具有語(yǔ)音提示功能的糧食水分測(cè)試儀

　　摘要：糧食中的水分按物理性質(zhì)可分為結(jié)合水（結(jié)晶水）和游離水（自由水）。結(jié)合水是在糧粒生長(zhǎng)過(guò)程中自然形成的，存在于糧食細(xì)胞內(nèi)與糧粒內(nèi)親水物質(zhì)結(jié)合得很牢固，性質(zhì)很穩(wěn)定，難以解吸，結(jié)合水不參加導(dǎo)電；游離水是通過(guò)物理吸附作用凝聚在糧食內(nèi)部的毛細(xì)管內(nèi)和分子間隙中的水分，它具有普通水的導(dǎo)電性質(zhì)，平時(shí)檢測(cè)指示的水分指的是游離水。本文根據(jù)糧食的介電特性，設(shè)計(jì)了完整的測(cè)試方案，它具有低功耗、便于攜帶、具有語(yǔ)音提示功能、操作方便、人機(jī)界面友好等特點(diǎn)，可廣泛地應(yīng)用于糧食的調(diào)撥、征購(gòu)、儲(chǔ)藏、加工等環(huán)節(jié)中。
　　
　　1、引言
　　
　　糧食中的水分按物理性質(zhì)可分為結(jié)合水（結(jié)晶水）和游離水（自由水）。結(jié)合水是在糧粒生長(zhǎng)過(guò)程中自然形成的，存在于糧食細(xì)胞內(nèi)與糧粒內(nèi)親水物質(zhì)結(jié)合得很牢固，性質(zhì)很穩(wěn)定，難以解吸，結(jié)合水不參加導(dǎo)電；游離水是通過(guò)物理吸附作用凝聚在糧食內(nèi)部的毛細(xì)管內(nèi)和分子間隙中的水分，它具有普通水的導(dǎo)電性質(zhì)，平時(shí)檢測(cè)指示的水分指的是游離水。如果不加選擇地購(gòu)進(jìn)和儲(chǔ)藏糧食，必然會(huì)影響糧食的儲(chǔ)藏周期，導(dǎo)致糧食的過(guò)早發(fā)霉、變質(zhì)、腐爛，因此必須時(shí)刻在意糧食的水分含量，本文根據(jù)糧食的介電特性，利用凌陽(yáng)科技公司的SPCE061A單片機(jī)的快速運(yùn)算與處理數(shù)據(jù)的能力和語(yǔ)音功能的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了完整的測(cè)試方案，它具有低功耗、便于攜帶、具有語(yǔ)音提示功能、操作方便、人機(jī)界面友好等特點(diǎn)，可廣泛地應(yīng)用于糧食的調(diào)撥、征購(gòu)、儲(chǔ)藏、加工等環(huán)節(jié)中。
　　
　　2、SPCE061A單片機(jī)簡(jiǎn)介
　　
　　SPCE061A是中國(guó)臺(tái)灣凌陽(yáng)科技公司推出的一款以μnSPTM為核心的基于SOC（SystemOnChip）技術(shù)的16位單片機(jī)。SPCE061A中包括2K字節(jié)的SRAM和32K字節(jié)的閃存ROM；32位可編程的多功能I/O端口；兩個(gè)16位可編程定時(shí)器/計(jì)數(shù)器；14個(gè)中斷源，兩級(jí)優(yōu)先級(jí)，三種中斷類型；32768Hz實(shí)時(shí)時(shí)鐘；低電壓復(fù)位/監(jiān)測(cè)功能；可編程的看門狗功能；7通道10位A/D輸入和單通道內(nèi)置麥克風(fēng)放大器和自動(dòng)增益控制AGC功能的聲音A/D轉(zhuǎn)換器；雙通道10位D/A音頻轉(zhuǎn)換器；具有ICE（InCircuitEmula2tion）接口，能夠方便的實(shí)現(xiàn)在線仿真和程序的下載；SPCE061A在2.6～3.6V工作電壓范圍內(nèi)的工作頻率范圍為0.32～49.152MHz，較高的數(shù)據(jù)處理速度使SPCE061A能夠非常容易地、快速地處理復(fù)雜的數(shù)字信號(hào)，SPCE061A能夠?qū)崿F(xiàn)用于處理數(shù)字信號(hào)的16位316位的內(nèi)積運(yùn)算，因此非常適合于數(shù)字語(yǔ)音識(shí)別和應(yīng)用領(lǐng)域。凌陽(yáng)的指令系統(tǒng)采用精簡(jiǎn)指令集，它以字為單位，從而格式緊湊、靈活；執(zhí)行時(shí)間短。由此可見(jiàn)，SPCE061A是一款以單片機(jī)的價(jià)格獲得DSP處理速度的具有高性價(jià)比的單片機(jī)。
　　
　　3、系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)
　　
　　3.1系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)
　　
　　系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)圖如圖1所示：　　　　
　　數(shù)字溫度傳感器采用DALLAS公司的單總線器件DS18B20，用于補(bǔ)償環(huán)境溫度對(duì)糧食內(nèi)部水分的影響，環(huán)境溫度直接以“一線總線”的數(shù)字方式傳輸，省去了溫度傳感器的放大處理等環(huán)節(jié)，大大提高了系統(tǒng)的抗干擾性，適合于惡劣環(huán)境的現(xiàn)場(chǎng)溫度測(cè)量。同時(shí)它只占用單片機(jī)的一個(gè)端口，節(jié)約了系統(tǒng)的硬件資源，因此具有較高的性價(jià)比。
　　
　　糧食水分的測(cè)試通常采用電阻法和電容法，由于非金屬干燥物質(zhì)的電阻很大，通常能達(dá)到幾十到幾百兆歐，要使這樣大的電阻流過(guò)電流必須在檢測(cè)電極兩端加上高電壓，即使這樣獲得的電流也只是微安級(jí)的，必須要經(jīng)過(guò)放大等處理措施，因此用電阻法檢測(cè)獲得的測(cè)量信號(hào)微弱，影響測(cè)量精度。本電路采用電容法進(jìn)行測(cè)量，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)的反復(fù)驗(yàn)證，水分傳感器采用圓柱形容器測(cè)量糧食的含水量比平板式容器要準(zhǔn)確些，操作也較方便，測(cè)量值受邊緣效應(yīng)影響較小。信號(hào)調(diào)理電路采用555芯片構(gòu)成的非重復(fù)觸發(fā)的單穩(wěn)觸發(fā)電路，如圖2所示：　　　　
　　糧食中的水分含量越大，糧食的介電常數(shù)就越大，電容值就越大。電容與水分存在一定的函數(shù)關(guān)系，同時(shí)在單穩(wěn)觸發(fā)電路中，輸出的脈沖寬度Tpo=RCln3，其中C就是要測(cè)的電容值，因此水分與脈沖寬度存在函數(shù)關(guān)系，只要測(cè)出脈沖寬度就可獲得糧食水分的含量。信號(hào)的采樣波形如圖3所示。脈寬的測(cè)量由單片機(jī)的外中斷和定時(shí)中斷來(lái)完成，由于SPCE061A的EXT1和EXT2均為負(fù)跳沿觸發(fā)中斷，因此在555的輸出端加一級(jí)反相器，EXT1中斷采樣輸出信號(hào)的上跳沿，然后再經(jīng)過(guò)一級(jí)反相器，EXT2采樣輸出信號(hào)的下跳沿。兩者采樣的時(shí)間差就是脈沖寬度。時(shí)間差的計(jì)算可由單片機(jī)的定時(shí)中斷來(lái)實(shí)現(xiàn)，在EXT1的中斷程序里開(kāi)啟定時(shí)中斷，在EXT2的中斷程序里關(guān)閉定時(shí)中斷。電路中的同步觸發(fā)信號(hào)來(lái)自單片機(jī)的輸出控制端口使采樣和計(jì)時(shí)保持同步，提高系統(tǒng)的測(cè)量精度。　　　　
　　為了降低功耗，系統(tǒng)采用圖形點(diǎn)陣式LCD顯示。相應(yīng)的數(shù)據(jù)線和控制線與SPCE061A的16位并行A口連接，用來(lái)顯示測(cè)量的糧食的種類、每次測(cè)量的數(shù)值、次數(shù)、平均值，以及測(cè)量的修正值。整個(gè)人機(jī)界面清晰、明確。
　　
　　按鍵輸入部分由品種選擇鍵、修正值輸入鍵、保存鍵、測(cè)試鍵、平均鍵、清除鍵等組成，根據(jù)需要，可測(cè)量大米、小麥、高粱等不同種類的糧食。
　　
　　SPCE061A的音頻輸出采用雙通道的DAC方式，即數(shù)字信號(hào)通過(guò)10位DAC轉(zhuǎn)換成3mA驅(qū)動(dòng)電流的模擬輸出，語(yǔ)音提示信號(hào)輸出經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)放大以后，通過(guò)揚(yáng)聲器輸出。
　　
　　3.2系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
　　
　　糧食水分測(cè)試儀是具有區(qū)域特色的產(chǎn)品，它對(duì)不同地區(qū)的糧食作物具有不同的測(cè)量基準(zhǔn)值，因此在測(cè)試之前，需要根據(jù)不同的糧食種類，在不同的狀態(tài)下建立起標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)庫(kù)，這些數(shù)據(jù)可以預(yù)先存入系統(tǒng)中，也可以由用戶根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)定。這樣在測(cè)試時(shí)就與標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較，判斷是否合乎標(biāo)準(zhǔn)。
　　
　　軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，包括初始化程序、鍵盤掃描、溫度采樣、水分采樣中斷處理、測(cè)量數(shù)據(jù)線性化和溫度漂移的補(bǔ)償?shù)臄?shù)據(jù)處理、語(yǔ)音提示等模塊。主程序負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)與控制工作，通過(guò)調(diào)用不同的模塊完成相應(yīng)的工作。本測(cè)試儀以每個(gè)品種10次隨機(jī)采樣的算術(shù)平均值作為測(cè)量結(jié)果，有效地提高了測(cè)量的準(zhǔn)確性和重復(fù)性。在測(cè)試完成后就輸出語(yǔ)音提示，判斷所測(cè)試的水分為多少并且是否合格。主程序的流程圖如圖4所示：　　　　
　　4、語(yǔ)音提示系統(tǒng)工作原理
　　
　　SPCE061A的音頻輸出有兩種方式，一種是音調(diào)輸出方式，另一種是語(yǔ)音輸出方式，兩者的區(qū)別在于輸出的控制機(jī)理不同。前者是通過(guò)控制定時(shí)器溢出所產(chǎn)生的不同頻率來(lái)決定聲波振動(dòng)次數(shù)的多少，從而決定發(fā)出的聲音音調(diào)的高低；后者是用與聲音數(shù)據(jù)采樣率相同的速率將聲音數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換通道還原成音頻電壓或電流輸出，其中聲音數(shù)據(jù)采樣率決定了聲音音質(zhì)的好壞，并決定了聲音數(shù)據(jù)所需要占據(jù)的存儲(chǔ)空間[3]。提示語(yǔ)音的輸入可以采用兩種方式：一是通過(guò)PC機(jī)的聲卡，用麥克風(fēng)采集語(yǔ)音的3.wav文件；二是用SPCE061A系統(tǒng)采集語(yǔ)音信號(hào)，通過(guò)通信模塊將語(yǔ)音信號(hào)傳送到PC機(jī)上保存。第二種方式，因?yàn)樗鼙ＷC語(yǔ)音特征的一致性，從而減少硬件系統(tǒng)不一致帶來(lái)的誤差。不管采用哪種方式，3.wav文件占用的存儲(chǔ)空間很大，對(duì)于微控制器來(lái)說(shuō)想要存儲(chǔ)大量的語(yǔ)音信息顯然是不可能的，必須將音頻文件壓縮。為了方便用戶使用，凌陽(yáng)公司的SPCE061A提供了各種音頻壓縮編碼的算法和API函數(shù)庫(kù)，即SACM-LIB。用戶只須了解每個(gè)模塊所要實(shí)現(xiàn)的功能及參數(shù)的內(nèi)容，然后調(diào)用該API函數(shù)即可實(shí)現(xiàn)該功能。凌陽(yáng)科技公司提供三種不同壓縮率的語(yǔ)音提示的算法，表1是各種壓縮算法名稱及編碼率類型。
　　　　
　　這三種壓縮算法的區(qū)別在于壓縮率不同、音質(zhì)也不同。SACMA2000壓縮率相對(duì)較小，音質(zhì)較好，相應(yīng)的資源占用較多。SACMS240的壓縮率zui大，音質(zhì)相對(duì)較差。SACMS480介于這兩者之間。本系統(tǒng)在沒(méi)有擴(kuò)展存儲(chǔ)器的情況下，采用SACMS240方式，它可容納210秒的語(yǔ)音數(shù)據(jù)。語(yǔ)音播放子程序包括語(yǔ)音播放程序和服務(wù)中斷程序，語(yǔ)音播放程序主要完成D/A轉(zhuǎn)換器、TIMERA定時(shí)器和音量的初始化，從ROM里取出預(yù)先壓縮好的語(yǔ)音數(shù)據(jù)，解壓縮后存放在播放隊(duì)列中，中斷服務(wù)程序定時(shí)地從播放隊(duì)列中讀取數(shù)據(jù)，從D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后送揚(yáng)聲器發(fā)出聲音。播放程序如下：
　　
　　Sound：_proc；
　　
　　r1=1；
　　
　　callF_SACM_S240_Initial；
　　
　　r1=8；
　　
　　callF_SACM_S240_Volume；
　　
　　r1=[Speech_1]；
　　
　　r2=dac1；
　　
　　r3=Ramp_UpDn_On；
　　
　　callF_SACM_S240_Play；
　　
　　LOOP；
　　
　　callF_SACM_S240_ServiceLoop[syg1]；
　　
　　callF_SACM_S240_Status；
　　
　　testr1，0x0001；
　　
　　jzSound_End；
　　
　　jmpLOOP；
　　
　　Sound_End；
　　
　　retf；
　　
　　endp；
　　
　　5實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果
　　
　　本測(cè)試儀采用浮動(dòng)三點(diǎn)定標(biāo)法對(duì)各種不同種類的糧食預(yù)先定標(biāo)，用戶在使用時(shí)可直接測(cè)量，以小麥為例，在不同的水分情況下，實(shí)測(cè)值與標(biāo)準(zhǔn)值的數(shù)據(jù)比對(duì)如表2所示：
　　　　
　　經(jīng)過(guò)非線性補(bǔ)償和誤差修正，本測(cè)試儀的測(cè)量誤差≤±0.5%，測(cè)量的水分范圍為3～35%，重復(fù)誤差≤0.1%，使用的溫度范圍為0～40℃。基本上達(dá)到國(guó)內(nèi)外同類*產(chǎn)品的技術(shù)指標(biāo)。可適用于多種種類的糧食水分測(cè)量，具有比較廣闊的市場(chǎng)前景。
　　
　　參考文獻(xiàn)
　　
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