基于光电技术的粮仓虫害监测系统设计说明书--毕业论文

机电工程学院毕业设计说明书设计题目基于光电技术的粮仓虫害检测系统设计学生姓名学号专业班级指导教师2013年5月20日0目录1绪论111课题研究背景112研究现状2121粮虫防治发展现状2222粮虫诱捕发展现状2121粮虫识别发展现状313意义414存在的问题515本课题的研究工作616本章小结72研究方案论证821整体研究方案822数据传输方案论证10221方案一11222方案二1123论证结果1224我的工作和研究目标1225本章小结133硬件系统设计1431诱捕器的设计1432光电传感器的选择1633AD放大器的选择1734数据采集卡的选择1935硬件系统接线图2236本章小结224软件系统设计2241LABVIEW软件简介2342总体程序流程设计2343界面设计2544设计模式的选择2645显示系统时间2746报警显示2747数据存储2848历史数据回放2945本章小结305粮虫检测系统仿真测试3151仿真检测的意义3152生成仿真信号3153显示系统时间3254报警显示3255数据存储3456历史数据回放34157本章小结35设计总结36致谢38参考文献39附录400基于光电技术的粮仓虫害检测系统设计1绪论11课题研究背景粮食是人类最基本的生活消费品，一个国家的粮食问题是关系到国计民生的头等大事，农业是国民经济发展的基础，粮食是基础的基础。我国是世界上最大的粮食生产、储藏及消费大国，尤其是河南地处中原腹地，沃野千里，更是粮食大省。民以食为天，做好粮食的储藏工作对稳定发展，促进其它行业的发展具有重要意义，粮食和水一样，是人类的生命之源，一个国家若想实现繁荣与发展，解决好粮食问题是必要的前提，因此世界上的任何一个国家都对粮食的生产工作极为重视，尤其是对拥有13亿人的中国来说，做好粮食生产储藏工作具有特殊的重要意义。为了稳定起见，国家每年都要在粮仓储备一定量的粮食，以预防可能发生的自然灾害以及其它突发事件。千百年来，由于社会制度的影响、农业科技的落后、各种自然灾害的影响，历史上我国的粮食供应在大多数的时间里都处于短缺状态，甚至农民连肚子都填不饱，经常出现饥荒，因此在粮食储备方面的发展相对较为落后。然而新中国成立以来，特别是改革开放以来，随着现代农业科技的发展，我国粮食产量提高显著，每年都要对一定量的粮食进行储藏，以应对突发状况，因此国家也很重视粮食的储藏工作。1998年，第七届国际储藏产品工作会议在我国召开，在会议总结中我国代表向全世界提出提高粮食储藏科学技术和管理，必须向“三低、三高”方向发展（低损耗、低污染、低成本；高质量、高营养、高效益）1。然而在粮食的储藏过程中，会有很多问题造成储粮的损失，其中最显著的就是粮食虫害（以下简称粮虫）造成的损失，据统计,全世界每年因储藏物害虫造成的粮食、豆类、油料的损失约占总储存量的5,经济损失约达12亿到24亿美元。在我国,据有关部门调查,我国国家粮库储藏中的粮食损失约为2,每年我国国库的储粮损失高达10多亿元2，因此，做好粮虫的预防工作至关重要。害虫是粮食储存的大敌，虫害一旦发生，则影响粮食的品质和质量，轻则造成粮食质量降低，重则使粮食不能食用，造成巨大的经济损失，因此做好对1虫害的预防工作很重要，仓库储粮时，稍有不慎，很有可能就会引发粮虫，因此做好粮虫的防治工作很重要，要想预防虫害，首先要做好实时检测工作3。为了做好粮食的安全储藏，国家每年用于粮食储备方面的财政投入也很大，造成这种状况的主要原因是对粮虫的实时检测工作很难做到准确性，这就使得对粮虫的防治缺乏科学性。12研究现状121粮虫防治发展现状防治粮虫有很多方法，目前常用的有以下三种方法4（1）化学方法主要包括采用熏蒸剂、谷物保护剂、信息素、各种昆虫行为抑制剂等；（2）物理方法主要包括低温储藏、密闭储藏、防虫包装、诱捕器等；（3）生物方法主要包括根据粮虫的生理特性研制各种杀虫剂；这三种方法各有特点和利弊。在进行粮虫防治时要进行合理的选择防治方法，这就要以对粮虫的实时准确检测为依据，目前，在粮虫系统中主要有三方面工作即粮虫检测、粮虫分析、粮虫控制，其中检测是基础，是进行其它两个工作的基础，若不能做到准确检测，后续防治工作也就无从谈起，只有有效的判断虫子的种类、所处的生长周期、害虫的密度及分布，才能去决策使用何种防治方法，决策使用何种化学药剂或是生物、物理防治方法，以及使用量和方法。122粮虫诱捕发展现状若要对粮虫进行实时检测，就要做到对粮虫的诱捕和识别，目前，最常用的诱捕方法包括以下六种5（1）信息素诱捕该技术是几年来才发展起来的，多个国家均投入人力和财力进行研究，并且取得了很大的进展，合成了多种诱捕粮虫的信息素，我国也在加大这方面的研究，采用信息素诱捕，专一性强、灵敏度高，但是合成信息素的成本相对较高；（2）食物引诱剂诱捕即利用食物或食物气味来诱捕粮虫，利用粮虫的嗅觉趋食性诱捕，粮虫对食物比较敏感，这种方法在很早以前就为古人所用，但同时也是一种先进的方法，因此被广泛的应用。食物引诱剂不仅能够引诱成虫，2而且能够引诱幼虫，但是存在性能单一性，因为不同的粮虫对不同食物的敏感性也不同，同时，粮虫不处在饥饿状态时，容易产生厌食。（3）陷阱诱捕粮虫在粮仓内具有爬行习性和钻孔习性，粮堆内粮虫随机运动时会进入诱捕器内，诱捕器周围的粮虫比较容易进入，但若放置的时间较长，离诱捕器稍远的粮虫也会进入。这种方法成本较低，不需使用诱捕剂，但是该法对不喜欢运动的害虫诱捕效果较差，测出的结果不稳定并缺乏可比性；（4）光电诱捕利用粮虫的趋光性进行诱捕的一种方法，粮虫的趋光强度与光的波长有关，常用的有黑光灯诱捕器和紫外线诱捕器，这种方法只能吸引趋光性粮虫，对避光性粮虫无效，主要用来诱捕蛾类粮虫，但是受环境的影响很大，测出的结果不稳定；（5）声音诱捕粮虫中的雌性虫和雄性虫的发出的声音不一样，根据这个特点，可以采用声音诱捕粮虫。录下粮虫的求偶声音用来招引同伴，诱捕异性害虫，这种方法在录制粮虫声音时存在一定的难度，并且诱捕到的粮虫单一性太强。（6）抽样诱捕随机在粮仓中取一定量的粮食，进行过筛得到粮虫，然后估算粮虫的数量，根据取样粮食的粮虫数量估算整个粮仓的粮虫密度，这种检测方法劳动强度较大，工作条件差，效率低，检测时尘土飞扬，由于是采用抽样估测，存在很大的随机性，检测出的粮虫密度误差较大。上述几种方法是目前在各国粮仓中应用较广泛的检测方法，各有自己的优点和缺点，对不同种类的粮虫的诱捕效果也不同，诱捕效果单一，随着粮虫的进化，粮虫的种类也很复杂（见文档粮食仓储害虫总结），种类有上升的趋势，鉴于此种情况，各种诱捕方式也受到了一定的限制。123粮虫识别发展现状成功诱捕粮虫后，需要对粮虫进行识别，以便针对性的进行防治，在目前的研究现状中常用的识别方式有以下几种6（1）人工识别对于体积相对较大的粮虫可以直接用肉眼识别，或借助于显微镜、放大镜、图像传感器进行判别，并统计数量。这是一种比较传统的方法，该种识别方法工作量相对较大，效率也不高，并且不可避免的存在人为误差，最终给防治决策提供不准确甚至错误的信息；3（2）声音识别这是近年来才发展起来的一项新技术，美国在这方面的研究处于领先地位，我国也在加大这方面的研究，声音识别即采用一些现代技术，测定和监测粮虫在取食、运动、通讯时发出的声音。采用这种方法识别时，首先要把粮虫的声音变成电讯号,然后通过电子过滤器把粮虫发声的频率与环境声音的频率分开,由于电信号可能较弱，要进行信号放大处理,可以根据音程的百分比和音程数量的多少可以分辨出昆虫的种类和数量。该种识别方法利用现代设备来识别粮虫，虽然容易实现，但是成本也很高，设备造价是一个不得不考虑的问题，并且在检测过程中易受到传感器噪音、环境噪音、信号噪音等方面的干扰，有用信号有可能被噪声信号淹没，不能分辨出复合种类、多数量粮虫的声信息。该项技术有待于继续完善，解决存在的问题，并降低成本；（3）图像识别也是一种新的识别方式，伴随着计算机以及相应的软件而发展起来的，20世纪90年代时，我国的邱道尹教授带领的图像识别课题组致力基于图像识别的在线检测的方法，该法主要利用粮虫的颜色、形态等特征，运用计算机视觉、数字图像处理、模式识别等技术来识别害虫。通过图像处理、信息融合的方法辨别粮虫的种类、密度等信息，目前，我校也有老师和学生在进行这方面的研究，利用该法识别准确度高,劳动量小,价格低廉,检测效率高,性能稳定可靠。但无法识别粮粒内部的粮虫,识别的虫种有限,图像处理技术有待于进一步提高。（4）近红外线法这是一种生物化学方法，我们都知道，不同的粮虫体内所含的碳、氢、氮元素量也不同，因此，它们产生的红外光谱也不相同，利用此原理，用近红外光对粮食进行逐粒扫描后，即可识别粮虫的种类，该法一般都是在仪器检测室进行的,对完好粮粒和虫蚀粮粒的鉴别效果较好,但是效率太低,对不同成虫或不同幼虫的种类鉴别达不到满意的效果7。13意义由于粮虫在粮食的储藏过程中造成的损失很大，因此粮仓管理人员要做好粮虫的防治工作，若想完成这一艰巨任务，前提条件是做好粮虫的实时检测工作。在粮食储藏行业中储粮害虫的检测一直都是研究中一个热点，粮虫种类的正确鉴别和密度的确定是粮食管理人员进行害虫防治的重要依据。只有做好了实时检测，才可以准确发现、早期定位粮虫。4如何做好粮虫的实时检测，对于做好防治工作至关重要，只有对粮仓已发生的虫害做到及时准确的了解，方能对症下药，如果可以做到实时检测，就可以指导工作人员对粮虫进行及时的预防和治理，这就使得他们的工作很有针对性，从而避免盲目性的工作，既可以降低粮虫造成的损失，也不会因盲目防治造成损失，加重对粮食和环境的污染，这样，可以节省大量的人力、财力、物力。粮虫的检测和判别是构建粮库粮情检测系统的关键和基础，只有有效的判别虫子的种类、密度、分布、所处的生长周期，才能去决策使用何种化学药剂或是生物防治方法以及化学药剂的使用量和范围，因此，进行粮虫检测主要有以下三点意义（1）在正常粮食储藏期间，根据检测系统采集到的粮虫信息，可以及时发现虫情、跟踪虫情、及时处理，虫情发现的越早，用药量越少，对人体的影响越小，环保作用越大；（2）在采用化学和生物方法治理粮虫时，根据系统采集的虫害信息，可以指导工作人员科学的掌握用药量和用药效果，这样既能有效的解决粮虫，同时又降低了对粮食和环境的污染。（3）该系统采集的资料可以长期保存，对采集到的数据资料进行分析处理，可以总结出一些粮虫活动的规律，对以后的防治工作具有指导性的作用；14存在的问题随着现代传感器技术、计算机技术、网络技术、人工智能、无线传输等高新技术的发展，这些现代信息技术在储粮行业中也得到了广泛的应用，而且目前正朝着标准化、系统化、规范化、网络化的方向发展。各种新的检测技术如雨后春笋般的不断发展起来，在研究现状中已详细介绍了粮虫检测的现状，目前，进行粮虫检测方法有很多种，不同检测方式的诱捕和识别方式也不一样，它们各有利弊，例如利用图像处理技术检测粮虫是近年来发展起来的一项新的检测技术，目前有很多人在研究这项新技术，我校老师和学生也在这方面进行了一定的研究，虽然采用这种检测准确度高、效率高、无环境污染，但是不同区域、不同季节、不同生长周期的粮虫的图像都不相同，目前图像识别技术尚不能完全满足粮虫检测的要求，还有待于进一步完善8。5粮虫检测中存在的问题可以归纳为以下几个方面（1）不同的诱捕和识别方法存在单一性，制约了粮虫检测；（2）粮虫的检测受季节性的影响较大，多种因素能够直接影响到检测的精度，如粮食中混入的草籽、残缺的粮食颗粒、粮虫的不同姿态等，检测精度有待于进一步提高；（3）一些新的检测方案的成本偏高，不利于在粮仓中进行大范围的普及；实现粮虫的检测受到多种因素的制约，然而，粮虫的种类复杂，且近年来有上升的趋势，这就使得一些检测方法受到了一定的限制，因此，如何做到提高检测的效率、精度、降低成本，就显得很有必要性。15本课题的研究工作鉴于粮虫检测存在的各种问题，以及实现粮虫实时检测的必要性，提出了一些自己的想法，粮虫的种类虽然多种多样，但是常见的粮虫是玉米象、米象，来自农村的学生对这方面相对来说比较了解，每年封仓的粮食，如果一段时间不见太阳，特别是潮湿天气时，比较容易生虫，比较多的粮虫是玉米象（俗称蚴子）、米象，这就可以有针对性的进行防治。为了使防治工作更有目的性，需要检测粮虫的密度，由于玉米象、米象较活拨，有上爬性，我认为可以采用粮虫诱捕器进行诱捕的方法进行检测，在诱捕器中可以采用食物引诱剂与粮虫信息素联合诱捕粮虫，粮虫信息素诱集害虫具有高效、专一的特点，但只能针对某一种或某一类粮虫，尽管食物引诱剂不如粮虫信息素在诱捕粮虫方面应用广泛，但食物引诱剂具有广泛性，可同时吸引多种粮虫，甚至可引诱活泼的、能爬行的幼虫。食物引诱剂和信息素结合起来使用，跟传统措施相比具有如下优点9（1）可在较大范围内吸引昆虫并及早发现，为防治提供实质性依据；（2）用量极少，且效果明显，不会污染环境；（3）可以正确的监控和防治害虫，而对人和益虫没有影响；（4）粮虫对信息素和食物引诱剂不会像对化学药物一样，即使用的次数多了或时间长了，粮虫亦不会产生抗性。当成功诱捕粮虫后，需要对粮虫的数量进行检测，针对上述问题和需求，本课题提出了利用光电技术来检测粮仓虫害的方法，利用光电传感器接收到的6光线强弱的不同可以判断出粮虫密度的大小。传感器接收光线后，把相应的光信号转化为电信号，电信号通过信号采集卡进行相应的转换，传输到计算机中，利用计算机上安装的信号处理软件，显示信号的强弱，这样就可以检测出粮虫的密度大小。要想实现上述的方案，首先要设计一个合理的诱捕器，确保能够成功诱捕到粮仓中的粮虫；其次要做好光电传感器、信号放大器、数据采集卡的选择，保证能够采集到有用的信号；再次设计一个方案能够将采集卡采集到的信号传输到计算机，尽可能的做到精度高、传输快；最后选择合适的信号处理软件对信号进行处理，使处理后的信号能够反应虫害密度的大小。只有做好以上几个方面的研究工作，基于光电技术的粮仓虫害检测系统方能实现从理论到实践的可能性。利用这种方式进行检测，虽然存在一定的误差，但是操作简单，成本也比较低，便于粗略的检测粮虫。利用光电技术检测粮虫是一种新技术，是根据利用光电技术检测粉尘浓度而联想到的，利用光电技术来检测粉尘浓度已经得到了很好的发展，并且取得了不错的效果，我认为这种技术如果能够得到很好的发展，等技术成熟后，会是检测粮虫的一种很好的方法。16本章小结本章主要论述了该设计课题的研究背景以及与课题有关的技术发展现状，包括粮虫防治现状、诱捕现状、检测识别现状，通过论述和比较得出了进行该课题设计的重要性和意义。并且对一些传统的检测方法存在的问题进行了简单的论述，因为传统的检测方式存在着这样那样的问题，这就很有必要研究新的粮虫检测方案。针对这种状况，提出了一些自己的方案，即利用光电技术进行粮仓虫害检测。该设计课题所提出的方法和传统的检测方法相比具有以下以下优点1、成本相对较低，仅需要一个数据采集卡、单片机以及一些连接设备，利用相应的软件即可显示检测到的粮虫浓度，便于在粮仓内大范围的使用。2、跟传统的检测方案相比，劳动强度小，检测设备体积小、重量轻、便于携带，大大减轻了工人的劳动强度，所使用的LABVIEW使用界面设置一目了然，通过观察上面的按钮就可以看出该如何操作和使用，对工人的技术水平要求低。3、利用光电技术进行粮虫检测，可以对历史数据实现存储，这样通过调用7查看历史数据，就可以总结出粮仓发生虫害的一般规律，并采取一定的措施进行提前防治。4、如果能够做到信号的及时采集和精确传输，所测得的粮虫密度的精度相对也较高。2研究方案论证21整体研究方案该方案是基于光电技术进行粮虫检测，设计一个粮虫诱捕检测系统，完成如下功能在诱捕器内放置诱捕剂在粮仓内完成对粮虫的诱捕工作，诱捕到的粮虫掉落在透光板上，用两个普通的电灯泡在上面照射，透光板下部的光电传感器接收光线，并将光信号转化为相应的电信号，电信号经过AD放大器放大后被数据采集卡采集。采集到的信号通过无线传输传到计算机上并通过相应的软件进行处理，通过信号的强弱来判断粮虫密度的大小。该检测系统主要包括硬件和软件两大部分，硬件是基础，软件是灵魂。硬件主要包括诱捕器、光源、光电传感器、AD放大器、数据采集卡、计算机，软件主要完成对采集到的信号进行处理，采用LABVIEW软件进行处理，通过观察处理后的信号，可以很直观的看出采集到的信号的强弱，由此来判断粮虫密度的大小。基于光电技术的粮虫检测系统的三个模块组成的详细的系统整体组成框图如图21所示8信号采集模块诱捕器诱虫剂普通灯泡诱虫器食物引诱剂粮虫信息素带孔圆柱管透光板带尖端圆锥面数据采集卡传感器光信号转化为电信号信号处理模块LABVIEW软件前面板程序框图信号输出模块采集程序存储程序回放程序粮情幅值显示报警指示灯波形图表AD放大器放大微弱信号实现信号采集9图21检测系统总体框图进行粮虫检测的框图主要包括以下三个模块信号采集模块、信号处理模块、信号输出模块。通过光源照射诱捕器的透光板，透光板上有诱捕到的粮虫，光线穿过透光板，由光电传感器接收，采集到有用的光信号，经过光电传感器后由光信号转化为便于处理的电信号，再传输传到计算机，由计算机上的信号处理软件对接收到的信号进行一定的处理，处理成比较容易识别的信号，这样就可以显示出强弱不同的电信号，根据电信号的强弱就可以估测粮虫密度的大小。信号采集模块是整个测量系统的基础，是能够进行信号处理和信号输出的前提，信号采集就是将被测对象的各种参量，通过各种传感元件适当转换后，再经过信号调理、放大、AD转换、传输等步骤，最后送到计算机进行数据处理或存储记录的过程。信号采集系统追求的最重要的目标是精度和速度，对任何的测试都要有一定的精度要求，否则就失去了测试的意义，提高采集的速度不仅提高了工作效率，同时扩大了数据采集系统的适用范围10。信号处理模块是系统的核心部分，透射光被光电元件接收后转化为电压信号，此电压信号被数据采集卡采集，经放大和误差修正后，通过无线电传输到安装有LABVIEW软件的计算机，计算机将接收到的相关信号存储在一个文件夹中，在LABVIEW中载入存储的信号，就可以对接收到的信号进行处理。信号输出模块是系统的显示输出部分，在粮虫检测系统中，用LABVIEW对信号进行处理，可以很直观的看出信号的强弱，并以此判断粮虫密度的大小。当信号比较强时，说明透射的光线较强，则粮虫的密度相对较小，反之粮虫的密度较大，粮虫的密度大小跟信号的强弱成反比例关系，设置一个峰值为粮虫观察LABVIEW处理后的信号，判断粮虫密度大小将处理后的信号保存在默认文件夹中，以便随时调用10险情值，当超过这一值时，就会进行粮虫险情预警。在LABVIEW的程序框图中，采用生产者/消费者模式和TDMS选项编写一个写入程序，将显示过的历史信号存储在一个文件中，以便随时调用。22数据传输方案论证在该检测系统中，用数据采集卡完成对信号的采集后，需要将信号传输到装有LABVIEW的个人计算机，一套合理的传输系统不但可以快速完成对采集到的信号的传输，提高传输效率，而且提高了传输的精度，从而提高检测精度。221方案一方案一中的传输系统采用USB数据进行传输，USB是一个外部总线标准，规范了电脑与外部设备的连接，支持即插即用和热插拔。基于光电技术的粮仓虫害检测系统设计中，为了将采集到的信号及时的传输到个人计算机，可以采用USB数据传输模式，就是将采集到的信号先存储在插槽型的数据采集卡中，当需要调用采集到的数据时，将采集卡的USB端口与计算机相连，这样就可以直接读取采集卡中的数据。在利用USB技术进行数据传输时，检测信号被数据采集卡采取到，可以选择使用一个带有USB插槽的数据采集卡，该数据采集卡可以直接和PC机相连，USB数据传输系统连接图如图22所示。图22USB数据传输系统221方案二数据采集卡USB通信接口模块计算机USB接口11方案二中的传输系统采用蓝牙技术进行无线传输，蓝牙技术最近几年取得了很大的发展，它的发展取代了现有计算机外设、掌上电脑等的有线电缆连接，从目前的应用来看，由于蓝牙在小体积和低功耗方面的突出表现，它几乎可以被集成到任何数字设备中，特别是针对一些移动设备和便携式设备。SIG制定蓝牙技术的出发点包括全球范围适用、可同时传输语音和数字、具有灵活的组网功能、具有很好的抗干扰能力、体积小、功耗低、开放的接口标准、低成本等。蓝牙传输系统原理如图23所示。图23蓝牙无线数传系统原理框图蓝牙无线传输技术能够实现把采集到的信号传输到计算机，信号传输质量的好坏直接影响到检测系统的功能实现。蓝牙无线传输模块硬件电路的设计涉及输入信号的范围、采样精度。分辨率、最高采样频率、最大传输速率等很多问题。其中最重要的是所用元器件的选型，特别是主要元器件的选择，信号采集蓝牙无线传输模块主要包括信号采集卡和无线传输模块，基于数据采集卡良好的性能和蓝牙技术的特点，数据采集卡和蓝牙技术结合使用，采集卡实现多路信号的通道选择、A/D转换、D/A转换、数据存储，采用蓝牙模块ROK101008作为无线传输模块的无线数据收发器，按照蓝牙HCI通信协议以HCI数据分组的形式实现信号的无线收发11。12上述两种方案简单介绍了两种不同的数据传输技术，方案一采用USB数据传输技术，方案二采用蓝牙无线传输技术，这两种传输技术目前都取得了相当成熟的发展和广泛的应用。但针对于基于光电技术粮仓虫害检测系统的数据传输的实现，两种传输方案相比，方案一更能够精确的将数据传输到计算机，受外部干扰较小，也更容易实现。23论证结果比较方案一和方案二，虽然采用USB方式和蓝牙技术都可以实现数据传输，但是USB数据传输技术相对于蓝牙技术的优点更适合在该系统中使用，在该检测系统中使用USB数据传输技术的优点主要体现在以下几个方面12（1）使用USB数据传输技术时，只需要在采集卡上有USB插口即可，相比蓝牙传输，成本低，操作较简单易行；（2）USB数据传输技术可以随时将采集到的信号传输到计算机，传输精度高、速度快，而蓝牙传输易受到电磁波的干扰，造成采集信号的损失，影响检测精度；（3）USB数据传输技术对传输距离没有要求，而蓝牙技术对传输距离有要求，当达到一定距离时，则无法传输；（4）平时经常用到USB接口，对其功能和使用相对较熟悉，而对实现蓝牙传输的对接相对陌生。鉴于采用USB数据传输技术传输时，具有以上多个优点，因此我认为在粮虫检测系统中实现无线传输时采用USB数据传输技术相对较好些，即采用方案一。24我的工作和研究目标该粮虫检测系统包括硬件和软件两部分，我要同时完成硬件和软件两方面的工作，硬件方面要完成的工作有（1）诱捕器的设计；（2）诱捕剂的选择；（3）光电传感器的选择；（4）数据采集卡的选择及使用；5数据传输模块的设计。软件方面要完成的工作有（1）熟悉PRO/ENGINEER和LABVIEW的基本操作；（2）使接收的信号能够在波形图表中进行显示；（3）通过显示的信号13幅值大小能够估计出粮虫密度大小；（4）设置粮情险值，当粮虫密度达到一定程度时，能够进行报警指示。（5）能够对处理过的历史数据进行保存，以便随时调用，查看虫害历史，总结虫害发生规律，对粮虫的预防起到指导性作用。本研究希望可以达到以下目标，（1）放在粮仓中的诱捕器能够利用诱捕剂诱捕到粮虫；（2）信号采集卡能够完成信号的采集工作；（3）采集到的信号能够快速精确的传送到个人计算机；（4）利用计算机上安装的LABVIEW软件对接收到的信号进行处理，处理后的信号能够直观的反映出信号的强弱，以此来判断粮虫密度的大小。25本章小结本章主要完成设计方案的选取和论证工作，在论证过程中，首先给出了整体的结构方案。本课题既要完成硬件方面的选取，同时还要完成软件方面的设计，软件方面，已经确定用LABVIEW来实现检测显示，在硬件方面，需要完成诱捕器的简易设计，采集到的信号如何能够精确的传输到软件是需要着重考虑的。是否能够做到信号的及时采集和精确传输，对粮虫检测的精确性具有很大的影响，我提出了两种传输方案，并对两方案进行对比分析后给出了最终的论证结果。此外，在本章中还简单的提出了本课题的设计工作和所要实现的目标。3硬件系统设计一个完整的检测系统是由硬件和软件两部分组成的，其中硬件是检测系统的基础，是能够顺利完成检测的前提。如何实现硬件系统的合理选择和设计，对一个检测系统来说至关重要，因此我对该粮虫检测系统中所用到的各个硬件进行逐一的选择和论述。基于光电技术的粮虫检测系统的硬件主要包括粮虫诱捕器、产生光源的照明系统、光电传感器、AD放大器、数据采集卡、特殊的接口组成。硬件系统的组成框图如图31所示。照射普通光源诱捕器光电传感器14图31硬件系统组成框图31诱捕器的设计为了能够实现粮虫的检测，首先必须诱捕到粮虫，为此我设计了粮虫诱捕器，将设置好的诱捕器放置在粮仓的不同位置，能够实现对粮虫的诱捕工作。目前社会上诱捕器种类繁多，形式各样，针对粮仓虫害检测的特征，我设计了粮仓虫害专用诱捕器。根据目前自己查阅文献所得到的资料，整理后设计出的诱捕器模型，我认为应该包括以下几部分诱虫器、透光板、粮虫收集器、带尖端锥面。诱虫器包括带孔圆柱管，孔的大小介于粮食颗粒和粮虫之间，小麦颗粒是两端微尖中间微鼓起，长约7MM，最大直径约5MM，米象和玉米象是粮仓中的主要虫害，米象的成虫呈卵圆形，其体长23，体宽0915，玉米象成虫体长2942毫米，体宽1MM左右，因此，可以在圆柱管的周围设置直径约为2MM的圆孔，并且圆柱管的上部由透光材料覆盖，下部连接粮虫收集器。粮虫收集器主要用来收集粮虫，诱捕到的粮虫掉落在透光板上，在圆柱管下部接一个带尖端的锥面，以便于插入粮堆内，放置光线检测壳体，内置光敏传感器和数据采集卡，接收穿过透光板的光线，将光信号转化为便于识别的电信号，通过无线传输传到计算机，利用相关的软件进行信号处理，根据处理后的信号的强弱即可判断出粮虫的密度大小。我在PRO/ENGINEER上绘制的诱捕器模型的装配图和分解图分别如图32和图33所示。光信号电信号AD放大器数据采集卡PC机15图32诱捕器模型图图33诱捕器模型分解图16由分解图可以看出诱捕器组成顶端有一个带提手的上盖，便于诱捕器的携带方便，中端主要是个带孔圆柱管，孔的尺寸按规定尺寸设计，粮虫通过小孔可以进入诱捕器内，圆柱管里面安装两个普通的灯泡，并进行正确的接线，通过外部电路开关控制光源，圆柱管的底部是一块透光板，诱捕到的粮虫掉落在该板上；诱捕器的最下端是一个尖端锥面，可以插入粮堆内，锥面里面有一个壳体，用于安放光电传感器和数据采集卡。32光电传感器的选择光电传感器是采用光电元件作为检测元件的传感器，是各种光电检测系统中实现光电转换的关键元件，是一把光信号转化为电信号的器件。在基于光电技术的粮虫检测系统中，用光源照射掉落在透光板上的粮虫，为了能够有效的接收到穿过透光板的光线，必须选择合适的光电传感器。首先选择的传感器的能够实现光信号向电信号的转换，这是必须具备的条件；其次要考虑传感器的成本，在能够满足要求的前提下，尽可能的选择价格较低的传感器，这样就可以满足现代设计对低成本的要求；再者要考虑传感器的测量精度，误差是不可避免的，但应将误差控制在一定的范围内，最高不超过25；最后传感器要放置在诱捕器下端的光线检测壳体内，尽可能的选择体积相对较小的，便于安装使用。因为运用光电技术检测粮虫浓度是根据利用光电技术检测粉尘浓度而设计的，粉尘浓度的检测已经取得了相当成熟的发展，并投入到实际应用中，因此根据粉尘浓度检测仪来选择传感器就有了科学依据性。结合光电技术检测粮虫浓度的特征，通过查阅传感器手册并对多种传感器进行比较，我选择一种型号为HJ0317的光线强度检测传感器，如图34所示。该型号的传感器的主要技术特点如下测量精度5，反应时间100MS，光谱范围400700（NM）可见光，环境温度2080C，重量210G，电压型的供电电压5V24VDC，输出信号02V，电流型的供电电压12V24VDC，输出信号020MA，输出负载500。从上述参数可以看出，该种型号的传感器的的测量精度、光谱范围、环境温度等都能满足光电技术检测粮虫浓度的需要。此外HJ0317型传感器体型小巧，安装方便，壳体结构设计合理，密封性好，使用寿命长，测量精度高，稳定性好，传输距离长，抗外界干扰能力强，结构设计合理，外观质量佳。鉴于HJ0317型传感器在多方面17的优点都能够满足粮虫检测系统对光电传感器的要求，因此选择这种类型的传感器。图34HJ0317型光电传感器33AD放大器的选择传感器接收到光电信号，完成由光信号向电信号的转换，电信号一般较弱，在被数据采集卡采集之前，要用AD放大器对电信号进行放大，根据光电检测系统的需求，我选择AD781放大器，如图35所示。图35AD781放大器AD781是ADI公司生产的一种快速采样保持放大器，它具有采样时间短、下降速度慢、保持误差小、功耗低、体积小等优点，非常适合在高速AD转换器的前端电路使用。AD781采用低功耗八脚小型DIP封装，快速采样时间为700NS，并得到12BIT精度，底孔径75PS，通过补偿采样误差和偏移误差使其18在接收指令后能够自动校准误差，在全量程范围内具有很低的保持误差13。下降速度为001UV/US，具有内部补偿电路，典型95MW功耗，功能齐备，内含保持电容，无需外接原件与外部调整。AD781的内部功能和引脚排列如图36所示，AD781的主要极限参数如表37所示。图36AD781的内部功能和引脚图图37AD781的极限参数表34数据采集卡的选择光电传感器能够完成光信号向电信号的转换，AD放大器能够实现对微弱信号的放大，此外，还需要用数据采集卡对信号进行简单的处理。数据采集部分主要由多路开关、采样/保持器、AD转换器、单片机几部分组成，数据采集卡主要完成的功能有滤波、隔离、对信号进行处理使之转换成AD转换器所要求的信号范围、多路选择、信号采样/保持、AD转换、数据存储等。HJ0317型传感器、AD781放大器与数据采集卡结合使用，能够实现光信号的采集和简单处理，传感器的作用是把非电的物理量转化为模拟电量（如电压、19电流或频率），该粮虫检测系统中转换为电流信号；由于传感器输出的信号较弱，可以用AD放大器来放大和缓冲输入信号，数据采集卡完成对放大后的信号的采集；为了能够顺利实现对电信号的采集，选用的数据采集卡应该能够满足以下条件首先能够实现对转换后的电压信号的采集，这是选择型号的前提；其次采集卡的通道数能够满足检测系统的要求，在基于光电技术的粮仓检测系统中，我设置了4个通道，因此选择的采集卡的通道数应大于4；再次采集卡的采样率要达到一定要求，采样率也称为采样频率，定义了每秒从连续信号中提取并组成离散信号的采样个数，根据采样定理可知数据采集卡采样频率必须大于采集信号的带宽（信号频谱的宽度，也就是信号的最高频率分量与最低频率分量之差）；最后是一个不得不考虑的问题是成本问题，所选择的的数据采集卡的成本最好控制在100元以内。根据以上所述的对粮虫检测系统中数据采集卡的需求，通过查阅资料我选择使用阿尔泰USB2828数据采集卡，如图38所示。该型号的采集卡是阿尔泰推出的一款基于USB总线数据采集卡，可以直接和计算机的USB接口相连，常用于各种检测系统中的信号采集。图38阿尔泰USB2828数据采集卡20从上面的数据采集卡布局图显示，总结下各主要元件的大体功能如下（1）信号输入输出连接器CN1的作用是模拟量信号输入/输出，触发信号输入，时钟输入/输出信号采集器；P1完成DI/DO数字信号输入/输出连接器；（2）电位器RP1完成放大器零点调节，RP3完成AD双极性信号输入零点调节，RP4完成AD信号输入满度调节，RP5完成AD单极性信号输入零点调节，RP6至RP9完成DA模拟量信号输出A00A03满度调节，RP10完成DA信号输出A00A03零点调节；（3）跳线器JP1、JP2完成AD信号输入量程选择，JP3、JP4、JP5完成AD信号输入单端、双端选择，JP7、JP8、JP10、JP12完成D/A模拟量输出A00至A03量程选择，JP9、JP11完成DA模拟量信号输出单极性、双极性选择，JP6加载USB控制程序。（4）状态灯OVERFLOWERLED表示FIFO溢出标志指示灯，FIFOHALLED表示数据半满指示灯，EMPTY表示数据位空指示灯，RUNLED是板卡运行指示灯，ADLED指AD采集指示灯。阿尔泰USB2828数据采集卡AD模拟量信号输入输出连接器，关于37芯D型插头CN1管脚定义如图39和图310所示。21图39CN1管脚定义图310CN1管脚定义表格形式阿尔泰USB2828数据采集卡的AD模拟量输入功能的物理通通道数为8通道，能够满足四通道的数据采集要求，AD采样频率为31HZ100KHZ,能够完成对光电信号的采集，输入和输出电压量程相对较低，工作温度范围（40度85度）适合在粮仓虫害检测中使用。35硬件系统接线图在前面几节中分别介绍了光电传感器、AD放大器、数据采集卡的选择，并对各个硬件的参数进行了介绍。在完成硬件的选择后，需要对硬件进行正确的接线，如图311给出了光电传感器、AD放大器、数据采集卡及PC机的接线图。22图311硬件系统接线图36本章小结本章主要完成硬件的设计工作，完成了诱捕器的设计、光电传感器的选择、数据采集卡的选择，并对诱捕器的结构，组成部分的功能进行了逐一的介绍，光电传感器将光信号转化为电信号，数据采集卡对电信号进行采集，对电信号进行放大、滤波、AD转换、存储等。通过这一章的介绍，详细的了解了检测系统的硬件结构。4软件系统设计在一个完整的检测系统中，必须具备合理的硬件结构和软件设计，其中硬件是基础，软件是灵魂。在第三章中对检测系统的硬件结构进行了详细的论述，有了硬件作为前提，本章将对检测系统中用到的软件进行了详细的论述。由于该课题设计和仿真的过程都是在LABVIEW环境下进行的，所以本章对LABVIEW软件的大体情况作了一个简介，同时给出了在编程中要用到的各个LABVIEW控件以及实现各个功能用到的程序的设计，为大家更好的读懂程序提供一些方便。41LABVIEW软件简介LABVIEW是一种程序开发环境，由美国国家仪器（NI）公司研制开发的，类似于C和BASIC开发环境，但是LABVIEW与其他计算机语言的显著区别是其他计算机语言都是采用基于文本的语言产生代码，而LABVIEW使用的是图形化编程语言G编写程序，产生的程序是框图的形式。LABVIEW能够迅速发展并深受各行业工程技术人员青睐的一个重要原因是其采用了G语言，使用这种语言编程时，基本上不用写程序代码，取而代之的是流程图或框图，它尽可能利用了操作人员所熟悉的术语、图标和概念，因此，LABVIEW是一个面向最终用户的工具14。虚拟仪器与传统仪器相比，具有如下优点智能化程度高、处理能力强，技术更新周期短、开发与维护费用低，可操作性强、用户可以自定义仪器功能、系统开放、灵活、与计算机的进步同步。鉴于虚拟仪器相比于传统仪器的突出优势，它的应用前景比较广泛，开创了“软件即是仪器”的先河，可以为科学23仪器与科学试验领域带来一次深远的技术革命，虚拟仪器的出现最终将取代大量的传统仪器成为仪器领域的主流产品，成为测量、分析、控制及自动化仪表的核心。42总体程序流程设计程序流程也就是所编应用程序每一阶段需要完成哪些工作，以及完成该阶段工作后下一阶段转去执行什么任务的一个预先的规划与设计。在软件编制过程中，首先对软件的结构和流程进行一个整体的规划，这样就不会在编程过程中走错路、走弯路，同时也提高了整个程序的逻辑性和编程效率，这在复杂的软件编程显得更为重要。通过画程序流程图是程序流程分析中最基本、最重要的分析技术，它运用工序图示符号对生产现场的整个制造程序做详细的记录。流程图其实就是一图形化的语言，在编制程序之前，进行流程图的编制是非常有必要的。流程图就是整个编程过程中的指导性文件，通过它可以了解到该环节要实现什么功能以及下一个环节程序会转向哪里，这样就不容易混淆和出错。采用简单规范的符号绘制流程图，画法简单，结构清晰、逻辑性强，便于描述、容易理解。粮虫检测系统的程序流程图如图41所示。阀值待机状态是否读入采集到的信号变亮初始化，清空缓存、清除所有变量比较当前幅值与阀值的大小开始采集信号界面设计24否图41粮虫检测系统流程图43界面设计基于LABVIEW平台上的粮虫检测系统，为了能够实现信号顺利采集、处理、存储等，首先要进行界面设计。通过界面可以直接看出粮虫检测系统中需要显示什么，需要实现什么样的功能模块，只有知道了需要什么，方能知道需要做什么以及研究怎么去做。设计系统良好的界面设计能够为用户提供有用的图形表示和操作，使用户能够准确、高效、愉悦的操作系统。祝青园、王书茂、张磊康峰中国农业大学学报2006用户在功能和性能类似的产品中会选择具有较好的界面设计的那种。使用界面是用户在LABVIEW前面板上的操作界面俗话说“人靠衣装，佛靠金装”，应用程序的使用界面是提供给使用者的第一印象，直接影响到用户的体验感觉，因此，有效、合理的界面能够为程序增色不少。读取粮虫信号设置粮虫险情阀值波形图表显示观察幅值大小数据存储结束数据回放25利用控件排列和分布工具将前面板上的输入控件和显示控件排列整齐，再利用容器中的水平分隔栏和竖直分隔栏根据控件功能将前面板分成若干块，点击每个框图中的竖直滚动条的属性，选择背景颜色，可以选择系统自带的，也可以选择下载的图片。经过处理后的基于光电技术的粮仓虫害检测系统的界面设计如图42所示。图42基于光电技术的粮仓虫害检测系统的界面设计图通过图42中的界面设计图可以看出，检测系统在LABVIEW平台上需要实现四通道数据的采集、存储、回放，能够实现对系统当前时间、日期的显示，当粮情虫害达到报警阀值时，报警灯能够进行报警提示。44设计模式的选择在基于光电技术的粮仓虫害检测系统的仿真测试中，我设置了个四通道，为了实现多通道的信号处理和存储，我决定采用生产者消费者设计模式，该模式是利用LABVIEW图形化语言中的队列操作函数、WHILE循环、CASE结构、事件结构等组合构成。生产者消费者设计模式是一种多循环的并行处理结构，生产者循环负责信息的提供，而消费者循环则负责信息的处理。因二者工作在不同的循环内（生产者循环、消费者循环）并采用队列的消息（数据）处理方式，所以不会发生消息（数据）丢失的情况。生产者消费者设计模式分为事件和数据两种模式，基于光电技术的粮虫检测系统中需要存储的数据量不是太大，我采用生产者消费者设计（事件）26模式，程序框图如图43所示。图43生产者消费者设计模式（事件）程序框图从程序框图中可以看出生产者消费者设计模式（事件）包括生产者和消费者两个循环，采用队列的数据存储方式，依据“先进先出”的原则进行，新来的元素总是被加到队尾（不允许加塞），每次离开的都是对头上的元素（不允许中途离队），这样就保证了数据传递过程中不会出现数据的丢失。45显示系统时间在仿真检测过程中，为了在存储后便于调用历史数据，显示历史时间的粮虫密度大小，就要使时间和幅值同时保存，需要在使用界面上始终显示系统当前时间。幅值大小随着系统时间的变化而变化，可以在程序框图中通过选择获取当前时间函数来实现这一功能，如图44所示。图44获取系统时间2746报警提示在粮虫检测系统的仿真测试中，反应粮虫密度大小的波形图表的幅值随着系统时间的变化而逐渐减小，通过观察幅值的大小，可以估计出粮虫密度的大小。为了使当粮仓虫害到达一定险情时，能够及时的提醒工作人员务必采取一定的措施，进行粮虫防治，因此在仿真测试系统中，我设置了粮情报警阀值。为了实现对粮虫险情的报警显示，就需要获得表示粮虫密度大小的波形幅值的最小值，可以通过幅值和电平测量中的最小峰来获得。幅值和电平测量的信号输入端连接用FOR循环生成的函数输出端（用FOR循环生成的信号表示采集到的信号），反峰的输出端连接一个比较控件（编程比较小于等于），比较控件的输入端一个连接反峰，一个连接报警阀值，粮情报警阀值可以根据需要来输入设置，输出端连接一个报警灯，连接图如图45所示。图45报警提示程序图在上图中的程序图中，调用了一个“XY“比较控件，X端连接幅值和电平测量的反峰，Y端连接报警阀值，当满足XY时（即当前粮情值小于报警阀值时）报警灯变亮。47数据存储实现测试数据的存储在测控系统中占据着重要作用，通过观察存储的数据，可以观察出检测对象的发展历史，总结出一定的规律，并对其发展趋势有一个预知，以便及时采取防范措施。数据的存储就是将采集到的数据保存在某种介质中，常见的是硬盘。在测控程序设计中，会涉及到测量数据信息的交互，文件I/O是非常重要的。大多数的文件I/O操作都包括三个基本的步骤打开一个已有的文件或新建一个文件、对文件进行读写、关闭文件。LABVIEW中常用28的数据存储文件形式有二进制文件、TDMS文件格式、文本文件、电子表格文件等。我采用TDMS文件格式对粮虫检测系统中数据进行存储，因为TDMS文件是NI主推的一种二进制记录文件，它兼顾了高速、易存取和方便等多种优势，能够在NI的各种数据分析或挖掘软件之间进行无缝交互，也能够提供一系列API函数供其它应用程序调用。TDMS数据写入程序如图46所示。图46TDMS数据写入程序在上图中的存储程序中，首先调用文件I/O中的创建路径，基路径选择默认路径，名称或相对路径创建保存文件名。该存储程序中用到的TDM流子选项包括TDMS打开、获取属性、写入、关闭。TDMS打开用于一个扩展名为TDMS的文件，“操作”输入端选择“OPENORCREATE”；TDMS获取属性用于返回TDMS文件的属性，属性名称输入“时间”，数据类型连接获取当前时间；TDMS写入可以将数据流写入指定TDMS数据文件，所要写入的数据子集由组名称输入和通道名输入指定；TDMS关闭用于关闭一个使用TDMS打开的TDMS文件；将该程序框图放入生产者/消费者设计模式（事件）的消费者循环中，TDMS写入的数据接线端连接到采集到的信号的输出端，将条件结构中的各分支中的接线连接完整，数据存储程序框图如图47所示。29图47数据存储程序框图图47是能够实现数据存储的完整的程序框图，在消费者循环中创建一个条件结构，把采集到的信号（用FOR循环生成的表示）放入条件结构中，按上图所示进行相应的放置和连线，当仿真运行时就，能够实现对数据的自动保存。48历史数据回放在47中详细的论述了数据的存储过程，通过采用TDMS文件格式可以将粮虫检测系统的历史数据保存在默认的文件中。当需要显示历史数据时，可以通过读取程序将保存的历史数据在波形图表中重新显示。要实现历史数据在波形图表中的显示，首先我引用了一个函数调用程序，如图49所示。30图48函数调用程序图从上图中的函数调用图可以看出，首先创建一个WHILE循环，在WHILE循环中放入一个事件结构，在事件结构中添加一个“停止”值改变分支，并将编好读入程序直接拉入到添加的事件结构分支中。这样当点击前面板的调用按钮时，就可以调用保存的历史数据，并在波形图表中显示。历史数据的读取与数据写入有很大的相似性，都是采用生产者/消费者模式（事件）结合TDMS格式来实现，TDM流的各个子选项已在48中详细的论述。在完成读取时，需要用到的TDMS文件有TDMS打开、获取属性