粮仓料位智能检测系统研究报告.docx

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粮仓料位智能检测系统研究报告

粮仓料位智能检测系统研究

佚名来源：

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5

学士学位论文

粮仓料位智能检测系统研究

学生XX：

袁建恒

学院：

机电工程学院

专业：

测控技术与仪器

指导教师：

钱东平霍晓静王文娣

职称：

教授讲师助教

时间：

2007年6月8日

粮仓料位智能检测系统研究

摘要：

粮食储藏是国家为防范战争、灾荒及其它突发性事件而采取的有效措施，因此，粮食的平安储藏具有重要意义。

针对粮食储藏装置料位检测的需要,设计了一种以双电容料位传感器的智能检测系统，双电容传感器技术,消除了温、湿度等干扰因素,使该检测系统能适应恶劣的工业环境。

同时该系统以AT89C51单片机为微控制器，由双电容式料位传感器、传感器信号检测电路,CPU及显示电路、报警电路和系统软件等构成。

关键词：

双电容式传感器；单片机；微小电容测量电路；C/V转换电路；报警器

Abstract：

Foodstorageisaneffectivemeasureofnationalpreparednessforwar,famineandotherunforeseenincidents.Sothesafeofthegrainstorageisofgreatsignificance.InresponsetotheneedsoftheLeveldetectionforfoodsstorage,thispaperdescribesanintelligentdetectionsystemwhichisbasedonatwo-capacitancesensor.Theuseofthetwo-capacitancesensortechnologyeliminatestheinterferencefactorsoftemperature,humidityandotherfactorsinthedetectionsystem,whichadaptstotheharshindustrialenvironment.Meanwhile,basedontheAT89C51microcontroller,thesystemaremadeupofthedouble-Levelcapacitivesensor,thedetectioncircuitofsensorsignals,CPUanddisplaycircuits,alarmcircuitsandsystemsoftware.

Keywords:

two-capacitancesensor;singlechipprocessor;Smallmeasurementcircuitofcapacitance;C/Vconvertingcircuit;annunciator

1绪论.1

1.1课题背景.1

1.2粮仓料位检测的目的和意义.1

1.3国内外料位监测的开展现状.2

1.4本论文的研究内容.2

2电容式料位传感器原理、应用及开展.3

2.1电容式料位传感器.3

2.1.1电容式料位传感器的根本原理.3

2.1.2目前电容式料位传感器存在的问题与缺乏.4

2.1.3电容式料位传感器的改良和其开展趋势.5

3粮仓料位智能检测系统.5

3.1电容式传感器的设计.5

3.2系统设计方案确实定.7

4系统硬件电路设计.8

4.1正弦鼓励源电路.8

4.2信号检测电路.8

4.3数据采集电路设计（A/D）9

4.4显示电路的设计.12

4.5报警系统电路设计.13

4.6看门狗电路设计.14

5系统软件实现.15

5.1主程序.16

5.2数据采集子程序.16

5.3显示子程序.17

6结论.18

参考文献.18

1绪论

1.1课题背景

粮食是国民经济的根底，是关系国计民生的特殊战略物资。

粮食的数量、质量与平安直接关系到国民经济开展和社会稳定的大局。

粮食问题始终是党中央、国务院密切关注的重点问题。

因此，做好粮食储藏工作，为促进经济稳定开展创造良好的根底，具有重大的意义。

据专家预测，从现在起到本世纪30年代，中国的粮食和农业的开展，正在进入一个重要的历史时期，人口将要到达顶峰期，耕地继续减少到低谷，非耕地资源开发需要投入巨大的资金，人民生活将要进入到富裕阶段，这一时期中国的粮食和农业状况如何，成了举世瞩目的重大问题。

随着国家农业产业政策的不断完善，以及现代科学技术在农业生产中的应用和推广，国家粮食总产量不断突破历史新高。

但国家的粮食储藏状况自建国以来却没有得到明显改善，全国80%左右的粮食仍采用原始的存储方式。

每年由于粮食储存不善造成的损耗，几乎抵消了农业的增产。

在这样一种大形势下，国家投资兴建了大型现代化粮库，最大粮库方圆几公里，仓房数很多。

由于大型粮库的规模和其粮仓的容量都是前所未有的，这些因素对粮库的正常运行带来了一些新问题，主要存在问题是如何随时掌握每个仓内粮食的质量变化情况，粮食受温度、湿度及其它因素的影响，可能出现发热、霉变、虫害等情况。

同时在粮食储藏过程中，粮食料位的控制是必不可少的。

料位失控后，就会发生跑粮或塔空，造成粮食损失，热量失散，浪费能源。

同时为了减少粮食储藏过程中的损失，保障粮食的品质和质量，首先应该及时准确地掌握粮食储藏过程中各种物理因素的变化情况，找出其变化规律。

粮情监控系统是利用现代电子技术来实现粮食储藏过程中对粮情变化的实时检测、对检测数据进展分析与预测、对异常粮情提出处理建议和控制措施等，为科学及平安储粮提供技术保证和科学依据。

1.2粮仓料位检测的目的和意义

粮情监控中对粮仓料位高度的实时测量可谓关键技术之一。

料位失控后，就会发生跑粮或塔空，造成粮食损失，热量失散，浪费能源。

储粮的料位主要物理参数是粮食的介电常数、空气的介电常数，这些参数的快速、准确、自动监测对于减少粮食损耗具有重要意义。

粮情监控系统是能够对粮食料位进展连续的自动监测，完成粮食状态的分析与估计的智能系统。

该系统利用计算机构成整个粮食仓储区管理系统，系统设计应具备通讯、数据显示、数据存储、数据分析等主要管理功能。

散粒体颗粒在料仓中存放时具有以下特点:

（1）物料在自然堆积时，存在着堆积倾斜角，因此料面是不平的。

（2）粉料、块料之间有微小间隙，它在受到振动、压力及潮湿时，间隙会产生变化，料位也随之改变。

（3）物料在下落过程中，会产生物料的飞溅、气体的飞扬等现象。

由于料位测量具有以上特点，给准确测量带来困难。

本课题的测量对象除具有上述的特点外，同时还面临高温、水蒸气多和粉尘等恶劣环境的影响，这也是我们选择测量方法的技术关键。

建立粮情监测产品技术应用新体系，应本着一切从国情出发，从实际需要出发，从目前国内的技术水平出发，面向遍布全国各产区和销区粮库的不同仓房类型和功能的粮情检测成套系列化产品，经济实用地满足粮食储藏的不同需求。

针对上述情况，我们采用了具有高可靠性、寿命长、本钱低的双电容式智能料位传感器。

该传感器构造简单，安装灵活，可垂直安装在容器内的任意部位，可工作在恶劣的环境中，可减小因温度和湿度造成的测量误差，可减小分布电容和寄生电容对测量结果的影响，不仅适用于金属容器，也适用于非金属容器的粉体、颗粒物料料位的测量。

1.3国内外料位监测的开展现状

要实现对料位高度的在线监测与控制，关键在于能否准确的检测当前料位高度。

近年来，出现了许多新型的料位检测方法，各种料位测量仪也开展很快。

目前物位测量仪表主要有三个开展方向:

非接触测量、物位仪表智能化和小型化、集成化。

同时随着科学技术的开展，以及其它相关领域的最新成果向物位测量方面的移植，使得物位测量仪在一些特殊场合（如高温、高压、高真空等）获得了更广泛的应用，测量精度也有了进一步的提高。

对于物位测量这一领域的研究，外国的起步早，投入的资金雄厚，开展非常迅速，在70年代就取得了瞩目的成就。

到目前为止，国外的许多家公司都研制出具有代表性的一系列功能齐全、自动化程度高、精度高的测量系列与相应产品。

我国的经济开展水平比拟落后，各种根底行业的资金投入少，各相关领域开展缓慢，使得物位测量技术、测量方法相当落后，产品自动化程度不高，精度、可靠性、功能等与国外的物位测量水平有很大的差距。

近年来，特别是改革开放的近二十年间，我国的经济技术水平得到了迅猛的开展，国家增加了各根底行业的资金投入，测量技术得到了更新，料位测量开展比拟迅速。

例如:

XX自动化仪表五厂、XX集成仪器仪表研究所、新大运传感技术公司等科研机构与部门研制开发了开关式和连续式电容料位计、智能超声料ILM232、浮子式物位计和重捶式物位计UZZ-02等，集讯系统XX开发的LevelPlus液位计，这些产品的性能指标、功能较以前同类产品有很大程度上的提高，但和国外的物位测量仪表相比有待改良[2]。

1.4本论文的研究内容

本系统需要测量物料在粮仓中的存储高度，属于料位测量的X畴，就料位检测方式来说。

测量料位的方法主要有：

电容式、重锤探测式、雷达式、超声波式、激光式、放射性式等。

对料位的智能检测我们采用的是一种新型的双电容式料位传感器，电容式料位传感器测量粮食料位的依据是利用粮食介电常数不同于空气的介电常数,当粮食接触传感器时,引起电容式传感器电容量的变化。

其根本工作原理是电容式传感器把粮食的料位转换为电容量的变化,再由电容量转换位电压通过A/D进展数据采集送入单片机进展控制检测。

有单片机进展检测、显示、记录、报警等并采取相应的处理措施，以确保粮食储藏过程的平安。

电容式料位传感器是根据圆筒电容器原理进展工作的，在实际的料位测量中，一般以物料的容器壁作为电容的一个极，传感器探头固定在容器中作为电容的另一极，其构造如图1-1所示。

图1-1料位传感器测量的构造示意图

利用自动控制技术，选用适宜的测试手段和控制方法，建立以单片机为核心的粮仓的料位参数自动监测控制系统。

从而实现粮仓料位的智能化控制，是本课题研究的重要内容。

具体包括以下方面：

（1）硬件系统的设计：

包括单片机监测控制系统的组建，传感器、调控设备及其他元器件的选型；控制电路的设计，显示及报警电路的设计。

（2）软件系统的设计与实现：

包括软件流程图，以及局部软件编程设计〔如：

单片机控制的A/D转换程序〕。

2电容式料位传感器原理、应用及开展

2.1电容式料位传感器

在现代料位测量系统中，所采用的料位传感器按所测量的物料种类的不同和工矿环境等因素的不同而不同，诸如电阻式、电感式、电容式、超声波式、核辐射式等物位传感器，可谓种类繁多，机理各异。

但在这多种传感器中，并不是每种料位传感器都可用在各种物料与工矿环境中，它们几乎均有一定的适用X围及局限性。

在目前我国的工业物位测量中，电容式料位传感器较其他种类的传感器有较广泛的用途，因为电容式传感器以其灵敏性好，输出电压高、误差小、动态响应好、无自热现象，对恶劣环境的适应性强等优点被很多厂矿等工业物位测量中使用。

2.1.1电容式料位传感器的根本原理　

1.电容式传感器根本原理　

电容式传感器具有构造简单、灵敏度高、动态响应好、价格廉价等优点，可以实现非接触测量，且具有平均效应。

电容传感器可以用来检测压力、力、位移、物位以及振动等沸点参量，是一种应用广泛和有开展前途的传感器[2]。

电容式传感器是把被测的非电量转换为自身电容量变化的一种传感器。

这些被测量是用于改变组成电容器的可变参数而实现其转换的。

电容式传感器的根本工作原理可以用最普通的平行极板电容器来说明。

两块相互平行的金属极板，当不考虑其边缘效应〔两个极板边缘处的电力线分布不均匀引起电容量的变化〕时，其电容量为：

（2-1）

式中：

　d—两平行极板间的距离〔m〕；　

A—两平行极板间相互覆盖的有效面积〔m2〕；　

—两极板间介质的介电常数〔Fm-1〕；　

εr—介质的相对介电常数；　

ε0—真空中的介电常数〔空气中介电常数也用ε0〕，ε0=8.85×10-12（Fm-1）

由式可见，影响平行极板电容器的电容量的参数有ε，A，d三个，只要其中一个参数发生改变，电容C就要改变。

电容式传感器在检测非电量时，就是使被测非电量改变其中一个或两个参数，从而得到被测非电量与传感器电容量之间有一对应函数关系。

因此，依据电容器电容的三个变化参数，我们把电容式传感器分为：

极距变化型电容传感器、面积变化型电容传感器和介质变化型电容传感器。

2.电容式料位传感器的原理

电容式料位传感器测量粮食料位的依据是利用粮食介电常数不同于空气的介电常数，当粮食接触传感器时,引起电容传感器电容量的变化。

双电容式传感器也是依据这一原理。

为克制温、湿及其它因素对传感器的影响,在一个传感器基板上制作了二个完全一样的电容器，其中一个基准电容器,容量为Cr,另一个测量电容器,容量为Cx。

由于两个电容器处于一样的环境条件下,由温、湿度等干扰因素引起的容量变化△Cx，△Cr必然一样，将电容量的变化转换成频率变化的电信号后,两个电容传感器的频率Fx，Fr之差为一固定值,不受外界温、湿度等干扰因素影响[4]。

新型双电容式料位传感器适用于组成交流电桥检测电路，将两个电容器分别接入交流电桥的两臂，其中一个为基准电容器，外罩一个布满微孔透气的绝缘罩，里面事先装满与被测物料一样的参比物料，容量为Cr,虽然基准电容器不直接接触被测物料，但绝缘罩里面的参比物料的温度和湿度与外面的被测物料一样；另一个为测量电容器，容量为Cx，直接接触被测物料。

由于两个电容器处于一样的环境条件下，由温度、湿度等干扰因素引起的容量变化△Cx和△Cr必然一样，因而交流电桥输出的信号根本只与料位有关，输出电压U∝h（比例系数与检波放大电路的增益有关少，从而减小了因温度和湿度造成的测量误差。

由于平行板电容器比传统的电容式料位传感器的电容量大了传统的电容式料位传感器的电容量约为几到几十pF），因此可减小分布电容和寄生电容对测量结果的影响。

并且平行板电容器不依赖于容器壁而单独存在，可垂直安装在容器内的任意部位，不仅适用于金属容器，也适用于非金属容器的料位测量。

2.1.2目前电容式料位传感器存在的问题与缺乏　

电容式料位传感器以其体积小、构造简单、可以进展非接触测量、动态响应好、灵敏度高、分辨力强、并能在恶劣环境下工作等优点获得广泛的应用，被认为是一种很有开展前途的传感器。

但它还存在一些缺点和缺乏影响了它的使用X围和测量精度。

电容式料位传感器的主要缺点是：

它的电容量一般很小，仅几十至几百pF，甚至只有几个pF，环境变化将影响电容量发生变化、寄生电容和分布电容对其灵敏度很有影响、存在输出特性的非线性[7]。

例如，在温度影响下，电容泄漏电导、极板的尺寸、间隙的大小、介质的介电常数都会发生变化。

因此，电容式传感器的应用也受到一定程度的限制。

另外，电容式料位传感器的智能化程度不是很高，对一些先进的集成转换功能和微处理器的输入输出及误差校正的控制作用未做充分的开发利用。

再者，当电容式料位传感器对测量一些具粘附性的物料时，就显得无能为力了。

总之，假设不对电容式料位传感器做一些改良和开展的话，就会限制其的使用X围和测量精度。

2.1.3电容式料位传感器的改良和其开展趋势　

本文传感器采用双电容器和平行板电容器的构造,用两个构造一样的电容器组成交流电桥检测电路,使两个电容器处于一样的环境条件下,减小因温度和湿度造成的测量误差;改变电容器的构造和参数,增大电容量,减小分布电容和寄生电容对测量结果的影响。

新型双电容式料位传感器的构造是在一块绝缘板的两侧分别各固定两块一样的长方形金属板,构成两个完全一样的平行板电容器,其中一侧的电容器外罩一个布满微孔透气的绝缘罩。

电容式料位传感器最主要的开展方向就是向高智能化的方向开展，一方面要充分发挥微处理器的控制功能和提高微处理器本身的性能；另一方面要提高电容式料位传感器中变换电路的集成度，同时，为了克制不稳定的“寄生电容〞的影响，常将电子放大线路安放在紧靠电容式传感器的地方或采取屏蔽措施和驱动电缆技术；为了提高测量精度，改善抗干扰性能，对测量电路及器件的要求要高等。

对于电容式料位传感器对粘性物料的挂料误差问题，从传感器本身的机理或外围电路上去处理，把挂料的影响排除掉，从而给工程测量问题带来很大的便利性。

当然，对电容式料位传感器的改良与开展还有很多方面的内容和措施，但它们的目的就是使电容式料位传感器向准确化与先进化的方向开展。

3粮仓料位智能检测系统

3.1电容式传感器的设计

电容式传感器所具有的高灵敏度、高精度等独特的优点是与其正确设计、正确选材以及精细的加工工艺分不开的。

在设计传感器的过程中，在所要求的量程、温度和压力X围内，应尽量使它具有低本钱、高精度、高分辨力、稳定可靠和好的频率响应等。

为了发扬电容式传感器的特点克制缺点，在设计时本课题采取的措施有:

（1）减小环境温度、湿度等变化所产生的误差，保证绝缘材料的绝缘性能

温度变化使传感器内部零件的几何尺寸和相互位置以及某些介质的介电常数发生改变，从而改变电容式传感器的电容量，产生温度误差。

温度也影响某些介质的介电常数和绝缘电阻值，因此必须从选材、构造、加工工艺等方面来减小温度等误差和保证绝缘材料具有高的绝缘性能。

（2）消除和减小边缘效应

边缘效应不仅使电容式传感器的灵敏度降低而且产生非线性，因此应尽量消除或减少它。

适当减小极间距，使极径与间距比很大，可减小边缘效应的影响，但易产生击穿并有可能限制测量X围。

本文设计时电极做得较薄使之与极间距相比很小，用以减小边缘电场的影响。

（3）消除和减小寄生电容的影响

传感器采用双电容器和平行板电容器的构造，用两个构造一样的电容器组成交流电桥检测电路，使两个电容器处于一样的环境条件下，改变电容器的构造和参数，增大电容量，由于平行板电容器比传统的电容式料位传感器的电容量大〔传统的电容式料位传感器的电容量约为几到几十pF），因此可减小分布电容和寄生电容对测量结果的影响。

（4）防止和减小外界干扰

电容式传感器是高阻抗传感元件，外界干扰对其有一定的影响。

当外界干扰（如电磁场）在传感器上和导线之间感应出电压并与信号一起输至电子线路时就会产生误差。

干扰信号足够大时，仪器无法正常工作，甚至会损坏。

此外，接地点不同所产生的接地电压差也是一种干扰信号，也会给仪器带来误差和故障。

为防止和减小干扰，本文采取的措施有:

①屏蔽和接地:

用金属网把导线套起来而它们之间绝缘即屏蔽电缆）金属网可靠接地，壳体可靠接地。

②增加原始电容值，降低容抗。

③导线间的分布电容有静电感应，导线和导线离得远，线尽可能短，平行排列时采用同轴屏蔽线。

④一点接地，防止多点接地。

地线用粗的良导体。

针对上述情况设计了双电容式智能料位传感器，如图3-1双电容传感器构造。

图3-1双电容传感器构造

传感器采用双电容器和平行板电容器的构造,用两个构造一样的电容器组成交流电桥检测电路,使两个电容器处于一样的环境条件下,减小因温度和湿度造成的测量误差；改变电容器的构造和参数,增大电容量,减小分布电容和寄生电容对测量结果的影响。

新型双电容式料位传感器的构造是在一块绝缘板的两侧分别各固定两块一样的长方形金属板,构成两个完全一样的平行板电容器,其中一侧的电容器外罩一个布满微孔透气的绝缘罩，其构造和尺寸如图3-2所示。

图3-2传感器的构造图

3.2系统设计方案确实定

本系统对粮仓的料位测量是利用双电容式料位传感器，电容式料位传感器测量粮食料位的依据是利用粮食介电常数不同于空气的介电常数，当粮食接触传感器时，引起电容式传感器电容量的变化，通过测量电容量的方法就可以求知料位数值。

电路局部以AT89C51单片机为核心部件，电路板上主要包括信号检测与数据采集处理电路与显示电路、控制输出电路、模拟电路、数字电路等。

系统总线路如图3-3所示。

图3-3系统总体图

考虑到经济、实用的因素，本系统的设计具体选型如下：

（1）正弦鼓励源电路

由于应用时所用极板较大，要求鼓励电压较高，本系统采用700V,200KHz正弦交流电鼓励被测电容，鼓励局部分为振荡电路，放大电路和功率驱动电路。

（2）双电容式传感器

选用时考虑到：

a.由于储粮时主要受到温度、湿度等的影响比拟大，这样就要求使用的传感器能够减小因温度和湿度造成的测量误差；b.有粮食的特殊性会受到灰尘、杂物等的影响，这样就要求使用的传感器能够减小分布电容和寄生电容对测量结果的影响。

这样本文设计了双电容式智能料位传感器。

（3）单片机系统

由AT89C51单片机为核心，A/D转换器采用MAXIM公司的MAX197，是8通道、12位逐次逼近式A/D转换器。

它采用28脚双列直插式标准封装，无须外接元件就可独立完成A/D转换功能。

此外，系统具有看门狗电路、掉电保护等功能单元。

（4）显示系统

本系统中使用LED显示块构成8位LED显示器（其中1位为小数点位），电路以AT89C51单片机与2片中规模集成电路74LS164和74LS138的连接构成显示电路，占用CPU的I／O线少。

（5）报警系统　

在系统中设置了声光报警电路，当物位超过给定值的上下限时即进展报警。

同时电路还设置了上限报警、下限报警、以及正常运行指示灯，进展声光报警。

有光电隔离、功率驱动于单片机连接。

4系统硬件电路设计

4.1正弦鼓励源电路

振荡电路产生200KHz正弦波，经放大电路放大以到达所需要的电压值，再经功率驱动电路驱动1:

10的变压器到达700V鼓励被测电容。

传感器精度要求鼓励源必须非常稳定,不能随负载和温度变化，因此采用有源晶振供频率稳定的鼓励信号,设计电压反应稳幅环节保持鼓励信号的幅值稳定,100kHz正弦鼓励,以降电极阻抗,提高检测电路频响和提高精度[2]。

如图4-1正弦鼓励源电路

图4-1正弦鼓励源电路

4.2信号检测电路

料位的测量过程是：

料位—电容量—电压。

电容里与两极间被测介质填充高度的关系

由两平行极板组成的平板形电容器，其电容量的表达式分别为：

〔4-1〕

（4-2）

C一电容器的电容量；ε一极板间介质的介电常数；B—金属板的宽度；H—金属板的高度。

以图4-2所示平板电容器为例，其电容量为:

（4-3）

式中：

ε1一被测介质的介电常数；ε2一空气介质的介电常数

式中K1、K2:

取决于电容器的构造尺寸和介质的介电常数，

所以在介质不变、电容裁面不变时，电容量的变化与中间图4-2平板形电容器

介质的填充高度（料位）成线性关系。

因此，测出了传感器

的电容，就可求出物料的深度[15]。

测量电路的作用为把微小的电容变化量放大，转变为可由单片机识别的数字量，其包括C/V转换电路、交流放大电路、相敏检波电路、低通滤波电路、直流放大电路和A/D转换电路等。

其中A/D转换由单片机完成。

C/V转换电路—交流电桥法

交流电桥法的原理是把被测电容（亦可有漏导）放在一个桥臂，可调的参考阻抗放在相邻的另一个桥臂。

一桥臂分别接到频率一样、电压一样的两个信号源上。

调节参考阻抗使桥路平衡，那么被测桥臂中的阻抗与参考阻抗共扼相等。

主要优点是:

精度高，适合做精细电容测量其典型原理图如图4-3所示。

图4-3交流电桥法原理图

4.3数据采集电路设计（A/D）

单片机是整个系统的核心，那么A/D转换电路是数据采集系统的核心电路。

①AT89C