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(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對每個糧倉糧食溫濕度數(shù)據(jù)的采集；實現(xiàn)對糧倉內(nèi)通風閥開閉情況的監(jiān)測并響應主控中心發(fā)出的通風閥控制指令；將所采集的數(shù)據(jù)通過基于網(wǎng)絡的通信方式發(fā)送給主控中心。糧庫監(jiān)控系統(tǒng)在實際中的應用情況表明，該系統(tǒng)信息采集數(shù)據(jù)準確，數(shù)據(jù)傳輸實時誤碼率低，整體系統(tǒng)可靠性高。
0 引言
糧庫糧食安全儲存的主要參數(shù)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(zhì)。傳統(tǒng)的糧食檢測采用對各糧庫糧食分區(qū)取樣的人工方法，工作量大，可靠性差。隨著現(xiàn)場工業(yè)控制技術、計算機技術和嵌入式技術的發(fā)展，開發(fā)高可靠性、功能齊全的糧庫監(jiān)控系統(tǒng)成為一種趨勢。采用基于PIC16F873型單片機的網(wǎng)絡化小型溫濕度傳感器已經(jīng)在工業(yè)控制中得到應用[1]。在糧庫監(jiān)控系統(tǒng)中，基于DS18B20的多片三線和單線的傳感器已經(jīng)能夠準確采集糧食的溫度信息[2-3]；采用CAN總線已經(jīng)在糧庫溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)中得到應用[4]。
本文以糧庫溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)為研究對象，首先根據(jù)糧倉的工作環(huán)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(jīng)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(wǎng)絡芯片作為有線數(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行數(shù)據(jù)交互；通過光耦和三極管實現(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，實現(xiàn)糧倉內(nèi)信息的現(xiàn)實和中心控制指令的響應。
1 系統(tǒng)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(xiàn)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(tài)發(fā)送給現(xiàn)場控制中心，工作人員通過控制中心計算機發(fā)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(tǒng)框圖如圖1所示。
2 系統(tǒng)硬件設計
2.1 溫濕度采集電路設計
DS18B20是MAXIM公司設計生產(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。目前在糧庫項目中已經(jīng)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(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，PIC單片機可通過向ROM發(fā)送指令實現(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運算放大器進行濾波處理后，通過PIC單片機的10位A/D轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)電壓采樣。
2.2 數(shù)據(jù)傳輸電路設計
PIC18F97J60單片機內(nèi)部框圖[7]如圖2所示，該以太網(wǎng)模塊包含以下5個主要功能模塊：
（1）PHY收發(fā)器模塊：對傳輸雙絞線接口上的模擬數(shù)據(jù)進行編碼和解碼，并通過網(wǎng)絡發(fā)送和接收。
（2）MAC模塊：實現(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）獨立的8 KB RAM 緩沖區(qū)：用于存儲已經(jīng)接收和將要發(fā)送的數(shù)據(jù)包。
（4）判優(yōu)器：在單片機內(nèi)核、DMA、發(fā)送和接收模塊發(fā)出請求時，控制對RAM緩沖區(qū)的訪問。
（5）寄存器接口：用作以太網(wǎng)模塊和單片機特殊功能寄存器（SFR）之間命令和內(nèi)部狀態(tài)信號的譯碼器。
PIC18F97J60具有嵌入式以太網(wǎng)控制器模塊，提供了一個4引腳的以太網(wǎng)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(tài)采集電路設計
通氣閥門控制指令的具體實現(xiàn)為：當現(xiàn)場監(jiān)控單元接收到現(xiàn)場控制中心通過網(wǎng)絡發(fā)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(jīng)上拉高電位，此時就觸發(fā)光耦集電極24 V電壓導通至發(fā)射端輸出。
通氣閥門狀態(tài)采集的具體實現(xiàn)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(jīng)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(tài)采樣的準確性。綜上所述，現(xiàn)場監(jiān)控系統(tǒng)接口設計示意圖如圖3和圖4所示。
3 監(jiān)控軟件設計
根據(jù)系統(tǒng)功能及硬件的實現(xiàn)，監(jiān)控系統(tǒng)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(tài)和控制執(zhí)行指令的輸出；（3）與現(xiàn)場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(fā)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(nèi)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(wǎng)口傳輸解碼后顯示和執(zhí)行。
4 結(jié)論
通過采用基于PIC18F97J60型單片機設計的糧庫現(xiàn)場監(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計。該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)糧倉溫濕度信息的采集和閥門狀態(tài)的采集；實現(xiàn)現(xiàn)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(xiàn)場監(jiān)控系統(tǒng)電路連接簡單、設計靈活簡便、系統(tǒng)成本低，實際應用證明該系統(tǒng)運行良好，達到了預期的目標。
參考文獻
[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)仿真設計[J].自動化儀表，2013（6）：50-52.
[3] 劉青.DS18B20在糧倉恒溫監(jiān)控系統(tǒng)中的應用[J].自動化應用，2013（7）：70-71.
[4] 王冬，曹立文，劉向東.CAN總線在糧庫溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)中的應用[J].機電工程技術，2006，35（7）：55-56，84.
[5] 師恩陪，韓桂麗.網(wǎng)絡單片機PIC18F97J60的開發(fā)與應用[J].單片機與嵌入式應用，2008（12）：48-50.
[6] 陳新建.PIC系列單片機程序設計與開發(fā)應用[M].北京：北京航空航天大學出版社，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語言程序設計[J].單片機與嵌入式系統(tǒng)應用，2002（7）：22-24.
[9] 李業(yè)德，唐詩.單片機和DS18B20組成的多點溫度測量控制系統(tǒng)[J].山東工程學院學報，2001，15（4）：15-18.