EEPW论坛

作者：滨州学院 刘浩 王浩 高鲁
指导教师：杜玉杰 孙强强

　　作品简介

　　我国是一个农业大国，粮食的产量很大，需要大量的粮仓来进行对粮仓的储存。然而粮食在存储期间，由于环境、气候和通风条件等因素的变化，粮仓内的温度和湿度容易发生异常，这是造成粮食的损坏的严重因素之一，如果不及时处理将会引起粮食损坏因此温湿度的处理成为一个必须解决的问题。传统粮仓的出入库情况基本靠人工纸质登记，缺乏粮情信息的共享、灾害预警和对粮食管理人员工作的合理监督，因此，粮情信息实时共享、及时处理也是保证粮食储存长时间的有利条件。
　　我们的全自动一体化粮仓控制系统提出了一种新的粮仓管理理念，实现粮情的实时监控，而且即时的发现粮食储存过程中可能出现的问题，然后自动启动装置来处理仓内危险，实现了仓内粮食动态监测及处理。提高了粮仓管理的效率，降低管理成本，并减少了粮食在存储中的浪费。全自动一体化粮仓控制系统的结构图1所示，实物整体图2所示　　

 　　本装置采用粮食自动入仓、出仓，入仓时有自行设计的入仓输送装置，一旦启动入仓按键，输送装置就会不断地向粮仓内输送粮食，直到粮食送完，然后将入仓门关闭，此时仓内的检测系统已经开始工作，仓内的信号采集部分是分布在仓内的多个温湿度传感器AM2301，实时监测仓内的温湿度的变化，并且将仓内温湿度的变化及时的传递给单片机，单片机如果接收到的温湿度值超过了规定的温湿度值将会启动自动降温除湿系统，并且在温湿度长时间还未处理的情况下启动声光报警，通知管理人员仓内的温湿度异常，以便处理危害。出仓时，按下出仓键自动打开仓门，将粮食自动送出仓外。
　　监控室采用的12864显示信息，主菜单分四部分，分别是仓内现在温湿度，设定控制的温湿度，前几日的温湿度，日期时间显示。可以通过按1、2、3、4键选择。现在的温湿度是显示当前的仓内的温湿度，同时显示多个地区的温湿度的情况;设定控制的温湿度是设定需要处理的温湿度的最大值，达到此温湿度时粮仓自动降温除湿;前几日的温湿度是显示近一星期内的温湿度的记录值，帮助管理者统计最近温湿度的变化;日期时间显示。

　　平台选型说明

　　选用大赛指定的单片机开发板(以STC15F2K61S2芯片为控制核心)。此单片机开发板采用的是STC15系列IAP15F2K61S2芯片，功能特色：它是增强型8051CPU,速度是普通8051的8—12倍;片内大容量2k字节的SRAM;内部高精度R/C时钟，内部时钟从5MHZ-35MHZ;相当于普通8051的60MHZ-420MHZ一根usb线即可实现系统的供电、程序下载、通信;此开发板资源丰富。

　　设计说明

　　全自动一体化粮仓控制系统是针对在无人监控的情况下，自动检测粮仓内温湿度的变化，并通过单片机的控制自动处理此变化，通过这种动态的检测及处理使得粮仓系统保持在稳定的状态。

　　一、主控芯片的选择
　　本项目采用ITAT大赛指定专用的STC15F2K61S2单片机作为主控核心，它是高速/高可靠/低功耗/超强抗干扰的新一代单片机，采用第八代加密技术，加密性超强，代码指令完全兼容8051，可彻底省掉外部昂贵的晶振和外部复位电路，针对多串行通信、电机控制、强干扰场合。主控芯片引脚说明如图3所示　　

 　　二、信号采集器件的选择
　　本系统选用的是温湿度传感器是AM2301，它是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器，它包括一个电容式感湿元件和一个NTC测温元件，并与一个高性能8位单片机相连接。因此，它具有超快响应、抗干扰能力强、性价比高的优点。每个AM2301传感器都在极为精确的温湿度校验试中进行校准。校准系数以程序的形式储存在内存中，传感器内部在检测信号的处理过程中要调用这些校准系数。单线式串行接口，使系统集成变得简易快捷。此外，还有超小的体积、极低的功耗，信号传输距离可达20米以上，所以本装置采用AM2301检测温湿度。温湿度传感器AM2301的电路设计如图4所示　　

 　　三、输送装置的设计选择
　　设计的输送装置是简易的传送装置，利用步进电机将粮食输送到粮仓的顶部，然后粮食经过顶部的话坡将粮食倒入粮仓。步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元步进电机器件，在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，可以控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的。利用步进电机的此优点实现粮食准确到达进仓口，可以有效地防止粮食的散落，并且可以实现大量粮食的快速进仓。本装置设有一个可以承装粮食的小车，在步进电机的控制下沿着轨道行走。此装置安全、可靠，而且输送粮食稳定，不宜散落粮食。
　　步进电机驱动选用的是L298N,它是一种高电压、大电流电机驱动芯片，主要特点是：工作电压高，最高工作电压可达46V;输出电流大，瞬间峰峰值电流可达3A，持续工作电流为2A;额定功率25W。优点是具有信号指示，转速可调，抗干扰能力强，具有过压和过流保护,PWM脉宽平滑调速。因此，本装置选用L298N控制步进电机42BYG。上粮控制模块的电路设计如图5所示　　

 　　四、仓内搅拌系统的设计
　　在仓内设有搅拌系统，一个搅拌装置可以移动到不同的区域，而且在仓内有人进入时，此搅拌系统不能影响到仓内人员的走动，所以仓内搅拌系统的设计可以移动，因此仓内搅拌装置是一个小型步进电机，外围是一个大的步进电机带动其移动到不同的区域。
　　步进电机的选用，是小型的步进电机，因为其体积小，易于驱动，步进角为7.5度，易于操作，转动角度方便控制。
　　小步进电机的驱动选用的本开发板自带的ULN2003，ULN2003 是高耐压、大电流复合晶体管阵列，由七个硅NPN 复合晶体管组成。具有电流增益高、工作电压高、温度范围宽、带负载能力强等特点,适应于各类要求高速大功率驱动的系统。因此采用ULN2003驱动。仓内搅拌系统的电路设计如图6所示　　

 　　五、日期时间的设计选择
　　本系统通过时间来形象的显示系统工作的时长，结合其他装置的效果来判别系统的性能，从而调整其他装置的工作频率来达到最优化的效果。为此，我们选择了PCF8563时钟芯片。PCF8563是Philips公司推出的一款带I2C总线具有极低功耗的多功能时钟/日历芯片，具有四种报警功能和定时功能;内部时钟电路、内部振荡电路、内部低电压检测以两线制I2C总线通信方式，不但使用外围电路简洁，而且增加了芯片的可靠性。SDA、SCL、INT均为漏极开路，必须上拉电阻;X1、X2分别为反相放大器的输入、输出端;可在X1端接入32.768kHz的石英晶振，配置成片内振荡器。使用非常的方便，因此本系统选用了PCF8563时钟芯片。时钟电路的设计如图7所示　　

 　　六、入仓、出仓门的选择
　　出入仓门的设计是采用的舵机控制，因为舵机的转动角度是通过PWM脉冲控制，其转动的角度可以很容易的控制，随意改变门打开的角度。入仓、出仓门的控制电路的设计如图8所示　　

 　　七、信息储存的设计选择
　　本系统有一个功能是能够储存近几日的温湿度情况，采集的原理是在每日的整点时间时刻我们便采集一次温湿度的信息，将此温湿度的情况24个小时的相加求取平均值，就是这一天的温湿度的情况，根据近几日的温湿度的情况判断粮仓内温湿度的变化，给予管理者处理仓内的粮食的情况。为了储存信息我们采用的是24c02储存信息防止断电丢失。信息存储电路的设计如图9所示

 　　八、显示模块的设计选择
　　显示模块采用12864液晶显示，12864液晶自带中文字库，而且可以用串口操作，不仅节省IO口而且操作方便、显示信息量大。显示电路的设计如图9所示　　

 　　九、变压器降压芯片的的设计选择
　　由于本系统的单片机及其他元器件的工作电压不是220v的交流电，而是5v或则是12v的直流电，但是鼓风机的工作电压是220v的交流电，因此设计了变压器，及其降压电路。降压芯片的电路设计如图11所示　　

 　　作品特色

　　先进性、创新性体现在以下三个方面：
　　1.我们在粮仓的内部设置多个温湿度传感器，实现了对温湿度多点布控;在底部安装了多个带有多点进气孔的进气装置，装置利用电磁阀与外界隔离;在粮仓的顶部安装了可以移动的搅拌机。当粮仓内的某一处的温湿度被检测到不能满足粮食的储存要求时，我们可以控制底部的某一区域进气，降温除湿，同时顶部搅拌机配合搅拌此区域，这样做既减少了能源的浪费，同时还提高了降温除湿的效率，低碳环保。
　　2.记录粮食近五天的的温湿度变化情况，利用24C02的储存功能，可以记录温湿度在一天内不同时间的变化，并计算出在一天内的温湿度的平均值，便于管理者处理;一天24小时监控粮仓温湿度变化，所需信息均不需要人工的记录。
　　3.本系统的上粮系统及粮食出仓系统完全自行设计制作，当汽车运来大批粮食时，将粮食倒入，然后上粮系统开启，在步进电机的拉引下车斗顺着轨道到达粮仓的顶部，粮食进仓，实现了大批的粮食快速进仓;当接收到出仓信号时，出仓门自动打开，粮食自动出仓。节省了人力，提高了工作的效率。

　　实用性体现：
　　本装置所需元器件均是日常生活中常见物品，制作本系统装置易于实现，成本低且减少了大量人力的使用，可以被广泛推广。

系统演示视频：http://v.eepw.com.cn/video/play/id/2387