现代检测技术大作业最终版

现代检测技术大型作业（2014/2015学年第1学期）课题名称粮食存储环境品质监测系统设计院（系）自动化工程学院专业电气系统检测与控制小组成员时间指导老师一．设计背景及意义“国以民为本，民以食为天”，“兵马未动，粮草先行”，这些都充分说明粮食对国家的重要性。储粮是为了防备战争、保证非农业人口的粮食消费需求、调节国内粮食供求平衡、稳定粮食市场价格、应对重大自然灾害及其它突发性事件而采取的有效措施。因此，粮食的科学储藏具有重要的战略意义和经济意义。我国是世界上最大的粮食生产、储藏及消费大国，粮食储藏是国家为防备战争、灾荒及其他突发性事件而采取的有效措施，因此粮食的安全储藏是关系到国计民生的战略大事。在粮食的储藏的过程中，由于粮仓温湿度异常而造成粮食变质，带来的经济损失是惊人的。粮食在贮藏过程中，会因为受温度、湿度、氧气、微生物及昆虫等因素的影响，从而造成其质量的不良改变。目前我国许多粮食仓储单位采用测温仪器与人工抄录、管理相结合的传统方法，消耗了大量的人力和财力，并且效果不佳，发霉变质等现象大量存在。因此设计粮食储存品质监测系统，可以提高工作效率，实现粮仓数据的实时监控，是仓储单位亟待解决的重要问题。粮食在贮藏过程中，会因为受温度、湿度、压力、2CO、微生物及昆虫等因素的影响，从而造成其质量的不良改变。对粮食贮藏过程中的影响参数进行实时监测、分析，是保障粮食储存品质的有效手段。在此，通过采用CAN总线的数据采集系统对影响粮食贮藏过程中的参数进行实时采集、分析，当发现不良变化时，能够及时发出预警信息，保证粮食储存的安全。粮食储存品质监测系统是利用现场的前沿机检测粮食储备库中粮食的基本情况，并结合其他粮情信息（如入仓时间、品种、仓型、天气状况等）进行综合分析，然后通过控制电机启停，达到对相应参数的控制。利用监控室的上位机对粮仓进行监控，用户可方便地构造自己需要的数据采集系统，在任何时候把粮仓现场的信息实时地传到控制室，管理人员不需要深入现场，就可以按照所需的要求对粮仓内的情况进行控制，还可以查看历史数据，优化现场作业，提高了生产效率，增强了国家粮食储备安全水平，以获得实时粮仓管理，实现自动化、智能化，为实现我国粮仓管理现代化更近了一步。二．设计内容2.1系统总体结构规划影响粮库储粮安全性的参数主要有粮堆温度、湿度、压力和2CO等，及时监测这些参数、准确分析这些参数的变化并及时采取相应处理措施，对于提高仓储质量、减少粮食损耗具有重要意义。这里我们采用分布式监控网络，主要分为上位机和下位机两部分。而上位机按功能分由现场上位监控管理机，远程监控管理机和CAN通讯适配器组成，下位机则由CAN节点和现场参数采集和控制组成。系统总体结构CAN总线（ControllerAreaNetwork）即控制器局域网，由德国BOSCH公司20世纪80年代推出，是国际上应用最广泛的现场总线之一。CAN具有下列主要特性：多主站依据优先权进行总线访问；无破坏性的基于优先权的仲裁；借助接收滤波的多地址帧传送；全系统数据相容性；废除了常用的地址编码，而代之以对通信数据块进行编码；可靠的错误处理和检错机制，极强的错误检测能力，发送期间若丢失仲裁或由于出错而遭破坏的帧可自动重发送；暂时错误和永久性故障节点的判别以及故障节点的自动脱离；可以根据用户的需要，改变总线上分机的数量，理论上可连无数个分机；CAN总线的接收数据长度最多为8个字节，因而不存在占用总线时间过长的问题，可以保证通信的实时性。从而确保系统的可靠运行。考虑到CAN总线技术具有先进的多主网络结构和通信距离远、成本低、可靠性高、系统容量大、安装方便、维护费用低、性价比高等优点，用在库区较大、仓库分布较分散的大型粮仓的温湿度监控系统是一种合理而新颖的尝试。数据采集服务器主要完成监测网络系统的参数设置、粮库的状态查询、数据处理、粮情分析和报表打印等功能。同时，该服务器与Internet网络互联，各职能管理部门通过互联网可以在任何时间、任何地点浏览数据信息，为管理部门的决策提供依据。智能节点由微控制器、数据采集电路和CAN总线接口电路构成。智能节点不仅要实时监测粮库内各个测试点的温度、湿度、2CO、压力等信息，并保存和显示结果。还要根据数据采集服务器的要求上传数据。CAN/USB转换器负责把数据采集服务器的数据，通过USB接口的输出命令转换成CAN总线数据格式后，下传到CAN总线;或者将智能节点通过CAN总线上传的数据转换成USB数据格式后，再送到数据采集服务器。2.2系统功能下位机节点通过一定时间间隔把含有地址，温度，湿度，压力等数据量的报文向CAN总线发送，总线通过自身仲裁确定先把优先级最高的数据放到总线上，然后自动仲裁依次发送低优先级的报文到CAN总线。由于CAN总线的信息存取利用了广播式的存取工作方式，报文可以在任何时候由任何节点发送到空闲的总线上，每个节点的CAN总线接口接收总线上出现的所有信息，通过每个节点的报文滤波和地址匹配，只有上位机能实现所有报文的接收。同时上位机可随时发送信息到CAN总线，只有地址匹配的节点才能收到信息。同时通过这种方式实现粮库的参数反馈控制。2.2.1智能节点原理智能节点温度、湿度、压力、2CO、水、烟雾、入侵物:控制电路采用单总线数据通信方式。它采用单根信号线完成数据的双向传输，具有节省I/0引脚资源、结构简单、成本低廉、便于总线扩展和维护。温度检测采用单总线数字温度传感器DS18B20，它不仅能直接输出串行数字信号，而且具有微型化、低功耗、高性能，易于微处理器连接和抗干扰能力强等优点。传感器检测到的湿度、压力、2CO、水、烟雾、入侵物:信号经过调理电路处理后，可以通过单总线A/D转换模块(DS2450)输出的串行数字信号与单总线数字温度传感器DS18B20输出的串行数字信号使用同一线路连接，这样可以大大简化布线的难度。智能节点控制电路结构图2.2.2CAN节点的组成2.3元件选型2.3.1传感器选型1.温度传感器低温储藏使粮食的呼吸活动大大减弱，可延缓粮食的陈化，保持粮食的新鲜度并降低储粮自然减量损失。粮食在10℃时储藏，由于呼吸产生的干物质损失要比在20℃和30℃时储藏分别少4倍和15倍。当粮温达到13℃时，害虫的繁殖和活动就基本停止，粮温降至10℃时完全停止，因此低温储藏可以避免粮食遭受虫害而造成的损失。DS18B20是美国DALLAS半导体公司继DS1820之后最新推出的一种改进型智能温度传感器。与传统的热敏电阻相比，他能够直接够直接读出被测温度并且可根据实际要求通过简单的编程实现9～12位的数字值读数方式。可以分别在93.75ms和750ms内完成9位和12位的数字量，并且从DS18B20读出的信息或写入DS18B20的信息仅需要一根口线（单线接口）读写,温度变换功率来源于数据总线，总线本身也可以向所挂接的DS18B20供电，而无需额外电源。因而使用DS18B20可使系统结构更趋简单，可靠性更高。他在测温精度、转换时间、传输距离、分辨率等方面较DS1820有了很大的改进，给用户带来了更方便的使用和更令人满意的效果。主要特点：(1)独特的单线接口方式：DS18B20与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯；(2)在使用中不需要任何外围元件；(3)可用数据线供电，电压范围：+3.0~+5.5V；(4)测温范围：-55~+125℃。固有测温分辨率为0.5℃；(5)通过编程可实现9~12位的数字读数方式；(6)用户可自设定非易失性的报警上下限值；(7)多个DS18B20可以并联在惟一的三线上，实现多点测温；(8)负压特性，电源极性接反时，温度计不会因发热而烧毁，但不能正常工作；2.湿度传感器粮食在通常储藏过程中，含水量一般在12%以下为安全状态，不会产生温度突变，一旦粮仓进水、结露等使粮食的含水量达到20%以上时，由于粮粒受潮，胚芽萌发，新陈代谢加快而产生呼吸热，使局部粮食温度突然升高，必然引起粮食“发烧”和霉变，并可能形成连锁反应，从而造成不可挽回的损失。常温下稻谷储藏的安全水分是13.5～14%。测量空气湿度的方式很多，其原理是根据某种物质从其周围的空气吸收水分后引起的物理或化学性质的变化，间接地获得该物质的吸水量及周围空气的湿度。电容式、电阻式和湿涨式湿敏原件分别是根据其高分子材料吸湿后的介电常数、电阻率和体积随之发生变化而进行湿度测量的。下面介绍HS1100/HS1101湿度传感器及其应用。湿度检测采用HS1101型湿度传感器，HS1101是HUMIREL公司生产的变容式相对湿度传感器，HS1101湿敏电容是基于独特工艺设计的电容元件。主要特点：(1)高精度：±2%RH，极好的输出线性；(2)宽量程：1—99%RH，宽工作温度-40—100℃；(3)湿度输出受温度影响小，常温使用不需温度补偿；(4)响应速度快：5秒；浸水或结露后迅速恢复10秒；(5)抗静电，防灰尘，有效抵抗各种腐蚀性物质；(6)长期稳定性可靠性好：0.5%RH/年；3.压力传感器粮仓储粮数量是国家粮食数量安全及粮食库存检查的一项重要内容。现有的粮仓储粮数量检测方法主要包括称重法和测量计算法，称重法效率低、工作量大、成本高，难以广泛应用，而测量计算法具有较大的不确定性，因此开发方便快捷准确的国家粮食储藏数量监测技术势在必行。针对粮仓压强分布的随机性，利用对粮堆底面和侧面压力的测量从而得出粮仓储量数量的检测方法是可行的。CPS181是采用陶瓷材料经特殊工艺精制而成的干式陶瓷压阻压力传感器，陶瓷是一种公认的高弹性、抗腐蚀、抗磨损、抗冲击和振动的材料。陶瓷的热稳定特性及它的厚膜电阻可以使它的工作温度范围高达-40～135℃，而且具有测量的高精度、高稳定性。电气绝缘程度2kV，输出信号强，长期稳定性好。高特性，低价格的陶瓷传感器将是压力传感器的发展方向，在欧美国家有全面替代其它类型传感器的趋势，在中国也越来越多的用户使用陶瓷传感器替代扩散硅压力传感器。CPS181干式陶瓷压力传感器被广泛地应用在：过程控制、环境控制、液压和气动设备、伺服阀门和传动、化学制品和化学工业及医用仪表等众多领域。它的尺寸小，直径18mm，量程范围1～600bar，价格低，被广泛的应用在各种测量压力的场合。主要特点：(1)坚固的陶瓷敏感膜片、卓越的抗腐蚀、抗磨损性能；(2)高精度、高稳定性；(3)宽的工作温度范围：-40～135℃；(4)体积小巧，易封装，尺寸：18×5.25×8.05mm；(5)量程范围：100kPa～60Mpa；(6)综合误差(包括：线性、迟滞、重复性)：0.2～0.4FS%；(7)零点输出：0±0.2mV，满量程输出：2.0～4.8mV；4.2CO传感器气体浓度监侧试验研究小麦自身呼吸及昆虫和霉菌活动产生2CO气体的特点。结果表明安全水分小麦呼吸水平较低，6个月中检侧的2CO浓度最高值仅为0.06%。昆虫活动可显著提高粮堆中的2CO气体浓度；另外发现安全水分的粮食自身呼吸作用微弱，产生2CO气体量很少，不会影响虫霉活动的监测.当粮堆中有昆虫或霉菌进行生长活动时，不仅在生长部位可检测到2CO气体浓度的显著升高，其产生的2CO气体还可以通过扩散作用，快速向周边传导，可以在虫霉活动点以外的部位检测到2CO气体浓度的变化。因此，可以通过在粮堆中设置适当的监测点，准确、灵敏地监测粮堆中的虫霉活动。与粮堆侧温方法相比，当模拟霉变点的温度随着霉菌的活动升高16℃时，水平相距1m和2m的部位未检侧到温度的显著变化(p0.05)。因此，在粮仓中采用侧定2CO气体的方法监侧虫霉活动可显著提高监侧灵敏度。红外2CO传感器利用非色散红外（NDIR）原理对空气中存在的2CO进行探测，具有很好的选择性，无氧气依赖性，广泛应用于存在可燃性、爆炸性气体的各种场合。英国Clairair公司高分辨率红外2CO传感器Prime2传感器利用NDIR技术检测2CO气体浓度。该传感器内部有一个红外光源，一个双元件红外探测器，一个独特的光波导让气体扩散进去，ARM7内核微处理器，输出电压与电源极性无关。内部的集