104传感器与微系统(Transducer and Microsyslem Technologies)2021年第40卷第6期
DOI：10.13873/J.1000-9787(2021)06-0104-03基于STM32的谷物水分在线监测系统设计**
收稿日期=2019-09-30
*基金项目：国家自然科学基金资助项目(61973002)姚启龙，周攀，江永成
(安徽大学电气工程与自动化学院，安徽合肥230601)
摘要：为了实时监测谷物水分变化，设计了一种基于STM32的谷物水分在线监测系统。系统使用STM32单片机作为主控芯片，电容式传感器采集水分数据，经过信号处理电路与STM32单片机处理后，通iS RS-485电路传输至上位机实时显示，并可通过上位机校正，可以实时精确地监测谷物水分变化。实地测试表明：该系统性能可靠，在线检测精度可以达到0-5%，完全满足谷物水分测量要求。
关键词：谷物水分；在线监测；STM32；电容传感器
中图分类号：TP368.2；TP277文献标识码：A文章编号：1000-9787(2021)06-0104-03 Design of on-line monitoring system for grain moisture
based on STM32*
YAO Qilong,ZHOU Pan,JIANG Yongcheng
(School of Electrical Engineering and Automation,Anhui University,Hefei230601,China)
Abstract:In order lo monitor the change of grain moisture in real lime,an on-line monitoring system for grain moisture based on STM32is designed.The system uses STM32MCU as the main control chip.The capacitive sensor collects moisture data,after processing with signal processing circuit and STM32MCU；the data is transmitted to the upper computer through the RS485circuit for real-time display,and can be coiTected by the upper computer.It can accurately monitor grain moisture changes in real time.Field test shows that the system has reliable performance and the on-line detection precision can reach0.5%,which can fully meet the requirements of grain moisture measurement.
Keywords:grain moisture；on-line monitoring；STM32；capacitive sensor
0引言
谷物水分直接关系到谷物品质与价值。检测谷物水分的方法分为直接法与间接法两种E。直接法多为烘干法与手动取样再用仪器测量的方法，这种方法必须人工操作，且操作过程复杂，无连续性，不能实
吋在线测量；间接法分为电阻式传感器电路检测方法和电容式传感器电路检测方法，电阻式需将谷物碾碎再进行测量，配有大型电机，较为笨重，且测量精度相对电容法较低，因此电容式更适用于实际工程运用。
本文以STM32F103RBT6单片机为核心设计了谷物水分在线监测系统，使用电容式传感器作为采集终端，终端采集的信号经RS-485总线传输到中控板进行实时处理后，再将数据发送给到上位机实时在线显示⑵，针对不同采集终端可通过上位机校正，采集的水分数据可保存长达一周，并可直接导出Excel文件，方便人员观察水分值变化趋势，拥有良好的人机交互性。
1系统总体设计
STM32系列微控制器为具有高性能、高度兼容、易开发、低功耗、低工作电压以及实时、数字信号处理的32位闪存微控制器产品⑶，谷物水分在线监测系统整体框架如图1所示。系统以STM32F103RBT6单片机为核心，谷物水分改变引起电容值改变，电容值由555多谐振荡器构成的电容转换电路转换为频率值，经过信号处理电路处理后输出至STM32单片机,STM32单片机与上位机通过RS-485接口电路实现连接。
2系统硬件设计
2.1电源模块
电源模块电路如图2所示。电源模块前部分采用以LM2596S芯片为核心组成的开关电源，将外部输入的24V 电压转换为稳定的5V电压。由于开关电源频率与所采集的方波频率相近，为避免干扰，采用继电器将前部开关电源
第6期姚启龙，等：基于STM32的谷物水分在线监测系统设计105
I谷物）__———T电容俘感器I
~I电源模块I
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显彳纤校
图1系统总体框架设计
与后部隔开。采集频率时将继电器断开使用后部超级电容供5V电压，经SPX3819芯片转换为3.3V后给系统供电，其他时刻继电器接通，前部开关电源给超级电容充电。该电源模块具有开关电源体积小、重量轻、功耗小、效率高的优点⑷，又避免了开关电源对采集信号的影响。
设计所使用的水分传感器由电容器与电容频率转换电路构成。电容器由三个直径相同的同轴圆筒组成。正极位于两只负极之间，如图3所示。电场线由正极表面射出后射入负极表面，与平行极板式和叉指式电容器相比，电场线可以传播得更广，有效地增加了测量空间，提高了测量灵敏度⑸。
力二;、:、
负极11正极II负极I
丫'0/八'、2力
图3电容传感器及电场线分布
电容值转换电路由以MIC1557芯片为核心组成的多谐振荡器构成。电容值转换电路构成简单，输岀方波波形稳定，便于单片机监测，可靠性高。电容频率转换电路输.11方信号波输岀频率在20~120kHz之间。
2.3信号处理电路
经过测试，电容频率转换电路输出方波频率在20~ 120kHz之间，为低频信号，需滤除高频信号干扰。信号处理电路由两个运算放大器构成的低通滤波器以及反向逻辑门构成。电容式传感器输出的方波先
经过低通滤波器滤除高频干扰波，再经过反向逻辑门进一步滤除杂波后，最后将处理后的信号送入STM32单片机处理，使测量精度更高。
2.4RSY85接口电路
设计使用RS-485接口电路连接单片机与上位机，选用SP485EN芯片为核心构成RS-485电路。RS-485接口采用平衡驱动器和差分接收器的组合，抗干扰能力增强⑹，最高传输速率可达10MBPS，支持多达32个节点，且实施简单方便。
3系统软件设计
系统软件设计使用Keil开发环境，编程语言为C语言⑺。主要包括频率采集电路程序、以及上位机界面设计。
3.1频率采集电路程序
频率采集电路程序流程图如图4所示。在频率采集电路程序中，上电将超级电容充电完毕后，将继电器断开；芯片由超级电容供电开始采集频率，频率采集完成后将继电器接通，给超级电容充电。单片机采集的频率值通过程序中建立的数学模型对应为水分值后传输至上位机输出，完成一次循环。
图4频率采集电路程序
3.2上位机界面设计
上位机界面如图5所示。
Hz校正
当前温度水分值
当前频率
图5上位机界面
界面实时显示当前采集的频率值、谷物温度、水分值，并将采集的频率值、温度制成曲线图，方便观察变化趋势，可以保存长达7天的历史数据，且可直接通过上位机进行校正，拥有良好的人机交互性。
4系统测试
4.1实验环境
在实验室通过大量实验建立合适的数学模型后，为进一步测试系统可靠性，采用实地测试的方法。实验环境为江西某谷物烘干厂，在烘干机烘干小麦期间，将传感器插入烘干机储粮仓进行采集。为检测
系统可移植性，使用两根
106
传感器与微系统第40卷
传感器同时进行测试。4.2测试结果与分析
实地测试时，首先采集储粮仓空载时频率用于校正，校
正后上位机每隔1 min 实时显示一次水分值，并将历史数据中国在线编程
绘成曲线图实时显示。为确认系统准确性，每隔lh 手动
使用标准仪器测量一次实际水分并记录，与系统显示水分
对比。两根传感器测量水分与手动测量水分值对比图如图6。
8:30 12:30 16:30 20:30 0:30
采集时间(a)传感器122.00.传感器1测虽水分与手动测置水分
26.00£ 22.00
18.00
-
曇 i&oo 14JK)
.-系统显示水分值-手动测量水分值
2 14.00
10.00. . . . .
io .oo L
传玻務2 i sia*分与手动测盘水分
-见示水分值-实际水分值
9:00 14:00 19:00 24:00 5:00 采集时间(b)传感器2
图6传感器测量与手动测量水分含量对比
通过图6可以看出，在线监测系统显示水分值与手动
测量水分趋势相同，误差较小。通过数据对比，在线监测系
统误差在0.5%以内，可移植性较强，符合设计与监测要求。 5结论
通过实测证明，本文设计的谷物水分在线监测系统可
以实时监测谷物水分变化，工作稳定，可将谷物水分变化趋 势实时绘制为曲线，便于观测，监测精度在0.5%以内，完
全满足水分监测需要。该系统投入使用将大大减轻生产工
(上接第103页)
关网口接入并串联交换机，最高接入36个摄像头正常拍照 取图；小车摄像头网关同吋加载3个算法,CPU 占用不超过 60%，内存占用超过12.7%，在合理范围内。以上结果表
明，该质检网关性能优越，能支撑常规的业务应用。
目前该边缘质检网关已在沈阳、北京等几个组装厂使 用，常用质检网关记录的测试指令数据已超过2万条，测试 设备数超过2千个，检测记录中失败数目超过100个，控制
了产品出厂质量，具有实用性。
5结束语
根据产品质检需求，设计了对智能养殖设备进行质量
检测的边缘质检网关。分别对质检网关的边缘后台、QT 人
机交互系统、设备通信传输与数据存储等方面做了设计。
质量检测网关，是应用于特定场景的质量检测系统，在边缘 侧对智能设备进行质检，对于设备的通信质量，设备功能具
有良好的检测效果。该产品已实际应用在工厂生产环节， 为出厂质检提供了软件检测依据。在设备出厂检测中，质
检网关在软件层面对智能养殖终端设备质量进行了把控，
对于农业设备智能化、设备质量检测溯源具有重要意义。
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作者简介：
姚启龙(1996 -)，男，硕士研究生，研究方向为嵌入式控制系
统设计，检测技术。
江永成(1970-)，男，通讯作者，副教授，主要研究领域为嵌入
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作者简介：
沈文(1995-)，男，硕士研究生，研究方向为物联网与嵌入
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徐曦(1978-)，男，通讯作者，博士，讲师，主要研究领域为 射频通信与物联网技术。

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