控制系统以STM32F103VET6为主处理器，通过操作面板上的三个按键来控制整个设备的正常运行。控制系统的总体方案如图8所示。

图8 控制系统原理图

回潮采集作为回潮装置的核心模块，主要进行回潮率的采集；物位检测主要通过接近开关来定位各个运动部件的到位位置；操作面板主要进行整个装置的启动，停止和复位操作；上位机进行实时数据的显示和记录；棉样称重控制主要称重300 g棉样；棉样输送控制是为了将棉样盒输送到指定的位置；棉样压缩控制的作用是将籽棉表面压实，以便圆形电极进行数据采集，上位机的作用是进行数据的监控和记录。籽棉回潮率快速检测装置通过控制系统进行控制回潮采集模块和外围设备模块的有序运行，完成整个回潮率的采集记录工作。

五、结语

通过对籽棉回潮率快速检测装置的要求分析，提出采用IAP15W4K61S4单片机为核心芯片，配合驱动传输单元，压棉单元等，设计出一款可以快速检测籽棉回潮率的装置。该装置在新疆石河子148团轧花厂进行现场调试和试验，经验证，数据误差小于5%，性能稳定，操作简便，安全可靠，可实现回潮率的自动化检测，回潮数据实时上传上位机进行监控、记录、保存。