【文章內容簡介】 ...............................................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.....................................................................................................17 引 言民以食為天，自古以來糧食問題就是人們最為關注的問題，它體現(xiàn)了人們的生活質量狀態(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的矛盾，糧食安全問題顯得尤為突出。由于糧食等農業(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。目前我國很多廣大的農村農民還采用傳統(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。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節(jié)，導致糧食品質的下降。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、信息傳輸技術、信息存儲技術及信息處理技術等相互融合，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。目前我國很多廣大的農村農民還采用傳統(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，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節(jié)，導致糧食品質的下降。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。目前國內生產(chǎn)的糧倉環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)品種繁多，系統(tǒng)結構各異。在糧倉內外溫濕度監(jiān)測、糧食內部溫濕度監(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）.構成系統(tǒng)整體的測控技術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)結構已經(jīng)普遍采用網(wǎng)絡連接的現(xiàn)場總線技術(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)絡技術是現(xiàn)代傳感器技術、微電子技術、通信技術、嵌入式計算技術和分布式信息處理技術等多個學科的綜合。無線傳感器網(wǎng)絡是將無線通信技術、傳感器技術和網(wǎng)絡技術相結合構成的能夠根據(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)，并通過相關電路對數(shù)據(jù)進行處理，如放大、濾波、A/D轉換等，將處理過的數(shù)據(jù)顯示出來，并且可以能夠對異常情況進行報警，由所設計出的硬件電路圖進行相關軟件設計，并且對該此設計進行調試仿真等。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。濕度：濕度很久以前就與生活存在著密切的關系，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轉換器進行轉換，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內置放大、A/D轉換電路，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，芯片內部連接圖如圖21所示：性能特點：內核：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）。內嵌出廠前調校的8MHz RC振蕩電路，可作為系統(tǒng)時鐘，可也可用于CPU時鐘的PLL。內部40 kHz的RC振蕩電路，可用來驅動看門狗時鐘及驅動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。調試模式：串行調試（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以內的輸入。定時器：內部共有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動DAC。ADC/DAC：2個12位的us級的A/D轉換器（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動系統(tǒng)時鐘（SYSCLK）： （高速內部時鐘信號），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），其時鐘輸入源可以選擇為HSI/2，HSE，或者HSE/2，