（电子科学与技术专业论文）嵌入式粮情检测系统的研究与应用.pdf

a b s t r a c t t h es t o r a g eo fg r a i ni sv i t a lt on a t i o n a lw e l l b e i n ga n dp e o p l e sl i v e l i h o o d ，a n dt h e s o l i df o u n d a t i o no fs u s t a i n e da n ds t a b l ea d v a n c e m e n to fn a t i o n a le c o n o m y s e m i c o n d u c t o r m e a s u r e m e n tt e c h n 0 1 0 9 ya n dc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g ya r ea p p l i e di ng r a i nc o n d i t i o n m o n i t o r i n gs y s t e mt ot i m e l ya n dd i r e c t l yr e f l e c tt h es t o r a g ec o n d i t i o na n dh a v ea s u i t a b l e c o n t r o lo ng r a i nc o n d i t i o n t h et r a d i t i o n a lg r a i nc o n d i t i o nm o n i t o r i n gs y s t e m ，u s u a l l y a p p l i e di n1 a r g e s c a l en a t i o n a lg r a i ns t o r a g e ，a 】? p l i e sa h o s t - s l a v em o d ew h i c hc o n s i s t so f3 l e v e l s w h i l ei tw o u l db eaw a s t eo fr e s o u r c e si f 印p l i e dt ot h es m a l la n dm e d i u mg r a n a r y f o rt h a t ，t h i sp a p e ra d v a n c e dag r a i nc o n d i t i o nm o n i t o r i n gs y s t e mw h i c hs u i t st h es m a l l a n dm e d i u mg r a n a 叫 f i r s t ，a n a l i z e dt h eb a c k g r o u n do fg r a i nc o n d “i o nm o n i t o r i n g ， d i s s e l r t a t e dt h e s i g n i n c a n c eo ft h i ss t u d y ， d e s c r i b e dt h ed e v e l o p p m e n tp r o c e s so fg r a i nc o n d i t i o n m o n i t o r i n gs y s t e mi n t e m a la n di n t e m a t i o n a l ，a n dp r o p o s e dt h er e s e a r c hc o n t e n to ft h i s p 印e r s e c o n d ，d e s i g n i n gs t a n d a r d sa r es p e c i 6 e df o rb o t ht h ew h o l es y s t e ma n d e a c hm o d u l e b a s e do nt h er e q u i r e m e n t so fn a t i o n a lg r a i na ( 1 m i n i s t r a t i o n a n d ag r a i nc o n d i t i o n m o n i t o r i n gs y s t e mt h a ts u i t sm e d i u ma n ds m a l lg r a n e r y i sa d v a n c e da c c o r d i n gt 0t h e s t a n d a r d sa n dt h i sp a s s a g ea l s od e s c r i b e st h ef u n c t i o no fe a c hs u b m o d u l e t h i r d ，as e r i e so fd e s i g n i n gp r i n c i p l e so f t h ed a t ac o n e c t o r sa r es p e c i f i e db a s e do nt h e u n i q u ee n v i r o n m e n t o ft h eg r a n e r ya n dt h eh a r d w a r ec i r c u i to ft h ed a t ac o l l e t o r si s d e s i g n e da c c o r d i n gt ot h o s ep r i n c i p l e s i no r d e r t os t r e n g t h e nt h es t a b i l i t ya n dr e l i a b i l i t yo f t h es y s t e m ，l i g h t n i n g p r o o fa n ds t a t i c f r e ep r o t e c t i o ni si m p r o v e da n dp o w e rt r i pp r o t e c t i o n c i r c u i t sa r ea d d e dt ot ot h ed e s i g no fs e n o rp o w e r f o n h 。t w of e a s i b l es e r i a l ss e a r c ha l g o r i t h m so fd s 18 8 2 0 ，w h i c hi sb a s e do n1 - w i r e b sc o n s t r u c t i o n ，w e r ea p p r o a c h e da n dar e l i a b l ec o n c i s e l yp r o g r a m m e df a s tc o n v e r g e n c e a l g o r i t h mw i t hs t a b l er u n t i m ew e r ea d v a n c e d ，w h i c hh a s 伊e a tr e f e r e n t i a lv a l u ee v e ni n o t h e rm u l t i p o i n tt e m p r a t u r em o n i t o r i n g f i e l d sw i t hl o wr e a i - t i m i n gp e r f o r m a n c et h a n g r a n e r ym o n i t o r i n gs y s t e m t h i sp a s s a g eh a sa l s od e s i g n e df e l i a b l er s 4 8 5 c o m m u n i c a t i o n p r o t o c o l sa n da p p l i c a t i o np r o 伊a m sf o rt h ed a t ac o l l e c t o r s f in h a sr e a s o na st h ef u n c t i o nd e m a n do ft h eh o s t ，d e s i g n e dt h ec o r ec i r c u i tb a s e do n t h ea t 9 ls a m 9 2 6 3m i c r o p r o c e s s o r e x t e n e ds o m ek i n d so fp e r i p h e r a lc i r c u i ta n dd e s i g n e d c o n t r o ll o g i cc i r c u i to nt h ep e r i p h e r a lc i r c u i tb o a r d s i x t h ，b o o t l o a d e r ，c o n n g u r e6 l e s ，d r i v e r ss u c ha ss e r i a ld “v e r ，l c dd “v e ra n dg p l 0 嵌入式粮情柃测系统的研究与应用 d d v e rw e r e t r a n s p l a n t e d i nt h eb s po ft h ea i 9ls a m 9 2 6 3 e kd e v e l o p m e n tb o a r d e s t a b l i s h e dt h ec o m p i l ee n v i r o n m e n to fp l a t f 0 姗b u i l d e r ，a n du n d e rt h i se n v i r o n i i l e n t ， c u s t o m i z e dt h ew i n d o w sc eo p e r a t i n gs y s t e m ，s e tu ps a m b a 2 7i m a g ed o w n l o a d e n v i r o n m e n t ，e s t a b l i s h e dt h el o w l e v e lh a r d w a r ep l a t f o r n lf o ru p p e ra p p l i c a t i o n s t h i ss t u d yr e s e a r c h e da n dr e a l i z e de v e r yf u n c t i o nm o d u l eo ft h eg r a i nc o n d i t i o n m o n i t o r i n gs y s t e m c o m p a r e dw i t ht r a d i t i o n a lg r a i n c o n d i t i o nm o n i t o r i n gs y s t e m ，t h i s s y s t e mi sm o r es y m p l e ，l e s sc o s t l y ，w i t hh 追h e re m c i e n c ya n dq u i c k e rr e a c t i o n ，n o to n l y d o e si ts u i tc u s t o m e r s d e m a n d ，b u ta l s oc a nb ea p p “e di nt h ef i e l do fo t h e rm u l t i p o i n t t e m p e r a t u r e ，t h u s ，t h ep r e s e n ts y s t e mh a sg r e a tp r a c t i c a is i g n i f i c a l l c ea n db r o a dp r o s p e c t s k e y w o r d s ：g r a i n c o n d i t i o nd e t e c t ； s e r i a l ss e a r c h a l g o r i t l n ； e m b e d d e d s y s t e m ； w i n d o w sc e 5 o i v 硕十学位论文 第1 章绪论 1 1 本课题背景及研究意义 粮食是人类生存之根本，是防备战争、自然灾害其他突发性事件的重要战略物资。 粮食的存储问题是关系国计民生的大事，是维持国民经济持续稳定发展的坚实后盾； 粮食存储效果的优劣，直接影响到国家的安定团结与稳定发展。因此，对粮食安全有 效存储问题的研究，就具有深远的理论和实际意义。 1 1 1 课题研究的背景 我国是是世界上人口最多的国家，也是一个生产和储存粮食最多的国家。由于粮 食品种改良，平均产量在逐年升高，但受城市化步骤加快，土地沙漠化等影响，耕地 面积正逐年减少。耕地资源是粮食自给能力的基础，而粮食的基本自给是国家粮食安 全的最基本的条件。1 9 8 3 年4 月，联合国粮农组织原总干事爱德华萨乌马提出了粮食 安全的新概念，确定了三项基本目标，即：确保生产足够数量的粮食，最大限度的 稳定粮食供应，以及确保所有需要粮食的人们都能获得粮食。生产出粮食后，提供粮 食供应，获得粮食，在这个健全的粮食流通过程中都离不开粮食存储。可见，粮食存 储是保证粮食安全的重要因素。 粮食存储的最重要的目标是存储安全。影响存储安全的因素有很多，外部因素主 要是粮仓基础设施建设是否健全，内部因素主要是储粮方法是否科学。我国粮仓储存 条件差，最典型的问题是设施的老化。粮食仓储设施是国家长期投资形成的国有资产， 是保证科学储粮的最基本的硬件条件。从目前的情况看，基层仓储设施老化是一个不 争的事实。粮食仓库建设投资大，收益小( 甚至无收益) ，粮食企业( 含非国有企业) 自筹 资金建库的可能性不大。有些国有粮食购销企业因负担较重，投入不了大量资金进行 维修。由于维修跟不上，就不同程度地影响了“双低保粮”效果和储粮安全。提高仓管 人员的科学储粮知识也是保证粮食存储安全的重要因素。据统计，由于管理不到位， 对粮堆温湿度检测不及时或者不合理，每年由于霉变等因素所造成的粮食损失率在 7 1 8 之问。因此，对粮食参数检测分析和自动控制功能的实时检测系统的研究和 应用，更具有迫切的现实意义。 近年来，国家加大对粮食行业的基础性建设进程，极大的推动了粮食仓储基础设 施和粮情检测系统的发展与应用。例如，国家粮食局下发的粮情电子监测分析控制 系统技术规程、中央直属粮食储备库粮情监控技术质量要求、粮食储藏技术规 范等对粮情监测信息化进行了规划，并划拨一定经费予以支持。推动粮情检测系统 在粮食存储领域的应用，将为安全科学储粮提供技术保证和科学依据。 1 1 2 本课题研究意义及课题来源 随着经济的发展和科学技术的进步，采用电子计算机与传感器技术对粮情进行实 嵌入式粮情检测系统的研究与席朋 时测控，已经成为粮情工作的一大进步。粮情检测系统是利用现代电子技术来实现粮 食藏储过程中对粮食变化的实时检测，对检测数据进行分析与预测、对异常粮情提出 处理的建议和控制措施。从8 0 年代开始，我国对粮情检测系统开始研究，按照对各 种新型的传感器和通信技术应用分，主要可以分为四个阶段1 2 j ： 第一代粮情检测系统以粮食温度作为主要检测指标，由单片机控制，利用热敏电 阻等器件测量。该系统采集的温度值是模拟信号，一根数据线对应一个测量点。这种 系统灵敏度低、误差大、成本高、故障率高，不具备分析数据和存储数据的功能。这 种粮情检测系统已经基本淘汰。 第二代粮情检测系统采用p c 机作为控制核心、分线器布线结构，大大精简了布 线格局。这种系统仍然采集的是模拟信号，缺点依然存在。因此也被淘汰。 第三代粮情检测系统是以温度、湿度的数字式传感器的应用的系统，检测指标逐 渐增多，利用先进的c a n 总线和r s 4 8 5 总线通信，主机采用w i n d o w s 操作系统，软 件功能完善，信息化程度更强，现有的粮库多数用的是该粮情检测系统。 第四代粮情检测系统以无线传感器网络为应用特征，以节点为单位，自由采集周 围的数据，通过无线自组网络将数据逐步传输到中心节点，然后再由中心节点传输到 数据库管理平台。该技术无需电缆，可以任意置于粮堆中，只要电池未耗尽，可以随 时检测。但是这种系统只有少数科研单位试验使用，尚未大规模普及。 这些粮情检测系统是为大型国有粮食储备库设计使用的，这些国有储备库一般由 几十甚至上百个粮仓组成，对于中小型粮库来说，采用这样的系统会造成比较大的资 源浪费。例如，中央储备库韶山市直属库就是一个只有六栋粮仓的仓库组成，应用于 该粮库的控制系统项目由湖南省中冠电子股份有限公司和湖南大学电气与信息工程 学院合作完成，控制系统核心采用高性能嵌入式设备作为运行终端，缩减了系统架构， 大大节省储粮经费，提高运行效率，为粮情检测领域开辟一条新的途径。 1 2 国内外在该领域的研究现状 在国外，粮食存储技术已经发展到很成熟的地步，在专业粮机设备、计算机控制 和粮情分析管理等方面积累了丰富的经验。比如在日本和瑞典储粮都建有现代化仓库 1 3 1 ，利用电脑监测仓内的温湿度，利用空调调节温度和湿度，使得粮食的保质期可以 达到数十年之久。而泰国和法国则利用吹风的方式，使得粮仓保持在恒温状态，不仅 可以达到降温的效果，而且能阻止害虫繁殖，使得粮食能在自然状态下长久保鲜。 加拿大在国际上首先提出研究储粮生态，主要将粮食、害虫、微生物、仓结构作 为一个生态系统进行全面研究【4 】，融合了物理学、化学、生物学等多学科的技术。加 拿大农业部共有1 9 个谷物研究机构，目前很多课题的研究属于世界领先水平。害虫 检测领域中利用先进的电子技术和生物技术，包括摄像机与计算机测虫、漏斗诱陷及 性引诱激素的使用、声音探测、温度探测等。开发了计算机模型及专家系统，包括温 湿度模型、昆虫计算机图像处理软件、计算机模拟粮仓以及各类专家系统。加拿大 2 硕。f ：学何论文 o p i 公司生产的“粮食仓储管理系统”是世界上有名的粮食仓储管理系统1 5 l 。该系统使 用的数字式传感器是o p i 公司自行设计生产的，测温电缆集通讯与承重功能于一体， 外表采用高密度聚乙烯材料经特殊工艺压制而成，截面为椭圆形设计，截面积小，受 力合理。分线器采用全封闭式，整个电路板完全用防腐蚀的密封胶固化，防止熏蒸腐 蚀电路板以及人为或者机械破坏。电缆连接采用可插拔式气压伸缩接头，连接方便， 同时有效的减弱了磷化氢气体的腐蚀。缆芯可更换，便于维修。o p i 粮情检测系统使 用的配套软件是o p l 2 0 0 0 的粮情测控软件，现在已经升级到6 o 版本，不仅能随时对 粮食的温度加以监控，而且还能对外界环境温度和相对湿度进行检测，结合当地历史 气候条件，选择最佳时间控制通风机和其他设备，主动调节粮食温度和湿度，以最小 的能耗使粮食得以保存。 与国外同类产品相比较，国内的粮情检测系统还有很大差距1 6 l ，比如传感器的测 量精度和灵敏度较低；传感器测得数据后的电路传输误差无法消除；信号因远距离传 输过程中受干扰和信号衰减导致精确度降低等。不可否认，国内电子元器件的制造技 术水平和国外电子元器件的过高价格制约了粮温检测系统向更高的精度发展。鉴于这 种情况，设计一种适合国内实际情况，满足当前国家仓储建设项目要求的粮情检测系 统，对改善我国粮食仓储的落后面貌，具有非常重要的现实意义。 1 3 主要研究工作内容 粮食存储过程中，对粮食温度和粮仓湿度的检测与控制是仓储工作的重要内容。 因此，准确掌握粮仓内各点温湿度是粮情检测系统的主要任务。本系统采用两级主分 机结构，利用先进的传感器把粮仓内外各点的数据采集，及时将数据传送到主机终端， 以便准确掌握各仓内粮食变化情况，从而采取相应的控制措施。 根据以上分析，本课题围绕粮情检测系统的研究与开发，主要作了以下工作： ( 1 ) 比较了国内外粮食存储现状，查阅了相关政策条约，为科学合理制定粮情检 测系统技术指标作了准备。 ( 2 ) 根据实际功能要求和技术指标，比较了两种粮情检测系统的方案，选定了符合 中小型粮库的嵌入式粮情检测系统作为合理方案。 ( 3 ) 对数据采集器的硬件和软件进行设计。硬件设计中着重强调稳定性和可靠性， 软件设计着力于程序执行效率和可移植性。 ( 4 ) 提出了两种单总线结构的d s l 8 8 2 0 序列号搜索算法的研究与设计，选择了更稳 定可靠的快速收敛算法。 ( 5 ) 基于a t 9 1s a m 9 2 6 3 的核心电路以及外围电路硬件设计，对w i n d o w sc e 5 o 嵌 入式操作系统的b s p 中的b o o t l o a d e r 、配置文件以及驱动程序进行移植。 ( 6 ) 定制了w i n d o w sc e 操作系统的内核文件，建立起s a m b a 2 7 的下载环境，为 主机的应用程序提供了硬件平台。 3 嵌入式粮情检测系统的研究与应j 讨 第2 章嵌入式粮情检测系统的整体方案设计 粮情检测系统用于检测仓库内储粮参数情况，将所测得的数据及时传输给主控 机，主控机检测数据进行分析与预测，对异常粮情采取及时控制。粮情检测系统是一 个非紧急系统，在系统实时性和器件的反应速度方面没有过高要求，但是由于粮仓环 境温湿度差异大、灰尘多、防雷能力弱，因此，在系统设计时应该着重提高抗干扰性 和稳定性。另外，为了保证施工和维护的方便，应该结合现场对控制器、测温电缆、 湿度传感器、总线等进行合理布局。 2 1 嵌入式粮情检测系统的设计指标 根据国家粮食局发布的中央直属储备粮库粮情测控系统技术质量要求【6 1 ，针 对中小型粮食储备库，制定了该项目的一些指标。 2 1 1 嵌入式粮情检测系统的系统功能 ( 1 ) 系统具备数据显示、分析、报警功能；通风控制功能；抗恶劣环境功能；网 络功能。 ( 2 ) 系统具有防霉、防磷化氢腐蚀能力。 ( 3 ) 系统具有抗电磁干扰能力。 ( 4 ) 检测主机应满足电子测量仪器i i 组要求，现场工作部分应满足电子测量仪器 i i i 组要求。 2 2 2 数据采集器的设计指标 温度传感器最大数目：6 0 个； 湿度传感器最大数目：2 个； 测温范围：一4 0 + 6 0 ： 温度误差：士0 5 ： 测湿范围：1 0 9 9 r h ； 湿度误差：士5 r h ： 上行传输速率：9 6 0 0 比特秒； 2 2 3 主机的设计指标 数据采集器的最大数目：1 2 8 个； 硬件平台：以a t 9 1s a m 9 2 6 3 嵌入式微处理器为核心的控制电路板； 操作系统：w i n d o w sc e5 0 ： 应用软件：e v c 4 o ； 应用软件具有如下功能： ( 1 ) 数据采集与处理功能； ( 2 ) 数据存储与检索功能； 4 硕一f ：学何论文 ( 3 ) 数据图形、表格屏幕显示与打印输出功能； ( 4 ) 与其他信息系统共享数据功能； ( 5 ) 具有单机运行和网络运行版本； ( 6 ) 具有远程数据传输功能，要保证数据传输的安全性，提供系统的集中式管理 及检索数据功能，能与国家有关粮食管理网络并网运行，并支持t c p i p 协议。 2 2 嵌入式粮情检测系统的整体方案设计 2 2 1 整体方案选择 中小型粮食储备库，一般由小于十栋以下的粮仓组成。数据采集点数由粮仓大小 以及粮仓个数决定。以两栋仓为例，有以下两种实现方案： 方案一：两栋仓配备一个采集终端，用以实现仓内外所有点的温度测量和湿度测 量，及时完成数据的传送，并实现某些控制功能。这个方案虽然成本比较低、开发难 度小，但需要对温湿度传感器进行串行查询，处理器负荷重，通信效率低，而且电缆 过多，施工和维护不便。 方案二：系统分为主分机模式。每栋仓根据仓的大小和采集点数分配有若干个数 据采集器，数据采集器负责对仓内外各个点的温湿度采集。主机则负责接收所有数据 采集器采集的数据，处理数据并执行控制，能通过网卡或无线收发装置连接到远程主 控中心。这种结构采用r s 4 8 5 总线通信方式，在保证一定通信速率的前提下，仅采 用两条数据线就能连接所有器件，精简了系统架构。本文采用的就是这种模式。 2 2 2 嵌入式粮情检测系统的结构框图及各模块的功能描述 主分机模式的嵌入式粮情检测系统整个仓库只有一个主机终端，可以通过网络接 口或者无线通信接口连接到一个远程的主控中心。主控中心将该地域内所有仓库连成 一个有机整体，便于宏观调节控制，系统框图如2 1 图所示。 远程主控中心 主机终端 r s 4 r 5 总线 数据采集器数据采集器 数据采集器数据采集器 么上土土j土土 上么 仓仓仓测 仓仓仓测仓仓仓测仓仓仓测 内 外外温内外外漏内外外温内 外外温 湿湿温屯湿湿温电湿湿 温 电 湿湿温电 度度度缆度 度 度 缆度度度缆度度度缓 图2 1 主分机模式的嵌入式粮情检测系统框图 由图2 1 可以看出，该系统由4 个功能模块构成，即：传感器组、数据采集器、 5 嵌入式粮情检测系统的研究与麻用 主机和远程主控中心。下面对这4 个模块的功能进行描述。 1 传感器组 传感器组用来采集粮仓内外的温湿度信息，每组传感器包括仓内湿度传感器、仓 外湿度传感器、仓外温度传感器和一条测温电缆。测温电缆以网形或拓扑形结构设计， 单总线结构的温度传感器d s l 8 8 2 0 均匀布于测温电缆上。这样，将测温电缆伸展开 后，就能布满整个空间了。例如，新建的仓库规格一般为5 0 m 2 0 m 6 m ，测温电缆是 横向排列的，在一个侧面上宽度每隔5 米，高度每隔1 5 米安装一个温度传感器。空 间布局图如图2 2 所示。 图2 2d s l8 8 2 0 空i 司布局图 以上图的规格，一个侧面可以布2 5 个d s l8 8 2 0 ，以同样的方式在整个空间布满 测温电缆。根据数据传感器的设计指标，每个数据采集器可以连接6 0 个d s l 8 8 2 0 ， 每个数据传感器可以布两个侧面，因此5 个数据采集器就能采集整栋仓的数据。 2 数据采集器 数据采集器利用单片机采集仓内参数，通过r s 4 8 5 总线与主机相连。数据采集器 的数目是由粮仓的大小和采集点数决定的，一般来说，一个粮仓内不止一个数据采集 器。 数据采集器应具备有众多接口，除了u a l 玎口用作通信端口外，还应该为害虫检 测、烟雾检测、气体( 如二氧化碳、硫化氢) 浓度检测提供备用接口。在本系统中硬件 扩展了i i c 、s p i 等端口以及l o 口，以满足以后系统升级的要求。 采用r s 4 8 5 通信方式，必须考虑通信电路的防雷问题。另外，粮食与数据采集器 6 硕十学位论文 的外壳、电缆摩擦，产生的静电也会对系统的稳定性产生影响。因此，防静电和通信 防雷也是数据采集器设计中应该重视的地方。 3 主机 主机是所有测得的粮食参数集合点，应该具有良好的人机界面和通信能力，不仅 能随时查询任何数据采集器，而且能与远程主控中心通信。主机将数据采集器发送过 来的参数信息汇总，实时显示各个粮仓温湿度，对高温、高湿有报警。当超过警戒值 时，由主机发出控制信号，开启窗户和风机，对仓内进行通风降温，以调节仓内的温 湿度，使粮食总保持在有利于存储的环境中。 主机应该具备有大容量的存储器以保存历史数据，能够方便的查看历史数据，报 表以及曲线，以便于管理人员掌握粮情动态，防范于未然。 4 远程主控中心 远程主控中心在本系统中是可选模块，相关内容在本文中并没有提及。远程主控 中心利用局域网与各粮仓主机连接，可以方便的查看各地粮食存储现状，以便宏观把 握粮情大局，为统筹地域粮情，科学合理的制定符合实情的粮食策略提供了理论依据。 7 嵌入式粮情检测系统的研究与府用 第3 章数据采集器的设计与实现 数据采集器是粮情检测系统的基本采集单元，其功能是采集仓内外各点的温度值 和湿度值，接收主机命令并及时将采集到的数据值传送到主机。数据处理器采用增强 型的8 0 5 l 单片机c 8 0 5 l f 3 1 0 作为核心处理器【，扩展了单总线、r s 4 8 5 总线接口等； 软件设计利用k e i lu v i s i o nv 2 0 作为开发平台，采用c 5 l 进行结构化程序设计。 3 1 数据采集器的设计原则 根据粮情检测系统的一些特殊要求，为系统设计制定了一些指标，以指导元器件 的选型以及硬件电路的设计。 i ) 低功耗。为了保证测温电缆上能够挂接更多的器件，温度传感器必须是低功耗 运行的。因为单片机的i o 口电流承受能力有限，单总线结构的数字式温度传感器的 功耗越低，对i o 口的灌电流就越小，单总线上能挂载的传感器就越多。 2 ) 防腐蚀性。粮仓内会不定期的采用磷化氢气体进行熏蒸杀虫，该气体对印刷电 路板具有极强的腐蚀性，会导致电路板的性能下降。 3 ) 防雷功能。密封的粮仓内布满测温电缆，实质上是一个环状天线，在雷雨天气 很容易遭受雷击。在通信网络中设计防雷电路，以及将金属箱体电气等电位连接到防 雷系统等一系列措施将会增强系统在恶劣天气的适应能力。 4 ) 低成本。成本是评价一个产品或系统是否成功的最重要的因素之一。一个性能 很好的产品，如果成本很高，会严重影响其推广和普及，很可能会成为一个不成功的 产品。 5 ) 计算能力。粮仓内各点的数据值测量、统计、传输都对系统有一定的实时性要 求。特别是对单总线结构的温度传感器序列号搜索、温度采集、湿度采集及湿度值计 算、初步处理、及时将数据有效发送出去，都需要依靠处理器优越的计算能力。 6 ) 抗干扰能力。抗干扰能力是衡量系统性能指标的重要方面。对数据采集器来说， 由于外壳或传输线与谷物有频繁的摩擦，所产生的静电会严重干扰系统的运行和数据 的传输。 7 ) 防尘。粮仓内的灰尘依附在电路板上，会吸附水蒸气，造成电路板短路。采用 硅胶密封数据采集器的接线盒能有效防止灰尘进入，但是不利于电路板散热。 这些指标之间具有很强的相关性，某个指标的性能改进往往会导致另一个指标的 性能下降，因此综合应该考虑各项指标，以保证系统的整体效果达到最佳。 数据采集器的系统框图如图3 1 所示。 3 2 器件选择 3 2 1 处理器选型 数据采集器处于粮情检测系统的最底层，用以实现对仓内外数据的采集。由于数 8 硕f ：学侮论文 图3 1 数据采集器系统框图 据采集量大小是由采集点数决定的，采集点数越多，处理器负荷就越大。因此，为了 保证实时性，数据采集器的处理器必须有较强的数据处理能力。数据采集器应该为害 虫检测、毒气检测、水分检测等提供备用接口，因此数据处理器对片内外设也有一定 要求。同时，粮仓的特殊环境也不宜使用高成本处理器。c 8 0 5 l f 3 1 0 型单片机是比较 适合的一款处理器。该单片机为增强型的8 0 5 1 单片机，价格便宜、丌发周期短、功 耗低、处理速度快、性能稳定、片内外设丰富，适合在工控领域应用。 c 8 0 5 l f 3 1 0 单片机1 8 】是s i l i c o nl a b s 公司生产的小外型微控制器系列，是完全集成 的混合信号片上系统型m c u 芯片，具有高速、流水线结构的8 0 5 1 兼容的c l p 一5 1 内 核( 可达2 5 m l p s ) ，具有全速、非侵入式的在系统调试接口( 片内) ，带模拟多路器、真 正1 0 位2 0 0k b p s 的2 5 通道单端差分a d c ：高精度可编程的2 5 m h z 内部振荡器； 存储资源包括：1 6 k b 可在系统编程的f l a s h 存储器和1 2 8 0 字节片内r a m ；具有 能够用硬件实现的s m b u s 1 2 c 、增强型u a i 玎和增强型s p i 串行接口；内部带4 个 挈；器善 誉客3 ： 2222芷芷 翘盘c 2 0 p 3 ， 3 2 图3 2c 8 0 5 l f 3 1 0 封装图 9 2 3 量 5 量 7 口 ， 纵 ” ” ” 甜 ” 残 舱 嵌入式粮情检测系统的研究与府用 通用的1 6 位定时器；具有5 个捕捉比较模块和看门狗定时器功能的可编程计数器 定时器阵列( p c a ) ；具有片内上电复位电路、供电电压v d d 监视器和片上温度传感器； 有2 个片内电压比较器；拥有2 9 个可编程i o 端口，能够容许5 v 输入。封装为 l q f p 一3 2 ，封装如图3 2 所示。 3 2 2 温度传感器选型 随着科学技术的进步和发展，测温传感器已经由当初的热敏电阻，发展成为数字 式温度传感器，由d a l l a ss e m i c o n d u c t o r 公司生产的基于单总线结构的数字式温度传 感器d s l 8 8 2 0 【9 j ，以其检测精度高、抗干扰力强、硬件结构简单，已逐步取代了热敏 电阻在温度检测领域中的地位。本系统采用的就是这种单总线结构的数字式温度传感 器。 1 单总线结构概述 单总线结构【l o l 是由美国d a l l a ss e m i c o n d u c t o r 公司推出的一种新型总线结构。该 技术仅采用一根信号线，既可传输时钟，又能传输数据。数据的双向传输可以将主机 与众多单总线器件连接起来，实现稳定可靠传输。 单总线器件一般都具有序列号、接收控制、发送控制和电源存储电路。不同单总 线器件是通过其r o m 中的6 4 位序列号区分的。每个单总线器件都有各自独立的全球 唯一序列号，具体格式为：低8 位为单总线器件家族号( 比如：d s l 9 9 0 a 的家族号为 0 1 h ，d s l 9 9 1 的家族号为0 2 h ，d s l 8 8 2 0 的家族号为2 8 h 等) ，中间4 8 位为每个器 件的唯一i d ，高8 位为前5 6 位的c r c 验证码。因此，同一家族的器件具有2 4 8 个号 码总量，确保了i d 不会重复。 单总线器件的接收和发送控制电路是用来与主机进行数据通信的。单总线器件与 主机通过一个漏极开路或三态端口连接至单总线上，因此总线上的电平表现为各器件 ( 包括主机) 的线与。单总线需要外接一个上拉电阻( 参考值为4 7 k 欧姆) ，确保总线在 闲置时为高电平。 单总线的电源供给方式有两种，一种为直接供给电源，即用直流电源直接给单总 线器件供电，另一种为“窃电”( 寄生电源供电) 方式，这是利用了单总线输出电容的半 波整流器作为电容寄生电源，当单总线空闲时给电源充电。当采用寄生电源供电方式 时，仅需一根数据线就可以给器件供电了。 单总线结构不仅硬件结构简单，传输速率也比较快。单总线的数据传输速率一般 为1 6 3 k b p s ，特殊情况下支持1 0 0 k b p s 的超速模式，一般用于对速度要求不高的测控 和数据交换系统中。 单总线网络的总线长度可达2 0 0 m ，将上拉电阻的阻值适当减小，可提高单总线 的驱动能力，单总线允许挂接多个器件，便于实现多点测控。此外单总线网络还可 以通过复合网关与r s 4 8 5 总线进行连接【1 1 】，实现不同通信方式之间的连接。 2 d s l 8 8 2 0 简介 i o 硕l ：学位论文 d s l 8 8 2 0 采用两线或三线的形式与主机相连，d s l 8 8 2 0 的电源供电方式有2 种：采 用寄生电源，或者外部提供的+ 5 v 电源。 它由4 个主要的数据部件组成： 1 ) 6 4 位激光r o m 。6 4 位激光r o m 从高位到低位依次由8 位c r c ，4 8 位序列号 和8 位家族代码( 2 8 h ) 组成。注册码结构如表3 1 所示： 表3 1 6 4 位唯一的r o m 注册码结构 2 ) 温度灵敏元件。 3 ) 非易失性温度报警触发器t h 与t l 。可通过软件写入用户报警上下限值。 4 ) 配置寄存器。配置寄存器为中间结果暂存器中的字节，配置寄存器可以设置 d s l 8 8 2 0 温度转换的精度。可以设置成精度为9 位、1 0 位、1 1 位、1 2 位。上电缺省 的分辨率为1 2 位精度。用户可根据需要改写配置寄存器以获得合适的分辨率。 3 d s l8 8 2 0 的操作顺序 ( 1 ) 信号时序 所有的单总线器件要求采用严格的信号时序，以保证数据的完整性。d s l 8 8 2 0 共 有6 种信号类型：复位脉冲、应答脉冲、写o 、写l 、读o 和读1 。所有这些信号，除了 应答脉冲以外，都由主机发出同步信号。并且发送所有的命令和数据都是字节的低位 一x ， 征日o ( 2 ) 操作顺序 单总线协议是为了保证总线上数据的可靠传输，任一时刻单总线上只能有一个控 制信号或数据。单总线协议有比较严格的步骤，访问d s l 8 8 2 0 的操作顺序遵循以下3 i 卜 少： 第l 步：初始化 单总线上任何传输命令都是由初始化丌始的。主机发出复位脉冲，单总线上所有 的d s l 8 8 2 0 都发出应答脉冲。应答脉冲意味着总线上有从机设备，且准备就绪。 第2 步：r o m 命令 应答脉冲在被主机检测到后，主机就发出r o m 命令。主机可以通过6 4 位唯一序列 号指定与某个d s l8 8 2 0 通信。这些命令还允许主机能够检测到总线上有多少个从机设 备以及其设备类型，或者有没有设备处于报警状态。r o m 命令一共有5 种：读r o m ， 搜索r o m ，匹配r o m ，跳过r o m ，报警r o m 。 第3 步：d s l 8 8 2 0 功能命令 主机通过发出r o m 命令，在单总线上指定与某个d s l 8 8 2 0 通信后，接着对该 d s l 8 8 2 0 发出功能命令。这些功能命令允许主机读写d s l 8 8 2 0 暂存器、启动温度转换 嵌入式粮情榆测系统的研究! j 应用 以及判断从机的供电方式。d s l 8 8 2 0 的功能命令有：温度转换、写暂存器、读暂存器、 拷贝暂存器、恢复e e p r o m 、读取电源供电方式。主机发出温度转换命令后，d s l 8 8 2 0 采集温度并进行d 转换，结果保存在暂存器的字节0 和字节l 。写暂存器命令，主机 把3 个字节的数据按照从l s b 到m s b 的顺序写入到暂存器的t h 、t l 和配置寄存器中。 拷贝暂存器命令将暂存器中t h 、t l 和配置寄存器的值保存到e e p r o m 中。读暂存器 命令将读取暂存器中9 个字节的数值，其中最后一个字节是c r c 循环冗余校验，用于 检验前8 个字节的c r c 码是否正确。 ( 3 ) 应答机制 对单线总线上多个d s l 8 8 2 0 的序列号进行搜索，必须遵循d s l 8 8 2 0 的时序特性 来进行。一个d s l 8 8 2 0 序列号的确定过程是按照如下顺序进行的： 第一步，复位。处理器向单总线发出复位信号，单总线上的d s l 8 8 2 0 相应发出回 应信号，以表示总线上有器件存在。 第二步，读总线。处理器发出搜索r o m ( o x f o h ) 命令，总线上所有器件会同时将 各自的序列号的第一位发送到总线上，接下来发送这一位的反码，处理器将获得该位 及其反码的组合。由于同属一个i o 口，所有器件在总线上的行为表现是一个线与过 程，所以所有器件一起发送各自序列号时，我们可以根据序列号的位和该位的反码( 两 者的组合) 确定各序列号在该位的0 或者l 的情况：如果器件往总线上发送的组合为 0 0 ，则总线上的器件在该位上既有o 又有l ；如果组合为0 1 ，则该位上全部为0 ；如 果组合为l o ，则该位全部为1 ；如果组合为l l ，则总线上无器件响应。 第三步，写总线。根据上一步读到的该位组合，往总线上写0 或者写1 。比如组 合为0 0 ，当往总线上写1 的时候，这样就选中了该位是l 的器件，也就是说，在接下 来的操作中，该位是0 的器件在本次搜索过程中不会响应。 第四步，再读总线上下一位及其反码组合，根据这个组合再次判断该位序列号的 情况。如此反复读写，直到6 4 位序列号全部搜索完。 在一个序列号搜索完以后，再进行下一次搜索。 3 3 数据采集器的硬件设计 数据采集器按功能分为电源电路、温度采集电路、通信电路等，下面逐一介绍。 3 3 1 电源电路设计 数据采集器的电源是由分机提供的1 2 v 电源经过变压而来。数据采集的电源有 + 9 v 、+ 5 v 、+ 3 3 v 。其中+ 5 v 和+ 3 - 3 v 分模拟电压和数字电压，分别供给系统中的模 拟器件和数字器件。采用的稳压电源分别为7 8 0 9 、7 8 0 5 和a s l l l 7 ( 3 3 v ) 。电源电路 如3 3 图所示。 为了与数据采集器的电源区分开来，同时为了向单总线提供足够的功率以驱动单 总线上所有器件，供给d s l 8 8 2 0 的电压由主机提供的+ 1 2 v 直接变压而得到。如果某 个d s l 8 8 2 0 或者i o 口的上拉电阻短路，那么不仅会破坏主机开关电源，而且会影响 1 2 图3 3 数据采集器的电源电路 其他d s l 8 8 2 0 的乖常工作。于是在电源端设计了传感器短路保护电路，电路图如图 3 4 所示。 在这个电路中，由l m 2 5 8 构成的同相比较器是电路的核心。l m 2 5 8 的同相输入 电压是由r 3 2 和r 3 4 分压得到的，电压大小为 u - 1 2 y 黑：7 9 1 3 y ( 1 )+ r 3 2 + 月3 4 、7 反相输入端电压为 矿= 9 y r 3 3 屯( 2 ) 其中f o 为7 8 l 0 9 的输出电流。在j 下常状态下，沙总是大于u + 的，运放l m 2 5 8 的 输出端为低电平，三极管8 5 5 0 处于放大状态。7 8 l 0 5 的输入电压通路没有被阻断，单 总线上的器件被正常供电。 当n 大于矿时，l m 2 5 8 的输出电压为高电平，三极管8 5 5 0 处于截止状态，截 断了7 8 l 0 5 的供电电压，使得传感器处于掉电状态。 嵌入式粮情检测系统的研究与府用 t i 黜s 上1 图3 4 传感器电源短路保护电路 当传感器短路时，7 8 l 0 5 的输