基于单片机的电容式固态物含水率测量系统

　　1 引言

　　许多固态物在生产、储运、销售过程中都需要对其含水率进行检测。含水率检测的精确与否直接影响企业的生产成本、管理效率与效益。本文从工程实际出发，介绍一种有效的固态物含水率测量方法，系统简单、成本低、灵敏度高。

　　固态物含水率的测量方法中最简便、实用的方法是电测法，电测法又分为电导式和电容式两种。其主要原理是利用含水率变化会引起物体的电导率或介电常数的变化，对物体的电导率或介电常数进行测量，利用一定的变换关系，就可以得到物体的含水率[1]。本文提出利用mcs-51单片机来实现电容式固态物含水率测 量系统。

　　2 测量原理

　　以电容器为敏感元件，当被测物置于两极板中时，载有被测固态物的电容器的相对介电常数可以表示为:

(1)

　　装有被测物的电容式传感器的电容量是相对介电常数 ε′的函数，ε″为损耗因子。被测物的含水率直接影响电容器的相对介电常数ε′，因此，电容量是两极板之间物质的介电常数ε′的函数。当被测物的含水率增 加时，ε′变大，引起电容值变大。所以，测量电容的值，通过一定的变换关系，就可以得出相应被测物的含水率[1][2]。

　　3 硬件电路

　　系统整体硬件结构如图1所示，采用ad9850作为信号发生电路。芯片ad9850采用了dds(direct digital synthesis)技术，内部集成了高速、高性能的d/a转换器和比较器，实现了完全数字化的可编程频率发生器。ad9850的频率输出范围宽，输出波 形的频率分辨率为0.0291hz，输出波形的温度稳定性为150ppm/℃，完全满足电容检测电路对激励波形幅值和频率稳定性的要求。而且可以利用软件 很方便的改变输出信号的幅值和频率，对于软件算法的实施提供了良好的条件。

　　图1 系统整体硬件结构图

　　电容检测电路采用电容—电压变换电路，其原理如图2所示，其中cx为被测电容，r7为已知电阻，a为高输入阻抗的运放。此电路为典型的微分电路，利用输出 电压的变化来测量电容cx的变化[3]。

　　图 2 电容检测电路原理图

　　由式(3)可以得出输出电压的平均值与被测电容cx成正比关系。因此，可以利用此关系将电容检测电路输出信号的平均值经a/d转换器转变为数字信号后由单片机完成电容值的计算，进而求解出被测物的含水率。

　　通常被测电容cx的容值很小，约在30pf～250pf范围。因此，分布电容会对测量精度造成很大影响，而且这些分布电容很难完全消除。因此我们将这些分布电容和电容测量电路看作整体，确保这些分布电容的稳定性，在此基础上，利用软件来消除其对测量过程与结果的影响。保证分布电容的稳定性，采用如下措施: