（计算机应用技术专业论文）粮库网络测控系统设计与开发.pdf

论文题目：粮库网络测控系统设计- 9 开y 发 专业：计算机应用技术 硕士生：l a n j j - - 1 。- -( 签名) 量垒壹 指导教师：龚尚福 ( 签名) 垂查鱼 摘要 粮食作为我国重要的战略资源，是国民经济的基础，是关系到国计民生的大事，因 而作为粮食储备的粮库测控与管理就显得十分重要。本文所研究的是集温度、湿度、通 风控制为一体的粮库网络测控系统，从软件、硬件和可靠性三个主要方面进行了分析、 研究、设计与系统实现，对安全储粮起到非常重要的作用。 本系统主要由上位机( p c ) ，下位机( m c u ) 、通风控制、测温分机、温度传感器和湿 度传感器等组成的分布式网络测控系统。测温分机完成现场多点温度的采集；下位机是 采用a t 8 9 c 5 8 单片机为核心元件来设计的，对粮食的温度、粮仓的温度和湿度进行实 时测量，并且能够接收p c 机送来的指令，完成与p c 机的信息交换；上位机实现载波 通讯和数据存储与显示等功能，清晰的显示出粮仓内粮食的保存状况。最后，文章还给 出了系统的可靠性和抗干扰的措施，使系统能够稳定可靠的工作。 本文的主要工作和研究内容如下： ( 1 ) 调查粮库目前的现状，为系统的设计和开发提供科学依据。 ( 2 ) 进行整体设计。将硬、软件按实现的功能划分成不同的模块。 ( 3 ) 设计硬件电路及绘制p c b 板。 ( 4 ) 硬件电路的安装和调试。 ( 5 ) 上位机软件设计及调试。 ( 6 ) 联机调试。 ( 7 ) 系统可靠性设计和抗干扰设训。 关键词：粮库；测控系统；传感器；温度；湿度：单片机；抗干扰 研究类型：应用研究 s u b j e c t：d e s i g na n de x p l o i t a t i o no fg r a i nd e p o tn e t w o r km e a s u r e m e n t a n dc o n t r o ls y s t e m s p e c i a l t y ：c o m p u t e ra p p l i c a t i o nt e c h n o l o g y n a m e：w e nn a i n i n g i n s t r u c t o r ：g o n gs h a n g f u ( s i g n a t u r e ) - 业洲峨卜 ( s i g n a t u r e ) a b s t r a c t t h eg r a i ni st h ei m p o r t a n c e s t r a t e g i cm a t e r i a l sa n dt h ef o u n d a t i o no ft h en a t i o n a l e c o n o m y , a n di ti st h en a t i o n a ls a f e t ya n dt h ep e o p l e sl i v e l i h o o d ，t h u sa p p e a r sa st h eg r a i n r e s e r v e sg r a i nd e p o r ts t o r a g eo b s e r v a t i o na n dc o n t r o la n dt h em a n a g e m e n t e x t r e m e l y i m p o r t a n t l y t h i st e x ts t u d i e sg r a i nd e p o tn e t w o r km e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e mf r o mt h r e e r e s p e c t so fh a r d w a r e ，s o f t w a r ea n dd e p e n d a b i l i t yh a v ec a r r i e do nt h ea n a l y s i s ，t h er e s e a r c h ， t h ed e s i g na n dt h es y s t e mr e a l i z a t i o n ，w h i c ht a k e st e m p e r a t u r e ，h u m i d i t ya n da i r i n e s sc o n t r o l a sw h o l e t h i ss y s t e mp l a y sv e r yi m p o r t a n tf u n c t i o ni ss t o r i n gt h es a f e l y t h i ss y s t e mi sd i s t r i b u t e dn e t w o r kd e t e c t i n ga n dc o n t r o l l i n gs y s t e m ，w h i c hm a i n l ym a d e u po fu p p e rm a c h i n e ( p c ) ，n e t h e rm a c h i n e ( m c u ) ，a i r i n e s sc o n t r o l ，d e t e c t i n ga n dc o n t r o l l i n g m a c h i n e ，t h es e n s o ro f t e m p e r a t u r ea n dh u m i d i t y d e t e c t i n ga n dc o n t r o l l i n gm a c h i n ec o m p l e t e t h ec o l l e c t i o no ft e m p e r a t u r ei nt h ef i e l d n e t h e rm a c h i n ei sd e s i g n e db a s e do na t 8 9 c 5 8 s c mw h i c hi st h ek e yc o m p o n e n t t h i sm a c h i n em e a s u r e st h et e m p e r a t u r eo fg r a i na n d t e m p e r a t u r e ，m o i s t u r eo f t h eg r a n a r yo nr e a l t i m e ，a n dt h i sm a c h i n er e c e i v e st h eo r d e rt h a tp c s e n d sa n df i n i s h e st h ei n f o r m a t i o ne x c h a n g ew i t hp cu p p e rm a c h i n ea c h i e v e st h ew i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n ，d a t as t o r a g ea n dd i s p l a y i n gf u n c t i o n ，c a ns h o wt h es t a t eo ft h eg r a i nc l e a r l y ， f i n a l l y , t h i st e x ta l s op r e s e n t sd e p e n d a b i l i t yo fs y s t e ma n dm e a s u r eo fa n t i i n t e r f e r e n c e s o t h i ss y s t e mi si nap o s i t i o nt ow o r ko fs t a b i l i z a t i o na n d c r e d i b i l i t y t h em a i nc o n t e n t sa r ea sf o l l o w s ：( 1 ) i n v e s t i g a t e sg r a i ns t o r a g ea tp r e s e n tt h ep r e s e n t s i t u a t i o n ，a n do f f e rt h es c i e n t i f i cb a s i sf o rt h ed e s i g no ft h i ss y s t e m ( 2 ) d e s i g nt h eo v e r a l l s c h e m eo fg r a i nd e p o tn e t w o r km e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e m c a r v eu pd i f f e rm o d u l e a c c o r d i n gt oa c t u a l i s ef u n c t i o no fh a r d w a r ea n ds o f t w a r e ( 3 ) d e s i g nh a r d w a r ec i r c u i ta n d d r a wp c bb o a r d ( 4 ) i n s t a l la n dd e b u go fh a r d w a r ec i r c u i t ( 5 ) d e s i g na n dd e b u gs o f t w a r eo f u p p e rm a c h i n e ( 6 ) o n l i n ed e b u g ( 7 ) d e s i g nd e p e n d a b i l i t ya n da n t i i n t e r f e r e n c eo fs y s t e m k e y w o r d ：t h eg r a i nd e p o t ，m e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e m ，s e n s o r ，t h ec o m m u n i c a t e t h et e m p e r a t u r e ，h u m i d i t y ，s i n g l e c l i pm i c r o c o m p u t e r ，a n t i i n t e r f e r e n c e t h e s i s ：a p p l i c a t i o nr e s e a r c h 姿料技大学 学位论文独创性说明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科技大学 或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：漫另每 日期：2 印西_ 7 弓 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间 论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。学校有权保留并向国家有关部门或 机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课 题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名： 指导教师签名：，缰；高褐 莎柳占年7 月；日 1 绪论 1 1 选题的背景及研究的意义 1 绪论 粮食作为我国重要的战略资源，是国民经济的基础，是关系到国计民生的大事。粮 食的数量、质量与安全直接关系到国民经济发展和社会稳定的大局。粮食问题始终是党 中央、国务院和各级政府密切关注的重点问题。因此，作好粮食储各工作，为促进经济 稳定发展创造良好的基础，对坚持粮食流通体制市场化改革方向，增强国家的宏观调控 能力，保证粮食的供求平衡和国家粮食安全，适应加入w t o 后的新形势后具有重大的 意义【”。 很长一段时间，国家的粮食储备状况自建国以来却没有得到明显改善，大部分粮库 仍采用原始的存储方式l “，由于技术和资金等原因，多数仅限于只对温度、湿度进行人 工现场检测，当温度、湿度超标时若不能及时发现险情处理将会造成大量损失。而随着 国家农业产业政策的不断完善，以及现代科学技术在农业生产中的应用和推广国家粮 食总产量不断突破历史新高。在这样一种大形势下，国家投资兴建了大型现代化粮库， 这些粮库占地面积广规模大，仓房数量多容量大，这些因素对粮库的正常运行带来了一 些新的问题。主要存在的问题是如何随时掌握每个仓内粮食的质量变化情况，保证入库 的粮食在较长保质期内不会变质。在储藏的过程中，粮食受温度、湿度及其它因素的影 向，可能出现发热、霉变、虫害等情况口l 。为了减少粮食储藏过程中的损失，保证粮食 的品质和质量，应该及时准确掌握存储过程中的变化情况。 粮库网络测控系统就是利用现代电子技术、计算机技术和网络技术来实现对粮库的 温度、湿度的集中定时实时等检测，可开启通风设施进行降温降湿，对检测数据进行分 析与预测，同时对粮食的品种、进出量、等级、存放期、温度、湿度等，以及粮库的虫、 鼠等防治，还有粮食收购、储藏、调运等各项指标进行计算机管理，从而极大地提高粮 库规范化、标准化、现代化管理水平和粮库的经济效益，有力地保障粮库的安全，为国 民经济的发展、国家的长治久安提供强有力的保障。 1 2 国内外粮库网络测控系统现状 随着电子技术、计算机应用技术、通讯技术和网络技术的进步和发展，高新技术已 被应用于粮库测控系统，粮库测控技术是科学保粮的关键技术之一。初期，依靠人工进 行测量，效率低，准确性差。多年来，在粮食部门和科技人员的大力协作下，粮情测控 技术不断得到完善、提高、并且趋向成熟，逐步形成了样式繁多的粮情测控系统 4 4 】， 为安全、科学储备粮食起到了积极的作用。 西安科技大学硕士学位论文 粮库测控技术是科学保粮的关键技术之一，目前国内已有数十家企业生产粮情测控 系统产品，品种繁多，系统结构各异。但基本功能都是粮库内外温湿度检测、粮食内部 温度检测、通风设备的控制等几项，鉴于粮食储藏的特殊性，系统功能的重点放在了粮 食内部温度检测和分析方面。 与国内生产的粮库检测系统产品相比，以美国、加拿大为代表的产粮大国粮食温度 监控技术已经发展到了很成熟的地步，高科技数字式温度传感器广泛应用于粮食检测系 统。这样构成的粮食温度检测系统，结构简单，安装维修方便，测温数据稳定性好 1 l i 。 所以，国内的粮食温度检测系统与国外同类产品相比还有很大差距。目前，国内部 分电子元器件的制造工艺的不成熟和国外相应电子器件价格过高共同制约着我国粮情 监控系统的发展和应用【l “。因此，鉴于我国的国情，设计一种适合国内实际情况并能满 足当前国家粮食储备要求的粮食温度监测系统，对改善我国粮食储备的落后面貌，加快 经济的发展，具有非常重要的现实意义i l o ”】。 1 3 本课题的主要工作 在粮食仓储的过程中，温度、湿度和通风的检测与控制是确保粮食安全的关键，人 工的方法很难达到科学储粮的目的。因此，最好的也最适用的方法是在各粮仓内粮食堆 中预先用分布好传感器，再把各点检测的数据传送到监控中心，及时掌握各库内粮食变 化情况，以便取得相应的控制措施。 基于上述分析，本课题围绕粮库网络测控系统的开发，计划完成以下的工作： ( 1 ) 调查粮库目前的现状，为粮库网络测控系统的设计提供科学依据。 ( 2 ) 进行整体设计。将硬、软件按实现的功能划分成不同的模块。 ( 3 ) 设计硬件电路及绘制p c b 版。硬件电路主要完成多路数据采集功能、进行数据 转换及与上位机通讯的功能。通过p r o t e ld x p 软件绘制硬件电路原理图和p c b 图，用单 片机的c 5 1 语言按功能模块进行单片机程序设计。 ( 4 ) 硬件电路的安装和调试。首先调试模拟输入电路、数字输入电路，输出电路和 通讯电路，调试成功后，则该硬件系统能够正确、稳定的完成数据的采集、处理和通讯 功能，最后烧写芯片。 ( 5 ) 上位机软件设计及调试。软件主要分为通讯模块、数据块模块，按模块进行程 序编写及调试。使得该软件能够完成下位机数据的接收以及将这些数据保存到数据库 中，而且能够实现数据库中记录的访问、查询、统计、报表的打印等功能。软件编写工 具为v i s u a l s i c 6 0 。 ( 6 ) 联机调试。将下位机和上位机连接好，调节下位机的输入，验证下位机和上位 机的运行结果，使上、下位机可以正确的进行通讯。最后使得该系统能够按要求正确、 稳定的运行。 ( 7 ) 为了提高系统整体的可靠性和安全性，进行系统可靠性设计和抗干扰设计。 2 粮库网络测控系统总体概述 2 粮库网络测控系统总体概述 储存粮食的主要测量的物理量是粮食的温度、粮仓的温度及湿度，这些参数的快速、 准确、自动的检测对粮食储存具有重要的意义。粮库网络测控系统是能够对粮食自动进 行测温、测湿以及进行通风，实现粮库网络测控的智能系统。该系统由硬件和软件两大 部分组成。 根据系统设计的总目标，结合粮仓的构成和仓储的设置，总的设计思路是：先从一 个粮仓入手，根据仓库布局，选择传感器、测温分机、通讯模块、下位机、上位机、电 缆等，根据粮仓的规格，确定温度检测点设置几层，每层多少个检测点等，以便决定电 缆的长度、每根电缆上传感器的个数、测温分机的个数、通风的设置、下位机的安装等， 并完成下位机和上位机的软件编写，实现一个粮仓的测控，然后根据系统的可重用性， 作适当的调整修改，建立其它粮仓的测控系统，从而完成各粮仓的测控系统，最后将各 粮仓通过载波方式与上位机相连，这样可以建立粮库网络测控系统，本文这个思路称为 上位机、下位机和测温分机三级模式，这种层次结构使系统具有较高的可靠性，而且控 制灵活，速度快，这种结构符合计算机分布式网络测控系统的基本设计思想。 硬件采用先进分布式粮库测控系统体系构成口“，共分为三级：第一级由载波通讯模 块和微机构成上位机系统，上位机系统通过载波通讯模块与若干个下位机系统相连；第 二级f 位机系统安装在粮仓，每台下位机以a t 8 9 c 5 8 单片机为核心，附加载波通讯模 块和t l c l 5 4 9 a d 转换器组成，每台下位机连接通风装置、湿度传感器i 7 j 和若干个测温 分机；第三级为测温分机，测温分机是以c d 4 0 6 7 电子模拟开关为核心的采集器，每个 测温分机连接若干个测温电缆，电缆的中间和末端是温度传感器。硬件系统采用这样三 级结构，成本小、维护简单、】：作稳定。 系统软件由上位机管理软件和下位机测控软件两大部分组成。上位机测控软件采用 v i s u a lb a s i c 6 0 及面向对象编程技术，界面友好易操作，大量检测结果由数据库进行管 理，实时数据分析及显示，三维图形画面显示结果，并有打印机、互联网等多种输出方 式，功能强大，性能优良。下位机软件采用m c s 5 1 单片机c 5 1 语言完成，主要实现数 据采样、与上位机通讯及现场控制等功能，具有多功能操作方式，运行安全可靠。 2 1 系统结构 根据系统能够实现的功能将系统分为三个部分，结构如图2 1 所示。由图可知，系 统组成包括：一是测温分机，提供各个测温点的连接和通道的选择；二是下位机，包括 单片机软件设计、单片机硬件电路、通讯模块电路、湿度传感器电路和通风控制电路； 三是上位机的软件设计模块，主要是界面显示的设计。其中，第一、二个模块是以单 西安科技大学硕士学位论文 片机为核心的数据处理模块，完成数据的获取和上传的功能，而上位机完成数据管理的 功能。各部分组成简述如下。 粮仓n 一1 粮仓n 2 1 1 测温分机 粮仓3 粮仓2 粮仓l 图2 1 粮库网络监控系统示意图 测温分机是为粮仓中各个测温点提供接线，并且可以进行通道选择。其基本的设计 思想是“模块化设计与连接”，它是根据系统功能和现场的情况安装在仓库现场，根据 2 粮库网络测控系统总体概述 仓库的大小，可以自由确定其个数，通过总线与安装在该仓的下位机相连，每台测温分 机连接若干温度传感器，完成仓库温度检测。 2 1 2 下位机 下位机以a t 8 9 c 5 8 单片机为核心，安装在粮仓内，附加载波通讯模块和 t l c l 5 4 9 d 转换器组成，每台下位机连接通风装置、湿度传感器和若干个测温分机。 所以，下位机可以用于接收测温分机采集的温度数据，并且进行湿度测量，控制仓库通 风，并承担着与上位机进行通讯的任务。根据功能可以将下位机分为：a d 转换模块、 单片机接口模块、通风控制模块、通讯接口模块和湿度接口模块等模块。 2 1 3 上位机 系统选用p c 机作为上位机，安放在中央控制室，该部分是整个系统的核心部分。 上位机主要完成与下位机通讯，人机对话、系统的综合管理。可以实现通讯、人机对话、 管理、显示及打印、报警等功能。 2 2 系统功能 系统主要功能如下所述。 2 2 1 软件平台 系统操作平台：w i n d o w s 2 0 0 0 。 下位机应用软件平台：k e i lu v i s i o n 2 ，单片机c 5 1 程序没计语言。 上位机应用软件平台：v b 程序设计，a c c e s s 关系数据库。 2 2 2 检测方式 对仓库的粮食温度、粮仓温度和湿度等物理量进行检测，可以有以下的检测方式： 实时检测：对粮情的温度、粮仓温度和湿度进行实时检测。 定时检测：对系统进行时间设定，在指定的时间点进行自动定时检测。 本地检测：在粮库的中央控制室的微机上对某一粮仓或点进行检测。 2 2 3 通风控制 通风控制是通过现场的上位机控制通风控制设备来实现。单片机的一个i o 口控制 光电隔离的低压控制信号，这个信号驱动交流接触器的控制线圈，交流接触器用于控制 通风设备的启动停止。 通风控制方式有以下两种： 西安科技大学硕士学位论文 手动方式：在中央控制室微机上通过键盘或鼠标操作手动遥控现场任何一台通风设 备。 自动方式：根据不同通风目的进行通风，结合人工设定参数，启动停止通风设备。 2 2 4 温度报警 根据季节等情况，对粮仓的粮食温度点的温度值超过预先设定的温度值进行报警， 并在界面显示报警点的具体位置。 2 2 5 数据计算 将从下位机接收到的数据转换为湿度值和带正负符号的温度值，并完成每个粮仓平 均温度数据的计算。 2 2 6 数据显示 根据用户的需要，对粮仓的温度值进行显示，通常有以下显示方式： 三维显示：以数值及点的颜色表示温度值。 表格显示：以用户需要的表格形式显示温度数据。 曲线显示：以曲线显示温度在一段时间内的变化轨迹。 2 2 7 数据打印 可以对数据库中的数据进行统计、汇总及打印。数据打印包括以下的打印方式：温 度表格打印、温度分布点打印、曲线打印等。 2 2 8 数据查询 可以根据粮仓号或状态情况对实时数据、历史数据进行查询或进行走势曲线分析。 2 2 9 系统设置 为保证用户在任何情况下，都能良好地运行，允许用户对系统的测量时间间隔、界 面背景、温度上下限、保存时间间隔、登录用户名、口令以及粮仓堆放方式等参数进行 设置。 2 2 1 0 系统诊断 诊断上位机：根据界面提示，对上位机的工作状态、通讯状态进行诊断。 诊断下位机：根据界面提示，对下位机的工作状态、通讯状态进行诊断。 诊断测温分机：对测温分机的工作状态、测量点进行诊断。 2 粮库网络测控系统总体概述 2 3 系统软、硬件设计思想 2 - 3 1 系统硬件设计思想 系统硬件采用模块化、标准化结构，便于容量扩充和引入新的硬件模块。 2 3 2 系统软件设计思想 l 、软件采用模块化程序设计。模块化程序设计的出发点是把一个复杂的系统软件， 分解成若干个功能模块，每个模块执行单一的功能，并且具有单入口单出口结构。模块 化程序设计的传统方法是建立在把系统功能分解为程序过程或宏指令的基础上。所有的 模块按某种方法组织起来，成为一个整体，完成整个系统所要求的功能，模块之问的通 讯应按规定接口进行。任何一层的任何一个模块的维护和更新以及新模块的追加都不应 影响其它模块【1 7 j 。 2 、系统的参数、用户处理数据与处理程序应有相对的独立性，这样，可以进行自 由的设置，而不影响其它模块的正常运行。 3 、系统平台具有良好的开放性，能够支持各种应有的接入，提供多种接入方式。 4 、系统具有良好的恢复功能，在系统发生重大故障时，能够及时恢复数据。 2 4 本章小结 本系统的总体结构是由硬件和软件构成。其中硬件是由上位机、下位机和测温分 机构成的三级体系结构，这种结构适合于分布式粮仓的管理，并介绍了各部分的组成和 功能。其次，对系统的软件平台、检测方式、通风控制、温度报警、数据显示、数据打 印、数据存储和检索、系统的诊断等功能进行了介绍。最后，介绍了系统的软、硬件设 计思想，硬件采用模块化、标准化结构，软件采用模块化程序设计、系统参数等的独立 性、系统平台良好的开放性和系统的恢复功能。 西安科技大学硕士学位论文 系统测温分机的分析与设计 测温分机为各个传感器提供连接和通道选择。由于每个粮库的测温点比较多，所以 在每个粮库都设置了若干个测温分机，以确保其有足够的测量能力。 3 1 温度传感器 温度传感器在粮库测控系统中起着非常重要的作用，是温度测量的基础，传感器的 好坏直接影响着测量的准确性。本系统中选用热敏电阻 1 9 1 作为温度传感器。 3 1 1 热敏电阻 热敏电阻是用半导体材料制成的热敏器件。电阻一温度特性，可分为三类：负温 度系数热敏电阻( n t c ) ；f 温度系数热敏电阻( p t c ) ；临界温度系数热敏电阻( c t c ) ， 如图3 1 所示 2 们。由图可见，p t c 型和c t c 型在一定温度范围内，阻值将随温度而剧 烈变化，因此可用作开关元件。在温度测量中使用最多的是n t c 型热敏电阻。 ， 、 刈 |。 j 一s o - 4 0 3 0 2 0 一1 001 0 2 03 0 如5 06 07 0 8 0 9 01 0 01 1 0 t e m p e r a t u 艇p c ) 图3 1 负温度系数热敏电阻典型特征 负温度系数热敏电阻是一种氧化物的复合烧结体，通常用它测量一1 0 0 + 3 0 0 。c 范 围内的温度，其具有的特点：电阻温度系数大，灵敏度高：结构简单，体积小，可 以测量点温度；电阻率高，热惯性小，适宜动态测量。 n t c 型热敏电阻的电阻一温度特性，在不太宽的温度范围内( 小于4 5 0 。c ) 可以用如 下公式描述 口( 当士) r = r o e 。 r 3 1 1 晒 瑚 ， 3 系统测温分机的分析与设计 式中 r ，r o 为温度为玎k ) 和t 0 ( k ) 时的电阻值； 曰一热敏电阻的材料常数，一般情况下，b = - 2 0 0 0 6 0 0 0 k 采用热敏电阻作为温度传感器的测温电缆是粮情测控系统的重要组成部分，它是将 多个热敏电阻置入一根测温电缆之中，电缆内加细钢丝绳提高抗拉强度、外加绝缘护套 密封防腐。采用热敏电阻作为温度传感器的粮情测控系统的温度检测范围一般在一 4 0 。c+ 5 0 之间，检测温度精度为士l ，完全满足粮情温度检测的需要。根据其系统 结构的特点，一般在单根测温电缆上置入3 4 个热敏电阻，特别适合房式仓储粮环境。 3 1 2 测温电缆 测温电缆的功能是实现温度测量，温度传送。它的硬件要求是热敏电阻，从采集速 度和传输距离考虑，可采用3 芯加强电缆( 抗拉力2 0 0 k g 以上，耐熏蒸，长度可达2 0 0 m ， 甚至更长) 。应用在房式仓时，一般采用6 1 4 米一根分支测温电缆，每条电缆封装3 4 个传感器。应用在立桶式仓2 0 4 0 米的测温电缆，每条缆封装5 1 0 个传感器。 3 2 电路绘制软件 在粮库网络测控系统中，需要对测温分机、下位机系统、上位机的通讯模块进行原 理图的设计和p c b 板的绘制。本系统采用p r o t e ld x p 电路绘制软件。 p r o t e ld x p 是a l t i u m 公司推出的e d a 工具软件，它使用了新一代的s i t u s 拓补式逻 辑自动布线器，布线功能更加强大；并且集成更加完善的元器件库，包括原理图符号库、 p c b 封装库、s p i c e 仿真模型库和信号完整性分析模型等；而且它的仿真功能得到很大 的加强；该软件具有丰富的输入输出功能，可以导入导出各种不同的设计文档。所以， p r o t e ld x p 在电子设计自动化领域中占有重要的地位。p r o t e ld x p 的界面外观如图3 2 所示。 3 3 电路分析与设计 3 3 1 芯片功能 ( 1 ) c d 4 0 6 7 芯片 每个粮仓共有多个测温点，如何使单片机快速、准确、有序地对所有点进行巡测， 或对某一个点进行测温。所以，在设计中采用1 6 路选1 的多路模拟开关。c d 4 0 6 7 | 1 9 的引脚如图3 3 所示： 引脚功能如下所示： i 0 0 i 0 1 5 ：1 6 路模拟通道； o i ：1 6 路通道公共端： 9 西妥科技大学硕士学位论文 a 、b 、c 、d ：片内译码器输入端； i n h ：禁止端，低电平有效。 4 0 6 7 为1 6 选l 的模拟开关，它在四个地址码a 、b 、c 、d 的控制下，使得1 6 个 i o 通道u o0 - i o1 5 与总通道o i 接通。从而有选择地实现模拟信号的双向传输。 00 v c c 01 l ( 02 1 1 0 ，1 03 l ： u 04 l ： 05 lz a06 l1 b07 1 l c08 l j du 09 l 01 0 1 0l i 】 i n h 01 2 】1 0 1 3 2 ： g 卜d 0 i 4 ： 掣 0 l5 圈3 2p r o w ld x p 的界面外观 2 _ c，c l k d l 7 d 2 16 r s td 3 5 d 4 d 5 3 d 6 2 d 7 4 d 8 l ： 6l 。 v c cd 9 d l o l 一 d 1 1 1 8 1 o n d d l 2 9 s 0d 0 0 s 1 d 1 3 8 s 2d 2 2 7 s 3d 3 2 ： 6 s 4 5 s 5 4 s 6 8 s 7 州 2 ： 7 s 8 1 0 s 9 9 s 1 0s t r l 4 s 1 l 3 s 1 2 v c c 2 t 6 s 1 3 s 1 4 51 。 图3 34 0 6 7 引脚图 图3 44 0 4 0 引脚图 图3 54 5 1 4 引脚图 o 3 系统测温分机的分析与设计 ( 2 ) c d 4 0 4 0 芯片 c d 4 0 4 0 是脉冲计数器。引脚如图3 4 所示。 ( 3 ) c d 4 5 1 4 芯片 c d 4 5 1 4 带4 位锁存，是4 线一1 6 线译码器。为各仓的不同测温分机编号。引脚如图 3 5 所示。 3 3 2 测温分机的总体电路 测温分机的结构如下图3 6 所示： 区困 ； 匡圃匡圃匡困 图3 6 系统测温分机的结构图 由图可以看出，测温分机主要由2 ，5 v 基准电压电路、计数脉冲电路、决定分机电 路、通道选择电路组成。 测温分机主要为各个传感器提供接口，并选择各点的温度传感器。图3 7 、图3 8 和图3 9 分别对应系统测温分机的原理图、p c b 图、实物图。 3 4 本章小结 本系统采用热敏电阻来采集温度信号，首先介绍了热敏电阻的原理和特性，测温电 缆的要求。其次讲解t n 温分机用到的芯片的功能引脚，如：c d 4 0 6 7 、c d 4 0 4 0 、c d 4 5 1 4 等。最后给出了测温分机的结构框图和原理图。用户可以根据仓库的类型，自由的安装 合适的测温分机。 西安科技大学硕士学位论文 图3 7 系统测温分机的原理图 图3 8 系统测温分机的p c b 图 1 2 3 系统测温分机的分析与设计 图3 9 系统测温分机的实物图 西安科技大学硕士学位论文 4 系统下位机的分析与设计 4 1 下位机概述 下位机用于接收测温分机采集的温度数据，并且进行湿度测量，控制仓库通风，并 承担着与上位机进行通讯的任务。根据功能可以将下位机分为：a d 接口模块、单片机 接口模块、通讯接口模块和湿度接口模块等等。 下位机的硬件设备主要有单片机、通讯模块、温度和湿度传感器、通风执行机构和 各种电缆等组成。下位机安装在粮仓内，每台下位机连接若干个测温分机。 对于下位机数据采集和控制这一部分，采用单片机的c 5 1 语言编程进行开发任务， 传感器输出的信号经调节放大( 包括交直放大、整流滤波和线性化处理) 后，变为0 5 v 直流电压信号，经a i d 转换器将该模拟信号转换为o o h f f h 的数字信号，当其转换结 束时发送转换结束信号给单片机，单片机对其转换后的结果进行滤波、量化等处理，将 该结果传给p c 机保存，为以后数据统计提供确切的数据。 4 2 下位机系统组成 下位机以a t 8 9 c 5 8 单片机为核心，其结构如图4 1 所示。 j 闲厂j 妖 n 困 i 堡鱼堕i鱼些i 笪呈l 圈 图4 1 下位机的结构图 下位机的作用是将上位机的指令下达给测温分机，而把测温分机检测的信号传送给 上位机，实现上位机与测温分机之间的信息交换。 4 2 1 单片机功能 单片机选用的是a t m e l 公司的a t 8 9 c 5 8 单片机【2 ”。a t 8 9 c 5 8 是一个低功耗高性能 圈 圈 圈 4 系统下位机的分析与设计 c m o s 8 位单片机，4 0 个引脚，3 2 个外部双向输a 输0 o ) 端口，同时内含2 个外中 断口，2 个1 6 位可编程定时计数器，2 个全双工串行口。器件采用a t m e l 公司的高密度、 非易失性存储技术生产，兼容标准m c s 5 1 指令系统。 f 1 ) a t 8 9 c 5 8 主要功能特征 兼容m c s 一5 l 指令系统 3 2 位可编程双向输入输出( i o ) 口 2 个1 6 位可编程定时计数器 6 个中断源 可编程u a r t 端口 3 2 k 在系统可编程f l a s h 程序存储器 可擦写1 0 0 0 次 完全静态运行：0 h z - 2 4 m h z 3 级程序加密功能 1 2 8 字节内部r a m 空闲及掉电工作模式 ( 2 ) 振荡器特征 a t 8 9 c 5 8 内部有一个用于构成振荡器的高增益反向放大器，引脚x t a l l 和x t a l 2 分别是此放大器的输入端和输出端。该放大器与作为反馈元件的片外晶体振荡器或陶瓷 谐振器一起构成一个自激振荡器。如果采用外部振荡器，外部振荡器的信号应接到单片 机的x t a l 2 ，由于x t a l 2 端的逻辑电平不是t t l 电平，使用时应外接一个1 0 k q 左右 的上拉电阻，而x t a l l 应接地。由于输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器， 因此对外部时钟信号的脉宽没有任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。 f 3 ) 芯片擦除 整个e p r o m 阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持a l e 管脚处于低电平1 0 m s 来完成。在芯片擦除操作中，代码阵列全被写“1 ”且在任何非空存 储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。 此外，a t 8 9 c 5 8 可用软件编程实现两种可选的省电模式。在闲置模式下，c p u 停 止工作，但r a m ，定时器，计数器，串口和中断系统仍在工作。在掉电模式下，保存 r a m 的内容并且冻结振荡器，禁止所用其它芯片功能，直到下一个硬件复位为止。 4 2 2 电源电路 电源电路可以分为交流2 2 0 v ，直流+ 5 v 、+ 1 2 v 几种。其中交流2 2 0 v 为载波通 讯提供载体；+ 5 v 是为c p u 、通讯模块及大部分的芯片供电；+ 1 2 v 为测温分机供电。 电源电路主要采用整流桥整流、稳压块稳压和电容滤波。电源电路原理如图4 2 所示【4 4 。 西安科技大学硕士学位论文 4 2 3 复位电路 图4 2 电源电路原理图 为了使系统在有故障或异常情况下，能够正常的工作，系统必须具有可靠的复位功 能。在振荡器处于运行状态时，如果单片机的r s t 引脚保持2 个机器周期( 2 4 个振荡周 期) 的高电平，则单片机内部将执行复位操作，以后每个周期执行一次，直到r s t 端变 低。本系统中，我们采用上电复位电路，如图4 3 所示。 l 图43 复位电路原理图 4 2 4 存储系统 在系统中，a t 8 9 c 5 8 只有1 2 8 x 8 位内部r a m ，而系统需要处理的数据却很多，程 序运行时显然是不够的，为了满足程序运行的需要，因此需要外扩数据存储系统，在该 系统选用6 2 2 5 6 进行数据存储器扩展，6 2 2 5 6 是3 2 k 8 位的数据存储器。单片机的p o 口是分时复用的地址数据总线，因此在进行程序存储器扩展时，必须利用地址锁存器 7 4 l s 5 7 3 将信号从地址，数据总线中分离开来。扩展数据存储器硬件连接原理图如图4 4 所示。 兮 4 系统下位机的分析与设计 图4 4 扩展数据存储器硬件连接原理图 4 2 5 放大电路 由于温度传感器转换后的电压信号是幅度很小的微伏级信号，很难进行模数转换， 因此需要对这些模拟电信号进行放大处理。然而，通用运算放大器一般具有毫伏级的失 调电压和每度数微伏的温度漂移，显然不能用于放大微弱信号。因此，本设计中选用 i c l 7 6 5 0 。 放大器i c l 7 6 5 0 是i n t e r s i l 公司利用动态校零技术和c m o s 工艺制作的斩波稳零式 高精度运放，它具有输入偏置电流小、失调小、增益高、共模印制能力强、响应快、漂 移低、性能稳定及价格低廉等优点。是该系统理想的运算放大器。 图4 5 放大电路原理图 西安科技大学硕士学位论文 4 2 6a i d 转换电路 由于单片机处理的必须是数字信号，而传感器输出的却是模拟量，所以在单片机的 实时测控和智能化仪表等应用系统中，需要将检测到的连续变化的模拟量温度转换成离 散的数字量，爿能输入到单片机中进行处理。由于本系统是针对粮库测温而设计的，所 以对实时性即转换速度要求的并不高，根据a d 转换器的技术指标即实际系统的要求， 本设计选用t l c l 5 4 9 。 t l c l 5 4 9 是美国德州仪器公司生产的1 0 位模数( a d ) 转换器。它采用c m o s 工艺， 具有内在的采样和保持，采用差分基准电压高阻输入，抗干扰，可按比例量程校准转换 范围，特性如下： 1 0 位分辨率 内在的采样与保持 总的不可调整误差士i l s b 片内系统时钟 电源电压范围( v c c ) ：0 5 v 6 5 v 输入输出电压范围：一o 3 v v c c + 0 3 v 正基准电压( v r e f + ) ：v c c + 0 1v 负基准电压( v r e f - ) ：一o 1 v 工作温度范围：一5 1 2 5 t l c l 5 4 9 与单片机和模拟信掣2 3 l 的连接参见图4 6 所示。其工作原理如下。 图4 6 a d 转换电路原理幽 在芯片选择端( c s ) 无效情况下，i oc l o c k 最初别禁止且d a t ao u t 处于高阻状 态。当串行接口把( c s ) 拉至无效时，转换时序开始允许i o c l o c k 工作并使d a t a o u t 脱离高阻状态。本系统中使用a t 8 9 c 5 8 的i o 引脚模拟读取串行数据，p 1 5 用于选通 4 系统下位机的分析与设计 t l c l 5 4 9 ，中断1 n t 0 负责从d o u t 接收转换结果，t 0 给c l k 提供时钟序列。 4 2 7 通讯电路 本系统的通讯电路采用载波数据传输模块进行数据传输【4 0 ，可以克服有线通迅一些 致命的缺点，如：可以消除导线形成的天线网阵，减少雷电对系统的威胁；可以减少系 统各单元之间的电气连接减少故障率；可以让系统的每个单元独立，使维护更加方便。 本课题采用的载波数据传输模块为k q 1 0 0 d 型，信号或数据在5 0 k h z 3 5 0 k h z 之 间的频率进行传输，通讯的中心频率为1 2 7 k h z ( k q 一1 0 0 d ) 等多种频点。 模块外形如图4 7 所示： 图4 7k q - 1 0 0 d 引脚不恿图 ( 1 ) 管脚功能如下所述 a c 端为信号输入端，可直接接到2 2 0 v 低压电力线上。 v a a 为外接直流电源，可选用+ 5 v + 1 5 v ，电压调高，发送功率大，信号传送 距离远。 + 5 v 为模块内部电路工作电源，在4 5 5 5 v 范围内能f 常工作，模块内有防过 压和防瞬变抑制电路，以防过电压和雷电对模块的损坏。 r x d 是数据接收端，h c m o s 信号。 t x d 是数据发送端，欲发向远端的信号或数据应从此端接入。 r t 为控制端，高电平时为r ( 接收) ，低电平时为发送( t ) 。 t x ，r t 、r x 管脚电气技术【4 1 - - - 4 3 1 指标见表4 - 1 所示。 表4 1t x ，r t 、r x 管脚电气技术指标 低电平最大值高电平最小值 t x ，r f f ( 输入) 0 ，8 v3 8 v r x ( 输出)o ，8 v 3 8