《电子技术应用》

基于STM32赤霉病小麦实验装置检测系统

2016年微型机与应用第23期 作者:岳朋闯,王威,韩崇安,张伟峰
2017/1/5 15:38:00

  岳朋闯,王威,韩崇安,张伟峰

  (河南工业大学 电气工程学院,河南 郑州 450001)

       摘要:脱氧雪腐镰刀菌烯醇(deoxynivalenol,简称DON毒素)是存在于小麦、玉米等粮食作物中的一种真菌毒素,不仅影响了粮油食品产业的发展,更对人们的身体健康带来了严重的威胁。以高压电场和电力电子测控技术作为理论基础,设计了以STM32为控制核心的赤霉病小麦电处理实时检测系统,从而实现对赤霉病小麦处理室的温度、湿度、环境光以及电压电流等参数的检测与显示。系统以无线WiFi模块作为载体,将关键技术参数传送到上位机,实现上位机实时显示、报警和控制,达到减小外界因素对赤霉病小麦电处理的影响。实验表明,实验装置测量精度高、便于调节,能够为赤霉病小麦电处理提供可靠的保证。

  关键词:DON毒素;处理室;实验参数;STM32

  中图分类号:TP29文献标识码:ADOI: 10.19358/j.issn.16747720.2016.23.021

  引用格式:岳朋闯,王威,韩崇安,等. 基于STM32赤霉病小麦实验装置检测系统[J].微型机与应用,2016,35(23):73-75,79.

0引言

  脱氧雪腐镰刀菌烯醇(简称DON毒素)是小麦及其制品污染最严重的一种单端孢霉烯族毒素,它一旦进入人或者动物体内,会严重影响健康。目前,对于DON毒素降解的方法主要有生物、化学和物理的方法,其中生物法主要是利用微生物相互克制的原理以及转基因技术对赤霉病小麦在发病期进行防治,但是该方法工作环境恶劣、工作量大,具有局限性;化学法主要是利用化学试剂将赤霉病毒素从麦粒中脱除,需要采用化学试剂,易造成二次污染,危害身体健康;物理法一般是靠机械加工、高温、低温或辐射除去麦粒中的赤霉病毒素,容易造成小麦失去活性[1-3]。

  根据高压电场技术在杀菌消毒、食品保鲜等方面的应用[4-5],结合环境参数对高压电场处理赤霉病小麦的影响,设计了一套DON毒素电处理实验检测装置,以实现对处理室的温湿度、环境光和电压电流相关技术参数的检测与控制。采用STM32F103为下位机、PC作为上位机的多传感器检测与控制系统,实现了PC端输入控制的相关技术参数,处理室相关技术参数控制在恒定的设定值,上位机和下位机同时对技术参数进行监控的实用系统。

1总体设计方案

  本检测与控制系统主要由微控制器STM32F103、参数检测模块、显示模块、无线WiFi通信模块和控制电路组成,系统框图如图1所示。检测模块用于检测实验装置中的电压、电流、温湿度以及环境光等参数。由于STM32有多路高速串口通信,可以快速读取采集的技术参数,并由液晶屏对处理后的技术参数进行显示。微控制器与PC进行无线通信[6],实现上位机和下位机实时对系统的电压、电流、温度等一系列技术参数进行监测,同时上位机可以根据实验需要对相应技术参数发送控制信号给下位机,下位机控制相应模块进行调整,完成对实验技术参数的检测与控制[7-8]。

图像 016.png

2系统硬件设计

  赤霉病小麦实验装置检测系统的硬件主要有控制芯片STM32F103ZE、温度传感器DS18B20、湿度传感器DHT11和环境光传感器TCS230等,本实验检测系统在主控制器下有条不紊地运行,从而实现对实验的检测与控制。

  2.1控制器STM32F103ZE

  意法半导体公司32位单片机具有以下特点:(1)采用ARM CortexTM -M0 的32 位RISC内核;(2)拥有丰富且高速的嵌入式闪存;(3)广泛集成增强型外设和I/O 口;(4)标准的通信接口包含有: I2C总线和SPI串口各2个、1个I2S、2个USART串口、1 个HDMI CEC等。在设计赤霉病小麦电处理实验装置的检测与控制系统时,需要实现电压、电流的AD采集,温度、湿度以及环境光等处理室参数的接收与发送,还要将得到的数据发送到PC监测与控制子系统进行显示与数据分析。因此,在系统设计中选择有丰富的接口资源、强大的数据处理能力以及稳定的数据传输性能的STM32F103ZE。

  2.2电压电流检测

  对于一个开关电源来说,电压、电流是考量其性能的最重要的参数。本次设计的赤霉病小麦电处理实验装置,电压、电流更是不可或缺的技术参数。为了准确地测量电压、电流参数的大小,本系统电压采集运用电阻式分压器进行电压测量。电阻式分压器共由两组电阻组成,如图2所示,其中R24R23,因此R24又被称为高压臂电阻, R23被称为低压臂电阻,这种形式的电阻分压器称为理想分压器,其分压比为:QQ图片20170105154415.png

图像 017.png

  电流采集运用霍尔效应原理检测电流,从图3可知,高压输出模拟电路的电流通过IP+和IP-端流入电流传感器,在OUT端子输出的电压信号可被单片机STM32检测与分析处理。电流传感器的OUT端子输出的电压值与被测电流的关系式为:VOUT=0.185×IP+2.5。

图像 018.png

  2.3处理室环境监测

  赤霉病小麦电处理实验装置的环境检测包括温度、湿度和环境光的检测三部分。本实验装置力求对环境状况实时监测,方便对环境进行调节,从而减少对处理实验的影响。赤霉病小麦电处理实验装置的处理室温度测量采用传感器DS18B20、湿度检测采用传感器DHT11、环境光检测采用传感器TCS230。根据设计要求,温度检测通过DS18B20的DQ管脚进行数据采集;湿度传感器DHT11具有独特的单总线特点,当主机想让DHT11做动作时,首先主机应该发送开始命令,然后等待DHT11的回应,检测到信号之后,DHT11就可以接收数据,进行必要的操作;传感器TCS230与微控制器STM32连接,通过控制器控制S2、S3来选择不同的滤光片,并且通过OUT引脚将信号传送给控制器,经过内部标定,从而达到测量效果[9]。

  2.4数据显示设计

  图4液晶显示电路图本实验装置采用的液晶模块为2.8英寸TFT液晶显示模块。该模块具有65K色显示以及320×240的分辨率,接口采用的是16位8080并口,并自带触摸功能。其驱动芯片为ILI9341。STM32与ILI9341的通信通过STM32F103自带的FSMC接口实现,从而达到控制液晶模块正常显示的目的。

图像 019.png

3软件设计

  在赤霉病小麦电处理实验装置中的检测与控制子系统设计上,主要的工作是对STM32F103进行编程操作,以及各种算法的处理。其软件工作流程框图如图5所示。

图像 020.png

  系统软件设计部分主要是针对霉病小麦电处理实验装置的数据采集和数据处理系统的设计,数据采集和数据处理系统的流程图如图5所示,在系统的工作过程中,需要选择采集的优先级以及对检测到的电压、电流和环境技术参数进行判断和处理分析,将处理得到的AD数据通过软件优化算法得到20次转换后的数据,排序并储存,舍弃一个最高的和一个最低的数据,将保留的数据求平均值,从而得到稳定的采集数值。

  实验装置完成后,启动系统程序分别将采集的处理室的技术参数在LCD显示,并将数据通过串口发送到PC机,实现上位机和下位机同时监测,同时PC可以发送控制信号给单片机,完成对处理室的检测与控制。

4实验结果分析

  为了更好地测试赤霉病小麦电处理实验装置的性能,分多次进行设备整体运行测试[10]。设定参数电场电压分别为1 kV、2 kV、5 kV。在这些电压参数的基础上分别进行对其他相应参数的测量,观察各个数据的变化情况,同时观察单片机LCD显示和PC机监测与控制系统的运行情况,并记录相关的数据。运行情况如图6所示。

图像 021.png

  通过对赤霉病小麦电处理实验装置参数采集与显示的结果分析得出以下结论:(1)赤霉病小麦电处理实验装置检测系统可以正常运行,基本可以完成实验装置的电压、电流、温湿度等参数的采集及显示功能;(2)PC监测与控制系统能够准确地将实验装置采集的数据进行显示,反映出设备通信模块运行良好。

5结论

  在赤霉病小麦电处理实验装置技术研究的过程中,根据电处理实验装置处理实验样品时的关键因素——电场强度、温度、作用时间等,设计了以微控制器STM32为核心、PC机针对数据进行分析处理的检测与控制系统。可实现对于实验数据的计算、显示、阈值报警以及多屏关键参数波形显示与保存,方便操作人员实时监测实验装置的各种状态量,调节和控制试验过程。

  参考文献

  [1] 崔贵金.赤霉病麦粒光电分拣技术研究[D]. 郑州: 河南工业大学,2013.

  [2] 张昆.电子束辐照对赤霉病小麦脱氧雪腐镰刀菌烯醇降解效果的研究[D].郑州:河南工业大学,2014.

  [3] 李萌萌, 关二旗, 卞科, 等. 真菌毒素的辐照降解及产物解析研究进展[J]. 粮食与饲料工业, 2013(1): 14-18.

  [4]  El HAG A H, JAYARAM S H, GONZALEZ O R, et al. The influence of size and shape of microorganism on pulsed electric field inactivation[J]. NanoBioscience, IEEE Transactions on, 2011, 10(3): 133-138.

  [5] 黄康. 高压脉冲电场处理室内多物理场对微生物灭活作用的研究[D]. 杭州:浙江大学, 2013.

  [6] 郭知明,杨世凤,刘星汛.基于无线传输技术的设备状态监测系统研究[J].国外电子测量技术,2009, 28 (8) :54-56.

  [7] 王剑平,黄康,余琳,等.在线监测电场强度和温度的高压脉冲电场灭菌处理室: 中国,201010281569.1[P]. 2011-04-06.

  [8] 程月平,肖黎.氧化锌避雷器无线在线监测系统的研究[J].制造业自动化,2012,34(1) :48-49.

  [9] 王殊,阎毓杰,胡富平.无线传感器网络的理论及应用[M].北京:北京航空航天大学出版社,2007.

  [10] 许俊杰.无线通信技术在设备状态监测中的研究与应用[D].郑州:郑州大学,2010.


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