手持式糧食溫度記錄儀的設(shè)計

裴勇

摘要：針對目前多場點糧食檢溫手段落后問題，設(shè)計一款手持式糧食溫度記錄儀。闡述該儀器的設(shè)計方案，介紹系統(tǒng)組成與軟件設(shè)計，并提出保證系統(tǒng)運行可靠性的方法。該儀器操作簡單、運行可靠、性價比高，適用于臨時堆放的糧食檢溫。

關(guān)鍵詞：糧食；溫度檢測；手持式；記錄儀；DS18B20

中圖分類號：TH811 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-1161（2015）06-0047-04

糧食溫度檢測是糧食日常保管的重要環(huán)節(jié)，現(xiàn)有一些糧倉溫度檢測手段及方法急需提高和完善。以往糧食倉容全部集中在國家糧庫，倉庫位置固定，糧倉檢溫等配套設(shè)施齊全。后來為了降低倉容建設(shè)及存貯費用，國家實行“藏糧于民”政策，使得糧食收購主體呈現(xiàn)多元化，非公有經(jīng)濟體及農(nóng)戶科學(xué)儲糧得到大力推廣，所占份額越來越大；糧食保管儲藏呈現(xiàn)分散化，可能存儲在非糧庫等多個地方；糧食儲藏方式呈現(xiàn)多樣化，既有簡易倉、散糧堆，又有麻袋垛；糧食儲藏呈現(xiàn)時限化，既有臨時的，又有長期的。因此，常規(guī)的糧食測溫方法很難適應(yīng)糧食儲藏現(xiàn)狀。

傳統(tǒng)的檢測手段是采用插拔探子來觀察糧溫，非常不方便，因此，需要研發(fā)糧食檢溫的新方法、新儀器、新設(shè)備，以適用于多種場合、多個測溫點及各種臨時形成的儲糧貨位、散糧堆、麻袋垛等。為此，鞍山市糧食科學(xué)研究所自主研制出手持式糧食溫度記錄儀，實現(xiàn)了簡單準(zhǔn)確、及時有效地監(jiān)測糧溫，可預(yù)防或降低惡性糧食事故的發(fā)生。

1 手持式糧食溫度記錄儀設(shè)計方案

1.1 工作方式的確定

由于散糧堆放位置隨意，甚至在野外，沒有現(xiàn)成的電源，很難安裝一套固定式測溫系統(tǒng)，因此，本儀器采用電池供電，具有功耗低、體積小、連線簡單、測溫元件一致性好、插接容易等優(yōu)點，應(yīng)用溫度范圍廣，且成本低廉。

設(shè)計的總體思路是：將事先編號的簡易測溫線纜用專用工具插入糧堆，電纜位置固定，將封密接口露在糧堆外；根據(jù)糧堆的體積，每根線纜設(shè)3～5個測溫點，采用手持式儀表按檢測的時間要求插接需要檢測的各線纜接口，分別檢測溫度并存儲數(shù)據(jù)；然后將手持儀表中的數(shù)據(jù)傳入計算機中處理。

1.2 元器件的選擇

元器件應(yīng)選擇溫度范圍寬（-30～70 ℃）、適合簡單電源供電（4.5～5.5 V）、功耗小且集成度高的元件。

1.2.1 測溫元件 熱敏電阻、PN結(jié)等傳統(tǒng)模擬元件的一致性差、誤差大、易受干擾，安裝調(diào)試需要分別校準(zhǔn)，接點連線多，不適用于本儀器。所以，溫度傳感器采用美國Dallas公司生產(chǎn)的1-wire數(shù)字測溫元件DS18B20。該元件接線少，5個測溫點只用2根引線就可以完整無誤地管理，并能分辨出每個測溫點的位置，省卻了信號調(diào)理及濾波電路，使得系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單。DS18B20管腳描述如圖1所示。

1.2.2 單片機 單片機是整個系統(tǒng)的核心部分，宜選用功耗低、功能強、易編程、可靠性高的機型。檢測裝置在保證功能可靠的前提下，應(yīng)盡量利用單片機本身的資源，以軟代硬；，并能防止測量現(xiàn)場的各種干擾；另外，在數(shù)據(jù)傳輸錯誤時，還要求能夠及時發(fā)現(xiàn)并予以更正。STC12C5052-35I（如圖2所示）是高速/低功耗的新一代8051單片機，有增強型1T流水線/精簡指令集結(jié)構(gòu)8051 CPU，PDIP20封裝，電源電壓3.5～5.5 V，工作頻率達12 MHz，溫度范圍工業(yè)級-40～85 ℃，用戶應(yīng)用程序空間5 K字節(jié)，片上集成256字節(jié)RAM，E2PROM有10個扇區(qū)（每扇區(qū)512 B），2個16位定時器/計數(shù)器，15個通用I/O口，看門狗及ISP/IAP功能。這樣可充分發(fā)揮單片機的資源優(yōu)勢，降低成本，滿足工作需要。

1.2.3 顯示部分 由于采用電池供電，元件選擇超寬工作溫度范圍（-30～70 ℃）；顯示部分選用LCD模塊JHD802A（如圖3所示），顯示模式為8字×2行字符；視窗尺寸為30.4 mm×13.9 mm；控制器為KS0066U（兼容HD44780）。管腳排列見表1。

1.2.4 電源及通訊轉(zhuǎn)換 電源采用3節(jié)5號電池供電，增加外部電池供電插孔，通訊線采用市售的USB-TTL線，儀表只提供插接口，這樣可減少儀表體積，達到簡潔化。按鍵采用P3口線擴展。

1.2.5 實時時鐘電路 時鐘電路選擇一款比較常用的實時時鐘芯片DS1302。DS1302是美國DALLAS公司推出的一種高性能、低功耗、帶RAM的實時時鐘電路，它可以對年、月、周、日、時、分、秒進行計時，具有閏年補償功能，工作電壓為2.5～5.5 V。采用三線接口與單片機進行同步通信，并可采用突發(fā)方式一次傳送多個字節(jié)的時鐘信號或RAM數(shù)據(jù)。

2 系統(tǒng)組成及工作原理

2.1 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框如圖4所示。

2.2 工作原理

整個系統(tǒng)的控制核心為STC12C5052單片機。操作人員將測溫電纜插入儀表，打開電源，儀表順序顯示電纜號、點號、溫度，并將測量結(jié)果存入單片機的EEPROM中，然后再插入其余的電纜，檢測并存儲溫度。檢測完畢后，將手持儀表的數(shù)據(jù)通過USB傳輸線纜，傳入計算機中處理。

2.3 主電路圖

系統(tǒng)主電路圖如圖5所示。J1為外接5.0 V電源插孔；J3為TTL串行通訊接口，通過市售的USB-TTL轉(zhuǎn)換線與計算機進行數(shù)據(jù)傳輸；J4為檢溫電纜插孔；K1～K4為按鍵。

為節(jié)省I/O口，液晶顯示模塊利用KS0066所具有的4位數(shù)據(jù)總線功能，與CPU采用間接控制方式（4位總線），DB0～DB3懸空，R2為背光調(diào)節(jié)電位器。

工作時，檢溫電纜插入J4，打開開關(guān)S1，單片機開始搜索電纜的元件序列號，并發(fā)送溫度轉(zhuǎn)換命令，經(jīng)過3 s時間后，順序在液晶上顯示，并存儲在單片機的EEPROM中。關(guān)閉開關(guān)，拔下檢溫插頭，進行下一組電纜的測量。全部檢測完畢后，將USB-TTL線連接記錄儀，再連上計算機，打開開關(guān)S1，運行上位機軟件，將檢測的數(shù)據(jù)傳入計算機進行統(tǒng)計、打印等進一步處理。

3 軟件設(shè)計

系統(tǒng)的應(yīng)用程序在結(jié)構(gòu)上與硬件配置相適應(yīng)，采用模塊化結(jié)構(gòu)。主程序調(diào)用具有不同硬件配置的子程序，協(xié)調(diào)組成完整的系統(tǒng)測控程序。軟件主要由主程序、DS18B20子程序、數(shù)據(jù)采集及處理子程序、按鍵/顯示子程序、實時時鐘程序等組成。

3.1 主程序

由于實時性要求不高，故主程序采用查詢方式執(zhí)行。1） 將各給定值及上、下限等參數(shù)由鍵盤或指定的flash memory單元傳送到指定的片內(nèi)RAM單元。2） 初始化，主要是定義定時計數(shù)器。3） 巡回檢測、顯示并調(diào)節(jié)各量。

3.2 軟件設(shè)計

軟件主要由初主程序、始化程序、DS18B20單字節(jié)讀寫子程序、序列號匹配子程序、故障代碼處理子程序等構(gòu)成，能完成單項單點檢測、單線纜檢測、巡回采集等。

DS18B20序列號搜索及匹配程序編寫難度較大（需要專題文章論述），每個DS18B20有8字節(jié)ROM，再加上1～3次測溫數(shù)據(jù)，需要在擴展RAM中開辟約80字節(jié)的緩沖區(qū)，用以存放5個測溫點的序列號及溫度數(shù)據(jù)。測溫后，數(shù)據(jù)存入EEPROM中（扇區(qū)整體擦除，順序?qū)懭耄??？紤]一定的冗余度，STC12C5052單片機的EEPROM只用到其中10個扇區(qū)（每扇區(qū)512字節(jié)可存入32個點即6根電纜的檢溫數(shù)據(jù)），因此本記錄儀每次可存入60～100根（3～5點/根）電纜的檢溫數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)傳送至計算機后，再進行下一組溫度數(shù)據(jù)的采集和傳送，一次可檢測2萬t糧食的溫度數(shù)據(jù)。采用其他CPU，則一次可采集400根電纜數(shù)據(jù)。

在各種子程序設(shè)計中，單總線器件DS18B20難度較大，時序配合嚴密，否則極易造成通訊失敗。下面給出了調(diào)試通過的DS18B20單字節(jié)讀/寫子程序。

；18B20單字節(jié)寫子程序 A<-待寫字節(jié)，使用ACC，R2，R3，Cy

4 系統(tǒng)運行可靠性

為使系統(tǒng)可靠工作，必須從軟硬件兩方面考慮。硬件方面，插接口配備肖特基二極管防止靜電損傷；軟件方面，采用程序陷阱技術(shù)、數(shù)字濾波技術(shù)、程序冗余技術(shù)和看門狗技術(shù)（watchdog），在程序跑飛時能有效復(fù)位。

5 結(jié)語

手持式糧食溫度記錄儀能夠取代傳統(tǒng)的插探子測溫方式，操作簡單可靠，降低了勞動強度?？赏ㄟ^計算機分析打印，具有較高的性價比，適于臨時堆放的糧食檢溫。

參考文獻

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