糧庫監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計及測試

摘 要：本論文主要設(shè)計一個糧庫糧情監(jiān)控系統(tǒng)，整個系統(tǒng)可以分為電源電路模塊、溫度傳感器模塊、單光束反射式紅外光電傳感器模塊、數(shù)字顯示模塊、無線傳輸模塊、控制芯片模塊、報警模塊與軟件程序模塊，并對各模塊選用上進(jìn)行了充分論證。基于該糧情監(jiān)控系統(tǒng)，我們對其進(jìn)行了系統(tǒng)測試與數(shù)據(jù)分析，并通過實驗獲得的數(shù)據(jù)論證了該糧庫糧情監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性。

關(guān)鍵詞：糧庫監(jiān)控 溫度傳感器模塊 紅外光電傳感器模塊 控制芯片模塊 測試

中圖分類號：TP277 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2013）07（b）-0032-02

糧食是人類的生存來源，是國民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)。糧食安全儲藏對于國計民生與社會穩(wěn)定來說有著極其重要的現(xiàn)實意義。為了及時了解糧庫中糧食的儲備狀況，以及對糧食儲存狀況進(jìn)行管理和監(jiān)控，相關(guān)工作和管理人員需要定時對檢查糧庫中剩余糧食的各項指標(biāo)（例如：溫度、濕度等等），以防止因為外界因素而導(dǎo)致糧食霉變的情況發(fā)生。利用分布在糧庫中的不同傳感器，現(xiàn)代糧食糧情監(jiān)控系統(tǒng)可以有效對糧庫的各項指標(biāo)以及糧食的有關(guān)物理參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控，并對獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行儲存，同時根據(jù)設(shè)置的報警系統(tǒng)，進(jìn)行分析，提醒管理人員采取相應(yīng)措施。該監(jiān)控系統(tǒng)不僅節(jié)省了糧庫管理人員的手工作業(yè)，同時可以了對糧情數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的管理，確保了糧庫糧食的安全儲存。

1 電源電路模塊

電源電路是指提供給用電設(shè)備電力供應(yīng)的電源部分的電路設(shè)計，使用的電路形式和特點。一般選擇穩(wěn)壓電源電路，在電源的選用上需要滿足能夠穩(wěn)定、持續(xù)輸出電能，且電路簡單易控制。目前較為普遍采用的有開關(guān)電源穩(wěn)壓器、LM25763A開關(guān)型降壓穩(wěn)壓器與LM317三端可調(diào)穩(wěn)壓器。其中開關(guān)電源穩(wěn)壓器一般由脈沖寬度調(diào)制（PWM）控制IC和MOSFET構(gòu)成，為目前主導(dǎo)產(chǎn)品，但缺點是電源電路較為復(fù)雜，不易控制，調(diào)試耗時長；LM25763A開關(guān)型降壓穩(wěn)壓器雖然能夠輸出多種穩(wěn)定電壓，且具備良好的線性與負(fù)載調(diào)整能力，但其電路系統(tǒng)也較為復(fù)雜。

相對前兩種方案而言LM317三端可調(diào)穩(wěn)壓器使用非常簡單，僅需兩個外接電阻來設(shè)置輸出電壓。此外它的線性調(diào)整率和負(fù)載調(diào)整率也比標(biāo)準(zhǔn)的固定穩(wěn)壓器好，內(nèi)置設(shè)有過載保護(hù)、安全區(qū)保護(hù)等多種保護(hù)電路。通常情況LM317三端可調(diào)穩(wěn)壓器不需要外接電容，除非輸入濾波電容到LM317三端可調(diào)穩(wěn)壓器輸入端的連線超過150 mm。另外LM317三端可調(diào)穩(wěn)壓器還有許多特殊的用法，比如把調(diào)整端懸浮到一個較高的電壓上，可以用來調(diào)節(jié)高達(dá)數(shù)百伏的電壓，只要輸入輸出壓差不超過LM317三端可調(diào)穩(wěn)壓器的極限就行（注意避免輸出端短路），還可以把調(diào)整端接到一個可編程電壓上，實現(xiàn)可編程的電源輸出，因此較為適宜用于本糧庫糧情監(jiān)控系統(tǒng)。

2 溫度傳感器模塊

結(jié)合目前應(yīng)用最實用最廣泛的溫度傳感器，我們選用DS18B20作為本次糧倉監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)字溫度測量芯片，它的特點具有獨特的單線接口方式，只需一個接口引腳即可通信，每一個DS18B20芯片都有一個唯一的64位ROM序列碼，在使用中不需要任何外圍元件，可用數(shù)據(jù)線供電，電壓范圍：+3.0 V+5.5 V，測溫范圍：-55 ℃～+125℃。在-10 ℃～+85 ℃范圍內(nèi)精度為+0.5 ℃，分辨率為0.0625 ℃，通過編程可實現(xiàn)9～12位的數(shù)字讀數(shù)方式。溫度轉(zhuǎn)換成12位數(shù)字信號所需時間最長為750 ms，而在9位分辯模式工作時僅需93.75 ms，用戶可自設(shè)定非易失性的報警上下限值，告警搜索命令可識別和定位那些超過報警限值的DS18B20芯片，多個DS18B20芯片可以并聯(lián)在惟一的三線上，實現(xiàn)多點測溫。當(dāng)電源極性接反時，DS18B20芯片不會因發(fā)熱而燒毀，而只是不能正常工作；封裝后的DS18B20芯片可用于多種溫度監(jiān)控場合，且耐磨耐碰，體積小，封裝形狀可以多樣化，使用方便，適用于各種空間設(shè)備數(shù)字測溫和控制領(lǐng)域。

3 單光束反射式紅外光電傳感器模塊

光電傳感器其原理是通過把光強(qiáng)度的變化轉(zhuǎn)換成電信號的變化來實現(xiàn)控制的。光電傳感器一般有三部分構(gòu)成，它們分為：發(fā)送器、接收器和檢測電路。在這要強(qiáng)調(diào)的是檢測放大電路是整個系統(tǒng)的眼睛，產(chǎn)品的靈敏度高低，性能得好壞與放大電路直接相關(guān)。因此一定要處理好檢測放大電路。對于信號的接收，由于主要是檢測人的到訪情況，故本次設(shè)計采用單光束反射式紅外光電傳感器。其工作原理是當(dāng)有人入侵時，傳感器接收端就可以接收到紅外信號，引起相應(yīng)電平變化；當(dāng)沒有人時，傳感器得接R3收端就不能接收到信號，就不能檢測到盜情。單光束反射式紅外光電傳感器的特點具有信號輸出指示、單路信號輸出、反射距離可精調(diào)，其檢測有效距離為4～130 mm，采用此系列的紅外傳感器足夠糧倉監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計。目前使用較多的有ST178、ST188等光電傳感器，其特點都在于體積小、靈敏，可以根據(jù)糧庫具體面積選用響應(yīng)距離不同的光電傳感器。

4 報警模塊

為了避免糧庫在噪聲過大的時候報警聲音過小，影響報警作用。糧庫在實際進(jìn)行糧食運輸時會產(chǎn)生大量噪聲，因此針對這種情況，本設(shè)計選用了ULN2003APG作為聲音放大的驅(qū)動芯片，LN2003APG的雙列16腳封裝的晶體管陣列驅(qū)動電路，當(dāng)最大驅(qū)動電壓為50 V時，I=500 mA，Ui=5 V，適用于TTLCOMS電路，由達(dá)林頓管組成驅(qū)動電路。其內(nèi)部由7組達(dá)林頓晶體管陳列和相應(yīng)的電阻網(wǎng)絡(luò)以及鉗位三極管網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，具有同時驅(qū)動7組負(fù)載的能力。

5 數(shù)字顯示模塊

結(jié)合整個系統(tǒng)的協(xié)調(diào)性，方便操作的特性，選用彩屏觸摸數(shù)字顯示模塊，其參數(shù)為3.2寸的26萬色彩屏觸摸模塊自帶觸摸屏及觸摸控制芯片240×320像素，默認(rèn)i808016位并行接口，可選8位并行接口方式。轉(zhuǎn)接板上R7開路是選擇16位模式，R7短路的時候是選擇8位模式，可以直接用STM32等系統(tǒng)驅(qū)動。

6 無線傳輸模塊

在糧倉監(jiān)控設(shè)計中，為了滿足網(wǎng)絡(luò)節(jié)點對低功耗需求，采用了低功耗的微處理器C8051F920，并采用了通信距離較遠(yuǎn)的射頻芯片SI4432以達(dá)到簡化系統(tǒng)設(shè)計。為了確保系統(tǒng)中各個節(jié)點的有效通信，參考了IEEE802.15.4和其它一些專為無線網(wǎng)絡(luò)開發(fā)的通信協(xié)議后，針對糧庫現(xiàn)場環(huán)境設(shè)計了一個簡單可靠的通信協(xié)議以保證網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的通信，采集到的糧倉溫度和濕度數(shù)據(jù)上傳至上位機(jī)保存，最后上傳至網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器供隨時查詢。

7 STM32最小系統(tǒng)控制芯片模塊

控制芯片模塊采用ST公司生產(chǎn)的STM32作為本系統(tǒng)的控制芯片。ST公司的STM32系列芯片采用了ARMCortex-M3內(nèi)核，其分為兩個系列。STM32F101系列為基本型，運行頻率為36 MHz；STM32F103系列為增強(qiáng)型，運行頻率為72 MHz。STM32全系列芯片都具有引腳到引腳一一對應(yīng)的特點，并且相同封裝的內(nèi)部資源均相同，這就給用戶升級帶來很大方便。但是STM32F1

03ZET6系列除新增的功能強(qiáng)化型外設(shè)接口外，STM32F103ZET6互連系列還提供與其它STM32微控制器相同的標(biāo)準(zhǔn)接口，STM32F103ZET6除標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)包括10個定時器、兩個12位1-Msample/s模數(shù)轉(zhuǎn)換器（交錯模式下2-Msample/s）、兩個12位數(shù)模轉(zhuǎn)換器、兩個I2C接口、五個USART接口和三個SPI端口，共設(shè)有12條DMA通道，還有一個CRC計算單元，像其它STM32微控制器一樣，支持96位唯一標(biāo)識碼。STM32F103Z

ET6微控制器還沿續(xù)了STM32產(chǎn)品家族的低電壓和節(jié)能兩大優(yōu)點，同時啟動電路使用STM32內(nèi)部生成的8 MHz信號，將微控制器從停止模式喚醒用時小于6微秒，根據(jù)以上特點，本系統(tǒng)選擇STM32F103ZET6作為最終的控制芯片。

該系統(tǒng)的整機(jī)框圖如圖1所示，穩(wěn)壓電路向整個系統(tǒng)提供穩(wěn)定的工作電壓，保證系統(tǒng)測試精度不受電源波動。

8 系統(tǒng)測試及數(shù)據(jù)分析

測試之前，對系統(tǒng)電路進(jìn)行檢測，并調(diào)試或設(shè)定各個參數(shù)，待調(diào)試完畢后可開始系統(tǒng)測試與數(shù)據(jù)分析。調(diào)式的過程先打開電源開關(guān)，按下系統(tǒng)板的復(fù)位鍵后，進(jìn)行界面校準(zhǔn)，界面校準(zhǔn)后，設(shè)置溫度為18 ℃，接著可以看到溫度傳感器的五個控制點，測試時，用手捂住1號溫度感應(yīng)器，過一定時間后，若發(fā)現(xiàn)報警器開始報警，觸摸屏上顯示1號溫度感應(yīng)器出現(xiàn)異常，表明該段區(qū)后域內(nèi)的糧食出現(xiàn)發(fā)燒情況，接著可以觀察到有4對單射式紅外發(fā)射器，測試時，用手掌將其中3號紅外發(fā)射器中間位置遮擋，過一定時間后報警器開始報警，觸摸屏顯示3號位置出現(xiàn)異常，表明該區(qū)域有目標(biāo)接近，糧庫管理人員可采取相應(yīng)措施。按照上述方式進(jìn)行了12 ℃的溫度設(shè)置及參數(shù)測試，結(jié)果見表1。

系統(tǒng)預(yù)期設(shè)定所得糧情監(jiān)控情況如表1所示。

由表可以看出當(dāng)設(shè)定溫度為不同溫度時，分別對5個溫度感應(yīng)器的溫度進(jìn)行控制，當(dāng)溫度高于預(yù)期設(shè)定的溫度值后，報警器開始報警。觸摸屏上顯示，該段區(qū)域的溫度預(yù)警信息。同時還可以看到通過無線網(wǎng)絡(luò)通訊的監(jiān)控結(jié)果與即時報警結(jié)果相一致。

9 結(jié)論

糧倉糧情監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)糧倉內(nèi)溫度監(jiān)控及外來目標(biāo)活動情況，并及時作出反應(yīng)，實現(xiàn)糧食儲存過程中的有效管理，整個系統(tǒng)不僅實現(xiàn)了預(yù)期設(shè)定的各項要求，而且每項指標(biāo)的測試精度都達(dá)到了其預(yù)定要求。

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