王鑫，黃翌（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所，安徽 合肥 230088）

基于PIC單片機(jī)的糧庫(kù)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

王鑫，黃翌
（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所，安徽 合肥 230088）

針對(duì)糧庫(kù)糧食的溫濕度采集和控制的問題，設(shè)計(jì)了一種基于PIC單片機(jī)的糧庫(kù)監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)每個(gè)糧倉(cāng)糧食溫濕度數(shù)據(jù)的采集；實(shí)現(xiàn)對(duì)糧倉(cāng)內(nèi)通風(fēng)閥開閉情況的監(jiān)測(cè)并響應(yīng)主控中心發(fā)出的通風(fēng)閥控制指令；將所采集的數(shù)據(jù)通過基于網(wǎng)絡(luò)的通信方式發(fā)送給主控中心。糧庫(kù)監(jiān)控系統(tǒng)在實(shí)際中的應(yīng)用情況表明，該系統(tǒng)信息采集數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，數(shù)據(jù)傳輸實(shí)時(shí)誤碼率低，整體系統(tǒng)可靠性高。

糧庫(kù)；溫濕度測(cè)量；閥門控制；PIC單片機(jī)

0　引言

糧庫(kù)糧食安全儲(chǔ)存的主要參數(shù)是糧庫(kù)的溫度和濕度，尤其是大型糧庫(kù)，溫度的檢測(cè)任務(wù)如不能及時(shí)徹底完成，則可能導(dǎo)致糧食大面積變質(zhì)。傳統(tǒng)的糧食檢測(cè)采用對(duì)各糧庫(kù)糧食分區(qū)取樣的人工方法，工作量大，可靠性差。隨著現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和嵌入式技術(shù)的發(fā)展，開發(fā)高可靠性、功能齊全的糧庫(kù)監(jiān)控系統(tǒng)成為一種趨勢(shì)。采用基于 PIC16F873型單片機(jī)的網(wǎng)絡(luò)化小型溫濕度傳感器已經(jīng)在工業(yè)控制中得到應(yīng)用［1］。在糧庫(kù)監(jiān)控系統(tǒng)中，基于DS18B20的多片三線和單線的傳感器已經(jīng)能夠準(zhǔn)確采集糧食的溫度信息［2-3］；采用 CAN總線已經(jīng)在糧庫(kù)溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)中得到應(yīng)用［4］。

本文以糧庫(kù)溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)為研究對(duì)象，首先根據(jù)糧倉(cāng)的工作環(huán)境和之前元器件在工程中應(yīng)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(jī)已經(jīng)有過很多應(yīng)用［5-6］，采用該型單片機(jī)作為嵌入式處理芯片；利用HR911105A網(wǎng)絡(luò)芯片作為有線數(shù)據(jù)傳輸和無線數(shù)據(jù)傳輸模塊兩種方式與主控中心進(jìn)行數(shù)據(jù)交互；通過光耦和三極管實(shí)現(xiàn)閥門狀態(tài)的采集和控制指令的給出。然后根據(jù)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(xiàn)場(chǎng)控制中心約定的協(xié)議完成所采集數(shù)據(jù)幀格式的發(fā)送，實(shí)現(xiàn)糧倉(cāng)內(nèi)信息的現(xiàn)實(shí)和中心控制指令的響應(yīng)。

1　系統(tǒng)框圖和設(shè)備組成

糧庫(kù)包含多個(gè)倉(cāng)庫(kù)，在每一個(gè)倉(cāng)庫(kù)中需要安裝25個(gè)溫濕度分布點(diǎn)，用于現(xiàn)場(chǎng)溫濕度的采集，將測(cè)試到的溫濕度值和采集到的閥門狀態(tài)發(fā)送給現(xiàn)場(chǎng)控制中心，工作人員通過控制中心計(jì)算機(jī)發(fā)送閥門開關(guān)指令并且記錄控制動(dòng)作和溫濕度信息，還可以重演。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

2　系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1溫濕度采集電路設(shè)計(jì)

DS18B20是 MAXIM公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)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(kù)項(xiàng)目中已經(jīng)有過應(yīng)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(cè)量范圍是0%～100%。該型濕度傳感器的精度較高，測(cè)量范圍大，反應(yīng)時(shí)間較快，穩(wěn)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(qū)動(dòng)，PIC單片機(jī)可通過向ROM發(fā)送指令實(shí)現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)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(yùn)算放大器進(jìn)行濾波處理后，通過 PIC單片機(jī)的 10位 A/D轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)電壓采樣。

圖1　糧庫(kù)監(jiān)控系統(tǒng)框圖

2.2數(shù)據(jù)傳輸電路設(shè)計(jì)

PIC18F97J60單片機(jī)內(nèi)部框圖［7］如圖 2所示，該以太網(wǎng)模塊包含以下5個(gè)主要功能模塊：

（1）PHY收發(fā)器模塊：對(duì)傳輸雙絞線接口上的模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼和解碼，并通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送和接收。

（2）MAC模塊：實(shí)現(xiàn)了符合IEEE802.3規(guī)范的MAC邏輯，并提供了用于控制 PHY的 MIIM（Media Independent Interface Management）。

（3）獨(dú)立的 8 KB RAM 緩沖區(qū)：用于存儲(chǔ)已經(jīng)接收和將要發(fā)送的數(shù)據(jù)包。

（4）判優(yōu)器：在單片機(jī)內(nèi)核、DMA、發(fā)送和接收模塊發(fā)出請(qǐng)求時(shí)，控制對(duì)RAM緩沖區(qū)的訪問。

（5）寄存器接口：用作以太網(wǎng)模塊和單片機(jī)特殊功能寄存器（SFR）之間命令和內(nèi)部狀態(tài)信號(hào)的譯碼器。

圖2　以太網(wǎng)內(nèi)部框圖

PIC18F97J60具有嵌入式以太網(wǎng)控制器模塊，提供了一個(gè)4引腳的以太網(wǎng)模塊專用信號(hào)接口。這些引腳沒有與其他的單片機(jī)或外設(shè)功能復(fù)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(hào)正向輸入；（2）TPIN-：雙絞線差分信號(hào)負(fù)向輸入；（3）TPOUT+：雙絞線差分信號(hào)正向輸出；（4）TPOUT-：雙絞線差分信號(hào)負(fù)向輸出。

2.3通氣閥門控制與狀態(tài)采集電路設(shè)計(jì)

通氣閥門控制指令的具體實(shí)現(xiàn)為：當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控單元接收到現(xiàn)場(chǎng)控制中心通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)出的打開或關(guān)閉指令時(shí)，由 PIC單片機(jī)I/O端控制 4N35型光耦的陰極接地，由于陽(yáng)極已經(jīng)上拉高電位，此時(shí)就觸發(fā)光耦集電極24 V電壓導(dǎo)通至發(fā)射端輸出。

通氣閥門狀態(tài)采集的具體實(shí)現(xiàn)為：當(dāng)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(yáng)極已經(jīng)上拉24 V的電壓，當(dāng)閥門打開后光耦截至，此時(shí)輸出給單片機(jī)的電壓為 3.3 V。通過光耦的隔離，增強(qiáng)了閥門狀態(tài)采樣的準(zhǔn)確性。綜上所述，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控系統(tǒng)接口設(shè)計(jì)示意圖如圖3和圖4所示。

圖3　以太網(wǎng)接口示意圖

圖4　閥門控制和回饋接口示意圖

3　監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)功能及硬件的實(shí)現(xiàn)，監(jiān)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要由三部分組成：（1）糧倉(cāng)溫濕度的采集；（2）當(dāng)前閥門狀態(tài)和控制執(zhí)行指令的輸出；（3）與現(xiàn)場(chǎng)顯控中心的信息交互。在監(jiān)控系統(tǒng)的這三部分軟件中，溫度濕度信息采集量大，其硬件設(shè)計(jì)較為簡(jiǎn)單，須用相對(duì)復(fù)雜的軟件設(shè)計(jì)提供合理的邏輯時(shí)序，才能保證工作的可靠準(zhǔn)確［8］。溫度傳感器DS18B20精度設(shè)置為 0.25℃，采集程序包括 3個(gè)操作［9］：（1）初始化，單片機(jī)向傳感器發(fā)送復(fù)位脈沖，并準(zhǔn)備接收序列號(hào)訪問；（2）序列號(hào)訪問命令；（3）內(nèi)存訪問命令。DS18B20型溫度傳感器軟件運(yùn)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(wǎng)口傳輸解碼后顯示和執(zhí)行。

圖5　溫度傳感器軟件運(yùn)行圖

4　結(jié)論

通過采用基于PIC18F97J60型單片機(jī)設(shè)計(jì)的糧庫(kù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控系統(tǒng)，完成以太網(wǎng)通信接口、通氣閥門控制和回饋以及溫度傳感器的設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)糧倉(cāng)溫濕度信息的采集和閥門狀態(tài)的采集；實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)控制中心控制指令的響應(yīng)；通過預(yù)先設(shè)置的門限值進(jìn)行糧情報(bào)警。該現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控系統(tǒng)電路連接簡(jiǎn)單、設(shè)計(jì)靈活簡(jiǎn)便、系統(tǒng)成本低，實(shí)際應(yīng)用證明該系統(tǒng)運(yùn)行良好，達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)。

［1］蘇深廣，彭楚武，彭曙蓉.一種基于PIC嵌入式微處理器的網(wǎng)絡(luò)化智能溫濕度傳感器 ［J］.傳感器世界，2003，24 （4）：24-27.

［2］盛海龍，何同第.基于 AT89C51&DS18B20的智能溫度控制系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)［J］.自動(dòng)化儀表，2013（6）：50-52.

［3］劉青.DS18B20在糧倉(cāng)恒溫監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.自動(dòng)化應(yīng)用，2013（7）：70-71.

［4］王冬，曹立文，劉向東.CAN總線在糧庫(kù)溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.機(jī)電工程技術(shù)，2006，35（7）：55-56，84.

［5］師恩陪，韓桂麗.網(wǎng)絡(luò)單片機(jī)PIC18F97J60的開發(fā)與應(yīng)用［J］.單片機(jī)與嵌入式應(yīng)用，2008（12）：48-50.

［6］陳新建.PIC系列單片機(jī)程序設(shè)計(jì)與開發(fā)應(yīng)用［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2007.

［7］Microchip Technology Inc.PIC18F97J60 family data sheet ［EB/OL］.［2014-6-13］.http：//www.alldatasheet.com/datasheet-pdf/ pdf/162747/MICROCHIP/PIC18F97J60.html.

［8］顧振宇，劉魯源，杜振輝.DS18B20接口的C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)［J］.單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2002（7）：22-24.

［9］李業(yè)德，唐詩(shī).單片機(jī)和 DS18B20組成的多點(diǎn)溫度測(cè)量控制系統(tǒng)［J］.山東工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2001，15（4）：15-18.

Design of monitoring and control system for granary based on PIC MCU

Wang Xin，Huang Yi
（The 38th Research Institute of CETC，Hefei 230031，China）

This paper presents a design of monitoring and control system for granary based on PIC MCU to solve the problem on temperature and control.This design can collect temperature and humidity of granary.It can transfer the information to the center. It also can response the command of the control center and keep the valve open or close.The high resolution，reliability and low error rate are validated after the application.

granary；temperature and humidity；valve control；PIC MCU

TP29

A

1674-7720（2015）02-0085-03

（2014-08-25）

王鑫（1982-），通信作者，男，碩士，工程師，主要研究方向：雷達(dá)監(jiān)控，飛行控制，E-mail：dinglei09@163.com。

黃翌（1978-），男，碩士，高級(jí)工程師，主要研究方向：雷達(dá)監(jiān)控。