【文章內(nèi)容簡介】 ................................................................22 圖35 報警程序流程圖......................................................................................................23 表格清單表21 啟動選項........................................................................................................................7表22 ILI9320常用命令表.....................................................................................................17V 引 言民以食為天，自古以來糧食問題就是人們最為關(guān)注的問題，它體現(xiàn)了人們的生活質(zhì)量狀態(tài)，同時也是國家富強發(fā)展的基礎。進入21世紀以來，全球人口的不斷增長與有效耕地面積逐年減少成為難以逆轉(zhuǎn)的矛盾，糧食安全問題顯得尤為突出。由于糧食等農(nóng)業(yè)產(chǎn)品的生產(chǎn)受自然條件的影響很大，產(chǎn)品收割時間比較集中，消費卻是一年四季連續(xù)不斷的，因此無論農(nóng)民自用，還是出售給國家的商品糧，都必須存放在符合儲糧要求的倉庫(或容器)里。保障儲糧安全，才能滿足國家經(jīng)濟建設和人民生活的需要。經(jīng)過五十多年的糧倉建設與發(fā)展，我國糧庫的布局、規(guī)模、倉儲工藝、設施配備、倉型設計、新材料應用和建筑施工等都發(fā)生了根本變化，而且倉儲管理與技術(shù)管理等也得到了極大的提高。糧食的有效存儲與溫濕度等因素息息相關(guān)。目前我國很多廣大的農(nóng)村農(nóng)民還采用傳統(tǒng)儲糧模式，這種方式在糧食存儲的過程中容易發(fā)生霉變，其主要原因與倉儲環(huán)境的溫度、濕度，氣體濃度以及傳統(tǒng)的倉庫管理模式，缺乏自動監(jiān)測設備等因素有關(guān)。傳統(tǒng)儲糧方式需要值班人員定期用測量儀器去某個區(qū)域進行人工測量，這樣的粗放型的管理糧倉模式往往不能及時的反映倉儲環(huán)境的狀況，從而不能及時的進行調(diào)節(jié)，導致糧食品質(zhì)的下降。在這種狀況下，就需要一套先進的糧食倉儲環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，來避免因儲糧不善造成巨大的損失，進一步提供完善配套的糧食存儲技術(shù)與裝備信息化是當今世界經(jīng)濟和社會發(fā)展的大趨勢。信息技術(shù)已經(jīng)廣泛應用在傳統(tǒng)的糧食倉儲環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)之上，所以應當尋求新的理論和技術(shù)來改進傳統(tǒng)監(jiān)測手段，來設計并實現(xiàn)更完善的監(jiān)測系統(tǒng)。本次是基于ARM平臺進行糧食倉儲環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的設計，該系統(tǒng)主要由溫濕度、可燃氣體濃度等數(shù)據(jù)采集處理模塊、ARM中心控制處理模塊、復位模塊、報警模塊、LCD顯示模塊這五部分組成，五部分協(xié)同工作，從而最終實現(xiàn)對糧食倉儲環(huán)境的監(jiān)測。該系統(tǒng)將信息采集技術(shù)、信息傳輸技術(shù)、信息存儲技術(shù)及信息處理技術(shù)等相互融合，將糧食倉儲環(huán)境中多種參數(shù)監(jiān)測和ARM控制器控制理論相結(jié)合，提出一種切實可行的糧倉環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，可以全面、實時、自動地對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行自動記錄、存儲和處理，滿足了對農(nóng)作物存儲狀態(tài)實行全面、實時、長期監(jiān)測的要求。 第1章 緒論 研究意義及國內(nèi)外發(fā)展概況 糧食的有效存儲與溫濕度、氣體濃度等因素息息相關(guān)。目前我國很多廣大的農(nóng)村農(nóng)民還采用傳統(tǒng)儲糧模式，這種方式在糧食存儲的過程中容易發(fā)生霉變，其主要原因與倉儲環(huán)境的溫度、濕度，氣體濃度以及傳統(tǒng)的倉庫管理模式，缺乏自動監(jiān)測設備等因素有關(guān)，傳統(tǒng)儲糧方式需要值班人員定期用測量儀器去某個區(qū)域進行人工測量，這樣的粗放型的管理糧倉模式往往不能及時的反映倉儲環(huán)境的狀況，從而不能及時的進行調(diào)節(jié)，導致糧食品質(zhì)的下降。在這種狀況下，就需要一套先進的糧食倉儲環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，來避免因儲糧不善造成巨大的損失，進一步提供完善配套的糧食存儲技術(shù)與裝備信息化是當今世界經(jīng)濟和社會發(fā)展的大趨勢。目前國內(nèi)生產(chǎn)的糧倉環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)品種繁多，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)各異。在糧倉內(nèi)外溫濕度監(jiān)測、糧食內(nèi)部溫濕度監(jiān)測及分析、通風機械的控制等方面比之前有了不少的進步，但仍有進步空間。現(xiàn)場檢測電路和上位機的通訊大多采用RS485，但整個系統(tǒng)抗干擾能差，實時性和糾錯能力不強，增加了節(jié)點困難。當某一通信節(jié)點出現(xiàn)故障時還會影響整個系統(tǒng)。 國外的糧情監(jiān)測系統(tǒng)相對比較先進，主要體現(xiàn)在以下三個方面： 1）.無論是傳感器的測量精度、反應速度、穩(wěn)定性、功能多樣性還是使用環(huán)境方面國外的傳感器都比較先進。 2）.構(gòu)成系統(tǒng)整體的測控技術(shù)和管理無論是硬件還是軟件都已普遍采用相應的標準模塊集成，并且早已實現(xiàn)組態(tài)。 3）.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)已經(jīng)普遍采用網(wǎng)絡連接的現(xiàn)場總線技術(shù)(FCS)，在有些需要的場合則連接到Internet上實現(xiàn)遠程控制、遠程診斷。從系統(tǒng)控制的角度來看屬于純滯后控制，而這一技術(shù)已經(jīng)相當成熟。目前研制高精度高性能的溫濕度、氣體濃度監(jiān)測系統(tǒng)是主流，提高可靠性、靈活性和降低成本也是其考慮的重點，并且系統(tǒng)在報警、記錄、控制、通信等方面的自動化和智能化也將逐步完善。 目前國內(nèi)的糧食倉儲環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)大多采用有線布網(wǎng)、人工測量，導致現(xiàn)場安裝困難，工作效率偏低，測量精度差，這大大增加了電氣工程施工的費用。因此，為了保證糧食等農(nóng)作物的長期穩(wěn)定的存儲，開發(fā)和研制無線傳感器網(wǎng)絡環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)必然是未來的發(fā)展趨勢。無線傳感器網(wǎng)絡技術(shù)是現(xiàn)代傳感器技術(shù)、微電子技術(shù)、通信技術(shù)、嵌入式計算技術(shù)和分布式信息處理技術(shù)等多個學科的綜合。無線傳感器網(wǎng)絡是將無線通信技術(shù)、傳感器技術(shù)和網(wǎng)絡技術(shù)相結(jié)合構(gòu)成的能夠根據(jù)環(huán)境自主完成指定任務的智能自治測控網(wǎng)絡系統(tǒng)。因其具有隨機布設、自組織、環(huán)境適中等特點，非常適合應用于布線、電源供給困難的區(qū)域、人員不易到達的區(qū)域，已廣泛應用于國防軍事、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、環(huán)境科學、交通管理、災害監(jiān)測等領域。 課題研究和解決的主要問題 本課題設計主要是實現(xiàn)對溫度，濕度，可燃性氣體的濃度進行多點同時測量并準確顯示。整個系統(tǒng)由ARM模塊來控制，由溫度傳感器，濕度傳感器，氣體傳感器采集數(shù)據(jù)，并通過相關(guān)電路對數(shù)據(jù)進行處理，如放大、濾波、A/D轉(zhuǎn)換等，將處理過的數(shù)據(jù)顯示出來，并且可以能夠?qū)Ξ惓Ｇ闆r進行報警，由所設計出的硬件電路圖進行相關(guān)軟件設計，并且對該此設計進行調(diào)試仿真等。溫度：度量物體冷熱的物理量，是國際單位制中7個基本物理量之一。在生產(chǎn)和科學研究中，許多物理現(xiàn)象和化學過程都是在一定的溫度下進行的，人們的生活也和它密切相關(guān)。濕度：濕度很久以前就與生活存在著密切的關(guān)系，但用數(shù)量來進行表示較為困難。日常生活中最常用的表示濕度的物理量是空氣的相對濕度，用%RH表示。在物理量的導出上相對濕度與溫度有著密切的關(guān)系。一定體積的密閉氣體，其溫度越高相對濕度越低，溫度越低，其相對濕度越高。其中涉及到復雜的熱力工程學知識。 可燃性氣體：通常指城市煤氣、石油液化氣、汽油蒸汽、酒精蒸汽、天然氣以及煤礦瓦斯等。這些氣體主要含有烷類、烴類、一氧化碳和氫氣等烯類、醇類、苯類以及成分。這些氣體易燃、易爆，在貯存和使用這些氣體過程中，如違反操作規(guī)程和設備密封不好，都有可能發(fā)生可燃氣體泄漏現(xiàn)象，進而釀成火災或爆炸事故，給國家和人民的生命財產(chǎn)造成損失。其中“LEL”是指爆炸下限，可燃氣體在空氣中遇明火爆炸的最低濃度，稱為爆炸下限一簡稱”LEL”，本設計中對超過60%LEL的氣體濃度進行報警。 系統(tǒng)的各項性能指標是： 1)測溫范圍：—40℃~+60℃； 濕度測量范圍為：0~100%RH； 氣體濃度測量范圍：0~100%LEL； 2)溫度測量精度：+/℃ 3)濕度測量誤差：4%RH 4)可設置報警值；當濕度、溫度、濃度等參數(shù)超限時，發(fā)出報警信號。 5)可以通過LCD進行顯示示數(shù)。 6)電源工作范圍： 課題總體方案設計與論證 方案一：本方案采用模擬分立元件，如電容、電感或晶體管等非線形元件，實現(xiàn)多點溫度，濕度，氣體的測量，該方案設計電路簡單易懂，操作簡單，且價格便宜，但采用分立元件分散性大，不便于集成數(shù)字化，而且測量誤差較大。 方案二：本方案采用AT89C52單片機為核心，通過AD590等模擬傳感器采集溫度、濕度、氣體信號濃度，輸出的模擬信號經(jīng)信號放大器放大后，送到A/D轉(zhuǎn)換器進行轉(zhuǎn)換，再用LED顯示示數(shù)，用單片機檢測處理數(shù)字信號，但A/D轉(zhuǎn)換電路設計較煩瑣，而且使用模擬傳感器進行檢測必須對輸出端進行補償，以減小誤差。 方案三：由溫濕度傳感器SHT1MC113進行數(shù)據(jù)采集，SHT11內(nèi)置放大、A/D轉(zhuǎn)換電路，可以直接輸出數(shù)字信號，ARM控制器STM32F107比51單片機更加高效、低功耗，系統(tǒng)還包括復位模塊，蜂鳴器報警模塊，用LCD進行數(shù)據(jù)顯示，比LED顯示更加清晰、準確。這幾個部分在ARM控制模塊的總控制作用下，協(xié)調(diào)統(tǒng)一的完成工作。綜合上述三種方案可知方案三更加合理，高效。 系統(tǒng)總工作框圖及工作過程 系統(tǒng)總體硬件設計框圖如圖11所示，本系統(tǒng)由溫濕度、易燃氣體濃度等數(shù)據(jù)采集處理模塊、ARM控制處理模塊、電源電路模塊、報警模塊、LCD顯示模塊，這五部分組成，在ARM控制模塊的總控制作用下，各模塊協(xié)調(diào)統(tǒng)一的完成工作。該系統(tǒng)以ARM控制器為核心，以多個溫度、濕度、氣體傳感器作為測量元件，通過ARM控制器STM32F107與智能傳感器SHT11和MC113相連，通過多路通道采集處理并顯示實時數(shù)據(jù)。用SHT11采集溫濕度數(shù)值，直接送入控制器中顯示、控制，用MC113氣體傳感器測量氣體濃度，將輸出的模擬信號放大、濾波、A/D轉(zhuǎn)換后送入ARM控制器中。在ARM控制器的外圍電路系統(tǒng)中，還要實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時顯示、系統(tǒng)復位、超限報警等功能。用TFTLCD進行顯示，比一般的LED顯示更加的清晰、準確。通過ARM控制器的端口來控制蜂鳴器進行報警。ARM控制器 模塊 顯示電路模塊數(shù)據(jù)采集、處理 模塊 報警電路模塊 電源電路模塊 圖11 系統(tǒng)總體工作框圖 第2章 系統(tǒng)硬件設計 ARM最小系統(tǒng)模塊 本文主要用到STM32F107芯片進行設計，其最小系統(tǒng)主要用到的相關(guān)電路為復位電路、時鐘電路、JTAG接口電路等部分。 ARM處理器概述 STM32F107是意法半導體推出全新STM32互連型（Connectivity）系列微控制器中的一款性能較強產(chǎn)品，此芯片集成了各種高性能工業(yè)標準接口，此芯片可以滿足工業(yè)、醫(yī)療、樓宇自動化、家庭音響和家電市場多種產(chǎn)品需求。且STM32不同型號產(chǎn)品在引腳和軟件上具有完美的兼容性，可以輕松適應更多的應用。本設計用的芯片型號是STM32F107VCT6，芯片內(nèi)部連接圖如圖21所示：性能特點：內(nèi)核：ARM32位CortexM3 CPU，最高工作頻率72MHz，和8/16位設備相比，ARM CortexM3 32位RISC處理器提供了更高的代碼效率。 存儲器：片上集成256KB的Flash存儲器用于存儲程序和數(shù)據(jù)，64KB的SRAM存儲器可以以CPU的時鐘速度進行讀寫。時鐘、復位和電源管理：~。內(nèi)部包括上電復位（POR）電路、PDR（掉電復位）電路和可編程的電壓探測器（PVD）。內(nèi)嵌出廠前調(diào)校的8MHz RC振蕩電路，可作為系統(tǒng)時鐘，可也可用于CPU時鐘的PLL。內(nèi)部40 kHz的RC振蕩電路，可用來驅(qū)動看門狗時鐘及驅(qū)動RTC。低功耗：3種低功耗模式：休眠，停止，待機模式。其中為RTC和備份寄存器供電的是VBAT。調(diào)試模式：串行調(diào)試（SWD）和JTAG接口。DMA：12通道的DMA控制器，支持的外設：定時器、ADC、DAC、SPI、I2C和USART。芯片擁有100個引腳：其中包括80個GPIO端口，每個端口都可以映射到16個外部中斷向量。除了模擬輸入，所有的端口都可以接受5V以內(nèi)的輸入。定時器：內(nèi)部共有10個定時器，其中包括4個16位普通定時器，每個定時器有4個IC/OC/PWM或者脈沖計數(shù)器。1個16位的6通道高級控制定時器：最多6個通道可用于PWM輸出。2個看門狗定時器（獨立看門狗和窗口看門狗）。1個Systick定時器（24位倒計數(shù)器來產(chǎn)生中斷）以及2個16位基本定時器用于驅(qū)動DAC。ADC/DAC：2個12位的us級的A/D轉(zhuǎn)換器（16通道），A/D測量范圍： V，雙采樣和保持能力，片上集成一個溫度傳感器。此外還包括2個12位D/A轉(zhuǎn)換器。通信接口：包括5個USART(4Mbit/s)接口，3個SPI接口（18Mbit/s），2個數(shù)字音頻接口I2S，2個I2C接口，另外它擁有全速USB （OTG）接口，以及以太網(wǎng)10/100MAC模塊。 圖21 ARM芯片內(nèi)部連接圖 系統(tǒng)功能作用： 時鐘：STM32F107有三種不同的時鐘源可以被用來驅(qū)動系統(tǒng)時鐘（SYSCLK）： （高速內(nèi)部時鐘信號），一般晶振為8MHZ。 （高速外部時鐘信號），一般晶振為416MHZ。 （鎖相環(huán)時鐘），其時鐘輸入源可