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现代检测技术大作业最终版


现代检测技术
大型作业
(2014/2015 学年第 1 学期)

课题名称 院(系) 专 业

粮食存储环境品质监测系统设计 自动化工程学院 电气系统检测与控制

小组成员 时 间

指导老师

一.设计背景及意义
“国以民为本,民以食为天”,“兵

马未动,粮草先行”,这些都充分说明粮食对国家 的重要性。储粮是为了防备战争、保证非农业人口的粮食消费需求、调节国内粮食供求平衡、 稳定粮食市场价格、应对重大自然灾害及其它突发性事件而采取的有效措施。因此,粮食的 科学储藏具有重要的战略意义和经济意义。 我国是世界上最大的粮食生产、储藏及消费大国,粮食储藏是国家为防备战争、灾荒及 其他突发性事件而采取的有效措施,因此粮食的安全储藏是关系到国计民生的战略大事。在 粮食的储藏的过程中,由于粮仓温湿度异常而造成粮食变质,带来的经济损失是惊人的。粮 食在贮藏过程中,会因为受温度、湿度、氧气、微生物及昆虫等因素的影响,从而造成其质 量的不良改变。目前我国许多粮食仓储单位采用测温仪器与人工抄录、管理相结合的传统方 法,消耗了大量的人力和财力,并且效果不佳,发霉变质等现象大量存在。因此设计粮食储 存品质监测系统,可以提高工作效率,实现粮仓数据的实时监控,是仓储单位亟待解决的重 要问题。 粮食在贮藏过程中,会因为受温度、湿度、压力、 CO 2 、微生物及昆虫等因素的影响, 从而造成其质量的不良改变。对粮食贮藏过程中的影响参数进行实时监测、分析,是保障粮 食储存品质的有效手段。在此,通过采用 CAN 总线的数据采集系统对影响粮食贮藏过程中的 参数进行实时采集、分析,当发现不良变化时,能够及时发出预警信息,保证粮食储存的安 全。 粮食储存品质监测系统是利用现场的前沿机检测粮食储备库中粮食的基本情况,并结合 其他粮情信息(如入仓时间、品种、仓型、天气状况等)进行综合分析,然后通过控制电机 启停,达到对相应参数的控制。利用监控室的上位机对粮仓进行监控,用户可方便地构造自 己需要的数据采集系统,在任何时候把粮仓现场的信息实时地传到控制室,管理人员不需要 深入现场,就可以按照所需的要求对粮仓内的情况进行控制,还可以查看历史数据,优化现 场作业,提高了生产效率,增强了国家粮食储备安全水平,以获得实时粮仓管理,实现自动 化、智能化,为实现我国粮仓管理现代化更近了一步。

二.设计内容 2.1 系统总体结构规划
影响粮库储粮安全性的参数主要有粮堆温度、湿度、压力和 CO 2 等,及时监测这些参数、 准确分析这些参数的变化并及时采取相应处理措施,对于提高仓储质量、减少粮食损耗具有 重要意义。这里我们采用分布式监控网络,主要分为上位机和下位机两部分。而上位机按功 能分由现场上位监控管理机,远程监控管理机和 CAN 通讯适配器组成,下位机则由 CAN 节点 和现场参数采集和控制组成。

系统总体结构

CAN 总线(Controller Area Network)即控制器局域网,由德国 BOSCH 公司 20 世纪 80 年代推出, 是国际上应用最广泛的现场总线之一。 CAN 具有下列主要特性: 多主站依据优先权 进行总线访问; 无破坏性的基于优先权的仲裁; 借助接收滤波的多地址帧传送; 全系统数据相 容性;废除了常用的地址编码,而代之以对通信数据块进行编码;可靠的错误处理和检错机 制, 极强的错误检测能力, 发送期间若丢失仲裁或由于出错而遭破坏的帧可自动重发送; 暂时 错误和永久性故障节 点的判别以及故障节点的自动脱离;可以根据用户的需要,改变总线上 分机的数量, 理论上可连无数个分机;CAN 总线的接收数据长度最多为 8 个字节,因而不存在 占用总线时间过长的问题,可以保证通信的实时性。从而确保系统的可靠运行。 考虑到CAN 总线技术具有先进的多主网络结构和通信距离远、 成本低、 可靠性高、系统容 量大、安装方便、维护费用低、性价比高等优点,用在库区较大、仓库分布较分 散的大型粮 仓的温湿度监控系统是一种合理而新颖的尝试。 数据采集服务器主要完成监测网络系统的参数设置、粮库的状态查询、数据处理、粮情 分析和报表打印等功能。同时,该服务器与 Internet 网络互联,各职能管理部门通过互联网

可以在任何时间、任何地点浏览数据信息,为管理部门的决策提供依据。 智能节点由微控制器、数据采集电路和 CAN 总线接口电路构成。智能节点不仅要实时监 测粮库内各个测试点的温度、湿度、 CO 2 、压力等信息,并保存和显示结果。还要根据数据 采集服务器的要求上传数据。 CAN/USB 转换器负责把数据采集服务器的数据,通过 USB 接口的输出命令转换成 CAN 总 线数据格式后, 下传到 CAN 总线;或者将智能节点通过 CAN 总线上传的数据转换成 USB 数据格 式后,再送到数据采集服务器。

2.2 系统功能
下位机节点通过一定时间间隔把含有地址,温度,湿度,压力等数据量的报文向 CAN 总 线发送,总线通过自身仲裁确定先把优先级最高的数据放到总线上,然后自动仲裁依次发送 低优先级的报文到 CAN 总线。由于 CAN 总线的信息存取利用了广播式的存取工作方式,报文 可以在任何时候由任何节点发送到空闲的总线上,每个节点的 CAN 总线接口接收总线上出现 的所有信息,通过每个节点的报文滤波和地址匹配,只有上位机能实现所有报文的接收。同 时上位机可随时发送信息到 CAN 总线,只有地址匹配的节点才能收到信息。同时通过这种方 式实现粮库的参数反馈控制。 2.2.1 智能节点原理 智能节点温度、湿度、压力、 CO 2 、水、烟雾、入侵物:控制电路采用单总线数据通信方 式。它采用单根信号线完成数据的双向传输,具有节省 I/0 引脚资源、结构简单、成本低廉、 便于总线扩展和维护。温度检测采用单总线数字温度传感器 DS18B20,它不仅能直接输出串 行数字信号,而且具有微型化、低功耗、高性能,易于微处理器连接和抗干扰能力强等优点。 传感器检测到的湿度、压力、 CO 2 、水、烟雾、入侵物:信号经过调理电路处理后,可以通过 单总线 A/D 转换模块(DS2450)输出的串行数字信号与单总线数字温度传感器 DS18B20 输出的 串行数字信号使用同一线路连接,这样可以大大简化布线的难度。

智能节点控制电路结构图

2.2.2 CAN 节点的组成

2.3 元件选型
2.3.1 传感器选型 1.温度传感器 低温储藏使粮食的呼吸活动大大减弱,可延缓粮食的陈化,保持粮食的新鲜度并降低储 粮自然减量损失。 粮食在 10℃时储藏, 由于呼吸产生的干物质损失要比在 20℃和 30℃时储藏 分别少 4 倍和 15 倍。当粮温达到 13℃时,害虫的繁殖和活动就基本停止,粮温降至 10℃时 完全停止,因此低温储藏可以避免粮食遭受虫害而造成的损失。 DS18B20 是美国 DALLAS 半导体公司继 DS1820 之后最新推出的一种改进型智能温度传感 器。与传统的热敏电阻相比,他能够直接够直接读出被测温度并且可根据实际要求通过简单 的编程实现 9~12 位的数字值读数方式。 可以分别在 93.75ms 和 750ms 内完成 9 位和 12 位的 数字量,并且从 DS18B20 读出的信息或写入 DS18B20 的信息仅需要一根口线(单线接口)读 写,温度变换功率来源于数据总线,总线本身也可以向所挂接的 DS18B20 供电,而无需额外电 源。因而使用 DS18B20 可使系统结构更趋简单,可靠性更高。他在测温精度、转换时间、传 输距离、分辨率等方面较 DS1820 有了很大的改进,给用户带来了更方便的使用和更令人满意 的效果。 主要特点: (1)独特的单线接口方式:DS18B20 与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与 DS18B20 的双向通讯; (2)在使用中不需要任何外围元件; (3)可用数据线供电,电压范围:+3.0~+5.5V; (4)测温范围:-55~+125℃。固有测温分辨率为 0.5℃; (5)通过编程可实现 9~12 位的数字读数方式; (6)用户可自设定非易失性的报警上下限值; (7)多个 DS18B20 可以并联在惟一的三线上,实现多点测温; (8)负压特性,电源极性接反时,温度计不会因发热而烧毁,但不能正常工作; 2.湿度传感器 粮食在通常储藏过程中,含水量一般在 12%以下为安全状态,不会产生温度突变,一旦 粮仓进水、结露等使粮食的含水量达到 20%以上时,由于粮粒受潮,胚芽萌发,新陈代谢加快 而产生呼吸热,使局部粮食温度突然升高,必然引起粮食“发烧”和霉变,并可能形成连锁反 应,从而造成不可挽回的损失。常温下稻谷储藏的安全水分是 13.5~14%。

测量空气湿度的方式很多, 其原理是根据某种物质从其周围的空气吸收水分后引起的物理 或化学性质的变化,间接地获得该物质的吸水量及周围空气的湿度。电容式、电阻式和湿涨式 湿敏原件分别是根据其高分子材料吸湿后的介电常数、 电阻率和体积随之发生变化而进行湿度 测量的。 下面 介绍 HS1100/HS1101 湿度传感器及其应用。 湿度检测采用 HS1101 型湿度传感器, HS1101 是 HUMIREL 公司生产的变容式相对湿度传感器,HS1101 湿敏电容是基于独特工艺设计 的电容元件。 主要特点: (1)高精度:±2%RH,极好的输出线性; (2)宽量程:1—99%RH,宽工作温度-40—100℃; (3)湿度输出受温度影响小,常温使用不需温度补偿; (4)响应速度快:5 秒;浸水或结露后迅速恢复 10 秒; (5)抗静电,防灰尘,有效抵抗各种腐蚀性物质; (6)长期稳定性可靠性好:0.5%RH/年; 3.压力传感器 粮仓储粮数量是国家粮食数量安全及粮食库存检查的一项重要内容。现有的粮仓储粮数 量检测方法主要包括称重法和测量计算法,称重法效率低、工作量大、成本高,难以广泛应 用,而测量计算法具有较大的不确定性,因此开发方便"快捷"准确的国家粮食储藏数量监测 技术势在必行。针对粮仓压强分布的随机性,利用对粮堆底面和侧面压力的测量从而得出粮 仓储量数量的检测方法是可行的。 CPS181 是采用陶瓷材料经特殊工艺精制而成的干式陶瓷压阻压力传感器,陶瓷是一种公 认的高弹性、抗腐蚀、抗磨损、抗冲击和振动的材料。陶瓷的热稳定特性及它的厚膜电阻可 以使它的工作温度范围高达-40~135℃,而且具有测量的高精度、高稳定性。电气绝缘程 度>2kV,输出信号强,长期稳定性好。高特性,低价格的陶瓷传感器将是压力传感器的发展 方向,在欧美国家有全面替代其它类型传感器的趋势,在中国也越来越多的用户使用陶瓷传 感器替代扩散硅压力传感器。CPS181 干式陶瓷压力传感器被广泛地应用在:过程控制、环境 控制、液压和气动设备、伺服阀门和传动、化学制品和化学工业及医用仪表等众多领域。它 的尺寸小,直径 18mm,量程范围 1~600bar,价格低,被广泛的应用在各种测量压力的场合。 主要特点: (1)坚固的陶瓷敏感膜片、卓越的抗腐蚀、抗磨损性能; (2)高精度、高稳定性; (3)宽的工作温度范围:-40~135℃; (4)体积小巧,易封装,尺寸:18×5.25×8.05mm; (5)量程范围:100kPa~60Mpa; (6)综合误差(包括:线性、迟滞、重复性):0.2~0.4FS%; (7)零点输出:0±0.2mV,满量程输出:2.0~4.8mV; 4. CO 2 传感器 气体浓度监侧试验研究小麦自身呼吸及昆虫和霉菌活动产生 CO 2 气体的特点。结果表明 安全水分小麦呼吸水平较低,6 个月中检侧的 CO 2 浓度最高值仅为 0.06%。昆虫活动可显著提 高粮堆中的 CO 2 气体浓度;另外发现安全水分的粮食自身呼吸作用微弱,产生 CO 2 气体量很 少,不会影响虫霉活动的监测.当粮堆中有昆虫或霉菌进行生长活动时,不仅在生长部位可检 测到 CO 2 气体浓度的显著升高,其产生的 CO 2 气体还可以通过扩散作用,快速向周边传导, 可以在虫霉活动点以外的部位检测到 CO 2 气体浓度的变化。因此,可以通过在粮堆中设置适 当的监测点,准确、灵敏地监测粮堆中的虫霉活动。与粮堆侧温方法相比,当模拟霉变点的 温度随着霉菌的活动升高 16℃时,水平相距 1 m 和 2m 的部位未检侧到温度的显著变化

(p>0.05)。因此,在粮仓中采用侧定 CO 2 气体的方法监侧虫霉活动可显著提高监侧灵敏度。 红外 CO 2 传感器利用非色散红外(NDIR)原理对空气中存在的 CO 2 进行探测,具有很好 的选择性,无氧气依赖性,广泛应用于存在可燃性、爆炸性气体的各种场合。 英国 Clairair 公司高分辨率红外 CO 2 传感器 Prime2 传感器利用 NDIR 技术检测 CO 2 气 体浓度。该传感器内部有一个红外光源,一个双元件红外探测器,一个独特的光波导让气体 扩散进去,ARM7 内核微处理器,输出电压与电源极性无关。内部的集成电路可以实现的功能 如驱动光器件,提取检测信号,把信号强度转化为浓度,进行温度补偿和量化输出值等。在 催化燃烧配置时,Prime2 可以在满足电源供电要求的条件下,不改变电路并完全替代催化燃 烧传感器。当 Prime2 用于恒流催化燃烧电路时,外围元件需要满足电源要求。 主要特点: (1)工作不受供电极性影响; (2)线性电压输出或模拟催化燃烧电桥输出; (3)工作电压范围 3.0V-5.0V; (4)工作电流典型值为 80mA; (5)最新的 MEMS 探测器技术; (6)量程:从 0-5000ppm CO 2 到 0-10%Vol CO 2 ; (7)全金属结构,绝缘外壳; (8)体积小; (9)灵活的电路访问设置; (10)用户可以通过硬件连接进行标定; (11)宽温度工作范围; (12)快速响应; 5.红外传感器 红外传感器是将红外辐射转换为电能的装置是利用红外线来进行数据处理的一种传感 器,有灵敏度高等优点,红外线传感器可以控制驱动装置的运行。利用红外线的物理性质来 进行测量的传感器。红外线又称红外光,它具有反射、折射、散射、干涉、吸收等性质。任 何物质,只要它本身具有一定的温度(高于绝对零度),都能辐射红外线。红外线传感器测 量时不与被测物体直接接触,因而不存在摩擦,并且有灵敏度高,反应快等优点。红外测距 传感器利用红外信号遇到障碍物距离的不同反射的强度也不同的原理,进行障碍物远近的检 测。红外测距传感器具有一对红外信号发射与接收二极管,发射管发射特定频率的红外信号, 接收管接收这种频率的红外信号,当红外的检测方向遇到障碍物时,红外信号反射回来被接 收管接收,经过处理之后,通过数字传感器接口返回到中央处理器主机,中央处理器即可利 用红外的返回信号来识别周围环境的变化。在粮仓里可以用来探测扫描一定范围内的物体活 动情况(如鼠害等)。 RE200B 采用 TO-5 封装形式,正常工作直流电压 3-10V;信号输出电压最小值 2.5V,典 型值 4V;噪声输出电压最大 250mV, 典型值 90 mV, 频率响应 0.3Hz—3Hz, 增益±10Bb。该 传感器探测范围平视角 138 度,仰视角 125 度。在传感器前安装菲涅尔透镜可以增大探测范 围, 增强传感器工作的稳定性。此传感器工作在 7—14um 的红外光谱之间。正常工作周围环 境温度范围- 300—700, 储存温度-400—800。 6.烟雾传感器 烟雾传感器就是通过监测烟雾的浓度来实现火灾防范的烟雾报警器内部采用离子式烟雾 传感离子式烟雾传感器是一种技术先进工作稳定可靠的传感器被广泛运用到各种消防报警系 统中性能远优于气敏电阻类的火灾报警器。在粮仓监控系统中用于探测火灾或不明烟尘。 MQ-2 气体传感器所使用的气敏材料是在清洁空气中电导率较低的二氧化锡(SnO2)。当传 感器所处环境中存在可燃气体时,传感器的电导率随空气中可燃气体浓度的增加而增大。使 用简单的电路即可将电导率的变化转换为与该气体浓度相对应的输出信号。 MQ-2 气体传感

器对液化气、丙烷、氢气的灵敏度高,对天然气和其它可燃蒸汽的检测也很理想。这种传感 器可检测多种可燃性气体,是一款适合多种应用的低成本传感器。 技术指标: (1)检测气体:可燃气体,烟雾; (2)检测浓度:300-10000pm(可燃气体); (3)温度湿度:20℃+/-2℃,65%+/-5%RH; (4)预热时间:不少于 48 小时;

7.水浸传感器 水浸传感器是基于液体导电原理,用电极探测是否有水存在,再用传感器转换成干接点 输出。通常为常开,如果想要常闭的需要提前预定,预定时间为 3 天。用来检测渗水或溢水 情况。 线式水浸传感器 VEC-A-10,线式水浸传感器(漏水检测传感器),专为机房环境、空调 管道、粮仓监控系统,地下室水浸检测设计,稳定性好,安装简单轻松。 技术指标: (1)继电器接点:常开接点; (2)接点容量:DC30V,1A; (3)整机功耗:<1VA(DC12V 时); (4)引线长度:<150M; (5)绝缘电阻:≥2MΩ ; (6)探测灵敏度:<50KΩ ; (7)工作环境:10~50℃,20%~90%无凝露; (8)工作电压:12VDC;

2.3.2 控制器选型 为了设计此系统,我们采用了 AT89S51 单片机作为控制芯片,在前向通道中是一个非电 信号的电量采集过程。它由传感器采集非电信号,从传感器出来经过功率放大过程,使信号 放大,再经过模/数转换成为计算机能识别的数字信号,再送入计算机系统的相应端口。 由于 AT89S51 中只有 4k Bytes Flash 片内程序存储器和 128 bytes 的随机存取数据存储 器,且数据存储器也不能满足要求,经扩展 6264 来达到存储器的要求,其结果通过显示器来 进行显示输出。 1.AT89S51 的内部结构 AT89S51 具有如下特点:40 个引脚,4k Bytes Flash 片内程序存储器,128 bytes 的随 机存取数据存储器(RAM),32 个外部双向输入/输出(I/O)口,5 个中断优先级 2 层中断嵌 套中断,2 个 16 位可编程定时计数器,2 个全双工串行通信口,看门狗(WDT)电路,片内时 钟振荡器。 此外,AT89S51 设计和配置了振荡频率可为 0Hz 并可通过软件设置省电模式。空闲模式 下,CPU 暂停工作,而 RAM 定时计数器,串行口,外中断系统可继续工作,掉电模式冻结振 荡器而保存 RAM 的数据,停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位。同时该芯片还具有 PDIP、TQFP 和 PLCC 等三种封装形式,以适应不同产品的需求。

主要特征: (1)8031CPU 与 MCS-51 兼容; (2)4K 字节可编程 FLASH 存储器; (3)全静态工作:0Hz-24KHz; (4)三级程序存储器保密锁定; (5)128*8 位内部 RAM; (6)32 条可编程 I/O 线; (7)两个 16 位定时器/计数器; (8)6 个中断源; (9)可编程串行通道; (10)低功耗的闲置和掉电模式;
(11)片内振荡器和时钟电路;

AT89S51 的内部结构

2.AT89S51 引脚图

AT89S51 引脚图

2.3.3 执行器选型 工作原理由于工艺决定,进仓之前已经将湿度控制在了安全限以内,而且仓是密闭的所 以湿度变化不明显,所以湿度的升高可能性极小。测量过程是先温度后湿度与 CO 2 浓度的顺 序。首先对温度进行采样,每个温度点采样 5 次,计算平均值作为采样值送入显示和存储的 相应单元进行存储和传感器的编号和温度的显示,然后判断温度是否超过设定温度,如果温 度超标则报警并根据传感器的位置判断启动通风设备或加热设备,如果不超标就继续检测下 一个点的温度,直到整个粮仓的温度全部测量完成,然后计算和显示仓的平均温度。然后对 各个点的湿度进行测量并且显示,也是按照每个点测量 5 次然后取平均值的方法计算,来减 少干扰因素带来的误差,各个点的湿度测量完成后计算并显示仓的平均湿度。同样与设定的 参考值(如 CO 2 浓度等)比较如果超标就报警,并且起动风扇进行通风处理。然后系统返回 再进行温度和湿度的巡回测量和显示。

2.4 系统布局

粮仓立柱局部结构图

立柱设计为内外双层结构。外层固定一个直径略大于该立柱的网孔立柱,用于防止粮食 进入立柱上的通风口以及避免粮食对立柱转动产生阻力。网孔立柱内侧设置通风槽和温湿度 检测节点。该系统采用的立柱式鼓风通道可以精确控制通风立柱的转向,从而实现智能通风。 当温度传感器节点检测到粮仓内部某处因粮食霉变或虫蛀等原因使温度异常而需要通风时, 监控中心自动远程控制步进电机,从而带动内层立柱转动,使立柱上的通风槽对准温度异常 方位进行精确通风。直至温度正常后,自动停止通风。 2.4.1 温湿度等传感器布置 传感器节点的选择和布局目前,我国各大粮仓大多采用电缆内部安装热电偶和热电阻等 测温元件,测温元件随电缆竖直插入粮食内部,传感器的安装费时费力,测量精度不高。本 系统采用的传感器,接线简单,使用方便,适用于各种狭小空间设备数字测温和控制领域。 其在与微处理器连接时,可实现微处理器与之的双向通讯,并支持多点组网功能,实现多点 测温测湿。因此,可以有效实现本系统功能,方便、准确地读取数据信息。依据国家标准, 粮温传感器的密度为仓内水平方向不大于5m,垂直方向不大于1.2m。CO2传感器,湿度 传感器可均匀分布各点进行测量,为方便操作,温湿度传感器,CO2传感器均布置在一点。本 系统在每个立柱的竖直方向均匀布置3层传感器,每层放置3个且各自相差120°的节点,与 之连接的传感器引伸至立柱外,直接检测粮食温度参数。水浸传感器是基于液体导电原理, 用电极探测是否有水存在,再用传感器转换成干接点输出,水浸传感器安装在水流向的地方, 低水位地方。烟雾传感器根据检测的烟雾浓度来判断是否发生火灾,能做到及时监测火灾发 生分布安装在房间的顶部。 红外线传感器可以对侵入粮仓的老鼠等入侵物进行检测进行检测, 分布安装在粮仓底部四周。

2.4.2 粮仓压力传感器布置 由于粮食数量巨大,价格低,要求粮堆数量在线检测设备成本低、简单方便。因此,传 感器的布置应满足:1)经济性原则,即传感器数量应尽可能少。2)可行性原则,满足通常进 粮方式的要求,方便出进粮并避免损坏传感器。基于这些考虑,本项目提出的粮仓底面侧面 压力传感器布置模型如图所示。

压力传感器布置模型图

对于如图所示的粮仓底面压力传感器布置,各传感器距侧面墙距离 d 应相等,以便于侧 面摩擦力作用的补偿,扩大粮仓数量检测模型的适用范围;在保证不影响粮仓进粮等操作的 情况下,传感器距侧面墙距离 d 应尽可能大,以尽可能降低其临近侧面摩擦力作用。由于粮 仓宽度一般在 7 m 左右,因此 d=2 一 3.5 m 为妥。各个传感器间距应不小于 2 m,以便于消 除底面压强的随机性。传感器应尽可能远离进粮口,以避免进粮冲击造成传感器损坏,降低 传感器输出值的波动。对于图示的粮仓侧面压力传感器布置,压力传感器按 2 列多行布置, 应尽可能远离进粮口,列间距 L 应大于 1.5 m,各行依装粮高度沿上下均匀分布,行间距 h 应大于 1.5 m,以便于消除底面压强的随机性。底部压力传感器距地面为 h/2,顶部压力传感 器距粮堆顶部应大于 1 m,以保证侧面压强检测的有效性。

2.5 模拟量数字量的输入输出
各传感器经过检测模拟信号将其转化为电压信号从而传送给微处理器处理其输入输出如 下表: AI 温度 湿度 CO2 气体烟雾 压力 红外线 DO 电压 电压 电压 电压 电压 电压

2.6 系统模块
2.6.1 转换器模块 为了把温度、湿度等量检测电路测出的模拟信号转换成数字量送 CPU 处理,本系统选用 了双积分 A/D 转换器 MC14433。它精度高,分辨率达 1/1999。由于 MC14433 只有一路输入, 而本系统检测的多路温度与湿度信号输入,故选用多路选择电子开关,可输入多路模拟量。 MC14433 A/D 转换器由于双积分方法二次积分时间比较长,所以 A/D 转换速度慢,但精度可 以做得比较高;对周期信号变化的干扰信号积分为零,抗干扰性能也比较好。 目前,国内外双积分 A/D 转换器集成电路芯片很多,大部分是用于数字测量仪器上。常 用的有 3.5 位双积分 A/D 装换器 MC14433 和 4.5 位双积分 A/D 转换器 ICL7135 MC14433 是三位半双积分型的 A/D 转换器,具有精度高,抗干扰性能好的优点,其缺点 是转换速率低,约 1—10 次/秒。在不要求高速转换的场合,例如,在低速数据采集系统中,

被广泛采用。MC14433A/D 转换器与国内产品 5G14433 完全相同,可以互换。MC14433A/D 转换 器的被转换电压量程为 199.9mV 或 1.999V。转换完的数据以 BCD 码的形式分四次送出。是转 换速率低,约 1—10 次/秒。在不要求高速转换的场合,例如,在低速数据采集系统中,被广 泛采用。MC14433A/D 转换器与国内产品 5G14433 完全相同,可以互换。MC14433A/D 转换器的 被转换电压量程为 199.9mV 或 1.999V。转换完的数据以 BCD 码的形式分四次送出。

Q0---Q3: BCD 码输出线。其中 Q0 为最低位,Q3 为最高位。当 DS2、DS3 和 DS4 选通期间, 输出三位完整的 BCD 码数,但在 DS1 选通期间,输出端 Q0-------Q3 除了表示个位的 0 或 1 外,还表示了转化值的正负极性和欠量程还是过量程。 Q3 表示 1/2 位,Q3=“0”对应 1,反之对应 0。 Q2 表示极性,Q2=“1”为正极性,反之为负极性。 Q0=“1”表示超量程:当 Q3=“0”时,表示过量程;当 Q3=“1”时,表示欠量程; 2.6.2 控制器模块 MCP2515 是 Microchip 公司的一款独立 CAN 控制器,完全支持 CAN V2.0B 技术 规范。 该器件能发送和接收标准和扩展数据帧以及远程帧。MCP2515 自带的两个验收 屏蔽寄存器和 六个验收滤波寄存器可以过滤掉不想要的报文,因此减少了主单片机( MCU)的管理负担。 MCP2515 与 MCU 的连接是通过业界标准串行外设接口来实现的。MCP2515 的操作简单,使用方 便,可以简化需要与 CAN 总线连接的应用。

MCP2515 的结构框图

MCP2515 该器件主要由三个部分组成: (1)CAN 模块,包括 CAN 协议引擎、验收滤波寄存器、验收屏蔽寄存器、发送 和接收缓冲器; (2)用于配置该器件及其运行的控制逻辑和寄存器; (3)SPI 协议; 单片机通过 MCP2515 的 SPI 接口与 CAN 总线通信,将采集到的数据发送到 MCP2515,进 而再发送到 CAN 总线。对于接收数据,则采用中断方式。一旦中断发生,即将接收的数据自动 装载到相应的报文寄存器中。此时还可利用屏蔽滤波寄存器对接收报文的标识符和预先在接 收缓冲器初始化时设定的标识符进行有选择的逐位比较,只有标识符匹配的报文才能进入接 收缓冲器。从而使下位机以单片机为智能控制器,在粮仓温湿度控制系统中,通过温湿度传 感器来采集粮仓内的温度、湿度,经过单片机处理后发出信号,控制风机、加湿器、去湿器 的打开和关闭,以达到自动调节的功能。 TJA1050 是 CAN 控制器和物理总线之间的接口。 TJA1050 可以为总线提供不同的发送性能, 为 CAN 控制器提供不同的接收性能。 TJA1050 是 PCA82C250 高速 CAN 收发器的后继产品。 所做 的改进为: CANH 和 CANL 理想配合, 使电磁辐射减到更低; 在有不上电节点时, 性能有所改进。 TJA1050 内部功能框图如下图所示。

上位机管理采用普通 PC 机,通过 USB-CAN 转换模块与现场 CAN 总线相连,主要 负责 参数设定,数据的处理、保存和显示,以及对下位监控机的管理等功能。USB-CAN 转换模块 是系统中的重要部分,它的性能如何将直接影响着本系统的工作品质。 USB-CAN 转换模块带有 USB2.0 接口和 1 路 CAN 接口,USB2.0 接口的最高传输 速率 可达 12MB/s,并且支持双向数据传输,完全满足 CAN 总线的传输波特率的范围及 传输方向 要求。可进行收、发双向透传。主要特点:传输协议非常简洁、透明,支持进 行二次开发。 USB 虚拟串口,可以在各种操作系统下,像使用普通串口一样方便地使用。USB-CAN 转换模 块的内部结构框图和实物图分别如下图所示。

USB-CAN 结构图

系统中,单片机通过 SPI 接口控制 MCP2515,将要发送的数据转化成特定格式(标准和 扩展数据帧或远程帧)发送到 CAN 总线上进而传给上位机,同时从 CAN 总线上读取上位机发 来的数据,通过设置验收屏蔽寄存器和验收滤波寄存器,由选择性地接收上位机发给该智能 节点的数据。使用时,只需要对 MCP2515 某些寄存器进行设置,光电耦合和高速 CAN 收发器 对用户是透明的,操作简单。

2.7 系统模块连接
2.7.1 MC14433 与 AT89S51 单片机的接口设计 由于 MC14433 的 A/D 转换结果是动态分时输出的 BCD 码,Q0~Q3HE DS1~DS4 都不是总 线式的。因此,MCS-51 单片机只能通过并行 I/O 接口或扩展 I/O 接口与其相连。对于 8031 单片机的应用系统来说,MC14433 可以直接和其 P1 口或扩展 I/O 口 8155/8255 相连。下面是 MC14433 与 AT89S51 单片机 P1 口直接相连的硬件接口,接口电路如图 3.13 所示(J1 为网络 接口,接单片机 P1 口)。

MC14433 与 8031 单片机 P1 口直接相连的硬件接口

2.7.2 报警电路 计算机采集的数据或记过计算机进行数据处理、数字滤波,标度变换之后,与该参数上 下限给定值进行比较,如果高于上限值(或低于下限值)则进行报警,否则就作为采样的正 常值,进行显示和控制。 本设计采用峰鸣音报警电路。 峰鸣音报警接口电路的设计只需购买市售的压电式蜂鸣器, 然后通过 AT89S51 的 1 根口线经驱动器驱动蜂鸣音发声。 压电式蜂鸣器约需 10mA 的驱动电流, 可以使用 TTL 系列集成电路 7406 或 7407 低电平驱动,也可以用一个晶体三极管驱动。在图 中,P3.2 接晶体管基极输入端。当 P3.2 输出高电平“1”时,晶体管导通,压电蜂鸣器两端 获得约+5V 电压而鸣叫;当 P3.2 输出低电平“0”时,三极管截止,蜂鸣器停止发声。图 3.19 是一个简单的使用三极管驱动的峰鸣音报警电路:

峰鸣音报警电路

本设计是为在温湿度测量中对温湿度的上下限超出是的提示报警,接口位于单片机 AT89S51 的 P3.2 口,但温湿度过限时,P3.2 口被置 0,本系统开始工作。 2.7.3 AT89S51 与分站,分站与 PC 连接通信电路 粮仓中测控器与分站单片机之间通信采用 CAN 总线通信,AT89S51 通过 CAN 总线将各探 测器数据上传至分站单片机中。

单片机与分站通信电路

分站与 PC 机联机通信电路

2.8 框图
2.8.1 系统框图(以温湿度为例)
PC 上位机 CAM 分站 0# CAN 测 控 器 0# N# 湿度 温度 风扇 粮仓 0#

湿度 测 控 器 温度 风扇 粮仓 N#

湿度 CAN 测 控 器 温度 风扇 粮仓 N#

N#

分站
N#

湿度 测 控 器 温度 风扇 粮仓 N# N#

2.8.2 粮仓框图

测控器 A/D 转换器 单片机 分站 数据存储器 扩展 多 路 模 拟 开 关 湿度传感器 单元 温度传感器 单元

风扇 单元

2.8.3 系统原理图(以温湿度为例)

传感器

三.预期目标
此粮仓存储环境品质测控系统,着眼于通过应用 CAN 总线通信网络的方式满足减少建设 和维护成本的要求,实现全部粮仓的存储环境品质信息采集,通过 CAN 总线汇总于粮仓控制 室,并允许由粮仓控制室发送相关命令完成相应的控制功能。使工作人员在控制室就可以实 时掌握各仓室的温度、湿度、 CO 2 等实时信息,并远程发送通风命令加以干预,以此减少粮 仓运营中为维持粮食质量付出的人力和财力,提高粮食存储的效益。对粮食存储环境,本系 统信息采集传感器使用的是智能温度传感器 DS18B20, 变容式相对湿度传感器 HS1101, CPS181 干式陶瓷压力传感器以及高分辨率红外传感器 Prime2,此传感器与以 AT89S51 芯片为核心的 系统共同组成了信息采集的硬件电路。

四.成本分析
序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 设备名称 数量 型号 报价 6-12 元 9元 1-4 元 1-3 元 2-4 元 5-10 元 8-10 元 5元 8-10 元 15-20 元 15-20 元 5-10 元 6 元/米

温度传感器 湿度传感器 压力传感器
CO 2 传感器

若干 若干 若干 若干 若干 若干 若干 若干 若干 若干 若干 若干

DS18B20 HS1101 CPS181 NDIR RE200B MQ-2 VEC-A-10 AT89S51 单片机 MC14433 TSK-TG101 LTM8701-TR MCP2515

红外传感器 烟雾传感器 水浸传感器 控制器 A/D 转换器 压力变送器 温湿度变送器 CAN 控制器
CAN 总线


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