小麥硬度檢測控制器的設計

摘要：針對面粉加工業對小麥硬度精密檢測的需要，提出了基于ARM的小麥硬度檢測控制器的設計方案。為提高系統的實時性和控制精度，對小麥硬度檢測的任務進行了合理分解。根據系統功能，對控制器的各個部分進行了模塊化設計，分別介紹了功能模塊的實現和各個模塊的通信方式及伺服電機控制方法的實現。經測試小麥硬度檢測控制器的成本低、攜帶方便、穩定性好，應用前景廣闊。
關鍵詞：小麥硬度；ARM；控制器；功能模塊

小麥籽粒質地的軟、硬是評價小麥加工品質和食用品質的一項重要指標，并與小麥育種和貿易價格等多方面密切相關。小麥硬度不但與小麥加工工藝和最終產品品質密切相關，而且與小麥的制粉品質密切相關，硬度是表征小麥研磨品質的主要指標。目前面粉加工業已經認識到小麥硬度指標的重要性。建國以來，我國一直用角質率的大小反映小麥的硬度。該測定法具有很大的局限性，如在實際操作中不易準確判斷，人為誤差大，測量工藝繁瑣等問題。研制一種高精度、高效率、便攜式的小麥硬度檢測控制器很有必要。
文中設計的沖擊式小麥硬度檢測控制器，以S3C2410為核心控制器，測量工藝簡單，工作可靠，同時也滿足了工業現場的實時性要求。

1 小麥硬度檢測原理分析
有關小麥硬度的方法有100多種，其中壓力法是利用壓頭或刀頭壓碎或切割方法來測定小麥硬度。這種方法需要在大量的樣品測定的基礎上，統計分析才能得出正確的結果。
本系統對小麥硬度的檢測是基于壓力法，將一定質量的小麥裝入圓筒型容器中，經過振動后以一定壓力P將其壓實。采用一定直徑D的硬質探頭由電機控制模塊驅動伺服電機以一定速度V插入盛裝小麥的容器中，富士伺服電機的電子齒輪由α、β值決定，壓入深度H由控制器的位移檢測模塊根據伺服電機的編碼器反饋的脈沖數來得到。

此式中ρ為伺服電機旋轉一周的機械移動量，α、β為命令脈沖補償，ω為電機轉動的圈數。其中壓力F可以通過公式F=KU得到，其中U為壓力傳感器輸出的電壓，K為壓力傳感器的系數。根據壓入深度H與壓力F的關系和大量的統計分析得到小麥硬度Y。

本系統的控制器主要完成伺服電機的速度和方向的控制，壓力傳感器的信號采集和探頭的位移檢測的任務。沖擊式小麥硬度檢測儀的硬件系統框圖如圖1所示。

2 室控制器硬件電路設計
2．1 最小控制系統
小麥硬度檢測系統要完成一個通道的數據采集、電機速度方向控制、壓力探頭位移的測定和通訊等功能，外圍電路豐富。控制器要完成傳感器的數據采集，對采集的數據軟件濾波和壓力探頭位移的實時測定及相關位移數據的累加等功能，數據運算量較大。本系統選用運算速度快、抗干擾能力強的S3C2410做微控制器，能夠滿足本系統的要求。
2．2 濾波與放大電路的設計
濾波電路主要濾去信號中的紋波，提高信號的抗干擾能力。根據無源低通濾波電路原理，本系統設計了一種改進的濾波電路，如圖2所示。傳感器輸出的差分信號通過電阻R21、R23右端進入系統。其中電阻R21、R23和電容C149、C150一起組成了對地低通濾波結構，目的是濾去差分信號中的高頻噪聲干擾。并聯滌綸電容C181、C141能夠很好地衰減掉差模噪聲。高精密電阻R20、R22和鉭電容C173組成低通濾波結構，濾掉了截至頻率以上的信號，再經過滌綸電容C34、C35衰減掉了共模噪聲。壓力傳感器輸出的差分信號是mV級的電壓信號，很容易受到外界的干擾，必須進行放大處理才能送到ARM處理器中進行AD轉換。

AD620是一種低功耗的儀用放大器，特別適合做小信號的前置放大級，理論上可以放大1 000倍，在此系統中可以通過圖2電路中的電位器W1對放大的倍數進行調整。