大豆水分测定仪的设计与试验

材料硫酸钡的空腔球体[10]。球壁上开有三个窗口，分别作为进光口、接收口和放置样品杯。为了使积分球光反射率达到96%以上，设计的积分球开口面积不可超过内表面积的5%。积分球内直径设计为100 mm。球冠面积公式如下：

积分球内表面积为31 415.93 mm2。放置样品杯的开口直径为24 mm，面积为452.39 mm2；进光口和接收口直径均为5 mm，总面积为160 mm2。开口面积只占积分球内表面积的1.95%，符合系统设计要求。

根据HITRAN数据库[11]，利用JavaHAWKS软件，结合目前市场现有的近红外激光二极管，选择1 310 nm波长作为水分的吸收峰，1 390 nm和1 550 nm波长作为水分的参考波长。选用带尾纤的激光器，通过波分复用器[12]，将三路激光光源耦合后，接入积分球进光口。光电探测器采用带尾纤的InGaAs光电二极管，将检测光传送至光电转化电路。

1.3 大豆水分测定仪硬件电路设计

1.3.1 激光驱动电路

半导体激光二极管由激光二极管（LD）和背光探测器（PD）组成，可对激光输出进行控制和监视。通过驱动电路，使激光二极管工作于恒光功率输出。

激光驱动电路如图3所示，IC1和1.2 V稳压管组成基准电压器，通过调节电位器RV产生激光二极管的阈值电流。将IC1产生的基准电压和外部调制电压作用于IC2构成的同相加法器，产生反馈控制的目标值。IC3为误差比较器，通过与R13的光功率采样电压比较，使输出值等于目标值。测定仪用到三个不同波长的激光二极管，因此需要三个图3的驱动电路。

1.3.2 信号放大电路[13]

光电探测器将光信号转化为电信号，即光通量与电流成正比。为了能得到电压信号，设计了电流⁃电压转换电路，并且将微弱的电压信号放大至A/D转换电路的线性范围内。如图4所示，R1，R2和R3组成T型反馈网络。

1.3.3 信号滤波电路

通过电流⁃电压转换电路的信号参杂有其他噪声，需要通过滤波电路消除噪声，提高测定仪的稳定度。激光二极管的调制信号频率为10 Hz，采用四阶巴特沃斯低通滤波器[14]，截至频率为100 Hz。该滤波器采用了双运放结构，在拐点频率有非常强的控制能力，能使输出信号在临界点以更快的速率下降，改善滤波效果。如图5所示，根据电路关系式可得：

1.3.4 控制芯片

控制芯片选用STM32F1系列的32位ARM微处理器STM32F103[15]，其内核是Cortex⁃M3。片内FLASH容量为256 KB，集成有2个I2C接口、3个USART接口、2个SPI接口、1个USB 2.0全速接口和2个12位的ADC，基本符合测定仪设计要求。其功能是实现数据的采集和运算，并控制触摸液晶实现人机交互。

1.3.5 输入输出设备

检测仪的输入输出由ATK⁃4.3′TFTLCD电容触摸屏和RD⁃A48热敏打印机组成。输入界面包括含水率测试开关、清除按键、打印按键、查询历史按键和设置按键；输出包括含水率检测结果、历史曲线界面和打印机数据输出等。

1.4 大豆水分测定仪软件设计

系统主程序：主要完成接口、触摸液晶屏、打印机、PWM驱动等模块和系统的初始化；同时调用相关子程序。

触摸液晶屏子程序：主要完成液晶屏主界面的功能和测定仪相关数据显示，并且根据触摸按键值调用被按键功能子程序。

含水率测量处理子程序：该子程序是整个软件设计的核心，是测定仪测定精度和速度的决定性因素之一。主要完成采集经过光电转化后的检测光信号；对信号进行数字滤波处理；根据标定、实验建模后的关系式求解含水率。

2 大豆水分测定仪模型的建立与检验

2.1 试验材料

试验材料为广西地区春季黄大豆。选取无病变、大小均匀的黄大豆作为试验样品。

2.2 试验方法

利用烘干法，将3份约20 g黄大豆样品置于105 ℃鼓风干燥箱中约8 h，直至质量稳定。根据前后质量差，测得3份样品含水率的平均值为10.4%作为黄大豆的初始含水率。利用FA2204电子分析天平（上海精密科学仪器有限公司）分别称取10份约50 g初始含水率的黄大豆样品，放置于密封性良好的玻璃器皿中，通过少量多次添加去离子水的方式配置湿基含水率在10%～20%的黄大豆样品。为了保证样品吸水均匀，在配置过程中，应不停搅拌。将配置好的黄大豆样品密封置于1 ℃冷藏箱2天，期间每天均摇样品4～6次。试验前，采用烘干法测量并记录所配置样品的湿基含水率。测量时，依次将配置样品放置并填满[13]样品杯，启动测定仪，测量出不同含水率样品下各个波长的光功率。为了保证试验的稳定性和准确性，须保证样品杯和积分球内部干净无杂物，并在同一含水率样品下重复测量6次，去掉最大值和最小值，余下4个值取平均获得有效测量值。

2.3 试验结果与分析

2.3.1 数学模型的建立

对式（7）进行方差分析。结果表明，用式（7）描述各个波长光功率值与含水率的关系时，模型在0.000 1水平上显著，且三个波长检测光信号的各次项在0.05都对模型有显著的影响。

2.3.2 数学模型的检验

为了检验式（7）数学模型的可靠性，随机配置了8份含水率在10%～20%的黄大豆样品，通过第2.2节的方法测量出不同含水率样品下各个波长的光功率，代入式（7）中计算出含水率。将测定仪测量计算得到的含水率与烘干法得到的标准含水率进行比较，如图6所示。

由图6可得，计算得到的含水率和实测含水率之间的决定系数[r2=0.985 0]，说明式（7）能较准确地描述各个波长光功率值与含水率之间的关系。

3 结 语

为了给大豆含水率的测定提供一种新设备，本文基于近红外法设计了以STM32F103为微控制器，以积分球作为光路系统的核心，采用一个吸收峰波长和两个参考波长的大豆含水率水分测定仪。以广西地区春季黄大豆为对象，研究了黄大豆含水率（10%～20%）对各个波长光功率的影响。建立了描述含水率和光功率多元数学模型，验证了数学模型的可靠性和精度。结果表明，在含水率10%～20%的黄大豆样品下，设计的大豆水分测定仪绝对测量误差为-0.9%～2.2%，灵敏度为0.3%，响应时间小于1.2 s。该结果说明设计的大豆含水率测定仪已达到了国内外同类产品较高的技术指标[16]，可适用于大豆类的水分测量，具有广阔的市场前景。后期将通过对方案的改进和算法的优化，来提高大豆测定仪的精度和稳定度，并应用于其他食品的水分测量。

参考文献

[1] 唐传核，彭志英.大豆功能性成分的开发现状[J].中国油脂，2000，25（4）：44⁃48.

[2] 蒋涛，杨文钰，刘卫国，等.套作大豆贮藏蛋白、氨基酸组成分析及营养评价[J].食品科学，2012（21）：275⁃279.

[3] 苏祎.对烘干法水分分析原理的研究[J].中国计量，2009（12）：67⁃70.

[4] 李长友.稻谷干燥含水率在线检测装置设计与试验[J].农业机械学报，2008，39（3）：56⁃59.

[5] 郑长征.电阻式粮食水分测定仪的设计[J].现代电子技术，2009，32（19）：143⁃145.

[6] 李业德.基于介质损耗因数的粮食水分测量方法[J].农业工程学报，2006，22（2）：14⁃17.

[7] 刘淑荣，于枫，蒋彬.模糊专家系统在粮食烘干控制过程中的应用[J].现代电子技术，2003，26（11）：64⁃66.

[8] 卢利军，庄树华，李爱军，等.应用近红外技术测定黄豆粕中水分、蛋白质和粗脂肪[J].分子科学学报，2001，17（2）：115⁃120.

[9] 陆耀东，史红民，齐学，等.积分球技术在高能激光能量测量中的应用[J].强激光与粒子束，2000，12（z1）：106⁃108.

[10] 胡子臣.积分球的涂层研究[J].红外与激光工程，1985（4）：37⁃40.

[11] 高晓明，黄伟，邓伦华，等.1.31 μm附近水汽分子的自加宽系数、氮气加宽系数的测量[J].光学学报，2006，26（5）：641⁃646.

[12] 李叶芳，王晓旭，柳华.波分复用器在光纤通信中的应用[J].物理与工程，2007，17（5）：26⁃28.

[13] 傅文渊，凌朝东.应用于跨导放大器设计的线性度优化方法[J].电子学报，2013，41（6）：1214⁃1218.

[14] 夏云生，张贺元.基于Proteus的双二次型低通滤波器设计与仿真[J].现代电子技术，2014，37（8）：22⁃24.

[15] 孙书鹰，陈志佳，寇超.新一代嵌入式微处理器STM32F103开发与应用[J].网络新媒体技术，2010，31（12）：59⁃63.

[16] 郭文川，刘驰，杨军.小麦秸秆含水率测量仪的设计与试验[J].农业工程学报，2013（1）：33⁃40.

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