一种粮食水分传感器的制作方法

1.本实用新型涉及粮仓配套检测设备，具体为一种用于检测粮仓内粮食水分传感器。


背景技术：

2.粮食是国家经济安全的重要战略物资，粮食安全关系到一个国家的长治久安。确保粮食的安全存储是一件极其重要的工作，研究分析影响粮食存储安全的生态因素间的相互关系，可以有效保证和提高储粮品质。
3.目前，未加工粮食广泛采取在粮仓中散装堆放的方式存储，储粮长期处于一个密闭空间中，粮食内在的呼吸作用及外在的散热不畅的影响，其在储藏过程中必然会引发粮堆发热现象。此外，粮堆为多孔介质，有很强的吸湿性，湿度值得上升则必然会引起粮食霉变。因此，储粮的温湿度检测是粮食仓储管理不可或缺的一环。
4.申请号为201710991449.2提供了一种湿度传感器，包括衬板、湿度敏感单元、温度敏感单元，衬板上设有温度敏感单元，湿度敏感单元位于温度敏感单元上方；温度敏感单元、湿度敏感单元之间设有导热介质；温度敏感单元、湿度敏感单元分别通过焊盘固定于衬板，湿度敏感单元包括上电极、下电极，以及上、下电极之间的感湿介质。上述技术方案中，湿度测量敏感单元中的电容极板为对称式板状结构，检测电容时，静电场分布在传感器的内部，被测物体需要放置于电容极板之间才能检测被测物体的湿度，使用起来较为不便；由于被测物体需要放置于电容极板之间，不适合埋进粮堆进行测量。
5.申请号为201810109884.2提供了一种土壤湿度检测装置，该湿度检测装置中的电容极板也为对称式板状结构，在检测的过程中，同样存在应用难度大、测量精度难以保证的问题。
6.有不少粮堆水分湿度测量传感器发明采用测量粮堆电阻的方法检测粮堆水分。由于电阻测量大都需要金属探测头裸露于粮堆，不能抵御农药熏蒸的腐蚀。
7.有不少粮堆水分湿度测量传感器发明采用测量粮堆电容的方法检测粮堆水分。电容检测法可以避免金属感应探头裸露于粮堆，可以抵御农药熏蒸的腐蚀。由于电容很小，为了测量粮堆电容容值，往往采用将粮堆电容引入rc振荡电路，通过测量振荡频率的方法计算出粮堆电容。这种方法简便易行，其缺点是振荡电路的精度往往难以达到要求。
8.在网络传输方面，现有在线式温湿水传感器往往需要专门的网线，这样制作大规模部署的温湿水测量电缆成本较高、电缆直径大、下缆阻力大难度大。


技术实现要素：

9.通过研究，发明人发现现有的湿度传感器采用测量振荡频率的方式检测粮仓中粮食的湿度，其效果较差的原因是：1、传感器需要插入粮堆一定深度进行测量，导致导线等金属产生的基础电容往往比粮食湿度产生的电容更大；2、对于不同粮食，湿度对电容变化区间不同。如：大豆和小麦相比较，大豆蛋白质含量较高、颗粒较大而且圆，排布较疏松；而小
麦淀粉含量高，颗粒排布较密；因此，对于不同的粮食采用相同的中心测量频率显然会导致测量精度不理想。只有电容容值的变化值而不是电容的容值，才有可能实现高精度的粮堆湿度测量。
10.本实用新型的目的是提供一种结构新颖独特，使用方便，并且能够适用于不同粮食品种和粮食存储高度的粮食水分传感器；具体技术方案为：
11.一种粮食水分传感器，包括智能控制芯片、粮堆电容极板、粮堆电容充放电单元及比较器；所述智能控制芯片至少有一个双向输入输出端口，所述双向输入输出端口通过电阻与粮堆电容的充电极板连接；所述充电极板设置有放电单元，充电极板与所述比较器的第一输入端连接；比较器的第二输入端连接参考电位；比较器的输出端与智能控制芯片的中断端口连接。
12.进一步，所述智能控制芯片为单片机。
13.进一步，所述放电单元为放电电阻大于1m欧姆。
14.进一步，所述放电单元还设置有rc滤波网络。
15.进一步，所述比较器为低功耗比较器。
16.进一步，所述参考电位在电源电压的1/4~1/3之间。
17.本实用新型粮食水分传感器通过智能控制芯片控制粮堆电容充放电单元对粮堆电容进行充放电，通过比较器触发测量放电的精确时间；实现对粮堆电容的电容值变化的精确测量，避免了传感器基础电容对测量精度的影响，也可以针对不同粮食品种和不同粮堆深度进行校正，减少粮食品种及粮堆深度对测量的干扰，尤其适用于大容量粮仓内存粮的水分测量。
附图说明
18.图1为本实用新型粮食水分传感器电路原理示意图；
19.图2放电滤波模块dfb电路示意图；
20.图3传感器典型线路板结构示意图；
21.图4为传感器工作流程图。
22.图中：1、传感器主板；101、电容极板； 2、扩展板；201、扩展电容极板；3、温度传感器。
具体实施方式
23.下面利用实施例对本实用新型进行更全面的说明。本实用新型可以体现为多种不同形式，并不应理解为局限于这里叙述的示例性实施例。
24.为了易于说明，在这里可以使用诸如“上”、“下”“左”“右”等空间相对术语，用于说明图中示出的一个元件或特征相对于另一个元件或特征的关系。应该理解的是，除了图中示出的方位之外，空间术语意在于包括装置在使用或操作中的不同方位。例如，如果图中的装置被倒置，被叙述为位于其他元件或特征“下”的元件将定位在其他元件或特征“上”。因此，示例性术语“下”可以包含上和下方位两者。装置可以以其他方式定位（旋转90度或位于其他方位），这里所用的空间相对说明可相应地解释。
25.如图1所示的mcu可以选用具备较高晶振频率、gpio、uart端口的任意型号单片机，
典型的实施例为stc15系列单片机、stm32系列单片机；也可以选择dsp或arm等作为智能控制芯片。值得一提的是，晶振频率越高，计时精度越高，得到的粮堆电容放电时间越精确。mcu至少有1个可编程输入输出（gpio）端口，作为输出，输出高电平时用于对粮堆电容充电，作为输入，输入电阻很高，基本不影响放电电路。它负责整个数据测量、采集、传输流程控制。
26.静电场对粮粒与空气敏感度不高，对水分敏感度很高，检测电容的变化值就可以得知粮粒的水分。被测物体在粮食水分传感器的环状静电场内，其水分就能够被检测得出，无须将被测物体放置于电容极板之间，提高了水分检测的便捷性。在检测的过程中，被测物体也不易接触电容极板，测量的精度也容易保证。
27.粮堆电容电极可以直接采用在印刷线路板(pcb板)上覆铜的方法实施，两片电极之间留一定的间隔。覆铜厚度可从0.01mm~1.00mm选择，电极矩形大小可以根据主要测量对象的颗粒状态选择，一般选择两片长度2mm~20cm、宽度2mm~20cm的矩形覆铜；待测的粮堆粮食颗粒越大，越宜选择较大铜片。为了进一步增加电极的敏感性，可以另外单独设置1块或多块印刷线路板覆铜作为扩展板p。扩展板p的扩展电容极板与传感器主板的电容极板并联。采用多对电极时，多对电极采用并联方式连接。
28.如图3所示为放电单元还设置有滤波电路。放电滤波模块dfb可采用1个或多个rc滤波电路串并连接。
29.放电滤波模块dfb在输入端in和接地端并联1个电容c21；r22与c23构成1个rc回路、r23与c24构成rc回路，两个回路并联后与r21/c22构成的rc回路串联，然后整个rc网络跨接在输入端in和gnd端。可以根据调试情况增减rc回路的数量、连接方法和参数。实现缓慢放电和过滤噪声的目的。
30.比较器cmp1选取低功耗比较器实施。典型的选择例如st 的ts881。比较器输入功耗越低，测量精确度越高。
31.电容放电基准电压电路由两个电阻串联分压获取，典型的参数r2为3~100m欧姆、r3为1~30m欧姆。一般配置r2和r3的参数，使得比较器cmp1的负输入端in-的电压为传感器电源电压的1/4~1/3左右。这样，既可尽可能测量完整电容放电曲线，又避免噪声的干扰。当然，也可以采用成本较高的参考电压基准连接比较器的负输入端，稳定性更好。
32.也可以采用另一种连接方式，充电极板与比较器的负输入端连接，参考电位与比较器的正输入端连接；同时，将mcu的中断触发方式做出适应性调整。
33.还可以增加温度传感器v，使传感器同时用于测量粮堆内部温度。温度传感器v可用业内广泛使用的ds18b20温度传感器实现。
34.网络传输模块可使用标准的rs485芯片实现。
35.粮堆电容极板：1对平面并列的矩形金属薄片（接地端pole1和充电端pole2）构成粮堆电容极板，两个极板利用边沿电场感应粮堆作为电容介质因水分不同导致的电容容值变化;其中pole1接电源地gnd，pole2经限流电阻r1与mcu的1个gpio端口chg连接。
36.如图4所示，典型的传感器线路板结构可以由两片印刷线路板组成；其中一片为传感器主板，元件面部署传感器元件及温度传感器，焊接面部署一对粮堆电容极板；另一片印刷线路板专门部署一对扩展电容极板，极板长度宽度可根据灵敏性需要采用不同尺寸，尺寸越大灵敏度越高。
37.放电滤波模块dfb中rc回路可以简化。比如：在输入端in和接地端并联1个电容c21；r21与c22构成1个rc回路、r22与c23构成rc回路，两个rc回路串联，然后整个rc网络跨接在输入端in和gnd端；可实现缓慢放电和过滤噪声的目的。
38.粮堆电容放电时间测量电路：由mcu的gpio端口sense、低功耗比较器cmp1、放电滤波模块dfb、电阻r2和电阻r3构成。放电滤波模块dfb与粮堆电容的两个极板并联，直流电阻应大于1m欧姆；负责慢速释放粮堆电容内的电荷并过滤干扰；粮堆电容的充电极板pole2接入比较器cmp1的正输入端in ；电阻r2一端接电源vcc，另一端接电阻r3和比较器cmp1的负输入端in-，r3的另一端电源接地gnd；这样r2和r3通过对电源vcc的简单分压，获取电基准电压并接入比较器cmp1的负输入端in-；比较器cmp1的输出端out与mcu的sense端口相连。当粮堆电容充电结束时，比较器cmp1的正输入端in 的电压高于其负输入端in-电压，比较器cmp1的输出端out输出高电平，mcu通过sense端口获得“1”的信号；粮堆电容进入放电状态后，放电滤波模块dfb缓慢释放粮堆电容内的电荷，导致比较器cmp1的正输入in 端电压逐步下降，当该端口电压降低到cmp1的负输入端in-时，cmp1的输出端out电压发生翻转，从高电平状态翻转为低电平状态。mcu通过sense端口获得“0”信号。mcu通过测量进入放电状态开始到通过sense端口获取“0
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或下降沿信号，整个过程之间的时间也就是放电时间来表达粮堆电容的容值，进而表达粮堆水分的大小。时间越长，水分越大；时间越短，水分越小。
39.网络传输电路：采用标准的rs485通信电路，该电路串行端r/t分别与mcu的uart传输端口txd、rxd连接；而差分端a/b连接上位机的差分端a/b。实现传感器与上位机的通信。
40.温度检测电路：由mcu的temp端口、上拉电阻r4、温度传感器ts1构成。mcu的temp端口与温度传感器ts1的数据端dq连接；上拉电阻r4的一端与温度传感器ts1的数据端dq连接、另一端与电源正极vcc连接。mcu通过temp端口与温度传感器ts1通信，发出测温指令，获取温度数据。
41.传感器工作流程：
42.第1步：供电电源上电；
43.第2步：mcu上电之后启动温度传感器ts1进行温度测量并获取温度读数；
44.第3步：将mcu充电端口chg设置为输出状态，给粮堆电容充电；
45.第4步：进行适当延时，确保粮堆电容充电电压足够高；
46.第5步：启动放电时间计时；
47.第6步：将mcu充电端口chg设置为高阻状态；
48.第7步：等待mcu端口sense从“1”变为“0”；
49.第8步：停止放电时间计时；获取放电时间读数；
50.第9步：等待上位机发送上传指令；
51.第10步：上传温度、放电时间数据。
52.上位机可以根据放电时间数据获得高精度的电容值，并根据粮食的品种、传感器的插入深度来获得对应的粮食水分信息。
53.上述示例只是用于说明本实用新型，除此之外，还有多种不同的实施方式，而这些实施方式都是本领域技术人员在领悟本实用新型思想后能够想到的，故，在此不再一一列举。