PAGE1小麥水分檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案案例概述目錄TOC\o"1-3"\h\u27978小麥水分檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案案例概述 114411.1近紅外光譜水分檢測原理 1255491.2總體方案選擇 2177661.3硬件設(shè)計(jì)方案 259351.3.1光源的選擇 2156821.3.2傳感器的選擇 3151511.3.3光源收集方式的選擇 4270451.4系統(tǒng)顯示屏 5152301.5系統(tǒng)控制器 61.1近紅外光譜水分檢測原理波長范圍在780~2500nm的光波，稱為近紅外(near-infrared，NIR)光譜，屬于不可見光。圖1近紅外光譜區(qū)域圖當(dāng)近紅外光照射到樣品時(shí)，樣品中相應(yīng)的分子鍵與近紅外光相互作用，使得分子躍遷。進(jìn)而便會(huì)產(chǎn)生近紅外光譜記錄的C-H、O-H、S-H、N-H等含氫基團(tuán)，因此，近紅外光譜可以實(shí)現(xiàn)含氫有機(jī)物的檢測[7]。1.2總體方案選擇方案一：選用近紅外發(fā)光二極管作為發(fā)光源，使用基于STM32的攝像頭拍攝小麥在發(fā)光二極管照射下的顏色、形狀、品質(zhì)，然后將拍攝的照片與標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較得出小麥的水分。方案二：選用近紅外發(fā)光二極管作為發(fā)光源，使用光電二極管收集小麥在光源照射下反射回來的光波，然后輸出電流信號(hào)。隨著小麥含水率的增加，被吸收的光波增多，光電二極管接收的光波減少，產(chǎn)生的電流信號(hào)也減小?；赟TM32將光電二極管產(chǎn)生的信號(hào)進(jìn)行分析處理以后便可得出小麥的水分。經(jīng)分析,本文采用1450nm波長的發(fā)光二極管作為光源，而基于STM32的攝像頭收集的最大波長為1000nm，不能采集到光波，所以選擇方案二。圖2系統(tǒng)總體框架圖1.3硬件設(shè)計(jì)方案1.3.1光源的選擇在近紅外的發(fā)光源中，激光器和發(fā)光二極管較為常見。激光器穩(wěn)定性好、發(fā)光強(qiáng)度高，但價(jià)格不便宜；發(fā)光二極管穩(wěn)定性也不錯(cuò)，發(fā)光強(qiáng)度也不錯(cuò)，價(jià)格比激光器便宜很多?？紤]到成本問題，本文采用發(fā)光二極管作為發(fā)光源。不同波段下，水分子的吸收光能力不同。選擇一個(gè)合適的波長，有利于該系統(tǒng)設(shè)計(jì)。由水分子吸收光譜圖[8]，可知：波長為1220nm、1440nm、1940nm、2950nm處出現(xiàn)了極值，且1440nm和2950nm吸收率比較高?？紤]到光電二極管接收的波長主要為900nm到1700nm，且1450nm波長的發(fā)光二極管容易采購，故本系統(tǒng)選用1450nm波長的發(fā)光二極管作為光源。圖3水分子在紅外波段的吸收光譜圖1.3.2傳感器的選擇該系統(tǒng)選用光電二極管作為傳感器，其工作原理是將光信號(hào)發(fā)送給電信號(hào)，電信號(hào)只有在有光的情況下才會(huì)產(chǎn)生。光電二極管類型有PN型、PIN型、APD型等，PN型響應(yīng)速度慢，PIN型響應(yīng)速度快，APD型響應(yīng)速度快的同時(shí)也增加噪聲[9]。為滿足本系統(tǒng)設(shè)計(jì)快速、準(zhǔn)確的要求，本系統(tǒng)采用京都半導(dǎo)體股份有限公司生產(chǎn)的KPDE030-46InGaAs型近紅外光電二極管。圖4KPDE030-46InGaAs型近紅外光電二極管實(shí)物圖KPDE030-46InGaAs型近紅外光電二極管直徑有0.3mm,接收光波范圍廣，利于光波的接收；檢測波長為900nm~1700nm，其吸收光譜時(shí)，響應(yīng)曲線如圖5所示，可以看出，波長在1310~1550nm范圍內(nèi)，其響應(yīng)率均能達(dá)到85%以上?？梢?，該近紅外光電二極管適合做本設(shè)計(jì)的傳感器。圖5KPDE030-46InGaAs型近紅外光電二極管光譜響應(yīng)特性曲線圖1.3.3光源收集方式的選擇近紅外照射到物體上會(huì)發(fā)生透射和反射兩種模式。透射模式是指傳感器收集近紅外光穿過樣品以后的光波，一般適用于透明的液體或氣體含水量測量。圖6透射模式原理圖反射模式是指傳感器收集近紅外光照射在樣品上反射回來的光波。反射方式有鏡面反射和漫反射兩種，其反射方式取決于樣品的表面光滑與否。由于樣品為小麥表面不光滑,所以本系統(tǒng)采用漫反射模式來收集光波。圖7漫反射模式原理圖由漫反射模式原理圖可以看出：樣品反射回來的光波是雜亂無章的，需要積分球來收集反射光波，使傳感器充分接收光波[10]。但考慮到積分球價(jià)格昂貴，我們增加近紅外發(fā)光二極管的個(gè)數(shù)來增強(qiáng)發(fā)光源，同時(shí)，需要設(shè)計(jì)了一個(gè)密閉、黑暗環(huán)境來使傳感器盡可能多的接收反射光波。1.4系統(tǒng)顯示屏本文采用TFTLCD顯示屏作為顯示屏。TFTLCD顯示屏不僅能實(shí)現(xiàn)人機(jī)互動(dòng)，而且反應(yīng)速度也比較靈敏。本系統(tǒng)采用1.8寸電容式顯示屏，分辨率可以達(dá)到320×240，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集實(shí)時(shí)顯示、報(bào)警顯示、人機(jī)互動(dòng)等功能。1.5系統(tǒng)控制器傳感器將收集的光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)以后，需要控制器來接收電信號(hào)，并對其接收的信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)顯示、含水率超標(biāo)報(bào)警等功能。本文采用STM32F103芯片作為系統(tǒng)控制器，STM32F103芯片是一個(gè)32位ARM微型控制器，由ST公司生產(chǎn)的。其內(nèi)核為Cortex-M3，具有大存儲(chǔ)、低電源、低功耗等特點(diǎn)[11]。芯片主要有Timer定時(shí)器、C