摘 要： 针对粮库粮食的温湿度采集和控制的问题，设计了一种基于PIC单片机的粮库监控系统。该系统能够实现对每个粮仓粮食温湿度数据的采集；实现对粮仓内通风阀开闭情况的监测并响应主控中心发出的通风阀控制指令；将所采集的数据通过基于网络的通信方式发送给主控中心。粮库监控系统在实际中的应用情况表明，该系统信息采集数据准确，数据传输实时误码率低，整体系统可靠性高。
0 引言
粮库粮食安全储存的主要参数是粮库的温度和湿度，尤其是大型粮库，温度的检测任务如不能及时彻底完成，则可能导致粮食大面积变质。传统的粮食检测采用对各粮库粮食分区取样的人工方法，工作量大，可靠性差。随着现场工业控制技术、计算机技术和嵌入式技术的发展，开发高可靠性、功能齐全的粮库监控系统成为一种趋势。采用基于PIC16F873型单片机的网络化小型温湿度传感器已经在工业控制中得到应用[1]。在粮库监控系统中，基于DS18B20的多片三线和单线的传感器已经能够准确采集粮食的温度信息[2-3]；采用CAN总线已经在粮库温湿度监控系统中得到应用[4]。
本文以粮库温湿度监控系统为研究对象，首先根据粮仓的工作环境和之前元器件在工程中应用的情况，采用单线制DS18B20型温度传感器作为粮食温度采集传感器；PIC18F97J60型单片机已经有过很多应用[5-6]，采用该型单片机作为嵌入式处理芯片；利用HR911105A网络芯片作为有线数据传输和无线数据传输模块两种方式与主控中心进行数据交互；通过光耦和三极管实现阀门状态的采集和控制指令的给出。然后根据DS18B20传感器的特性周期地读取传感器中温度信息，最后通过与现场控制中心约定的协议完成所采集数据帧格式的发送，实现粮仓内信息的现实和中心控制指令的响应。
1 系统框图和设备组成
粮库包含多个仓库，在每一个仓库中需要安装25个温湿度分布点，用于现场温湿度的采集，将测试到的温湿度值和采集到的阀门状态发送给现场控制中心，工作人员通过控制中心计算机发送阀门开关指令并且记录控制动作和温湿度信息，还可以重演。系统框图如图1所示。
2 系统硬件设计
2.1 温湿度采集电路设计
DS18B20是MAXIM公司设计生产的一款温度传感器，其温度采集范围是-55℃~+125℃。在-10℃~+80℃之间，温湿度传感器采样精度是0.5℃，可以支持一线制的通信方式，供电电压是3 V~5.5 V。目前在粮库项目中已经有过应用。HM1500是电压输出式湿度传感器，采用三端方式接线，其工作电压为5 V，线性输出电压范围是1 V~4 V，测量范围是0%~100%。该型湿度传感器的精度较高，测量范围大，反应时间较快，稳定性较好。
采用将DS18B20的VDD与GND管腿连接，并且通过晶体管AO3402上拉电压作为DQ一线制的驱动，PIC单片机可通过向ROM发送指令实现温度数据的采集。在HM1500的VCC与GND之间接5 V电压，通过线性输出1 V~4 V的电压，通过LM124运算放大器进行滤波处理后，通过PIC单片机的10位A/D转换器实现电压采样。
2.2 数据传输电路设计
PIC18F97J60单片机内部框图[7]如图2所示，该以太网模块包含以下5个主要功能模块：
（1）PHY收发器模块：对传输双绞线接口上的模拟数据进行编码和解码，并通过网络发送和接收。
（2）MAC模块：实现了符合IEEE802.3规范的MAC逻辑，并提供了用于控制PHY的MIIM（Media Independent Interface Management）。
（3）独立的8 KB RAM 缓冲区：用于存储已经接收和将要发送的数据包。
（4）判优器：在单片机内核、DMA、发送和接收模块发出请求时，控制对RAM缓冲区的访问。
（5）寄存器接口：用作以太网模块和单片机特殊功能寄存器（SFR）之间命令和内部状态信号的译码器。
PIC18F97J60具有嵌入式以太网控制器模块，提供了一个4引脚的以太网模块专用信号接口。这些引脚没有与其他的单片机或外设功能复用，因此不必考虑潜在的器件配置冲突问题。这些引脚是：（1）TPIN+：双绞线差分信号正向输入；（2）TPIN-：双绞线差分信号负向输入；（3）TPOUT+：双绞线差分信号正向输出；（4）TPOUT-：双绞线差分信号负向输出。
2.3 通气阀门控制与状态采集电路设计
通气阀门控制指令的具体实现为：当现场监控单元接收到现场控制中心通过网络发出的打开或关闭指令时，由PIC单片机I/O端控制4N35型光耦的阴极接地，由于阳极已经上拉高电位，此时就触发光耦集电极24 V电压导通至发射端输出。
通气阀门状态采集的具体实现为：当阀门打开后，24 V电压通过反馈线，接通TLP521型光耦控制端的阴极。由于阳极已经上拉24 V的电压，当阀门打开后光耦截至，此时输出给单片机的电压为3.3 V。通过光耦的隔离，增强了阀门状态采样的准确性。综上所述，现场监控系统接口设计示意图如图3和图4所示。
3 监控软件设计
根据系统功能及硬件的实现，监控系统的软件设计主要由三部分组成：（1）粮仓温湿度的采集；（2）当前阀门状态和控制执行指令的输出；（3）与现场显控中心的信息交互。在监控系统的这三部分软件中，温度湿度信息采集量大，其硬件设计较为简单，须用相对复杂的软件设计提供合理的逻辑时序，才能保证工作的可靠准确[8]。温度传感器DS18B20精度设置为0.25℃，采集程序包括3个操作[9]：（1）初始化，单片机向传感器发送复位脉冲，并准备接收序列号访问；（2）序列号访问命令；（3）内存访问命令。DS18B20型温度传感器软件运行流程图如图5所示。控制中心的通信信息和控制指令通过网口传输解码后显示和执行。
4 结论
通过采用基于PIC18F97J60型单片机设计的粮库现场监控系统，完成以太网通信接口、通气阀门控制和回馈以及温度传感器的设计。该系统能够实现粮仓温湿度信息的采集和阀门状态的采集；实现现场控制中心控制指令的响应；通过预先设置的门限值进行粮情报警。该现场监控系统电路连接简单、设计灵活简便、系统成本低，实际应用证明该系统运行良好，达到了预期的目标。
参考文献
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[9] 李业德，唐诗.单片机和DS18B20组成的多点温度测量控制系统[J].山东工程学院学报，2001，15（4）：15-18.