粮情管控系统智能测控终端的设计——基于现场总线

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粮情管控系统智能测控终端的设计——基于现场总线2011年6月农机化研究第6期粮情管控系统智能测控终端的设计周经国,姜重然,刘德胜一基于现场总线(佳木斯大学信息电子技术学院,黑龙江佳木斯154007)摘要:根据目前分布式粮情管控系统智能测控终端存在的问题,提出一种基于现场总线分布式智能测控终端.利用CAN总线收发器TJA1050和高速光耦6N137组成CAN总线电路,采用带CAN总线的AT89C51CCO1单片机作为控制器;利用单总线数字温度传感器芯片DS18B20测量128个温度点;湿度传感器选用美国霍尼韦尔公司生产的HIH一4000—1芯片,测量粮仓内外2个湿度点,驱动电路2个端口,接通或者断开粮仓风机接触器线圈.研究设计表明,该智能测控终端具有通用性好,适宜于远距离通讯,线路少,维修方便,精度高,抗干扰能力强,价格低廉和应用范围广泛等特点,能满足实时测控和信息传输的要求.关键词:粮情管控系线;智能测控终端;驱动电路;CAN总线;传感器;单片机中图分类号:TP273.5文献标识码:A文章编号:1003—188X(2011)O6一O154一O50引言随着粮食问题在世界多个国家的突出显现,粮食安全问题受到了各国政府的高度重视.安全可靠和管理高效的现代化大型粮库设施是保证各国及各地区粮食安全的重要基础.我国是人口大国,政府一直 非常重视粮食储备,在多个地区扩建,新建了大型的粮食储备基地.以往采取的措施是用人工对粮食进行晾晒,通风和喷洒药剂,防止因存储不当引起的虫害,消耗了大量的人力和财力,然而效果不佳,发霉变质等现象仍然存在.随着电子技术和计算机技术的发展,目前粮库的粮食存储环境的检测主要有两种方式:一是手持式检测仪表,采取人工定期检'狈0的方法,将传感器探头插入粮仓内部,即可显示被测点的温度和湿度等参数.这种方式难以实现大型粮仓深入内部的多点全面检测,工作量大,效率较低,使检测难以实时与彻底地进行,不能实现智能化检测与报警.二是长距离,多探头检测仪,采用有线的方式,将探头固定在粮仓内部,利用单片机多机通讯的方式实现有限的集中监测.这种方式存在的主要问题是施工成本高,不易扩展且维修困难等.现在也有采用基于Zig—Bee技术的粮库监测系统_1j,其各有优缺点,但是仍然收稿日期:2010—08—15基金项目:黑龙江省教育厅科学技术研究项目(11551479)作者简介:周经国(1963一),男,黑龙江集贤人,副教授.通讯作者:姜重然(1962一),男,黑龙江佳木斯人,副教授,(E—mail)jmsjcr@126.com.有很多不尽人意的问题,如抗干扰性能差,传输数据丢失及上位机界面(又称管理中心计算机)不生动形象等.为此,笔者提出一种基于现场总线分布式粮情管控系统的设计方案j.管理中心计算机系统主要由PCI总线工业控制,打印机和RS一232转换CAN总线模块组成.在上位机上,利用组态王6.53设计开发了主界面j,各个分界面,互联网通讯和下位机通讯程序.主界面是针对 每个粮库的具体情况而设计的粮仓分布示意图,分界面由某一个粮仓的温度和粮仓内外湿度,某一个粮仓的温度和粮仓内外湿度历史曲线,互联网通讯界面以及某一个粮仓的温度和粮仓内外湿度数据打印界面等组成.下位机(又称智能测控终端)采用带CAN总线的单片机测控粮仓,管理中心计算机和下位机智能测控终端通讯采用CAN总线,也可以通过互联网把本粮库的信息传输到上一级粮食管理部f1.CAN总线具有通用性优良J,适宜于远距离通讯,线路少,维修方便,精度高,抗干扰能力强,价格低廉以及应用范围广泛等特点.CAN的直接通信距离最远可达10km(速率5kbps以下),通信速率最高可达1Mbps(此时通信距离最长为40m)j.由于每个粮库粮仓的数目不一样,粮仓的规格不一样,所以需要的智能测控终端数目也不同,可以灵活使用智能测控终端数量,但是按照CAN总线规范,在没有CAN总线网桥,中继器或集线器情况下,智能测控终端数量总数不能超过110个,这对于一般粮库而言已经足够了.由于上位机系2011年6月农机化研究第6期统相对比较简单,下位机是粮情管控系统最重要的部分,因此本文着重下位机的研究与设计.1智能测控终端的硬件设计智能测控终端的硬件及外部接线(如图1所示)主要由AT89C51CCO1单片机,CAN总线电路,单总线电路端子,湿度信号调理电路,驱动电路以及电源电路等组成.该智能测控终端可以完成测控128点温度,2点湿度,2路继电接触器及其信息的传输.图1智能测控终端硬件电路结构及外部接线示意框图Fig.1Hardwarecircuitstructureandthee~emMdiagramfor intelligentmonitoringterminal1.1MCU控制器晶振及看门狗电路智能测控终端采用AT89C51CC01单片机.AT89C51CC0x系列单片机是MCS一51微控制器家族的成员,在与MCS一51系列完全兼容的基础上增加了许多专用的部件,其中包括CAN控制器,它的CAN功能是在SJA1000的基础上有所增强,全静态内核提供了扩展的节电方式,振荡器可停止和恢复而不丢失数据,改进的1:1内部时分频器在12MHz外部时钟频率时实现500ns指令周期;它还有诸如A/D转换,脉宽调制输出(PWM),看门狗及Ic等其他功能j.为了极大地提高抗干扰能力,采用第2级硬件看门狗芯片X25045,电路如图2所示.SCP3.0第二级硬SI…微处理器g_一件看门狗3.AT89C51XTAL1)(25045芯片cP3.2CCOl~JtXTAL~RSTRESET图2MCU控制器晶振及看门狗电路电路接线图Fig.2TheexternaldiagramforMCUcontrollerandwatchdogcircuit电源的完全隔离可采用小功率电源隔离模块或带多个5V隔离输出的开关电源模块实现.1.2CAN总线电路AT89C51CC01单片机虽然包括CAN控制器,但是没有CAN总线收发器和高速光电耦合器等,这里由CAN总线收发器TJA1050和高速光电耦合器6N137等组成CAN总线电路.CAN总线收发器TJA1050是 目前先进的CAN总线收发器,为了增强CAN总线节点的抗干扰能力,CAN控制器的TXDC和RXDC并不是直接与TJA1050的TXD,和RXD,相连,而是通过高速光耦6N137后与TJA1050的TXD和RXD相连,从而很好地实现了总线上各CAN节点间的电气隔离.不过,应该特别说明的一点是光耦部分电路所采用的两个电源VCC和VDD必须是完全隔离的,否则采用光耦也就失去了意义.电源的完全隔离可采用小功率电源隔离模块或带多5V隔离输出的开关电源模块实现.这些部分虽然增加了接口电路的复杂性,但是也提高了节点的稳定性和安全性.CAN总线硬件电路图如图3所示,TJA1050与CAN总线的接口部分也采用了一定的安全和抗干扰措施.TJA1050的CANH和CANL引脚各自通过一个5Q的电阻与CAN总线相连,电阻可起到一定的限流作用,保护TJA1050免受过流的冲击.CANH和CANL与地之间并联了两个30pF的小电容,可以起到清除总线上的高频干扰和一定的防电磁辐射能力.另外,在两根CAN总线输入端与地之间分别接了一个防雷击管,当两输人端与地之间出现瞬变干扰时,通过防雷击管的放电起到一定的保护作用J.瞬变干扰(TransientInterference)是电磁兼容领域中主要的一种干扰方式,特别是雷击浪涌波,由于持续时间短,脉冲幅值高,能量大,给电子电气设备的正常运行带来极大的威胁.图3智能测控终端CAN总线电路示意图Fig.3CANbuscircuitdiagramforintelligentmonitoringterminal1.3温度测量电路单总线电路端子是用来接温度传感器,在此设计128个温度测量点.粮仓监控系统中,温度测量是关 2011年6月农机化研究第6期键环节,而且温度测量点非常多.温度传感器种类很多,主要分为模拟温度传感器和数字温度传感器.最新数字式温度传感器DS18B20是美国DAUAS公司生产的新型单总线数字温度传感器芯片j,其特点是.:结构简单,不需外接元件,采用一根I/O数据线既可供电又可传输数据,并可由用户设置温度报警界限.在此由Po口和P2口完成.DS18B20在食品库,冷库,粮库和温室等需要控制温度的温控系统中得到广泛的应用,因此采用DS18B20.它有两种供电方式,即直接供电和寄生供电.在此采用直接供电方式,由于篇幅有限图略,设计128个温度测量点电路,如图4所示.8路温度传感器图4128温度测量电路接线示意图Fig.4Wiringcircuitdiagramfortemperaturemeasurement1.4湿度测量电路湿度信号点有2个,可以测量粮仓内外湿度,利用AT89C51CC01单片机P1.0口和P1.1El.湿度传感器选用美国霍尼韦尔(Honeywel1)公司生产的HIH一4000—1芯片,这是一型具有激光调整互换型的容性变化的单片集成电路,其输出电压与RH值呈线性关系,精度高,响应时间快,漂移小.在标准工作电压(DC5V)和标准室温(25cC)下,随着RH值从0～100%,对应的输出电压从0.196～3.190V.测量湿度范围为0—100%RH,精度为±3.5%RH,工作温度范围为一4O一+85℃.由于AT89C51CC01单片机 带有8路输入10位精度的A/D转换器,和湿度传感器输出电压不匹配,因此设计了湿度测量调整电路,如图5所示.驱动电路接通和关断粮仓轴流风机的接触器线圈,在此设计中可以驱动2个接触器线圈,由于原理比较简单,本文从略.2智能测控终端的软件设计由于智能测控终端的软件比较多,现仅介绍2个具有代表性的软件,其它的从略.2.1智能测控终端的软件CAN总线智能测控终端的软件设计主要包括3大部分,即CAN节点的初始化,报文发送和报文接收.熟悉这3部分的设计,就能编写出利用CAN总线进行通信的一般应用程序...当然,如果要将CAN总线应用于通信任务比较复杂的系统中,还需详细地了解有关CAN总线的错误处理,总线关闭处理,验收滤波处理,波特率参数设置和自动检测,CAN总线通信距离和节点数的计算等方面的内容¨川.CAN总线智能测控终端工作流程图如图6所示.图5湿度测量调整电路图Fig5Adjustmentcircuitdiagramfortemperaturemeasurement?156?2011年6月农机化研究第6期智能测控终端初始化◆l发送允许命令l——广l发送采集命令l对上位机通讯初始化 等待接收上位机的命令帧并回应<一N厂]对主机与终端的通讯初始化保存终端控制命令及参数到对应存储单元与指定终端握手●..-...................'..__-_●___●___-___———————L——一接收终端传输数据发送指定终端数据给上位机保存终端控制命令及参数到对应存储单元图6CAN总线智能测控终端工作流程图Fig.6FlowchartforCAN—busintelligentcontrolterminal2.2DS18B20软件本设计采用AT89C51CCO1单片机的128点温度采集电路,单片机的每个I/O口可驱动8条单总线上的8路温度传感器,即I/O口的每一位连接1条单总线,每条单总线的8路温度传感器由8个DS18B20组成,总共16个I/O口,共128个温度点.本系统可以定时循环检测.DS18B20温度读写程序流程图如图7所示.图7DS18B20温度读写程序流程图Fig.7FlowchartforDS18B20temperaturereadingandwritingprocess3结束语下位机采用带CAN控制器的AT89C51CC01单片机作为控制器的智能测控终端测控粮仓,温度测量点数目为128个.DS18B20型数字式温度传感器作为温度采集单元,测量精度高,不需A/D转换,离散性小.粮仓温度测量用先进的"一线总线"技术,具有速 度快,性能稳定以及使电路和控制更加简单等特点.湿度传感器选用美国霍尼韦尔公司生产的HIH一4000—1芯片,测量粮仓内外2个湿度点,驱动电路2个端口接通或者断开粮仓风机接触器线圈.研究设计表明,该智能测控终端具有通用性好,适宜于远距离通讯,线路少,维修方便,精度高,抗干扰能力强,价格低廉及应用范围广泛等特点,能满足实时测控的要求.参考文献:[1]包长春,李志红,张立山,等.基于ZigBee技术的粮库监测系统设计[J].农业工程,2009,25(9):197—201.[2]陈文平,姜重然,徐斌山.基于CAN总线粮仓测控系统的研究与设计[J].农机化研究,2009,31(7):146—149.[3]姜重然,霍艳忠,白金泉.工控软件组态王简明教程[M].哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,2007.[4]饶运涛,邹继军,王进宏.现场总线CAN原理与应用技一一新一一刷束一一行结一一进集T土据采～一数据～一端数～一终～一对2011年6月农机化研究第6期术(2版)[M].北京:北京航空航天大学出版,2007.姜重然,陈文平,单琳娜.基于现场总线一种报文优先级产生与检测方法[J].测控技术,2008,27(9):54—56.ATMELSemiconductors.AT89C51CC03DatasheetfEB/OL].[2010—07—2O].http://pdffilestore.eorn/idx/33/32024.shtml,2009.PHILIPSSemiconductors.TJA1050highspeedCANtrans— 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designshowthattheintelligentcontrolterminalhasuniversalgood,suitableforlong—distancecommunication,thelinelessandeasymaintenance,highaccuracy.andstronganti—interferenceability,lowcost,widerangeofapplications,itcanmeetthereal—timemonitoringandinformationtransmissionrequirements.Keywords:intelligentmeasurementandcontrolterminal;drivecircuit;CANbus;sensor;singlechip(上接第121页)[4]王万均,胡中.农业机械设计手册[M].北京:机械工业出版社,1990AbstractID:1003—188X(2011)06—0119一EATheImprovementandExperimentofthe1YSG---1?--typeTobaccoFieldFertilizationRidgingMachineZhangChuanbin,ZhangTuling(MechanicalandElectricalEngineeringDepartmentofXuchangVocationalTechnicCollege,Xuchang46100,China)Abstract:Fortheoriginal1YSG～1一typetobaccofieldfertilizationridgingmachinetoroundthefloatingbodyofworkisnotreliablewhenthewheelsrollingacrossthegroundonbothsidestotheheightdifferenceislarger,easiertogetoffthechain;avarietyofdifferentdensitiesintoafertilizerfertilizerboxforfertilizer,thefertilizermixturepronetouneven:Incaseofhardsoilconditions,therackoflocalissuessuchaspronetodistortion,improveddesignofthe1YSG一1一typetobaccofieldfertilizationridgingmachineoptimizedstructureisdesigned.Contrasttestsontheprototypethroughvariousstructuresarecarriedout.Accordingtotestresuhs,analysisandevaluationareperformed.Thereforedifferencesinper—formanceoffertilizingandridgingmachinewithvariousstructuresarefoundout,whichprovideguidancefordeterminingthebeststructureofthefertilizingandridgingmachine. Keywords:tobaccofieldfertilizationridgingmachine;toapplythemixedfertilization;thefloatingwheels;ridgestocultivatetheground?158?