1、粮食存储环境品质监测系统设计资料现代检测技术大型作业（2014/2015学年第1学期）课题名称 粮食存储环境品质监测系统设计 院（系） 自动化工程学院 专 业 小组成员 时 间 指导老师 一设计背景及意义“国以民为本，民以食为天”，“兵马未动，粮草先行”，这些都充分说明粮食对国家的重要性。储粮是为了防备战争、保证非农业人口的粮食消费需求、调节国内粮食供求平衡、稳定粮食市场价格、应对重大自然灾害及其它突发性事件而采取的有效措施。因此，粮食的科学储藏具有重要的战略意义和经济意义。我国是世界上最大的粮食生产、储藏及消费大国，粮食储藏是国家为防备战争、灾荒及其他突发性事件而采取的有效措施，因此粮食的安
2、全储藏是关系到国计民生的战略大事。在粮食的储藏的过程中，由于粮仓温湿度异常而造成粮食变质，带来的经济损失是惊人的。粮食在贮藏过程中，会因为受温度、湿度、氧气、微生物及昆虫等因素的影响，从而造成其质量的不良改变。目前我国许多粮食仓储单位采用测温仪器与人工抄录、管理相结合的传统方法，消耗了大量的人力和财力，并且效果不佳，发霉变质等现象大量存在。因此设计粮食储存品质监测系统，可以提高工作效率，实现粮仓数据的实时监控，是仓储单位亟待解决的重要问题。粮食在贮藏过程中，会因为受温度、湿度、压力、微生物及昆虫等因素的影响，从而造成其质量的不良改变。对粮食贮藏过程中的影响参数进行实时监测、分析，是保障粮食储存
3、品质的有效手段。在此，通过采用CAN总线的数据采集系统对影响粮食贮藏过程中的参数进行实时采集、分析，当发现不良变化时，能够及时发出预警信息，保证粮食储存的安全。粮食储存品质监测系统是利用现场的前沿机检测粮食储备库中粮食的基本情况，并结合其他粮情信息（如入仓时间、品种、仓型、天气状况等）进行综合分析，然后通过控制电机启停，达到对相应参数的控制。利用监控室的上位机对粮仓进行监控，用户可方便地构造自己需要的数据采集系统，在任何时候把粮仓现场的信息实时地传到控制室，管理人员不需要深入现场，就可以按照所需的要求对粮仓内的情况进行控制，还可以查看历史数据，优化现场作业，提高了生产效率，增强了国家粮食储备安
4、全水平，以获得实时粮仓管理，实现自动化、智能化，为实现我国粮仓管理现代化更近了一步。二设计内容2.1 系统总体结构规划 影响粮库储粮安全性的参数主要有粮堆温度、湿度、压力和等，及时监测这些参数、准确分析这些参数的变化并及时采取相应处理措施，对于提高仓储质量、减少粮食损耗具有重要意义。这里我们采用分布式监控网络，主要分为上位机和下位机两部分。而上位机按功能分由现场上位监控管理机，远程监控管理机和CAN通讯适配器组成，下位机则由CAN节点和现场参数采集和控制组成。系统总体结构 CAN总线（Controller Area Network）即控制器局域网，由德国BOSCH公司20世纪80年代推出，是国
5、际上应用最广泛的现场总线之一。CAN 具有下列主要特性：多主站依据优先权进行总线访问；无破坏性的基于优先权的仲裁；借助接收滤波的多地址帧传送；全系统数据相容性；废除了常用的地址编码，而代之以对通信数据块进行编码；可靠的错误处理和检错机制，极强的错误检测能力，发送期间若丢失仲裁或由于出错而遭破坏的帧可自动重发送；暂时错误和永久性故障节 点的判别以及故障节点的自动脱离；可以根据用户的需要，改变总线上分机的数量，理论上可连无数个分机；CAN总线的接收数据长度最多为 8个字节，因而不存在占用总线时间过长的问题，可以保证通信的实时性。从而确保系统的可靠运行。考虑到 CAN 总线技术具有先进的多主网络结构
6、和通信距离远、成本低、可靠性高、系统容量大、安装方便、维护费用低、性价比高等优点，用在库区较大、仓库分布较分 散的大型粮仓的温湿度监控系统是一种合理而新颖的尝试。数据采集服务器主要完成监测网络系统的参数设置、粮库的状态查询、数据处理、粮情分析和报表打印等功能。同时，该服务器与Internet网络互联，各职能管理部门通过互联网可以在任何时间、任何地点浏览数据信息，为管理部门的决策提供依据。智能节点由微控制器、数据采集电路和CAN总线接口电路构成。智能节点不仅要实时监测粮库内各个测试点的温度、湿度、压力等信息，并保存和显示结果。还要根据数据采集服务器的要求上传数据。CAN/USB转换器负责把数据采
7、集服务器的数据，通过USB接口的输出命令转换成CAN总线数据格式后，下传到CAN总线;或者将智能节点通过CAN总线上传的数据转换成USB数据格式后，再送到数据采集服务器。2.2 系统功能下位机节点通过一定时间间隔把含有地址，温度，湿度，压力等数据量的报文向CAN总线发送，总线通过自身仲裁确定先把优先级最高的数据放到总线上，然后自动仲裁依次发送低优先级的报文到CAN总线。由于CAN总线的信息存取利用了广播式的存取工作方式，报文可以在任何时候由任何节点发送到空闲的总线上，每个节点的CAN总线接口接收总线上出现的所有信息，通过每个节点的报文滤波和地址匹配，只有上位机能实现所有报文的接收。同时上位机可
8、随时发送信息到CAN总线，只有地址匹配的节点才能收到信息。同时通过这种方式实现粮库的参数反馈控制。2.2.1 智能节点原理智能节点温度、湿度、压力、水、烟雾、入侵物:控制电路采用单总线数据通信方式。它采用单根信号线完成数据的双向传输，具有节省I/0引脚资源、结构简单、成本低廉、便于总线扩展和维护。温度检测采用单总线数字温度传感器DS18B20，它不仅能直接输出串行数字信号，而且具有微型化、低功耗、高性能，易于微处理器连接和抗干扰能力强等优点。传感器检测到的湿度、压力、水、烟雾、入侵物:信号经过调理电路处理后，可以通过单总线A/D转换模块(DS2450)输出的串行数字信号与单总线数字温度传感器D
9、S18B20输出的串行数字信号使用同一线路连接，这样可以大大简化布线的难度。智能节点控制电路结构图2.2.2 CAN节点的组成2.3 元件选型2.3.1传感器选型1.温度传感器低温储藏使粮食的呼吸活动大大减弱，可延缓粮食的陈化，保持粮食的新鲜度并降低储粮自然减量损失。粮食在10时储藏，由于呼吸产生的干物质损失要比在20和30时储藏分别少4倍和15倍。当粮温达到13时，害虫的繁殖和活动就基本停止，粮温降至10时完全停止，因此低温储藏可以避免粮食遭受虫害而造成的损失。DS18B20是美国DALLAS半导体公司继DS1820之后最新推出的一种改进型智能温度传感器。与传统的热敏电阻相比，他能够直接够直
10、接读出被测温度并且可根据实际要求通过简单的编程实现912位的数字值读数方式。可以分别在93.75ms和750ms内完成9位和12位的数字量，并且从DS18B20读出的信息或写入DS18B20的信息仅需要一根口线（单线接口）读写,温度变换功率来源于数据总线，总线本身也可以向所挂接的DS18B20供电，而无需额外电源。因而使用DS18B20可使系统结构更趋简单，可靠性更高。他在测温精度、转换时间、传输距离、分辨率等方面较DS1820有了很大的改进，给用户带来了更方便的使用和更令人满意的效果。主要特点：(1)独特的单线接口方式：DS18B20与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B
11、20的双向通讯；(2)在使用中不需要任何外围元件；(3)可用数据线供电，电压范围：+3.0+5.5V；(4)测温范围：-55+125。固有测温分辨率为0.5；(5)通过编程可实现912位的数字读数方式；(6)用户可自设定非易失性的报警上下限值；(7)多个DS18B20可以并联在惟一的三线上，实现多点测温；(8)负压特性，电源极性接反时，温度计不会因发热而烧毁，但不能正常工作；2.湿度传感器粮食在通常储藏过程中，含水量一般在12%以下为安全状态，不会产生温度突变，一旦粮仓进水、结露等使粮食的含水量达到20%以上时，由于粮粒受潮，胚芽萌发，新陈代谢加快而产生呼吸热，使局部粮食温度突然升高，必然引起
12、粮食“发烧”和霉变，并可能形成连锁反应，从而造成不可挽回的损失。常温下稻谷储藏的安全水分是13.514%。测量空气湿度的方式很多，其原理是根据某种物质从其周围的空气吸收水分后引起的物理或化学性质的变化，间接地获得该物质的吸水量及周围空气的湿度。电容式、电阻式和湿涨式湿敏原件分别是根据其高分子材料吸湿后的介电常数、电阻率和体积随之发生变化而进行湿度测量的。下面 介绍HS1100/HS1101湿度传感器及其应用。湿度检测采用HS1101型湿度传感器，HS1101是HUMIREL公司生产的变容式相对湿度传感器，HS1101 湿敏电容是基于独特工艺设计的电容元件。主要特点：(1)高精度：2%RH，极好
13、的输出线性；(2)宽量程：199%RH，宽工作温度-40100；(3)湿度输出受温度影响小，常温使用不需温度补偿；(4)响应速度快：5秒；浸水或结露后迅速恢复10秒；(5)抗静电，防灰尘，有效抵抗各种腐蚀性物质；(6)长期稳定性可靠性好：0.5%RH/年；3.压力传感器粮仓储粮数量是国家粮食数量安全及粮食库存检查的一项重要内容。现有的粮仓储粮数量检测方法主要包括称重法和测量计算法，称重法效率低、工作量大、成本高，难以广泛应用，而测量计算法具有较大的不确定性，因此开发方便快捷准确的国家粮食储藏数量监测技术势在必行。针对粮仓压强分布的随机性，利用对粮堆底面和侧面压力的测量从而得出粮仓储量数量的检测
14、方法是可行的。 CPS181是采用陶瓷材料经特殊工艺精制而成的干式陶瓷压阻压力传感器，陶瓷是一种公认的高弹性、抗腐蚀、抗磨损、抗冲击和振动的材料。陶瓷的热稳定特性及它的厚膜电阻可以使它的工作温度范围高达-40135，而且具有测量的高精度、高稳定性。电气绝缘程度2kV，输出信号强，长期稳定性好。高特性，低价格的陶瓷传感器将是压力传感器的发展方向，在欧美国家有全面替代其它类型传感器的趋势，在中国也越来越多的用户使用陶瓷传感器替代扩散硅压力传感器。CPS181干式陶瓷压力传感器被广泛地应用在：过程控制、环境控制、液压和气动设备、伺服阀门和传动、化学制品和化学工业及医用仪表等众多领域。它的尺寸小，直径
15、18mm，量程范围1600bar，价格低，被广泛的应用在各种测量压力的场合。主要特点：(1)坚固的陶瓷敏感膜片、卓越的抗腐蚀、抗磨损性能；(2)高精度、高稳定性；(3)宽的工作温度范围：-40135；(4)体积小巧，易封装，尺寸：185.258.05mm；(5)量程范围：100kPa60Mpa；(6)综合误差(包括：线性、迟滞、重复性)：0.20.4FS%；(7)零点输出：00.2mV，满量程输出：2.04.8mV；4.传感器气体浓度监侧试验研究小麦自身呼吸及昆虫和霉菌活动产生气体的特点。结果表明安全水分小麦呼吸水平较低，6个月中检侧的浓度最高值仅为0.06%。昆虫活动可显著提高粮堆中的气体浓
16、度；另外发现安全水分的粮食自身呼吸作用微弱，产生气体量很少，不会影响虫霉活动的监测.当粮堆中有昆虫或霉菌进行生长活动时，不仅在生长部位可检测到气体浓度的显著升高，其产生的气体还可以通过扩散作用，快速向周边传导，可以在虫霉活动点以外的部位检测到气体浓度的变化。因此，可以通过在粮堆中设置适当的监测点，准确、灵敏地监测粮堆中的虫霉活动。与粮堆侧温方法相比，当模拟霉变点的温度随着霉菌的活动升高16时，水平相距1m和2m的部位未检侧到温度的显著变化(p0.05)。因此，在粮仓中采用侧定气体的方法监侧虫霉活动可显著提高监侧灵敏度。红外传感器利用非色散红外（NDIR）原理对空气中存在的进行探测，具有很好的选
17、择性，无氧气依赖性，广泛应用于存在可燃性、爆炸性气体的各种场合。英国Clairair公司高分辨率红外传感器Prime2传感器利用 NDIR技术检测气体浓度。该传感器内部有一个红外光源，一个双元件红外探测器，一个独特的光波导让气体扩散进去，ARM7内核微处理器，输出电压与电源极性无关。内部的集成电路可以实现的功能如驱动光器件，提取检测信号，把信号强度转化为浓度，进行温度补偿和量化输出值等。在催化燃烧配置时，Prime2可以在满足电源供电要求的条件下，不改变电路并完全替代催化燃烧传感器。当Prime2用于恒流催化燃烧电路时，外围元件需要满足电源要求。主要特点：(1)工作不受供电极性影响；(2)线性
18、电压输出或模拟催化燃烧电桥输出；(3)工作电压范围 3.0V-5.0V；(4)工作电流典型值为 80mA；(5)最新的 MEMS 探测器技术；(6)量程：从0-5000ppm到0-10%Vol；(7)全金属结构，绝缘外壳；(8)体积小；(9)灵活的电路访问设置；(10)用户可以通过硬件连接进行标定；(11)宽温度工作范围；(12)快速响应；5.红外传感器 红外传感器是将红外辐射转换为电能的装置是利用红外线来进行数据处理的一种传感器，有灵敏度高等优点，红外线传感器可以控制驱动装置的运行。利用红外线的物理性质来进行测量的传感器。红外线又称红外光，它具有反射、折射、散射、干涉、吸收等性质。任何物质，
19、只要它本身具有一定的温度（高于绝对零度），都能辐射红外线。红外线传感器测量时不与被测物体直接接触，因而不存在摩擦，并且有灵敏度高，反应快等优点。红外测距传感器利用红外信号遇到障碍物距离的不同反射的强度也不同的原理，进行障碍物远近的检测。红外测距传感器具有一对红外信号发射与接收二极管，发射管发射特定频率的红外信号，接收管接收这种频率的红外信号，当红外的检测方向遇到障碍物时，红外信号反射回来被接收管接收，经过处理之后，通过数字传感器接口返回到中央处理器主机，中央处理器即可利用红外的返回信号来识别周围环境的变化。在粮仓里可以用来探测扫描一定范围内的物体活动情况（如鼠害等）。 RE200B采用TO-5
20、封装形式，正常工作直流电压3-10V；信号输出电压最小值2.5V，典型值4V；噪声输出电压最大250mV, 典型值90 mV, 频率响应0.3Hz3Hz, 增益10Bb。该传感器探测范围平视角138度，仰视角125度。在传感器前安装菲涅尔透镜可以增大探测范围, 增强传感器工作的稳定性。此传感器工作在714um的红外光谱之间。正常工作周围环境温度范围- 300700, 储存温度-400800。6.烟雾传感器 烟雾传感器就是通过监测烟雾的浓度来实现火灾防范的烟雾报警器内部采用离子式烟雾传感离子式烟雾传感器是一种技术先进工作稳定可靠的传感器被广泛运用到各种消防报警系统中性能远优于气敏电阻类的火灾报警
21、器。在粮仓监控系统中用于探测火灾或不明烟尘。 MQ-2气体传感器所使用的气敏材料是在清洁空气中电导率较低的二氧化锡(SnO2)。当传感器所处环境中存在可燃气体时，传感器的电导率随空气中可燃气体浓度的增加而增大。使用简单的电路即可将电导率的变化转换为与该气体浓度相对应的输出信号。 MQ-2气体传感器对液化气、丙烷、氢气的灵敏度高，对天然气和其它可燃蒸汽的检测也很理想。这种传感器可检测多种可燃性气体，是一款适合多种应用的低成本传感器。技术指标：(1)检测气体：可燃气体，烟雾；(2)检测浓度：300-10000pm（可燃气体）；(3)温度湿度：20+/-2，65%+/-5%RH；(4)预热时间：不少
22、于48小时；7.水浸传感器 水浸传感器是基于液体导电原理，用电极探测是否有水存在，再用传感器转换成干接点输出。通常为常开，如果想要常闭的需要提前预定，预定时间为3天。用来检测渗水或溢水情况。 线式水浸传感器VEC-A-10，线式水浸传感器（漏水检测传感器），专为机房环境、空调管道、粮仓监控系统，地下室水浸检测设计，稳定性好，安装简单轻松。技术指标：(1)继电器接点：常开接点；(2)接点容量：DC30V,1A；(3)整机功耗：1VA（DC12V时）；(4)引线长度：150M；(5)绝缘电阻：2M；(6)探测灵敏度：50K；(7)工作环境：1050，20%90%无凝露；(8)工作电压：12VDC；
23、2.3.2控制器选型为了设计此系统，我们采用了AT89S51单片机作为控制芯片，在前向通道中是一个非电信号的电量采集过程。它由传感器采集非电信号，从传感器出来经过功率放大过程，使信号放大，再经过模/数转换成为计算机能识别的数字信号，再送入计算机系统的相应端口。由于AT89S51中只有4k Bytes Flash片内程序存储器和128 bytes的随机存取数据存储器，且数据存储器也不能满足要求，经扩展6264来达到存储器的要求，其结果通过显示器来进行显示输出。1.AT89S51的内部结构AT89S51具有如下特点：40个引脚，4k Bytes Flash片内程序存储器，128 bytes的随机存
24、取数据存储器（RAM），32个外部双向输入/输出（I/O）口，5个中断优先级2层中断嵌套中断，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，看门狗（WDT）电路，片内时钟振荡器。 此外，AT89S51设计和配置了振荡频率可为0Hz并可通过软件设置省电模式。空闲模式下，CPU暂停工作，而RAM定时计数器，串行口，外中断系统可继续工作，掉电模式冻结振荡器而保存RAM的数据，停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位。同时该芯片还具有PDIP、TQFP和PLCC等三种封装形式，以适应不同产品的需求。主要特征：(1)8031CPU与MCS-51兼容； (2)4K字节可编程FLASH存储器；(3)全静
25、态工作：0Hz-24KHz；(4)三级程序存储器保密锁定；(5)128*8位内部RAM；(6)32条可编程I/O线；(7)两个16位定时器/计数器；(8)6个中断源；(9)可编程串行通道；(10)低功耗的闲置和掉电模式；(11)片内振荡器和时钟电路；2.AT89S51引脚图2.3.3执行器选型工作原理由于工艺决定，进仓之前已经将湿度控制在了安全限以内，而且仓是密闭的所以湿度变化不明显，所以湿度的升高可能性极小。测量过程是先温度后湿度与浓度的顺序。首先对温度进行采样，每个温度点采样5次，计算平均值作为采样值送入显示和存储的相应单元进行存储和传感器的编号和温度的显示，然后判断温度是否超过设定温度，
26、如果温度超标则报警并根据传感器的位置判断启动通风设备或加热设备，如果不超标就继续检测下一个点的温度，直到整个粮仓的温度全部测量完成，然后计算和显示仓的平均温度。然后对各个点的湿度进行测量并且显示，也是按照每个点测量5次然后取平均值的方法计算，来减少干扰因素带来的误差，各个点的湿度测量完成后计算并显示仓的平均湿度。同样与设定的参考值（如浓度等）比较如果超标就报警，并且起动风扇进行通风处理。然后系统返回再进行温度和湿度的巡回测量和显示。2.4系统布局粮仓立柱局部结构图立柱设计为内外双层结构。外层固定一个直径略大于该立柱的网孔立柱，用于防止粮食进入立柱上的通风口以及避免粮食对立柱转动产生阻力。网孔立
27、柱内侧设置通风槽和温湿度检测节点。该系统采用的立柱式鼓风通道可以精确控制通风立柱的转向，从而实现智能通风。当温度传感器节点检测到粮仓内部某处因粮食霉变或虫蛀等原因使温度异常而需要通风时，监控中心自动远程控制步进电机，从而带动内层立柱转动，使立柱上的通风槽对准温度异常方位进行精确通风。直至温度正常后，自动停止通风。2.4.1温湿度等传感器布置传感器节点的选择和布局目前，我国各大粮仓大多采用电缆内部安装热电偶和热电阻等测温元件，测温元件随电缆竖直插入粮食内部，传感器的安装费时费力，测量精度不高。本系统采用的传感器，接线简单，使用方便，适用于各种狭小空间设备数字测温和控制领域。其在与微处理器连接时，
28、可实现微处理器与之的双向通讯，并支持多点组网功能，实现多点测温测湿。因此，可以有效实现本系统功能，方便、准确地读取数据信息。依据国家标准，粮温传感器的密度为仓内水平方向不大于，垂直方向不大于.。CO2传感器，湿度传感器可均匀分布各点进行测量，为方便操作，温湿度传感器，CO2传感器均布置在一点。本系统在每个立柱的竖直方向均匀布置层传感器，每层放置个且各自相差120的节点，与之连接的传感器引伸至立柱外，直接检测粮食温度参数。水浸传感器是基于液体导电原理，用电极探测是否有水存在，再用传感器转换成干接点输出，水浸传感器安装在水流向的地方，低水位地方。烟雾传感器根据检测的烟雾浓度来判断是否发生火灾，能做
29、到及时监测火灾发生分布安装在房间的顶部。红外线传感器可以对侵入粮仓的老鼠等入侵物进行检测进行检测，分布安装在粮仓底部四周。2.4.2粮仓压力传感器布置由于粮食数量巨大，价格低，要求粮堆数量在线检测设备成本低、简单方便。因此，传感器的布置应满足：1)经济性原则，即传感器数量应尽可能少。2)可行性原则，满足通常进粮方式的要求，方便出进粮并避免损坏传感器。基于这些考虑，本项目提出的粮仓底面侧面压力传感器布置模型如图所示。压力传感器布置模型图 对于如图所示的粮仓底面压力传感器布置，各传感器距侧面墙距离d应相等，以便于侧面摩擦力作用的补偿，扩大粮仓数量检测模型的适用范围；在保证不影响粮仓进粮等操作的情况
30、下，传感器距侧面墙距离d应尽可能大，以尽可能降低其临近侧面摩擦力作用。由于粮仓宽度一般在7 m左右，因此d=2一3.5 m为妥。各个传感器间距应不小于2 m，以便于消除底面压强的随机性。传感器应尽可能远离进粮口，以避免进粮冲击造成传感器损坏，降低传感器输出值的波动。对于图示的粮仓侧面压力传感器布置，压力传感器按2列多行布置，应尽可能远离进粮口，列间距L应大于1.5 m，各行依装粮高度沿上下均匀分布，行间距h应大于1.5 m，以便于消除底面压强的随机性。底部压力传感器距地面为h/2，顶部压力传感器距粮堆顶部应大于1 m，以保证侧面压强检测的有效性。2.5模拟量数字量的输入输出各传感器经过检测模拟
31、信号将其转化为电压信号从而传送给微处理器处理其输入输出如下表：AI温度湿度CO2气体烟雾压力红外线DO电压电压电压电压电压电压2.6系统模块2.6.1转换器模块 为了把温度、湿度等量检测电路测出的模拟信号转换成数字量送CPU处理，本系统选用了双积分A/D转换器MC14433。它精度高，分辨率达1/1999。由于MC14433只有一路输入，而本系统检测的多路温度与湿度信号输入，故选用多路选择电子开关，可输入多路模拟量。MC14433 A/D 转换器由于双积分方法二次积分时间比较长，所以A/D转换速度慢，但精度可以做得比较高；对周期信号变化的干扰信号积分为零，抗干扰性能也比较好。 目前，国内外双积分A/D转换器集成电路芯片很多，大部分是用于数字测量仪器上。常用的有3.5位双积分A/D装换器MC14433和4.5位双积分A/D转换器ICL7135 MC14433是三位半双积分型的A/D转换器，具有精度高，抗干扰性能好的优点，其缺点是转换速率低，约110次/秒。在不要求高速转换的场合，例如，在低速数据采集系统中，被广泛采用。MC14433A/D转换器与国内产品5G14433完全相同，可以互换。MC14
