摘 要： 針對糧庫糧食的溫濕度采集和控制的問題，設計了一種基于PIC單片機的糧庫監控系統。該系統能夠實現對每個糧倉糧食溫濕度數據的采集；實現對糧倉內通風閥開閉情況的監測并響應主控中心發出的通風閥控制指令；將所采集的數據通過基于網絡的通信方式發送給主控中心。糧庫監控系統在實際中的應用情況表明，該系統信息采集數據準確，數據傳輸實時誤碼率低，整體系統可靠性高。
0 引言
糧庫糧食安全儲存的主要參數是糧庫的溫度和濕度，尤其是大型糧庫，溫度的檢測任務如不能及時徹底完成，則可能導致糧食大面積變質。傳統的糧食檢測采用對各糧庫糧食分區取樣的人工方法，工作量大，可靠性差。隨著現場工業控制技術、計算機技術和嵌入式技術的發展，開發高可靠性、功能齊全的糧庫監控系統成為一種趨勢。采用基于PIC16F873型單片機的網絡化小型溫濕度傳感器已經在工業控制中得到應用[1]。在糧庫監控系統中，基于DS18B20的多片三線和單線的傳感器已經能夠準確采集糧食的溫度信息[2-3]；采用CAN總線已經在糧庫溫濕度監控系統中得到應用[4]。
本文以糧庫溫濕度監控系統為研究對象，首先根據糧倉的工作環境和之前元器件在工程中應用的情況，采用單線制DS18B20型溫度傳感器作為糧食溫度采集傳感器；PIC18F97J60型單片機已經有過很多應用[5-6]，采用該型單片機作為嵌入式處理芯片；利用HR911105A網絡芯片作為有線數據傳輸和無線數據傳輸模塊兩種方式與主控中心進行數據交互；通過光耦和三極管實現閥門狀態的采集和控制指令的給出。然后根據DS18B20傳感器的特性周期地讀取傳感器中溫度信息，最后通過與現場控制中心約定的協議完成所采集數據幀格式的發送，實現糧倉內信息的現實和中心控制指令的響應。
1 系統框圖和設備組成
糧庫包含多個倉庫，在每一個倉庫中需要安裝25個溫濕度分布點，用于現場溫濕度的采集，將測試到的溫濕度值和采集到的閥門狀態發送給現場控制中心，工作人員通過控制中心計算機發送閥門開關指令并且記錄控制動作和溫濕度信息，還可以重演。系統框圖如圖1所示。
2 系統硬件設計
2.1 溫濕度采集電路設計
DS18B20是MAXIM公司設計生產的一款溫度傳感器，其溫度采集范圍是-55℃~+125℃。在-10℃~+80℃之間，溫濕度傳感器采樣精度是0.5℃，可以支持一線制的通信方式，供電電壓是3 V~5.5 V。目前在糧庫項目中已經有過應用。HM1500是電壓輸出式濕度傳感器，采用三端方式接線，其工作電壓為5 V，線性輸出電壓范圍是1 V~4 V，測量范圍是0%~100%。該型濕度傳感器的精度較高，測量范圍大，反應時間較快，穩定性較好。
采用將DS18B20的VDD與GND管腿連接，并且通過晶體管AO3402上拉電壓作為DQ一線制的驅動，PIC單片機可通過向ROM發送指令實現溫度數據的采集。在HM1500的VCC與GND之間接5 V電壓，通過線性輸出1 V~4 V的電壓，通過LM124運算放大器進行濾波處理后，通過PIC單片機的10位A/D轉換器實現電壓采樣。
2.2 數據傳輸電路設計
PIC18F97J60單片機內部框圖[7]如圖2所示，該以太網模塊包含以下5個主要功能模塊：
（1）PHY收發器模塊：對傳輸雙絞線接口上的模擬數據進行編碼和解碼，并通過網絡發送和接收。
（2）MAC模塊：實現了符合IEEE802.3規范的MAC邏輯，并提供了用于控制PHY的MIIM（Media Independent Interface Management）。
（3）獨立的8 KB RAM 緩沖區：用于存儲已經接收和將要發送的數據包。
（4）判優器：在單片機內核、DMA、發送和接收模塊發出請求時，控制對RAM緩沖區的訪問。
（5）寄存器接口：用作以太網模塊和單片機特殊功能寄存器（SFR）之間命令和內部狀態信號的譯碼器。
PIC18F97J60具有嵌入式以太網控制器模塊，提供了一個4引腳的以太網模塊專用信號接口。這些引腳沒有與其他的單片機或外設功能復用，因此不必考慮潛在的器件配置沖突問題。這些引腳是：（1）TPIN+：雙絞線差分信號正向輸入；（2）TPIN-：雙絞線差分信號負向輸入；（3）TPOUT+：雙絞線差分信號正向輸出；（4）TPOUT-：雙絞線差分信號負向輸出。
2.3 通氣閥門控制與狀態采集電路設計
通氣閥門控制指令的具體實現為：當現場監控單元接收到現場控制中心通過網絡發出的打開或關閉指令時，由PIC單片機I/O端控制4N35型光耦的陰極接地，由于陽極已經上拉高電位，此時就觸發光耦集電極24 V電壓導通至發射端輸出。
通氣閥門狀態采集的具體實現為：當閥門打開后，24 V電壓通過反饋線，接通TLP521型光耦控制端的陰極。由于陽極已經上拉24 V的電壓，當閥門打開后光耦截至，此時輸出給單片機的電壓為3.3 V。通過光耦的隔離，增強了閥門狀態采樣的準確性。綜上所述，現場監控系統接口設計示意圖如圖3和圖4所示。
3 監控軟件設計
根據系統功能及硬件的實現，監控系統的軟件設計主要由三部分組成：（1）糧倉溫濕度的采集；（2）當前閥門狀態和控制執行指令的輸出；（3）與現場顯控中心的信息交互。在監控系統的這三部分軟件中，溫度濕度信息采集量大，其硬件設計較為簡單，須用相對復雜的軟件設計提供合理的邏輯時序，才能保證工作的可靠準確[8]。溫度傳感器DS18B20精度設置為0.25℃，采集程序包括3個操作[9]：（1）初始化，單片機向傳感器發送復位脈沖，并準備接收序列號訪問；（2）序列號訪問命令；（3）內存訪問命令。DS18B20型溫度傳感器軟件運行流程圖如圖5所示。控制中心的通信信息和控制指令通過網口傳輸解碼后顯示和執行。
4 結論
通過采用基于PIC18F97J60型單片機設計的糧庫現場監控系統，完成以太網通信接口、通氣閥門控制和回饋以及溫度傳感器的設計。該系統能夠實現糧倉溫濕度信息的采集和閥門狀態的采集；實現現場控制中心控制指令的響應；通過預先設置的門限值進行糧情報警。該現場監控系統電路連接簡單、設計靈活簡便、系統成本低，實際應用證明該系統運行良好，達到了預期的目標。
參考文獻
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