基于单片机的秸秆含水率测量仪的研究

第一章 绪论

1.1 研究的目的和意义
1.1.1 秸秆资源的利用现状
随着经济、社会的发展，现代农业已逐步代替传统农业，农村的能源以及饲料结构等均发生了深刻变化，传统的秸秆利用途径也发生了历史性的转变。因此，如何合理有效的利用秸秆资源，将这一农业上的资源优势转化为经济上的优势，已经成为一个世界性的问题。早在20世纪初，欧美等发达国家就开始了秸秆资源的产业化利用，诸如秸秆人造板、秸秆能源化利用等许多秸秆综合利用的新技术也相继诞生，发展至今已形成了一定的规模。相比较而言，我国也是世界上秸秆资源最为丰富的国家之一。
据统计，2010年我国秸秆理论资源量为8.4亿吨，可收集资源量约为7亿吨，居世界之首。在我国，很长时间内，秸秆的利用普遍是一种粗放式的状态，完全处于一种高消耗、低产出的状况，这在很大程度上降低了秸秆的利用效率。进入新世纪以来，随着现代农业和生产力的高速发展，我国在秸秆综合利用方面也取得积极进展，除秸秆还田、秸秆饲料等农业领域的应用外，农作物秸秆的工业化利用也有了突飞猛进的发展，秸秆作为工业原料的利用量也在不断增加。据统计，截止2010年底，我国农作物秸秆综合利用率达到69%，其中作为燃料利用（含秸秆新型能源化利用）1.29亿吨，占18.72%，作为造纸等工业原料1600万吨，占2.37%，其总和超过了21%，由此可见，秸秆的工业化利用比例得到很大提升。
伴随着我国农作物生产规模的增加和效率的不断提升，秸秆的数量也在不断的增长，如果能将这些秸秆资源合理的开发利用，既可节约大量自然资源，降低能耗，减少温室气体的排放，从而缓解资源和环境压力，还可以增加农民收入，提高农民生活水平，促进经济发展。所以，秸秆的合理开发利用，既涉及到再生资源有效利用，也关系到整个农业生态系统相对平衡以及一系列可持续发展问题，已引起各国政府的高度关注，并逐步发展成为现代可持续农业的重要方面
1.1.2 含水率对秸秆综合利用技术的影响
在现代农业体系中，秸秆的利用技术主要有腐化还田技术、秸秆能源化技术（固体成形燃料、秸秆气化等）、秸秆饲料化技术和秸秆工业原料化技术等。在能源化方面，秸秆多作为石化能源及煤等传统燃料的替代品。其中秸秆的固化成型是一种应用比较广泛的技术，它是指将松散秸秆压缩成高密度的可代替煤炭使用的燃料。耐久性是评价秸秆固化成型的一项重要性能指标，一般包括抗跌碎性、抗变形性、抗渗水性和平衡含水率(抗吸湿性)等指标，研究发现原料含水率对秸秆固化成型技术的抗渗水性影响很显著, 而抗渗水性直接决定了秸秆固化成型的贮存性能，此外含水率也显著影响秸秆固化成型的抗跌碎性,试验表明，含水率小于15%的秸秆固化成型失重率一般在5%以下,这样才能满足规模化技术的应用。
由此可见，秸秆原料含水率的高低对秸秆固化成型技术有着极其重要的影响。秸秆作为饲料在农牧业中的利用由来已久。在传统农业中，农作物秸秆大多是不经过任何处理，直接作为家畜的饲料来使用。随着现代农业技术的推广和应用，秸秆的饲料化利用技术也有了一定的改变。

    1.2 基于介电特性的农业物料含水率检测方法研究 .........12-13
    1.3 基于介电特性的农业物料含水率检测技术研究现状 .........13-14
    1.4 电容检测法在农业物料含水率检测中的研究现状 .........14-15
    1.5 研究内容 ...............15-16
    1.6 技术路线 ...............16-17
第二章 秸秆含水率测量仪硬件系统设计与制作 .........17-37
    2.1 测量仪硬件系统的构成 ...............17
    2.2 传感器的选择与设计 ...............17-21
        2.2.1 电容传感器的设计 ...............17-19
        2.2.2 温度传感器的选择 ...............19-20
        2.2.3 压力传感器的选择 ...............20-21
    2.3 测量仪硬件电路设计 ...............21-36
    2.4 本章小结 ...............36-37
第三章 秸秆含水率测量仪软件系统设计 ...............37-44
    3.1 系统主程序模块的设计 ...............37-38
    3.2 TLC2543A/D 转换模块的设计 ...............38
    3.3 DS18B20 温度数据采集模块的的设计 ..........38-41
    3.4 LCD12864 显示模块的设计 ...............41-42
    3.5 功能键模块的设计 ...............42
    3.6 含水率计算模块的设计 ...............42-43
    3.7 本章小结 ...............43-44
第四章 秸秆含水率预测模型的建立 ...........44-54
    4.1 秸秆介电特性的试验研究 ...............44-49 
    4.2 含水率预测模型的建立 ...............49-53
        4.2.1 含水率预测模型的建立 ............49-51
        4.2.2 含水率预测模型的验证 ...........51-52
        4.2.3 含水率计算模块的补充设计 ...........52-53
    4.3 本章小结 ...............53-54
第五章 测量仪含水率检测性能验证 ...............54-57
    5.1 测量仪含水率检测性能验证 ...............54-56
        5.1.1 试验材料及方法 ...............54
        5.1.2 试验结果及分析 ...............54-56
    5.2 本章小结 ...............56-57

结论与展望

6.1 结论
本文首先研究了秸秆含水率对其综合利用技术的影响，对农业物料含水率间接检测方法和电容法的基本检测原理及其相关影响因素进行了深入的分析，以此奠定了本文设计的理论依据，并确立了基于电容法并考虑多种影响因素的设计思路。在此基础上设计了测量仪的硬件和软件系统，然后以小麦秸秆为研究对象，通过试验建立了综合的秸秆含水率预测模型，并依据此模型对测量仪含水率检测性能进行了验证性的试验研究，确定了测量仪的性能指标。

6.2 本研究的创新性
(1) 基于电容检测方法，设计了以8位单片机为控制器的秸秆含水率测量仪，实现了农作物秸秆含水率的快速、连续测量。
(2) 研究了小麦秸秆的介电特性，拟合了小麦秸秆电容与其含水率、温度的回归模型。

6.3 展望
在本文研究和设计过程中还存在一定的不足，在某些方面还需要进一步的改进和完善，现总结如下：
(1) 拟合得到的小麦秸秆含水率预测模型中只包含了电容、含水率和温度三项因子，对于被测秸秆样品的容积密度变化对含水率测量结果的影响未能很好的反映出来，从而影响到检测的稳定性和准确度。因此，还需对测量仪进行改进，通过试验研究，得到综合各个影响因素的秸秆含水率预测模型，提高测量仪的性能。(2) 进一步对除小麦秸秆以外的农作物秸秆进行介电特性分析研究，得到相应的含水率预测模型，以便扩大仪器的适用范围。