谷物含水率是评估谷物能否进行收获的重要指标之一,通过对含水率的分析可以确保作物在最佳状态时进行收获,提高收获籽粒的质量。同时,谷物含水率是影响智能测产系统准确度与精度的重要数据。只有将谷物的质量信息折合到一个固定含水率的谷物质量时,才能更加精确地计算出产量信息。目前,国外一些先进的联合收获机,已经带有含水率实时检测装置,且系统稳定性好、精度高;国内机型尚未实现含水率的实时检测。然而,从国外引进测量系统成本较高,不利于普及。针对上述情况,本文设计了基于高频电容的联合收获机谷物含水率在线监测装置,对含水率进行实时监测,监测结果通过联合收获机驾驶室内的显示模块进行显示,并利用CAN总线传送至上位机进行数据处理,最终实现智能测产;同时,将数据存储在SD卡中,便于后续的数据处理与分析。本文主要研究内容如下:(1)谷物动态采集装置设计。分析联合收获机的工作原理、收获流程,设计谷物动态采集装置。利用采集装置中电磁铁通断电状态,实现谷物周期性地采样和弃样。将谷物采集装置安装在联合收获机升运器的出粮口,使谷物能够连续地进入采样盒,保证采集样本的随机性。(2)谷物含水率监测方法研究。分析谷物含水率检测方法及原理,针对联合收获机作业环境较为特殊、噪声较复杂的现象,提出了采用高频激励信号对电容极板充放电的检测原理进行含水率监测的方法。利用高频方波信号代替传统的CMOS开关切换的方法,减少CMOS开关对测量电路的影响,简化电路结构。特别地,为了提高监测装置的测量精度,本文通过软件仿真与试验验证相结合的方法,分别对低频、中频、高频激励信号进行仿真与试验分析,最终选择10 MHz的高频信号作为系统的激励信号。(3)谷物含水率监测系统的硬件设计。研究电容式含水率检测的影响因素,针对电容式检测原理及其影响因素进行硬件电路的设计。主要包括微处理器的选择及外围电路的设计、高频电容式含水率传感器、温度传感器、压力传感器的电路设计以及抗干扰电路的设计。其中,在高频电容式含水率传感器设计中,为了获取电容极板的最佳参数、减小边缘效应,利用有限元分析软件COMSOL Multiphysics,建立电容极板模型,针对电容极板的厚度、极板间距、相对面积对边缘效应的影响进行了三因素三水平正交试验。(4)谷物含水率监测系统的软件设计。针对硬件模块输出信号的类型以及系统设计要求,对基于高频电容的谷物含水率监测控制系统进行软件设计。系统的软件设计部分主要包括主程序、数据采集与处理程序、含水率计算程序、SD卡模块数据的存储与读取程序、触摸彩屏程序以及CAN总线通讯程序。(5)含水率监测系统的试验研究。试验分为静态测量与田间在线监测两部分。静态测量试验主要包括传感器的标定试验、监测范围分析、静态误差分析以及系统的重复性试验。静态测量试验表明:含水率的监测范围为10%~30%,最大相对误差为1.57%,分辨率为0.01%。田间在线监测试验时,将监测装置安装在联合收获机的粮箱中,定时对收获到的谷物取样进行含水率的在线监测。田间试验主要包括在线监测精度试验、系统稳定性试验。田间试验表明含水率监测的最大相对误差为2.07%,符合项目预设(≤5%)要求。