糧食水分含量是糧食質(zhì)量的關(guān)鍵指標(biāo)，直接影響糧食的收購(gòu)、運(yùn)輸、儲(chǔ)藏、加工、貿(mào)易等過(guò)程。目前在國(guó)內(nèi)糧食收購(gòu)時(shí)，憑手摸牙咬或者傳統(tǒng)檢測(cè)方法來(lái)判斷糧食的水分，存在測(cè)定結(jié)果極不可靠、檢測(cè)時(shí)間長(zhǎng)、浪費(fèi)人力物力等問(wèn)題。為了快速、準(zhǔn)確檢測(cè)糧食水分，設(shè)計(jì)了基于微波的糧食水分檢測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)檢測(cè)微波信號(hào)與被測(cè)糧食相互作用前后微波幅值、相位等變化，推算出糧食水分含量。

1 微波水分檢測(cè)

微波水分檢測(cè)是近幾年發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)無(wú)損檢測(cè)新技術(shù)，它具有檢測(cè)精度高、測(cè)量范圍廣、穩(wěn)定性好、便于動(dòng)態(tài)檢測(cè)、對(duì)環(huán)境的敏感性小、可以在相對(duì)惡劣環(huán)境條件下進(jìn)行等優(yōu)點(diǎn)。微波作為一種頻率非常高的電磁波具有很強(qiáng)的穿透性，它所檢測(cè)的不僅僅是糧食表面的水分，還能夠在無(wú)損的情況下檢測(cè)到糧食內(nèi)部的水分含量。糧食中水的介電常數(shù)和衰減因子比其中干物質(zhì)的介電特性值高很多，且作為極性分子的水在微波場(chǎng)作用下極化，表現(xiàn)出對(duì)微波的特殊敏感性。微波糧食水分檢測(cè)正是利用水對(duì)微波能量的吸收、反射等作用，引起微波信號(hào)相位、幅值等參數(shù)變化的原理進(jìn)行水分含量檢測(cè)的。微波水分檢測(cè)正在逐步取代精度低、取樣要求高、適應(yīng)性差的電容法、電阻法等傳統(tǒng)水分檢測(cè)方法，成為一種理想的糧食水分檢測(cè)技術(shù)。微波水分檢測(cè)可以采用透射式和反射式檢測(cè)方法，其微波傳感器布置如圖1所示。

一般物料厚度比較薄時(shí)，采用透射式檢測(cè)方法；物料厚度比較厚，密度比較大時(shí)采用反射式檢測(cè)方法。微波檢測(cè)是一種深度測(cè)量技術(shù)，所測(cè)結(jié)果為體積總體水分而具有代表性，這比之表面測(cè)量技術(shù)要優(yōu)越得多。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2．1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在理論分析和大量實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了基于微波的糧食水分檢測(cè)系統(tǒng)，如圖2所示。該系統(tǒng)主要由微波發(fā)生器器、微波傳感器天線、溫度傳感器、檢測(cè)控制器及分析處理等部分組成。

微波發(fā)生器工作頻率為10．5 GHz，微波傳感器采取透射式檢測(cè)方法布置。隔離器使正向傳輸?shù)奈⒉o(wú)衰減或衰減很小的通過(guò)，而對(duì)于反向傳輸?shù)奈⒉▌t有較大的衰減。使用隔離器，可把負(fù)載不匹配所引起的反射通過(guò)隔離器吸收掉，不能返回到信號(hào)源，使信號(hào)源能穩(wěn)定地工作。檢波器把微波信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，經(jīng)檢測(cè)控制器放大、濾波及A／D轉(zhuǎn)換后，檢測(cè)控制器通過(guò)串行總線與計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。計(jì)算機(jī)可完成對(duì)數(shù)據(jù)分析與實(shí)時(shí)顯示。檢測(cè)控制器可進(jìn)行系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)置、水分標(biāo)定、檢測(cè)結(jié)果顯示等操作。通過(guò)溫度傳感器信號(hào)進(jìn)行溫度補(bǔ)償，以獲得微波檢測(cè)信號(hào)與糧食水分含量的理想線性關(guān)系，提高系統(tǒng)檢測(cè)精度。 function ImgZoom(Id)//重新設(shè)置圖片大小 防止撐破表格 { var w = $(Id).width; var m = 650; if(w

2．2 硬件設(shè)計(jì)

糧食水分檢測(cè)控制器是硬件設(shè)計(jì)的核心部分，它由放大濾波電路、A／D轉(zhuǎn)換、微控制器、鍵盤、LCD顯示和串行總線接口組成，如圖3所示。微波傳感器探頭拾取的微波電信號(hào)，經(jīng)過(guò)放大、濾波處理后，再進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換，糧食水分推算結(jié)果在LCD上進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。鍵盤接口可以進(jìn)行控制器參數(shù)設(shè)置、水分標(biāo)定等操作。通過(guò)串口與計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，CAN總線為多個(gè)控制器的級(jí)聯(lián)接口。

微波傳感器模擬信號(hào)處理決定了整個(gè)系統(tǒng)的水分檢測(cè)范圍和檢測(cè)精度。圖4為傳感器信號(hào)處理電路。微控制器采用 Microchip公司的PICl-8F6527。該處理器采用納瓦技術(shù)，功耗低，抗干擾能力強(qiáng)，外圍接口豐富，如CCP模塊(PWM)、MSSP模塊 (SPI，I2C)、EUSART模塊、A／D轉(zhuǎn)換模塊等，可滿足系統(tǒng)應(yīng)用需求。4種晶振模式，最高可達(dá)40 MHz。內(nèi)部具有看門狗電路，可在線串行編程(in-circuit serial programming，ICSP)。A／D轉(zhuǎn)換器采用AD7806，16位采樣，其參考電壓源3 V由AD780提供，A／D采樣分辨率為45．8μV／bit，使系統(tǒng)具有較高的檢測(cè)精度。AD7806具有采樣自校正功能，保證了采樣的準(zhǔn)確性，通過(guò) SPI總線與微控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。上電初始化完成后，AD7806通過(guò)引腳由高變?yōu)榈拖?strong>微控制器提供中斷信號(hào)，通知微控制一個(gè)新的A／D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)已經(jīng)準(zhǔn)備好，可以進(jìn)行讀取操作。信號(hào)處理電路的放大倍數(shù)可在線調(diào)節(jié)，通過(guò)PICl8F6527控制數(shù)字電位器AD5227來(lái)完成，兩者之間通過(guò)3根數(shù)據(jù)線連接，提高了系統(tǒng)的水分檢測(cè)范圍。整個(gè)系統(tǒng)采用5 V工作電壓，低功耗設(shè)計(jì)，與外部設(shè)備的接口進(jìn)行光電隔離，降低外部十?dāng)_，提高系統(tǒng)工作可靠性。