【導讀】條件、保證糧食品質、減輕勞動強度等已成為糧食倉儲行業(yè)的新課題。設計主要是利用高性能、低功耗的ARM處理器進行糧食倉庫的實時監(jiān)測。體信號模塊、主控模塊和顯示模塊的軟硬件設計。畢業(yè)設計（論文）正文；系統(tǒng)硬件電路原理圖；至少一篇引用的外文文獻及其譯文；附不少于10篇主要參考文獻的題錄及摘要。相關氣體的濃度有關。傳統(tǒng)的倉庫管理模式，缺乏自動監(jiān)測設備，需要值班人員定期用。測量儀器去多個區(qū)域進行人工測量。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。報警裝置來切實提高儲糧的水平。本設計的最大的優(yōu)點在于其自動性、準確性、高效性。以及其所采用的一些相關的元器件。量糧倉各個地方的溫濕度情況。此外我們可以在本設計之中提前確定相關被控參數(shù)的設。本文的控制部分主要用的是ARM部分，它與傳統(tǒng)的51單片機相比功能更加的強大，這些因素使得ARM與51單片機相比更加的高性能，低功耗。領域應用的更加廣泛。

　　

【正文】 標準測試。標準系數(shù)被編成相應的程序存入校準存儲器中，在測量工程中可以對相對濕度進行自動校準。它不僅能準確測量相對濕度，還能測量濕度和露點。測量相對的范圍是 0100%，分辨率 %RH，測量溫度的范圍 40℃ — +℃，分辨率為 ℃，測量露點的精度 +1℃。在測量濕度、溫度時 A/D 轉換器的位數(shù)分別可達 12位、 14 位。利用降低分辨力的方法可以提高測量速率，減小芯片的功耗。該芯片廣泛應用于冷暖空調、汽車、消 費電子、自動控制等域。采用 SHT11 進行溫濕度實時監(jiān)測的系統(tǒng)具有精度高、成本低、體積小、接口簡單等優(yōu)點；另外 SHT11 芯片內部集成了1 14 位 A/D 轉換器，且采用數(shù)字信號輸出，因此抗干擾能力也比同類芯片高。該芯片在溫濕度監(jiān)測、自動控制等領域均已得到廣泛應用。 SHT11 的主要特性如下： 將溫濕度傳感器、信號放大調理、 A/D 轉換、 I2C 總線接口全部集成于一芯片（ COMensTM 技術）； 可給出全校準相對濕度及溫度值輸出； 帶有工業(yè)標準的 I2C 總線數(shù)字輸出接口； 具有露點值計算輸出功能 ； 具有卓越的長期穩(wěn)定性； 濕度值輸出分辨率為 14 位，溫度值輸出分辨率為 12 位； 具有可靠的 CRC 數(shù)據(jù)傳輸校驗功能； 片內裝載的校準系數(shù)可保證 100%互換性； ．電源電壓范圍為 ； 電流消耗，測量時為 550uA，休眠時為 3uA； SHT11 測量電路圖如 27 所示。 圖 27 SHT11 傳感器電路 SHT11 各引腳功能如下： GND：接地端 DATA：串行數(shù)據(jù)輸出 /輸入端 SCK：串行口時鐘輸入端 VDD：接電源端 SHT11 工作過程 SHT11 的 DATA 引腳在 SCK 時鐘的下降沿之后改變狀態(tài)，并僅在 SCK 時鐘上升帥鍋： 基于 ARM 的糧食倉儲環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的設計 12 沿后有效，所以，控制器可以在 SCK 高電平時讀出數(shù)據(jù)，而當其向 SHT11 發(fā)送數(shù)據(jù)時，則必須保證 DATA 上的電平狀態(tài)在 SCK 高電平段穩(wěn)定。在需要輸出高電平時，控制器將置為高阻狀態(tài)，由外部的上拉電阻將信號拉至高電平，從而實現(xiàn)高電平輸出。 SHT11首先由兩個傳感器分別測量相對濕度和溫度信號，經(jīng)過放大電路放大后分 別送到 14 位的 ADC 進行 A/D 轉換、標準和糾錯，最后通過二線制的串行接口，將相對濕度和溫度的數(shù)據(jù)送至控制器中。最后利用 ARM 完成非線性補償和溫度補償。 SHT11 的濕度檢測運用電容式結構，并采用具有不同保護的“微型結構”檢測電極系統(tǒng)與聚合物覆蓋層來組成傳感器芯片的電容，除保持電容式的原有特性外，還可以抵御來自外界的影響。由于它將溫度傳感器與濕度傳感器結合在一起而構成了一個單一的個體，因而測量精度較高且可得出露點，同時不產(chǎn)生由于溫度與濕度傳感器之間隨溫度梯度變化引起的誤差。 CMOSensTM 技 術不僅將溫濕度傳感器結合在一起，而且還將信號放大電路、模 /數(shù)轉換器、校準數(shù)據(jù)存儲器、標準 I2C 總線等電路集成在一個芯片內。 SHT11 傳感器的校準系數(shù)預先存在 OTP 內存中。經(jīng)校準的相對濕度和溫度傳感器與 A/D 轉換器相連，可以將轉換后的數(shù)字溫濕度值送給二線 I2C 總線器件，從而將數(shù)字信號轉換為符合 I2C 總線協(xié)議的串行數(shù)字信號。 傳輸開始：初始化傳輸時，應首先發(fā)出“傳輸開始”命令，該命令可在 SCK 為高電平時使 DATA 由高電平變?yōu)榈碗娖?，并在下一個 SCK 為高時將 DATA 升高。接下來的命令順序包含三個地址（目前 只支持“ 000”）和 5 個命令位，當 DATA 腳的 SCK 位處于低電平時，表示 SHT11 正確接收到命令。 連接復位順序：如果與 SHT11 傳感器的通訊中斷，下列信號順序會使串口復位：即當 DATA 線處于高電平時，觸發(fā) SCK9 次以上（含九次），此后接著發(fā)一個“傳輸開始”命令。 溫濕度測量時序：當發(fā)出了溫濕度測量命令后，控制器就要等到測量完成。使用8/12/14 位的分辨率測量分別需要大約 11/55/210 毫秒的時間。為表明測量完成， SHT11會使數(shù)據(jù)線為低，此時控制器必須重新啟動 SCK，然后傳送兩字節(jié)的測 量數(shù)據(jù)與 1 字節(jié)的校驗碼。控制器必須通過使 DATA 為低來確認每一個字節(jié)。通訊在確認 CRC 數(shù)據(jù)位后停止。如果沒有用校驗，則控制器就會在測量數(shù)據(jù)后保持 SCK 為高來停止通訊，SHT11 在測量和通訊完成后會自動返回睡眠模式。需要注意的是，為了使 SHT11 的溫升低于 ℃，此時的工作頻率不能大于標定的 15%（如： 12 位精度時，每秒最多進行三次測量）。 低電壓檢測， SHT11 工作時可以自行檢測 VDD 電壓是否低于 ，準確度為177。 下載校準系數(shù)：為了節(jié)省能量并提高速度，在每次測量前都要重新下 載校準系數(shù)，從而使每一次測量節(jié)省 的時間。 測量分辨率設定：將測量分辨率從 14 位（溫度）和 12 位（濕度）分別減到 12 位和 8 位可應用于高速或低功耗場合。 由于將傳感器與其它功能電路部分結合在一起，因此，該傳感器具有比其它類型的濕度傳感器優(yōu)越得多的性能。首先是傳感器信號強度的增加增強了傳感器芯片的抗干擾性能，保證了傳感器的長期穩(wěn)定性。而 A/D 轉換同時完成，則降低了傳感器對干擾噪聲的敏感程度。其次在傳感器芯片內部裝載的校準數(shù)據(jù)保證了每一只濕度傳感器具有相同的功能，具有 l00%的互換性。 氣 體濃度采集處理模塊 神山口大學畢業(yè)設計（論文） 13 此部分電路主要由信號的采集電路、放大電路、濾波電路等組成。 氣體信號的采集用的是 MC113 催化燃燒式氣敏元件。這個元件在通電加熱的狀態(tài)下，對可燃氣體具有吸附、脫附效應，使其電導率隨著空氣中的可燃氣體的濃度增加而增大，使電導率的變化轉化為與該氣體濃度相對應的輸出信號。由于輸出的電壓信號很微弱（ mV 級），要經(jīng)過放大處理才能進行 A/D 轉換，這部分由差分放大器和三極管完成，并且差分放大器還能有效的抑制噪聲。處理器 STM32F107 自身還有 A/D 轉換功能，所以不用另外的 A/D 轉換器了，直接 放大濾波后送至處理器的 PC4 端口進行處理。 氣體傳感器 MC113 MC113 根據(jù)催化燃燒效應的原理工作：當易燃氣體接觸被催化物覆蓋的傳感器表面時會發(fā)生氧化反應而燃燒，傳感器的檢測元件一般為鉑金屬絲，使用時將鉑絲通電，保持 300400℃的高溫，此時若與可燃性氣體接觸，可燃性氣體就會在稀有金屬催化層上燃燒，因此鉑絲的溫度會上升，鉑絲的電阻值也上升，通過測量鉑絲的電阻值變化的大小，就知道可燃性氣體的濃度。如下圖 28 是 MC113 的測量電路，由檢測元件和補償元件 R R5 配對組成電橋的兩個臂，遇可燃性 氣體時檢測元件電阻升高，橋路輸出電壓變化，該電壓變量隨氣體濃度增加而成比例增大，補償元件起參比及溫濕度補償作用，當剛開始測試之前，就可以調節(jié)滑動變阻器 R9，把初始輸出電壓調為零，有效的解決了因更換不同的阻值的探頭或因周圍環(huán)境變化導致的初始電壓不為零的初始化的問題。 圖 28 MC113 傳感器測量電路 該傳感器采用恒壓供電，工作電壓為 (177。 )V，工作電流為 (90177。 10) mA，傳感器輸出線性度 很好， MC113 不僅可以檢測甲烷 (CH4)，還可以檢測液化石油氣 (LPG)、氫氣 (H2)，輸出都呈現(xiàn)出一個良好的線性度。 MC113 的測量范圍是 (0～ 100) %LEL，其中“ LEL”是指爆炸下限，可燃氣體在空氣中遇明火種爆炸的最低濃度，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。 本設計采用的是 5 號氣敏元件，氣體濃度變化 1%時，輸出電壓變化 20mV，則可導出輸出電壓與氣體濃度的線性關系： V= 20 p (公式 21) 其中， V 表示輸出電壓大小，單位為 V； p 表示氣體濃度。這樣就把氣體濃度信號變成了電壓信號。 信號放大電路 放大器選用的是 AD623，它可以采用單電源供電，外接電阻后其增益最高可達 1000倍，放大倍數(shù)與增益電阻的關系式為： G=1+100KΩ /R。如圖 29 為 AD623 信號放大電帥鍋： 基于 ARM 的糧食倉儲環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的設計 14 路， AD623 的輸入端接 R R C C C10 用來濾除無線電頻率的干擾，特別是信號較弱時更明顯。因為 AD623 輸出的信號將送到 ARM 的 A/D 轉換 接口 PC4 端，但是這個接口最大只能轉換 的電壓，所以要求基電壓加上擺動電壓不能超過 3. 6V。最終我們選取的是基電壓為 ，供電壓為 +5V，放大倍數(shù)定為 7 倍，這樣可以保證在采樣范圍 0～ 100%LEL 內產(chǎn)生的電壓都可以經(jīng)過 A/D 轉換。 圖 29 AD623 信號放大電路 信號濾波電路 如圖 210 信號濾波電路，本電路由兩階濾波電路和同相比例放大電路組成，在集成運放輸出到集成運放同相輸入之間引 入一個負反饋，在不同的頻段，反饋的極性不相同，當信號頻率 ff0 時（ f0 為截止頻率），電路的每級 RC 電路的相移趨于 90，兩級RC 電路的移相到 180，電路的輸出電壓與輸入電壓的相位相反，故此時通過電容 C 引到集成運放同相端的反饋是負反饋，反饋信號將起著削弱輸入信號的作用，使電壓的放大倍數(shù)減小，所以該反饋將使二階有源低通濾波器的幅頻特性高頻端迅速衰減，只允許低頻信號端信號通過。其特點是輸入阻抗高，輸出阻抗低。 由公式 22 計算得出截止頻率為 1592HZ。 二階濾波電路傳遞函數(shù)： 222ccc0wsQwswAsH???）（ （公式 22） 其中 A0 稱為通帶增益 Q=1/(3A0) 稱為等效品質因數(shù) Wc=1/RC 稱為特征角頻率 圖 210 信號濾波電路 神山口大學畢業(yè)設計（論文） 15 顯示電路模塊 顯示設備是電子系統(tǒng)常見的輸出設備，在電子系統(tǒng)中占有極其重要的作用，顯示電路主要有兩種顯示方式：數(shù)碼管顯示方式和 LCD 液晶顯示方式。 數(shù)碼管是由 7 段或 8 段發(fā)光二極 管組成，在平面上排成 8 字型，主要有共陰極和共陽極兩種，只要使某些段點亮而另一些段不亮就可以顯示 09， AF 等字型。要使某段點亮必須具備 2 個條件：一是共陰極管的公共端接地和共陽極管的公共端接電源；二是共陰極管的控制端接電源和共陽極管的控制端接地。此顯示方式具有接口簡單，占用資源少、控制靈活方便等特點，目前市場上主要有 2 位一體， 4 位一體， 8 位一體等數(shù)碼管，價格也比較便宜。 LCD 液晶顯示器是 Liquid Crystal Display 的簡稱， LCD 的構造是在兩片平行的玻璃當中放置液態(tài)的晶體，兩片玻璃中間有許多 垂直和水平的細小電線，透過通電與否來控制桿狀水晶分子改變方向，將光線折射出來產(chǎn)生畫面，不僅可以顯示字符、數(shù)字，還可以顯示漢字、圖片等，由于 LCD 顯示器通過控制是否透光來控制亮和暗，當色彩不變時，液晶也保持不變，這樣就無須考慮刷新率的問題，對于畫面穩(wěn)定、無閃爍感的液晶顯示器，刷新率不高但圖像也很穩(wěn)定， LCD 顯示器還可以通過液晶控制透光度的技術原理讓底板整體發(fā)光，做到了真正的完全平面。但是相對于數(shù)碼管顯示器，其價錢比較其昂貴。由于 LCD 液晶顯示方式相對于數(shù)碼管顯示方式來說不用考慮不斷刷新等優(yōu)點，所以本課題設計利 用 TFTLCD 作為輸出顯示設備，本課題的 LCD 的驅動芯片為ILI9320，它采用 16 位數(shù)據(jù)線與外部進行連接，利用控制器傳輸控制信號，在 LCD 上將傳感器的溫濕度、氣體濃度數(shù)據(jù)都顯示出來。其電路連接如圖 211 所示： 圖 211 TFTLCD 電路連接圖 它有如下一些信號線： CS： TFTLCD 片選信號。 帥鍋： 基于 ARM 的糧食倉儲環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的設計 16 WR：向 TFTLCD 寫入數(shù)據(jù)。 RD：從 TFTLCD 讀取數(shù)據(jù)。 DB[15:0]： 16 位雙向數(shù)據(jù)線。 RST：硬復位 TFTLCD。 RS：命令 /數(shù)據(jù)標志