【摘 要】
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含水率是反映谷子生长态势和指导适时收获的重要指标之一。本文基于电容法设计了一种谷子含水率快速智能检测装置。以不同时期的谷子叶片、茎秆和谷穗为对象,研究不同时期谷子各组分的含水率变化规律,通过测量其电容、温度、厚度（直径）等参数,建立谷子含水率模型,实现快速检测谷子叶片、茎秆和谷穗的含水率。主要研究内容与结论如下:（1）结合谷子的叶片、茎秆和谷穗的生物结构,设计谷子含水率智能实时检测装置,对比选用L
【基金项目】
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财政部和农业农村部:国家谷子高粱产业技术体系（CARS-06-14.5-A28）； 山西省基础研究计划,谷子脱粒机理与脱粒装置参数优化研究（20210302124374）；
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含水率是反映谷子生长态势和指导适时收获的重要指标之一。本文基于电容法设计了一种谷子含水率快速智能检测装置。以不同时期的谷子叶片、茎秆和谷穗为对象,研究不同时期谷子各组分的含水率变化规律,通过测量其电容、温度、厚度（直径）等参数,建立谷子含水率模型,实现快速检测谷子叶片、茎秆和谷穗的含水率。主要研究内容与结论如下:（1）结合谷子的叶片、茎秆和谷穗的生物结构,设计谷子含水率智能实时检测装置,对比选用LC振荡电路原理检测谷子电容,硬件部分由STM32微控制器、FDC2214电容、LM35温度、FSR402压力检测模块以及2.4寸TFT触摸屏组成,结合闭环控制自校正PID控制程序,通过STM32主程序调用相应的子程序,设计用户界面实现选择检测谷子叶片、茎秆和谷穗的功能,且能够输入叶片厚度（茎秆直径和谷穗直径）,实时检测并显示其含水率和电容、田间环境温度数值。（2）以50天至150天生长时期的谷子为研究对象,使用谷子含水率检测装置测量了不同生长时期谷子参数的变化规律,获得不同时期不同品种谷子叶片、茎秆和谷穗含水率的变化规律,测量了不同品种谷子的株高、叶片数生长指标。试验结果表明:从孕穗期到成熟期含水量呈降低趋势,晋谷21号叶片的含水率由74.85%降低到63.80%,张杂谷10号叶片的含水率由74.82%降低为64.38%;晋谷21号茎秆的含水率分别由84.11%降低到68.60%,张杂谷10号茎秆的含水率则由84.80%降低为69.94%;从乳熟期到枯熟期,晋谷21号谷穗含水率由46.80%降低到21.18%,张杂10号谷穗含水率由30.60%降低到16.80%。从苗期到灌浆期谷子的株高和叶片数在增长,从灌浆期到成熟期株高和叶片数几乎趋于稳定。（3）研究了不同含水率下的谷子电容随压力、温度、厚度、直径和频率的变化特征。结果表明:同一压力下,电容值随谷子叶片含水率的增大而增大;同一含水率下,谷子叶片电容值随着压力的增大而增大。谷子叶片含水率、厚度、温度对电容的影响均显著;谷子茎秆含水率、最小直径和温度均对茎秆电容极显著;谷穗的直径和含水率对电容显著,温度对谷穗的电容不显著;株高和叶片数均对谷子的含水率显著。谷子叶片茎秆和谷穗电容值随测量频率的增大而变小,低频时电容下降幅度显著,而在高频时电容变化速度放缓,甚至产生重合。（4）将不同时期检测的谷子叶片、茎秆和谷穗数据划分成训练集和预测集进行建模,运用MATLAB软件结合MLR、SWR、PLS和SVR四种算法,建立不同生长时期谷子叶片、茎秆和谷穗含水率模型。结果表明:谷子叶片茎秆孕穗期、灌浆期、籽粒期和成熟期的含水率最佳模型为支持向量机SVR模型,谷穗乳熟期、蜡熟期和枯熟期的含水率最佳预测模型为支持向量机SVR模型;并拟合叶片、茎秆4个生长期和谷穗3个收获期的回归方程写入含水率子程序。（5）利用谷子的含水率检测装置在田间进行试验验证,并进行整机的测试和误差的分析。结果表明:谷子叶片含水率的最大绝对误差为3.07%,最小绝对误差为0.33%,标准差为0.95%;谷子茎秆含水率的最大绝对误差为7.42%,最小绝对误差为0.36%,标准差为2.19%;谷穗含水率的最大绝对误差为13.35%,最小绝对误差为0.24%,标准差为4.15%。表明该谷子含水率检测装置能够较好地满足智能在线检测谷子含水率的要求。
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