糧食存儲(chǔ)環(huán)境品質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、現(xiàn)代檢測(cè)技術(shù)大型作業(yè)（2014/2015學(xué)年第1學(xué)期）課題名稱 糧食存儲(chǔ)環(huán)境品質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 院（系） 自動(dòng)化工程學(xué)院 專 業(yè) 小組成員 時(shí) 間 指導(dǎo)老師 1 設(shè)計(jì)背景及意義“國(guó)以民為本，民以食為天”，“兵馬未動(dòng)，糧草先行”，這些都充分說(shuō)明糧食對(duì)國(guó)家的重要性。儲(chǔ)糧是為了防備戰(zhàn)爭(zhēng)、保證非農(nóng)業(yè)人口的糧食消費(fèi)需求、調(diào)節(jié)國(guó)內(nèi)糧食供求平衡、穩(wěn)定糧食市場(chǎng)價(jià)格、應(yīng)對(duì)重大自然災(zāi)害及其它突發(fā)性事件而采取的有效措施。因此，糧食的科學(xué)儲(chǔ)藏具有重要的戰(zhàn)略意義和經(jīng)濟(jì)意義。我國(guó)是世界上最大的糧食生產(chǎn)、儲(chǔ)藏及消費(fèi)大國(guó)，糧食儲(chǔ)藏是國(guó)家為防備戰(zhàn)爭(zhēng)、災(zāi)荒及其他突發(fā)性事件而采取的有效措施，因此糧食的安全儲(chǔ)藏是關(guān)系到國(guó)計(jì)民生的戰(zhàn)略大

2、事。在糧食的儲(chǔ)藏的過(guò)程中，由于糧倉(cāng)溫濕度異常而造成糧食變質(zhì)，帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)損失是驚人的。糧食在貯藏過(guò)程中，會(huì)因?yàn)槭軠囟?、濕度、氧氣、微生物及昆蟲(chóng)等因素的影響，從而造成其質(zhì)量的不良改變。目前我國(guó)許多糧食倉(cāng)儲(chǔ)單位采用測(cè)溫儀器與人工抄錄、管理相結(jié)合的傳統(tǒng)方法，消耗了大量的人力和財(cái)力，并且效果不佳，發(fā)霉變質(zhì)等現(xiàn)象大量存在。因此設(shè)計(jì)糧食儲(chǔ)存品質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可以提高工作效率，實(shí)現(xiàn)糧倉(cāng)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，是倉(cāng)儲(chǔ)單位亟待解決的重要問(wèn)題。糧食在貯藏過(guò)程中，會(huì)因?yàn)槭軠囟?、濕度、壓力、微生物及昆蟲(chóng)等因素的影響，從而造成其質(zhì)量的不良改變。對(duì)糧食貯藏過(guò)程中的影響參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、分析，是保障糧食儲(chǔ)存品質(zhì)的有效手段。在此，通過(guò)采用

3、CAN總線的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對(duì)影響糧食貯藏過(guò)程中的參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集、分析，當(dāng)發(fā)現(xiàn)不良變化時(shí)，能夠及時(shí)發(fā)出預(yù)警信息，保證糧食儲(chǔ)存的安全。糧食儲(chǔ)存品質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是利用現(xiàn)場(chǎng)的前沿機(jī)檢測(cè)糧食儲(chǔ)備庫(kù)中糧食的基本情況，并結(jié)合其他糧情信息（如入倉(cāng)時(shí)間、品種、倉(cāng)型、天氣狀況等）進(jìn)行綜合分析，然后通過(guò)控制電機(jī)啟停，達(dá)到對(duì)相應(yīng)參數(shù)的控制。利用監(jiān)控室的上位機(jī)對(duì)糧倉(cāng)進(jìn)行監(jiān)控，用戶可方便地構(gòu)造自己需要的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，在任何時(shí)候把糧倉(cāng)現(xiàn)場(chǎng)的信息實(shí)時(shí)地傳到控制室，管理人員不需要深入現(xiàn)場(chǎng)，就可以按照所需的要求對(duì)糧倉(cāng)內(nèi)的情況進(jìn)行控制，還可以查看歷史數(shù)據(jù)，優(yōu)化現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)，提高了生產(chǎn)效率，增強(qiáng)了國(guó)家糧食儲(chǔ)備安全水平，以獲得實(shí)時(shí)糧倉(cāng)管理，實(shí)

4、現(xiàn)自動(dòng)化、智能化，為實(shí)現(xiàn)我國(guó)糧倉(cāng)管理現(xiàn)代化更近了一步。二設(shè)計(jì)內(nèi)容2.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)規(guī)劃 影響糧庫(kù)儲(chǔ)糧安全性的參數(shù)主要有糧堆溫度、濕度、壓力和等，及時(shí)監(jiān)測(cè)這些參數(shù)、準(zhǔn)確分析這些參數(shù)的變化并及時(shí)采取相應(yīng)處理措施，對(duì)于提高倉(cāng)儲(chǔ)質(zhì)量、減少糧食損耗具有重要意義。這里我們采用分布式監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，主要分為上位機(jī)和下位機(jī)兩部分。而上位機(jī)按功能分由現(xiàn)場(chǎng)上位監(jiān)控管理機(jī)，遠(yuǎn)程監(jiān)控管理機(jī)和CAN通訊適配器組成，下位機(jī)則由CAN節(jié)點(diǎn)和現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)采集和控制組成。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu) CAN總線（Controller Area Network）即控制器局域網(wǎng)，由德國(guó)BOSCH公司20世紀(jì)80年代推出，是國(guó)際上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場(chǎng)總線之一。

5、CAN 具有下列主要特性：多主站依據(jù)優(yōu)先權(quán)進(jìn)行總線訪問(wèn)；無(wú)破壞性的基于優(yōu)先權(quán)的仲裁；借助接收濾波的多地址幀傳送；全系統(tǒng)數(shù)據(jù)相容性；廢除了常用的地址編碼，而代之以對(duì)通信數(shù)據(jù)塊進(jìn)行編碼；可靠的錯(cuò)誤處理和檢錯(cuò)機(jī)制，極強(qiáng)的錯(cuò)誤檢測(cè)能力，發(fā)送期間若丟失仲裁或由于出錯(cuò)而遭破壞的幀可自動(dòng)重發(fā)送；暫時(shí)錯(cuò)誤和永久性故障節(jié) 點(diǎn)的判別以及故障節(jié)點(diǎn)的自動(dòng)脫離；可以根據(jù)用戶的需要，改變總線上分機(jī)的數(shù)量，理論上可連無(wú)數(shù)個(gè)分機(jī)；CAN總線的接收數(shù)據(jù)長(zhǎng)度最多為 8個(gè)字節(jié)，因而不存在占用總線時(shí)間過(guò)長(zhǎng)的問(wèn)題，可以保證通信的實(shí)時(shí)性。從而確保系統(tǒng)的可靠運(yùn)行?？紤]到 CAN 總線技術(shù)具有先進(jìn)的多主網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和通信距離遠(yuǎn)、成本低、可靠性高

6、、系統(tǒng)容量大、安裝方便、維護(hù)費(fèi)用低、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)，用在庫(kù)區(qū)較大、倉(cāng)庫(kù)分布較分 散的大型糧倉(cāng)的溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)是一種合理而新穎的嘗試。數(shù)據(jù)采集服務(wù)器主要完成監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置、糧庫(kù)的狀態(tài)查詢、數(shù)據(jù)處理、糧情分析和報(bào)表打印等功能。同時(shí)，該服務(wù)器與Internet網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，各職能管理部門通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)可以在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)瀏覽數(shù)據(jù)信息，為管理部門的決策提供依據(jù)。智能節(jié)點(diǎn)由微控制器、數(shù)據(jù)采集電路和CAN總線接口電路構(gòu)成。智能節(jié)點(diǎn)不僅要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)糧庫(kù)內(nèi)各個(gè)測(cè)試點(diǎn)的溫度、濕度、壓力等信息，并保存和顯示結(jié)果。還要根據(jù)數(shù)據(jù)采集服務(wù)器的要求上傳數(shù)據(jù)。CAN/USB轉(zhuǎn)換器負(fù)責(zé)把數(shù)據(jù)采集服務(wù)器的數(shù)據(jù)，通過(guò)USB接口

7、的輸出命令轉(zhuǎn)換成CAN總線數(shù)據(jù)格式后，下傳到CAN總線;或者將智能節(jié)點(diǎn)通過(guò)CAN總線上傳的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成USB數(shù)據(jù)格式后，再送到數(shù)據(jù)采集服務(wù)器。2.2 系統(tǒng)功能下位機(jī)節(jié)點(diǎn)通過(guò)一定時(shí)間間隔把含有地址，溫度，濕度，壓力等數(shù)據(jù)量的報(bào)文向CAN總線發(fā)送，總線通過(guò)自身仲裁確定先把優(yōu)先級(jí)最高的數(shù)據(jù)放到總線上，然后自動(dòng)仲裁依次發(fā)送低優(yōu)先級(jí)的報(bào)文到CAN總線。由于CAN總線的信息存取利用了廣播式的存取工作方式，報(bào)文可以在任何時(shí)候由任何節(jié)點(diǎn)發(fā)送到空閑的總線上，每個(gè)節(jié)點(diǎn)的CAN總線接口接收總線上出現(xiàn)的所有信息，通過(guò)每個(gè)節(jié)點(diǎn)的報(bào)文濾波和地址匹配，只有上位機(jī)能實(shí)現(xiàn)所有報(bào)文的接收。同時(shí)上位機(jī)可隨時(shí)發(fā)送信息到CAN總線，只有

8、地址匹配的節(jié)點(diǎn)才能收到信息。同時(shí)通過(guò)這種方式實(shí)現(xiàn)糧庫(kù)的參數(shù)反饋控制。2.2.1 智能節(jié)點(diǎn)原理智能節(jié)點(diǎn)溫度、濕度、壓力、水、煙霧、入侵物:控制電路采用單總線數(shù)據(jù)通信方式。它采用單根信號(hào)線完成數(shù)據(jù)的雙向傳輸，具有節(jié)省I/0引腳資源、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、便于總線擴(kuò)展和維護(hù)。溫度檢測(cè)采用單總線數(shù)字溫度傳感器DS18B20，它不僅能直接輸出串行數(shù)字信號(hào)，而且具有微型化、低功耗、高性能，易于微處理器連接和抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。傳感器檢測(cè)到的濕度、壓力、水、煙霧、入侵物:信號(hào)經(jīng)過(guò)調(diào)理電路處理后，可以通過(guò)單總線A/D轉(zhuǎn)換模塊(DS2450)輸出的串行數(shù)字信號(hào)與單總線數(shù)字溫度傳感器DS18B20輸出的串行數(shù)字信號(hào)

9、使用同一線路連接，這樣可以大大簡(jiǎn)化布線的難度。智能節(jié)點(diǎn)控制電路結(jié)構(gòu)圖2.2.2 CAN節(jié)點(diǎn)的組成2.3 元件選型2.3.1傳感器選型1.溫度傳感器低溫儲(chǔ)藏使糧食的呼吸活動(dòng)大大減弱，可延緩糧食的陳化，保持糧食的新鮮度并降低儲(chǔ)糧自然減量損失。糧食在10時(shí)儲(chǔ)藏，由于呼吸產(chǎn)生的干物質(zhì)損失要比在20和30時(shí)儲(chǔ)藏分別少4倍和15倍。當(dāng)糧溫達(dá)到13時(shí)，害蟲(chóng)的繁殖和活動(dòng)就基本停止，糧溫降至10時(shí)完全停止，因此低溫儲(chǔ)藏可以避免糧食遭受蟲(chóng)害而造成的損失。DS18B20是美國(guó)DALLAS半導(dǎo)體公司繼DS1820之后最新推出的一種改進(jìn)型智能溫度傳感器。與傳統(tǒng)的熱敏電阻相比，他能夠直接夠直接讀出被測(cè)溫度并且可根據(jù)實(shí)際要

10、求通過(guò)簡(jiǎn)單的編程實(shí)現(xiàn)912位的數(shù)字值讀數(shù)方式。可以分別在93.75ms和750ms內(nèi)完成9位和12位的數(shù)字量，并且從DS18B20讀出的信息或?qū)懭隓S18B20的信息僅需要一根口線（單線接口）讀寫,溫度變換功率來(lái)源于數(shù)據(jù)總線，總線本身也可以向所掛接的DS18B20供電，而無(wú)需額外電源。因而使用DS18B20可使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更趨簡(jiǎn)單，可靠性更高。他在測(cè)溫精度、轉(zhuǎn)換時(shí)間、傳輸距離、分辨率等方面較DS1820有了很大的改進(jìn)，給用戶帶來(lái)了更方便的使用和更令人滿意的效果。主要特點(diǎn)：(1)獨(dú)特的單線接口方式：DS18B20與微處理器連接時(shí)僅需要一條口線即可實(shí)現(xiàn)微處理器與DS18B20的雙向通訊；(2)在使用中

11、不需要任何外圍元件；(3)可用數(shù)據(jù)線供電，電壓范圍：+3.0+5.5V；(4)測(cè)溫范圍：-55+125。固有測(cè)溫分辨率為0.5；(5)通過(guò)編程可實(shí)現(xiàn)912位的數(shù)字讀數(shù)方式；(6)用戶可自設(shè)定非易失性的報(bào)警上下限值；(7)多個(gè)DS18B20可以并聯(lián)在惟一的三線上，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測(cè)溫；(8)負(fù)壓特性，電源極性接反時(shí)，溫度計(jì)不會(huì)因發(fā)熱而燒毀，但不能正常工作；2.濕度傳感器糧食在通常儲(chǔ)藏過(guò)程中，含水量一般在12%以下為安全狀態(tài)，不會(huì)產(chǎn)生溫度突變，一旦糧倉(cāng)進(jìn)水、結(jié)露等使糧食的含水量達(dá)到20%以上時(shí)，由于糧粒受潮，胚芽萌發(fā)，新陳代謝加快而產(chǎn)生呼吸熱，使局部糧食溫度突然升高，必然引起糧食“發(fā)燒”和霉變，并可能形成

12、連鎖反應(yīng)，從而造成不可挽回的損失。常溫下稻谷儲(chǔ)藏的安全水分是13.514%。測(cè)量空氣濕度的方式很多，其原理是根據(jù)某種物質(zhì)從其周圍的空氣吸收水分后引起的物理或化學(xué)性質(zhì)的變化，間接地獲得該物質(zhì)的吸水量及周圍空氣的濕度。電容式、電阻式和濕漲式濕敏原件分別是根據(jù)其高分子材料吸濕后的介電常數(shù)、電阻率和體積隨之發(fā)生變化而進(jìn)行濕度測(cè)量的。下面 介紹HS1100/HS1101濕度傳感器及其應(yīng)用。濕度檢測(cè)采用HS1101型濕度傳感器，HS1101是HUMIREL公司生產(chǎn)的變?nèi)菔较鄬?duì)濕度傳感器，HS1101 濕敏電容是基于獨(dú)特工藝設(shè)計(jì)的電容元件。主要特點(diǎn)：(1)高精度：±2%RH，極好的輸出線性；(2)

13、寬量程：199%RH，寬工作溫度-40100；(3)濕度輸出受溫度影響小，常溫使用不需溫度補(bǔ)償；(4)響應(yīng)速度快：5秒；浸水或結(jié)露后迅速恢復(fù)10秒；(5)抗靜電，防灰塵，有效抵抗各種腐蝕性物質(zhì)；(6)長(zhǎng)期穩(wěn)定性可靠性好：0.5%RH/年；3.壓力傳感器糧倉(cāng)儲(chǔ)糧數(shù)量是國(guó)家糧食數(shù)量安全及糧食庫(kù)存檢查的一項(xiàng)重要內(nèi)容?，F(xiàn)有的糧倉(cāng)儲(chǔ)糧數(shù)量檢測(cè)方法主要包括稱重法和測(cè)量計(jì)算法，稱重法效率低、工作量大、成本高，難以廣泛應(yīng)用，而測(cè)量計(jì)算法具有較大的不確定性，因此開(kāi)發(fā)方便"快捷"準(zhǔn)確的國(guó)家糧食儲(chǔ)藏?cái)?shù)量監(jiān)測(cè)技術(shù)勢(shì)在必行。針對(duì)糧倉(cāng)壓強(qiáng)分布的隨機(jī)性，利用對(duì)糧堆底面和側(cè)面壓力的測(cè)量從而得出糧倉(cāng)儲(chǔ)量數(shù)量

14、的檢測(cè)方法是可行的。 CPS181是采用陶瓷材料經(jīng)特殊工藝精制而成的干式陶瓷壓阻壓力傳感器，陶瓷是一種公認(rèn)的高彈性、抗腐蝕、抗磨損、抗沖擊和振動(dòng)的材料。陶瓷的熱穩(wěn)定特性及它的厚膜電阻可以使它的工作溫度范圍高達(dá)-40135，而且具有測(cè)量的高精度、高穩(wěn)定性。電氣絕緣程度>2kV，輸出信號(hào)強(qiáng)，長(zhǎng)期穩(wěn)定性好。高特性，低價(jià)格的陶瓷傳感器將是壓力傳感器的發(fā)展方向，在歐美國(guó)家有全面替代其它類型傳感器的趨勢(shì)，在中國(guó)也越來(lái)越多的用戶使用陶瓷傳感器替代擴(kuò)散硅壓力傳感器。CPS181干式陶瓷壓力傳感器被廣泛地應(yīng)用在：過(guò)程控制、環(huán)境控制、液壓和氣動(dòng)設(shè)備、伺服閥門和傳動(dòng)、化學(xué)制品和化學(xué)工業(yè)及醫(yī)用儀表等眾多領(lǐng)域。它

15、的尺寸小，直徑18mm，量程范圍1600bar，價(jià)格低，被廣泛的應(yīng)用在各種測(cè)量壓力的場(chǎng)合。主要特點(diǎn)：(1) 堅(jiān)固的陶瓷敏感膜片、卓越的抗腐蝕、抗磨損性能；(2) 高精度、高穩(wěn)定性；(3) 寬的工作溫度范圍：-40135；(4) 體積小巧，易封裝，尺寸：18×5.25×8.05mm；(5) 量程范圍：100kPa60Mpa；(6) 綜合誤差(包括：線性、遲滯、重復(fù)性)：0.20.4FS%；(7) 零點(diǎn)輸出：0±0.2mV，滿量程輸出：2.04.8mV；4. 傳感器氣體濃度監(jiān)側(cè)試驗(yàn)研究小麥自身呼吸及昆蟲(chóng)和霉菌活動(dòng)產(chǎn)生氣體的特點(diǎn)。結(jié)果表明安全水分小麥呼吸水平較低，6個(gè)月

16、中檢側(cè)的濃度最高值僅為0.06%。昆蟲(chóng)活動(dòng)可顯著提高糧堆中的氣體濃度；另外發(fā)現(xiàn)安全水分的糧食自身呼吸作用微弱，產(chǎn)生氣體量很少，不會(huì)影響蟲(chóng)霉活動(dòng)的監(jiān)測(cè).當(dāng)糧堆中有昆蟲(chóng)或霉菌進(jìn)行生長(zhǎng)活動(dòng)時(shí)，不僅在生長(zhǎng)部位可檢測(cè)到氣體濃度的顯著升高，其產(chǎn)生的氣體還可以通過(guò)擴(kuò)散作用，快速向周邊傳導(dǎo)，可以在蟲(chóng)霉活動(dòng)點(diǎn)以外的部位檢測(cè)到氣體濃度的變化。因此，可以通過(guò)在糧堆中設(shè)置適當(dāng)?shù)谋O(jiān)測(cè)點(diǎn)，準(zhǔn)確、靈敏地監(jiān)測(cè)糧堆中的蟲(chóng)霉活動(dòng)。與糧堆側(cè)溫方法相比，當(dāng)模擬霉變點(diǎn)的溫度隨著霉菌的活動(dòng)升高16時(shí)，水平相距1 m和2m的部位未檢側(cè)到溫度的顯著變化(p>0.05)。因此，在糧倉(cāng)中采用側(cè)定氣體的方法監(jiān)側(cè)蟲(chóng)霉活動(dòng)可顯著提高監(jiān)

17、側(cè)靈敏度。紅外傳感器利用非色散紅外（NDIR）原理對(duì)空氣中存在的進(jìn)行探測(cè)，具有很好的選擇性，無(wú)氧氣依賴性，廣泛應(yīng)用于存在可燃性、爆炸性氣體的各種場(chǎng)合。英國(guó)Clairair公司高分辨率紅外傳感器Prime2傳感器利用 NDIR技術(shù)檢測(cè)氣體濃度。該傳感器內(nèi)部有一個(gè)紅外光源，一個(gè)雙元件紅外探測(cè)器，一個(gè)獨(dú)特的光波導(dǎo)讓氣體擴(kuò)散進(jìn)去，ARM7內(nèi)核微處理器，輸出電壓與電源極性無(wú)關(guān)。內(nèi)部的集成電路可以實(shí)現(xiàn)的功能如驅(qū)動(dòng)光器件，提取檢測(cè)信號(hào)，把信號(hào)強(qiáng)度轉(zhuǎn)化為濃度，進(jìn)行溫度補(bǔ)償和量化輸出值等。在催化燃燒配置時(shí)，Prime2可以在滿足電源供電要求的條件下，不改變電路并完全替代催化燃燒傳感器。當(dāng)Prime2用于恒流催化

18、燃燒電路時(shí)，外圍元件需要滿足電源要求。主要特點(diǎn)：(1)工作不受供電極性影響；(2)線性電壓輸出或模擬催化燃燒電橋輸出；(3)工作電壓范圍 3.0V-5.0V；(4)工作電流典型值為 80mA；(5)最新的 MEMS 探測(cè)器技術(shù)；(6)量程：從0-5000ppm到0-10%Vol；(7)全金屬結(jié)構(gòu)，絕緣外殼；(8)體積?。?9)靈活的電路訪問(wèn)設(shè)置；(10)用戶可以通過(guò)硬件連接進(jìn)行標(biāo)定；(11)寬溫度工作范圍；(12)快速響應(yīng)；5.紅外傳感器 紅外傳感器是將紅外輻射轉(zhuǎn)換為電能的裝置是利用紅外線來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的一種傳感器，有靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，紅外線傳感器可以控制驅(qū)動(dòng)裝置的運(yùn)行。利用紅外線的物理性質(zhì)來(lái)進(jìn)

19、行測(cè)量的傳感器。紅外線又稱紅外光，它具有反射、折射、散射、干涉、吸收等性質(zhì)。任何物質(zhì)，只要它本身具有一定的溫度（高于絕對(duì)零度），都能輻射紅外線。紅外線傳感器測(cè)量時(shí)不與被測(cè)物體直接接觸，因而不存在摩擦，并且有靈敏度高，反應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)。紅外測(cè)距傳感器利用紅外信號(hào)遇到障礙物距離的不同反射的強(qiáng)度也不同的原理，進(jìn)行障礙物遠(yuǎn)近的檢測(cè)。紅外測(cè)距傳感器具有一對(duì)紅外信號(hào)發(fā)射與接收二極管，發(fā)射管發(fā)射特定頻率的紅外信號(hào)，接收管接收這種頻率的紅外信號(hào)，當(dāng)紅外的檢測(cè)方向遇到障礙物時(shí)，紅外信號(hào)反射回來(lái)被接收管接收，經(jīng)過(guò)處理之后，通過(guò)數(shù)字傳感器接口返回到中央處理器主機(jī)，中央處理器即可利用紅外的返回信號(hào)來(lái)識(shí)別周圍環(huán)境的變化。在

20、糧倉(cāng)里可以用來(lái)探測(cè)掃描一定范圍內(nèi)的物體活動(dòng)情況（如鼠害等）。 RE200B采用TO-5封裝形式，正常工作直流電壓3-10V；信號(hào)輸出電壓最小值2.5V，典型值4V；噪聲輸出電壓最大250mV, 典型值90 mV, 頻率響應(yīng)0.3Hz3Hz, 增益±10Bb。該傳感器探測(cè)范圍平視角138度，仰視角125度。在傳感器前安裝菲涅爾透鏡可以增大探測(cè)范圍, 增強(qiáng)傳感器工作的穩(wěn)定性。此傳感器工作在714um的紅外光譜之間。正常工作周圍環(huán)境溫度范圍- 300700, 儲(chǔ)存溫度-400800。6.煙霧傳感器 煙霧傳感器就是通過(guò)監(jiān)測(cè)煙霧的濃度來(lái)實(shí)現(xiàn)火災(zāi)防范的煙霧報(bào)警器內(nèi)部采用離子式煙霧傳感離子式煙霧傳

21、感器是一種技術(shù)先進(jìn)工作穩(wěn)定可靠的傳感器被廣泛運(yùn)用到各種消防報(bào)警系統(tǒng)中性能遠(yuǎn)優(yōu)于氣敏電阻類的火災(zāi)報(bào)警器。在糧倉(cāng)監(jiān)控系統(tǒng)中用于探測(cè)火災(zāi)或不明煙塵。 MQ-2氣體傳感器所使用的氣敏材料是在清潔空氣中電導(dǎo)率較低的二氧化錫(SnO2)。當(dāng)傳感器所處環(huán)境中存在可燃?xì)怏w時(shí)，傳感器的電導(dǎo)率隨空氣中可燃?xì)怏w濃度的增加而增大。使用簡(jiǎn)單的電路即可將電導(dǎo)率的變化轉(zhuǎn)換為與該氣體濃度相對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)。 MQ-2氣體傳感器對(duì)液化氣、丙烷、氫氣的靈敏度高，對(duì)天然氣和其它可燃蒸汽的檢測(cè)也很理想。這種傳感器可檢測(cè)多種可燃性氣體，是一款適合多種應(yīng)用的低成本傳感器。技術(shù)指標(biāo)：(1) 檢測(cè)氣體：可燃?xì)怏w，煙霧；(2) 檢測(cè)濃度：300

22、-10000pm（可燃?xì)怏w）；(3) 溫度濕度：20+/-2，65%+/-5%RH；(4) 預(yù)熱時(shí)間：不少于48小時(shí)；7.水浸傳感器 水浸傳感器是基于液體導(dǎo)電原理，用電極探測(cè)是否有水存在，再用傳感器轉(zhuǎn)換成干接點(diǎn)輸出。通常為常開(kāi)，如果想要常閉的需要提前預(yù)定，預(yù)定時(shí)間為3天。用來(lái)檢測(cè)滲水或溢水情況。 線式水浸傳感器VEC-A-10，線式水浸傳感器（漏水檢測(cè)傳感器），專為機(jī)房環(huán)境、空調(diào)管道、糧倉(cāng)監(jiān)控系統(tǒng)，地下室水浸檢測(cè)設(shè)計(jì)，穩(wěn)定性好，安裝簡(jiǎn)單輕松。技術(shù)指標(biāo)：(1) 繼電器接點(diǎn)：常開(kāi)接點(diǎn)；(2) 接點(diǎn)容量：DC30V,1A；(3) 整機(jī)功耗：<1VA（DC12V時(shí)）；(4) 引線長(zhǎng)度：<1

23、50M；(5) 絕緣電阻：2M；(6) 探測(cè)靈敏度：<50K；(7) 工作環(huán)境：1050，20%90%無(wú)凝露；(8) 工作電壓：12VDC；2.3.2控制器選型為了設(shè)計(jì)此系統(tǒng)，我們采用了AT89S51單片機(jī)作為控制芯片，在前向通道中是一個(gè)非電信號(hào)的電量采集過(guò)程。它由傳感器采集非電信號(hào)，從傳感器出來(lái)經(jīng)過(guò)功率放大過(guò)程，使信號(hào)放大，再經(jīng)過(guò)模/數(shù)轉(zhuǎn)換成為計(jì)算機(jī)能識(shí)別的數(shù)字信號(hào)，再送入計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的相應(yīng)端口。由于AT89S51中只有4k Bytes Flash片內(nèi)程序存儲(chǔ)器和128 bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，且數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器也不能滿足要求，經(jīng)擴(kuò)展6264來(lái)達(dá)到存儲(chǔ)器的要求，其結(jié)果通過(guò)顯示器來(lái)進(jìn)行顯

24、示輸出。1.AT89S51的內(nèi)部結(jié)構(gòu)AT89S51具有如下特點(diǎn)：40個(gè)引腳，4k Bytes Flash片內(nèi)程序存儲(chǔ)器，128 bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM），32個(gè)外部雙向輸入/輸出（I/O）口，5個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)2層中斷嵌套中斷，2個(gè)16位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器,2個(gè)全雙工串行通信口，看門狗（WDT）電路，片內(nèi)時(shí)鐘振蕩器。 此外，AT89S51設(shè)計(jì)和配置了振蕩頻率可為0Hz并可通過(guò)軟件設(shè)置省電模式。空閑模式下，CPU暫停工作，而RAM定時(shí)計(jì)數(shù)器，串行口，外中斷系統(tǒng)可繼續(xù)工作，掉電模式凍結(jié)振蕩器而保存RAM的數(shù)據(jù)，停止芯片其它功能直至外中斷激活或硬件復(fù)位。同時(shí)該芯片還具有PDIP、TQFP和

25、PLCC等三種封裝形式，以適應(yīng)不同產(chǎn)品的需求。主要特征：(1)8031CPU與MCS-51兼容； (2)4K字節(jié)可編程FLASH存儲(chǔ)器；(3) 全靜態(tài)工作：0Hz-24KHz；(4)三級(jí)程序存儲(chǔ)器保密鎖定；(5)128*8位內(nèi)部RAM；(6)32條可編程I/O線；(7)兩個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器；(8)6個(gè)中斷源；(9)可編程串行通道；(10)低功耗的閑置和掉電模式；(11)片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路；2. AT89S51引腳圖2.3.3執(zhí)行器選型工作原理由于工藝決定，進(jìn)倉(cāng)之前已經(jīng)將濕度控制在了安全限以內(nèi)，而且倉(cāng)是密閉的所以濕度變化不明顯，所以濕度的升高可能性極小。測(cè)量過(guò)程是先溫度后濕度與濃度的順序。

26、首先對(duì)溫度進(jìn)行采樣，每個(gè)溫度點(diǎn)采樣5次，計(jì)算平均值作為采樣值送入顯示和存儲(chǔ)的相應(yīng)單元進(jìn)行存儲(chǔ)和傳感器的編號(hào)和溫度的顯示，然后判斷溫度是否超過(guò)設(shè)定溫度，如果溫度超標(biāo)則報(bào)警并根據(jù)傳感器的位置判斷啟動(dòng)通風(fēng)設(shè)備或加熱設(shè)備，如果不超標(biāo)就繼續(xù)檢測(cè)下一個(gè)點(diǎn)的溫度，直到整個(gè)糧倉(cāng)的溫度全部測(cè)量完成，然后計(jì)算和顯示倉(cāng)的平均溫度。然后對(duì)各個(gè)點(diǎn)的濕度進(jìn)行測(cè)量并且顯示，也是按照每個(gè)點(diǎn)測(cè)量5次然后取平均值的方法計(jì)算，來(lái)減少干擾因素帶來(lái)的誤差，各個(gè)點(diǎn)的濕度測(cè)量完成后計(jì)算并顯示倉(cāng)的平均濕度。同樣與設(shè)定的參考值（如濃度等）比較如果超標(biāo)就報(bào)警，并且起動(dòng)風(fēng)扇進(jìn)行通風(fēng)處理。然后系統(tǒng)返回再進(jìn)行溫度和濕度的巡回測(cè)量和顯示。2.4系統(tǒng)布局

27、糧倉(cāng)立柱局部結(jié)構(gòu)圖立柱設(shè)計(jì)為內(nèi)外雙層結(jié)構(gòu)。外層固定一個(gè)直徑略大于該立柱的網(wǎng)孔立柱，用于防止糧食進(jìn)入立柱上的通風(fēng)口以及避免糧食對(duì)立柱轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生阻力。網(wǎng)孔立柱內(nèi)側(cè)設(shè)置通風(fēng)槽和溫濕度檢測(cè)節(jié)點(diǎn)。該系統(tǒng)采用的立柱式鼓風(fēng)通道可以精確控制通風(fēng)立柱的轉(zhuǎn)向，從而實(shí)現(xiàn)智能通風(fēng)。當(dāng)溫度傳感器節(jié)點(diǎn)檢測(cè)到糧倉(cāng)內(nèi)部某處因糧食霉變或蟲(chóng)蛀等原因使溫度異常而需要通風(fēng)時(shí)，監(jiān)控中心自動(dòng)遠(yuǎn)程控制步進(jìn)電機(jī)，從而帶動(dòng)內(nèi)層立柱轉(zhuǎn)動(dòng)，使立柱上的通風(fēng)槽對(duì)準(zhǔn)溫度異常方位進(jìn)行精確通風(fēng)。直至溫度正常后，自動(dòng)停止通風(fēng)。2.4.1溫濕度等傳感器布置傳感器節(jié)點(diǎn)的選擇和布局目前，我國(guó)各大糧倉(cāng)大多采用電纜內(nèi)部安裝熱電偶和熱電阻等測(cè)溫元件，測(cè)溫元件隨電纜豎直插入

28、糧食內(nèi)部，傳感器的安裝費(fèi)時(shí)費(fèi)力，測(cè)量精度不高。本系統(tǒng)采用的傳感器，接線簡(jiǎn)單，使用方便，適用于各種狹小空間設(shè)備數(shù)字測(cè)溫和控制領(lǐng)域。其在與微處理器連接時(shí)，可實(shí)現(xiàn)微處理器與之的雙向通訊，并支持多點(diǎn)組網(wǎng)功能，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測(cè)溫測(cè)濕。因此，可以有效實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)功能，方便、準(zhǔn)確地讀取數(shù)據(jù)信息。依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，糧溫傳感器的密度為倉(cāng)內(nèi)水平方向不大于，垂直方向不大于.。CO2傳感器，濕度傳感器可均勻分布各點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，為方便操作，溫濕度傳感器，CO2傳感器均布置在一點(diǎn)。本系統(tǒng)在每個(gè)立柱的豎直方向均勻布置層傳感器，每層放置個(gè)且各自相差120°的節(jié)點(diǎn)，與之連接的傳感器引伸至立柱外，直接檢測(cè)糧食溫度參數(shù)。水浸傳感器是基

29、于液體導(dǎo)電原理，用電極探測(cè)是否有水存在，再用傳感器轉(zhuǎn)換成干接點(diǎn)輸出，水浸傳感器安裝在水流向的地方，低水位地方。煙霧傳感器根據(jù)檢測(cè)的煙霧濃度來(lái)判斷是否發(fā)生火災(zāi)，能做到及時(shí)監(jiān)測(cè)火災(zāi)發(fā)生分布安裝在房間的頂部。紅外線傳感器可以對(duì)侵入糧倉(cāng)的老鼠等入侵物進(jìn)行檢測(cè)進(jìn)行檢測(cè)，分布安裝在糧倉(cāng)底部四周。2.4.2糧倉(cāng)壓力傳感器布置由于糧食數(shù)量巨大，價(jià)格低，要求糧堆數(shù)量在線檢測(cè)設(shè)備成本低、簡(jiǎn)單方便。因此，傳感器的布置應(yīng)滿足：1)經(jīng)濟(jì)性原則，即傳感器數(shù)量應(yīng)盡可能少。2)可行性原則，滿足通常進(jìn)糧方式的要求，方便出進(jìn)糧并避免損壞傳感器。基于這些考慮，本項(xiàng)目提出的糧倉(cāng)底面?zhèn)让鎵毫鞲衅鞑贾媚Ｐ腿鐖D所示。壓力傳感器布置模型圖

30、 對(duì)于如圖所示的糧倉(cāng)底面壓力傳感器布置，各傳感器距側(cè)面墻距離d應(yīng)相等，以便于側(cè)面摩擦力作用的補(bǔ)償，擴(kuò)大糧倉(cāng)數(shù)量檢測(cè)模型的適用范圍；在保證不影響糧倉(cāng)進(jìn)糧等操作的情況下，傳感器距側(cè)面墻距離d應(yīng)盡可能大，以盡可能降低其臨近側(cè)面摩擦力作用。由于糧倉(cāng)寬度一般在7 m左右，因此d=2一3.5 m為妥。各個(gè)傳感器間距應(yīng)不小于2 m，以便于消除底面壓強(qiáng)的隨機(jī)性。傳感器應(yīng)盡可能遠(yuǎn)離進(jìn)糧口，以避免進(jìn)糧沖擊造成傳感器損壞，降低傳感器輸出值的波動(dòng)。對(duì)于圖示的糧倉(cāng)側(cè)面壓力傳感器布置，壓力傳感器按2列多行布置，應(yīng)盡可能遠(yuǎn)離進(jìn)糧口，列間距L應(yīng)大于1.5 m，各行依裝糧高度沿上下均勻分布，行間距h應(yīng)大于1.5 m，以便于消除

31、底面壓強(qiáng)的隨機(jī)性。底部壓力傳感器距地面為h/2，頂部壓力傳感器距糧堆頂部應(yīng)大于1 m，以保證側(cè)面壓強(qiáng)檢測(cè)的有效性。2.5模擬量數(shù)字量的輸入輸出各傳感器經(jīng)過(guò)檢測(cè)模擬信號(hào)將其轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)從而傳送給微處理器處理其輸入輸出如下表：AI溫度濕度CO2氣體煙霧壓力紅外線DO電壓電壓電壓電壓電壓電壓2.6系統(tǒng)模塊2.6.1轉(zhuǎn)換器模塊 為了把溫度、濕度等量檢測(cè)電路測(cè)出的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字量送CPU處理，本系統(tǒng)選用了雙積分A/D轉(zhuǎn)換器MC14433。它精度高，分辨率達(dá)1/1999。由于MC14433只有一路輸入，而本系統(tǒng)檢測(cè)的多路溫度與濕度信號(hào)輸入，故選用多路選擇電子開(kāi)關(guān)，可輸入多路模擬量。MC14433 A

32、/D 轉(zhuǎn)換器由于雙積分方法二次積分時(shí)間比較長(zhǎng)，所以A/D轉(zhuǎn)換速度慢，但精度可以做得比較高；對(duì)周期信號(hào)變化的干擾信號(hào)積分為零，抗干擾性能也比較好。 目前，國(guó)內(nèi)外雙積分A/D轉(zhuǎn)換器集成電路芯片很多，大部分是用于數(shù)字測(cè)量?jī)x器上。常用的有3.5位雙積分A/D裝換器MC14433和4.5位雙積分A/D轉(zhuǎn)換器ICL7135 MC14433是三位半雙積分型的A/D轉(zhuǎn)換器，具有精度高，抗干擾性能好的優(yōu)點(diǎn)，其缺點(diǎn)是轉(zhuǎn)換速率低，約110次/秒。在不要求高速轉(zhuǎn)換的場(chǎng)合，例如，在低速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，被廣泛采用。MC14433A/D轉(zhuǎn)換器與國(guó)內(nèi)產(chǎn)品5G14433完全相同，可以互換。MC14433A/D轉(zhuǎn)換器的被轉(zhuǎn)換電壓

33、量程為199.9mV或1.999V。轉(zhuǎn)換完的數(shù)據(jù)以BCD碼的形式分四次送出。是轉(zhuǎn)換速率低，約110次/秒。在不要求高速轉(zhuǎn)換的場(chǎng)合，例如，在低速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，被廣泛采用。MC14433A/D轉(zhuǎn)換器與國(guó)內(nèi)產(chǎn)品5G14433完全相同，可以互換。MC14433A/D轉(zhuǎn)換器的被轉(zhuǎn)換電壓量程為199.9mV或1.999V。轉(zhuǎn)換完的數(shù)據(jù)以BCD碼的形式分四次送出。Q0-Q3： BCD碼輸出線。其中Q0為最低位，Q3 為最高位。當(dāng)DS2、DS3和DS4選通期間，輸出三位完整的BCD碼數(shù)，但在DS1選通期間，輸出端Q0-Q3 除了表示個(gè)位的0或1外，還表示了轉(zhuǎn)化值的正負(fù)極性和欠量程還是過(guò)量程。Q3 表示1/2

34、位，Q3=“0”對(duì)應(yīng)1，反之對(duì)應(yīng)0。Q2 表示極性，Q2=“1”為正極性，反之為負(fù)極性。Q0=“1”表示超量程：當(dāng)Q3=“0”時(shí)，表示過(guò)量程；當(dāng)Q3=“1”時(shí)，表示欠量程；2.6.2控制器模塊MCP2515 是 Microchip 公司的一款獨(dú)立 CAN 控制器，完全支持 CAN V2.0B 技術(shù) 規(guī)范。該器件能發(fā)送和接收標(biāo)準(zhǔn)和擴(kuò)展數(shù)據(jù)幀以及遠(yuǎn)程幀。MCP2515 自帶的兩個(gè)驗(yàn)收 屏蔽寄存器和六個(gè)驗(yàn)收濾波寄存器可以過(guò)濾掉不想要的報(bào)文，因此減少了主單片機(jī)（MCU）的管理負(fù)擔(dān)。MCP2515與MCU的連接是通過(guò)業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)串行外設(shè)接口來(lái)實(shí)現(xiàn)的。MCP2515的操作簡(jiǎn)單，使用方便，可以簡(jiǎn)化需要與CAN

35、總線連接的應(yīng)用。MCP2515 的結(jié)構(gòu)框圖MCP2515 該器件主要由三個(gè)部分組成：(1)CAN模塊，包括 CAN 協(xié)議引擎、驗(yàn)收濾波寄存器、驗(yàn)收屏蔽寄存器、發(fā)送 和接收緩沖器;(2)用于配置該器件及其運(yùn)行的控制邏輯和寄存器;(3)SPI協(xié)議;單片機(jī)通過(guò)MCP2515的SPI接口與CAN總線通信，將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到 MCP2515，進(jìn)而再發(fā)送到CAN總線。對(duì)于接收數(shù)據(jù)，則采用中斷方式。一旦中斷發(fā)生,即將接收的數(shù)據(jù)自動(dòng)裝載到相應(yīng)的報(bào)文寄存器中。此時(shí)還可利用屏蔽濾波寄存器對(duì)接收?qǐng)?bào)文的標(biāo)識(shí)符和預(yù)先在接收緩沖器初始化時(shí)設(shè)定的標(biāo)識(shí)符進(jìn)行有選擇的逐位比較，只有標(biāo)識(shí)符匹配的報(bào)文才能進(jìn)入接收緩沖器。從而使下

36、位機(jī)以單片機(jī)為智能控制器，在糧倉(cāng)溫濕度控制系統(tǒng)中，通過(guò)溫濕度傳感器來(lái)采集糧倉(cāng)內(nèi)的溫度、濕度，經(jīng)過(guò)單片機(jī)處理后發(fā)出信號(hào)，控制風(fēng)機(jī)、加濕器、去濕器的打開(kāi)和關(guān)閉,以達(dá)到自動(dòng)調(diào)節(jié)的功能。TJA1050是CAN控制器和物理總線之間的接口。TJA1050可以為總線提供不同的發(fā)送性能,為CAN控制器提供不同的接收性能。TJA1050是PCA82C250高速CAN收發(fā)器的后繼產(chǎn)品。所做的改進(jìn)為：CANH和CANL理想配合，使電磁輻射減到更低；在有不上電節(jié)點(diǎn)時(shí)，性能有所改進(jìn)。TJA1050內(nèi)部功能框圖如下圖所示。上位機(jī)管理采用普通 PC 機(jī)，通過(guò) USB-CAN 轉(zhuǎn)換模塊與現(xiàn)場(chǎng) CAN 總線相連，主要 負(fù)責(zé)參數(shù)

37、設(shè)定，數(shù)據(jù)的處理、保存和顯示，以及對(duì)下位監(jiān)控機(jī)的管理等功能。USB-CAN 轉(zhuǎn)換模塊是系統(tǒng)中的重要部分，它的性能如何將直接影響著本系統(tǒng)的工作品質(zhì)。USB-CAN 轉(zhuǎn)換模塊帶有 USB2.0 接口和 1 路 CAN 接口，USB2.0 接口的最高傳輸 速率可達(dá) 12MB/s，并且支持雙向數(shù)據(jù)傳輸，完全滿足 CAN 總線的傳輸波特率的范圍及 傳輸方向要求。可進(jìn)行收、發(fā)雙向透?jìng)?。主要特點(diǎn)：傳輸協(xié)議非常簡(jiǎn)潔、透明，支持進(jìn) 行二次開(kāi)發(fā)。USB 虛擬串口，可以在各種操作系統(tǒng)下，像使用普通串口一樣方便地使用。USB-CAN 轉(zhuǎn)換模塊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖和實(shí)物圖分別如下圖所示。USB-CAN 結(jié)構(gòu)圖系統(tǒng)中，單片機(jī)通

38、過(guò)SPI接口控制 MCP2515，將要發(fā)送的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成特定格式（標(biāo)準(zhǔn)和擴(kuò)展數(shù)據(jù)幀或遠(yuǎn)程幀）發(fā)送到CAN總線上進(jìn)而傳給上位機(jī)，同時(shí)從CAN總線上讀取上位機(jī)發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)，通過(guò)設(shè)置驗(yàn)收屏蔽寄存器和驗(yàn)收濾波寄存器，由選擇性地接收上位機(jī)發(fā)給該智能節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)。使用時(shí)，只需要對(duì)MCP2515 某些寄存器進(jìn)行設(shè)置，光電耦合和高速CAN 收發(fā)器對(duì)用戶是透明的，操作簡(jiǎn)單。2.7系統(tǒng)模塊連接2.7.1 MC14433與AT89S51單片機(jī)的接口設(shè)計(jì) 由于MC14433的A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果是動(dòng)態(tài)分時(shí)輸出的BCD碼，Q0Q3HE DS1DS4都不是總線式的。因此，MCS-51單片機(jī)只能通過(guò)并行I/O接口或擴(kuò)展I/O接口與其相連。對(duì)于8031單片機(jī)的應(yīng)用系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，MC14433可以直接和其P1口或擴(kuò)展I/O口8155/8255相連。下面是MC14433與AT89S51單片機(jī)P1口直接相連的硬件接口，接口電路如圖3.13所示（J1為網(wǎng)絡(luò)接口，接單片機(jī)P1口）。MC14433與8031單片機(jī)P1口直接相連的硬件接口2.