糧倉(cāng)溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

姚小春

(吉林建筑工程學(xué)院電氣與電子信息工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130118)

隨著糧食產(chǎn)量的增加，儲(chǔ)糧設(shè)備尤其是大型設(shè)備也逐年增加，傳統(tǒng)的人工查看糧溫的方法已逐步被電子檢溫設(shè)備所取代.小的儲(chǔ)糧設(shè)備一般采用小型測(cè)溫儀檢測(cè)糧溫，大型儲(chǔ)糧設(shè)備已逐步配備微機(jī)測(cè)溫系統(tǒng).由于單片機(jī)具有體積小，重量輕，抗干擾能力強(qiáng)，環(huán)境要求不高，價(jià)格低廉，可靠性高，靈活性好等優(yōu)點(diǎn)［1］，被廣泛地應(yīng)用于溫度測(cè)控系統(tǒng)中.

1 系統(tǒng)簡(jiǎn)介

圖1為糧倉(cāng)溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)框圖.系統(tǒng)以單片機(jī)AT 89 C 51為糧倉(cāng)溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的核心，通過(guò)多個(gè)溫度傳感器AD590對(duì)糧倉(cāng)內(nèi)多點(diǎn)溫度進(jìn)行測(cè)量，并由多路模擬開(kāi)關(guān)依次采樣各點(diǎn)溫度值(也可通過(guò)鍵盤人為選擇某測(cè)量點(diǎn)溫度值)，經(jīng)過(guò)放大后送入A/D轉(zhuǎn)換電路，繼而送入單片機(jī)，并進(jìn)行溫度顯示.若此溫度超過(guò)規(guī)定范圍，報(bào)警器報(bào)警，進(jìn)而控制通風(fēng)裝置的運(yùn)行和停止.精確實(shí)現(xiàn)糧食倉(cāng)儲(chǔ)過(guò)程中所需的溫度環(huán)境，為高質(zhì)量的產(chǎn)品提供保證.

圖1 系統(tǒng)框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)及系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 傳感器、RS－485通信模塊

溫度傳感器是溫度測(cè)控系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件，其精度的高低、性能的好壞直接影響到整個(gè)測(cè)控系統(tǒng)的品質(zhì)和運(yùn)行狀態(tài).本系統(tǒng)選用若干個(gè)集成溫度傳感器AD 590接成矩陣形式，構(gòu)成多點(diǎn)測(cè)溫系統(tǒng).

AD 590是一種電壓輸入、電流輸出型集成溫敏傳感器，測(cè)溫范圍為－55℃ ～+150℃，非線性誤差在±0.3℃，其輸出電流與絕對(duì)溫度成正比［2］，因而不必考慮多路模擬開(kāi)關(guān)引入的附加電阻造成的誤差，也不必考慮長(zhǎng)距離傳輸線電壓降的影響.它與DS 18 B 20相比，特別適合于信號(hào)的遠(yuǎn)距離傳輸.

系統(tǒng)采用RS－485通訊方式來(lái)實(shí)現(xiàn)上下位機(jī)的通訊.RS－485采用平衡式傳送方式進(jìn)行信號(hào)傳輸，其輸入、輸出均為差動(dòng)方式，這種做法使通信模塊在受到干擾時(shí)，兩根信號(hào)線可能同時(shí)產(chǎn)生干擾電平，對(duì)差動(dòng)輸入不起作用，因此，RS－485傳輸距離較遠(yuǎn).為了進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，本方案選用MAX 485轉(zhuǎn)換模塊，同時(shí)為了實(shí)現(xiàn)傳輸線末端的阻抗匹配，在MAX－485電路中接一個(gè)120Ω的電阻.

2.2 多路模擬開(kāi)關(guān)

多路模擬開(kāi)關(guān)實(shí)際上起一個(gè)波段開(kāi)關(guān)的作用.對(duì)于一個(gè)良好的開(kāi)關(guān)，要求開(kāi)關(guān)接通時(shí)，開(kāi)關(guān)兩端電阻很小，而斷開(kāi)時(shí)此電阻很大，并希望開(kāi)關(guān)速度高，對(duì)所傳輸?shù)男盘?hào)有良好的線性度，以減小傳輸失真，要求工作穩(wěn)定性好且壽命長(zhǎng).

CC 4051是單八路模擬開(kāi)關(guān)，它是由電平位移電路、帶禁止端INH的8選1譯碼器和由該譯碼器對(duì)各個(gè)輸出分別加以控制的8個(gè)CMOS雙向模擬開(kāi)關(guān)組成.AD 590矩陣的行、列分別與兩個(gè)CC 4051相連，通過(guò)三位行、列選擇數(shù)字碼(由單片微機(jī)產(chǎn)生)就可使64個(gè)被測(cè)點(diǎn)中的任何一個(gè)接入測(cè)控電路.

2.3 模擬小信號(hào)放大電路

被測(cè)溫度經(jīng)傳感器轉(zhuǎn)換得到的電信號(hào)的幅度往往很小，無(wú)法進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，因此，需對(duì)這些模擬電信號(hào)進(jìn)行放大處理.為使電路簡(jiǎn)單又便于調(diào)試，一般都采用集成運(yùn)算放大器.

本系統(tǒng)選用集成運(yùn)放ICL 7650構(gòu)成高增益、低漂移放大器，用于放大AD 590的輸出信號(hào).ICL 7650，采用CMOS工藝，開(kāi)關(guān)電容斬波方式使其前置放大器的分辨率可小于10μV，能自動(dòng)檢測(cè)放大器的失調(diào)電壓和共模電壓引起的漂移，并自動(dòng)動(dòng)態(tài)校零.

2.4 A/D 轉(zhuǎn)換器

從放大電路輸出的信號(hào)須經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，然后才能進(jìn)入以AT 89 C 51單片機(jī)為主控元件的單片機(jī)測(cè)控系統(tǒng).選擇A/D轉(zhuǎn)換器件主要是從速度、精度和價(jià)格上考慮.逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器，在速度、精度和價(jià)格上都適中，是最常用的A/D轉(zhuǎn)換器件.

ADC 0809是CMOS工藝，采用逐次逼近法的8位A/D轉(zhuǎn)換芯片，片內(nèi)還有多路模擬開(kāi)關(guān)，以及相應(yīng)的通道地址鎖存和譯碼電路［3］.多路開(kāi)關(guān)有8路模擬量輸入端，最多允許8路模擬量分時(shí)輸入，共用一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換.

2.5 單片機(jī)

系統(tǒng)選用AT 89 C 51單片機(jī)作為主控元件，它可以提供一個(gè)8位CPU，4 KB的閃爍存儲(chǔ)器Flash ROM，256字節(jié)RAM，4個(gè)8位并行I/O端口、2個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、1個(gè)可編程全雙工串行口、5個(gè)中斷源、片內(nèi)振蕩電路和時(shí)鐘電路、64 KB總線擴(kuò)展控制器.片內(nèi)還含有時(shí)鐘振蕩器，其軟件程序兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS－51指令系統(tǒng)，硬件含有80 C 51引腳結(jié)構(gòu).芯片內(nèi)集成了通用8位中央處理器和ISP Flash存儲(chǔ)單元.它是一種低功耗、高性能的8位單片機(jī)［4］.采用了CMOS工藝和高密度非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)，而且其輸出引腳和指令系統(tǒng)都與MCS－51兼容，具有系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、軟件設(shè)計(jì)方便等特點(diǎn).經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換后得到的數(shù)字信號(hào)，進(jìn)入以AT 89 C 51為核心的單片機(jī)測(cè)控系統(tǒng)，進(jìn)而完成數(shù)據(jù)的處理、顯示、報(bào)警等功能.

AT89 S 51的工作電壓為+5V，而照明電壓為220 V，50 Hz的交流電，所以需要先通過(guò)一個(gè)變壓器降壓，再通過(guò)整流橋?qū)㈦妷恨D(zhuǎn)換成直流電壓.由于變壓后得到的直流電壓可能含有交流分量，所以要通過(guò)濾波電路對(duì)其進(jìn)行濾波處理，然后通過(guò)穩(wěn)壓器得到穩(wěn)定的5 V電壓.

2.6 鍵盤、顯示、報(bào)警電路

系統(tǒng)采用行列式非編碼鍵盤，操作人員可通過(guò)鍵盤輸入數(shù)據(jù)或命令，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的人—機(jī)通信.顯示器采用LED數(shù)碼管，它具有顯示清晰、亮度高、壽命長(zhǎng)、硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、軟件編程方便、價(jià)格低廉等特點(diǎn)［5］.

報(bào)警裝置是聲光報(bào)警，由發(fā)光二極管和蜂鳴器組成，當(dāng)所測(cè)量的溫度超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)溫度時(shí)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)報(bào)警.

本方案設(shè)置了自動(dòng)復(fù)位電路和手動(dòng)復(fù)位電路，使整個(gè)系統(tǒng)在自動(dòng)初始化時(shí)能從一個(gè)確定的狀態(tài)運(yùn)行.由于單片機(jī)受到周圍環(huán)境的干擾出現(xiàn)程序跑飛或陷入死循環(huán)等不正常工作現(xiàn)象，因此，系統(tǒng)為單片機(jī)電路添加了一個(gè)外部看門狗電路.看門狗電路的硬件采用了一個(gè)定時(shí)器來(lái)控制主程序的運(yùn)行，用以定時(shí)查詢單片機(jī)的工作狀態(tài)，一旦發(fā)現(xiàn)異常即對(duì)單片機(jī)延時(shí)重啟，保證系統(tǒng)安全可靠的運(yùn)行.本方案中采用MAX 813 L芯片作為硬件看門狗，其返回端與單片機(jī)復(fù)位端相連提供復(fù)位信號(hào)，由單片機(jī)的P 1.0口為看門狗模塊提供信號(hào).

系統(tǒng)軟件部分主要完成對(duì)溫度信號(hào)的采集、處理、顯示等，其主程序流程圖如2所示.

圖2 主程序流程圖

3 結(jié)論

糧倉(cāng)溫度測(cè)控系統(tǒng)容易檢測(cè)和控制糧倉(cāng)溫度，實(shí)現(xiàn)糧食倉(cāng)儲(chǔ)過(guò)程中所需的溫度環(huán)境，有效保護(hù)糧食的質(zhì)量.本系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、現(xiàn)場(chǎng)安裝、調(diào)試方便、易于擴(kuò)展、具有較強(qiáng)的抗干擾能力和可靠的遠(yuǎn)距離運(yùn)輸?shù)葍?yōu)點(diǎn)，給工作帶來(lái)方便，經(jīng)濟(jì)效益可觀，具有很大的實(shí)際意義.

［1］張毅剛，彭喜元，黃繼成.單片機(jī)原理及應(yīng)用［M］.北京:高等教育出版社，2003:225－229.

［2］吳金戍，沈慶陽(yáng)，郭庭吉.8051單片機(jī)實(shí)踐與應(yīng)用［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2003:239－260.

［3］何立民.MCS－51系列單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)［M］.北京:北京航天航空大學(xué)出版社，1990:287－293.

［4］李朝青.單片機(jī)原理及接口技術(shù)［M］.北京:北京航天航空大學(xué)出版社，2005:38－47.

［5］傅 宇，宋長(zhǎng)源，周兆豐.基于單片機(jī)的糧食干燥設(shè)備溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.糧油加工，2006(8):74－75.