糧食是人們賴(lài)以生存的物質(zhì)基礎(chǔ)，我國(guó)是糧食生產(chǎn)和需求大國(guó)，而由于糧食含水所導(dǎo)致的糧食霉變每年都會(huì)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)損失。據(jù)統(tǒng)計(jì)我國(guó)每年收獲的糧食由于含水過(guò)多干燥不及時(shí)而造成的霉?fàn)€損失達(dá)500~1 000萬(wàn)t，大概占全年糧食總產(chǎn)量的1.5%~3%，特別在南方一些梅雨季節(jié)較長(zhǎng)的省份（如江西、浙江、湖北和安徽等）每年糧食霉?fàn)€造成的損失就更大了，可見(jiàn)對(duì)于糧食水分的測(cè)量是一個(gè)不可忽視的問(wèn)題。由于糧食水分分布復(fù)雜，影響因素較多，傳統(tǒng)的對(duì)糧食水分的測(cè)量，很難實(shí)現(xiàn)既準(zhǔn)確又快速的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量。本文所研究的是一種基于ATmega128微處理器為控制芯片并在此基礎(chǔ)上研發(fā)的糧食水分測(cè)量?jī)x系統(tǒng)，是一種操作方便、技術(shù)先進(jìn)、測(cè)量準(zhǔn)確度高的產(chǎn)品。本系統(tǒng)核心控制單元采用了ATMEL公司的ATmega 128單片機(jī)，控制程序使用C語(yǔ)言，采用CodeVisionAVR編譯工具編寫(xiě)開(kāi)發(fā)。

1 系統(tǒng)功能總體分析

糧食水分測(cè)量?jī)x的控制系統(tǒng)較多運(yùn)用單片機(jī)作為控制核心，本文研究的控制系統(tǒng)所采用的單片機(jī)為AVR系列中較高端的ATmega128單片機(jī)。系統(tǒng)總體的功能分析如圖1所示。

糧食水分測(cè)量?jī)x主要測(cè)量的是各種糧食中所含的水分，如大米、小麥、大豆、高粱等，且可以通過(guò)串口和計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)通信，實(shí)現(xiàn)糧食水分的在線檢測(cè)。

本系統(tǒng)通過(guò)一個(gè)按鍵的選擇，即可在不同的糧食品種之間進(jìn)行測(cè)量，按鍵的選擇和測(cè)量的信息都可在12864液晶屏幕上實(shí)時(shí)地顯示出來(lái)。

2 系統(tǒng)硬件總體設(shè)計(jì)

根據(jù)控制系統(tǒng)功能需求的分析，主要從硬件方面給出控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)。

根據(jù)企業(yè)對(duì)糧食水分測(cè)量?jī)x的功能需求，本控制系統(tǒng)硬件將由微處理器（MCU），按鍵、液晶顯示器（12864LCD）、電機(jī)、羅拉、DS18B20溫度傳感器、電源、蜂鳴器、濕度模塊和輔助模塊組成。系統(tǒng)硬件總體設(shè)計(jì)如圖2所示。

系統(tǒng)的核心芯片采用的是AVR的高端單片機(jī)ATmega 128微控制器ATmega 128單片機(jī)是一款基于AVR單片機(jī)增強(qiáng)型RISC結(jié)構(gòu)的低功耗CMOS 8

位微控制器。它具有128 KB可同時(shí)讀寫(xiě)的系統(tǒng)可編程Flash程序存儲(chǔ)器，10000次的寫(xiě)/擦除周期，53個(gè)通用功能I/O端口，32個(gè)通用工作寄存器，實(shí)時(shí)時(shí)鐘（RTC振蕩器），4個(gè)具有比較模式和PWM的靈活的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，一個(gè)8通道且可選增益的差分輸人的10位A/D轉(zhuǎn)換器，一個(gè)SPI，一個(gè)符合IEEE 1149.1標(biāo)準(zhǔn)的JTAG接口，可用于訪問(wèn)片內(nèi)調(diào)試系統(tǒng)和編程，具有6種軟件可選的節(jié)電模式。由于其先進(jìn)的指令集以及單周期指令執(zhí)行時(shí)間，通過(guò)在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)執(zhí)行強(qiáng)大的指令A(yù)Tmega128單片機(jī)可取得接近1 MIPS/MHz的性能。

AVR單片機(jī)將豐富的指令集和32個(gè)通用寄存器結(jié)合在一起，所有的工作寄存器都直接與算術(shù)邏輯單元（ALU）相連，允許在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)執(zhí)行的單條指令中兩個(gè)獨(dú)立的寄存器同時(shí)被訪問(wèn)，這種結(jié)構(gòu)提高了代碼效率，比普通CISC結(jié)構(gòu)單片機(jī)要快將近10倍，完全適合于本控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要。

控制系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)將根據(jù)總體設(shè)計(jì)的方框圖中所示，按照模塊化設(shè)計(jì)方式設(shè)計(jì)，其主要的電路設(shè)計(jì)將在對(duì)應(yīng)的模塊設(shè)計(jì)中給出。

3 功能模塊設(shè)計(jì)

功能模塊設(shè)計(jì)部分主要從控制系統(tǒng)的硬件總體設(shè)計(jì)出發(fā)，按照模塊化設(shè)計(jì)思路，對(duì)顯示模塊、濕度信號(hào)采集模塊、溫度信號(hào)采集模塊、按鍵控制模塊、計(jì)算機(jī)串口通信模塊、電源和電機(jī)模塊等硬件電路分別進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3.1 12864液晶模塊

顯示模塊的主體部分采用的是一塊12864液晶顯示器，和其相關(guān)的驅(qū)動(dòng)電路共同組成該控制系統(tǒng)的顯示模塊。12864液晶顯示器在微處理器 Atmega128的驅(qū)動(dòng)下加上相對(duì)應(yīng)的顯示程序進(jìn)而顯示出漢字和圖形，展現(xiàn)出包括糧食品種、測(cè)量校正、誤差大小、水分含量、糧食溫度和濕度等工作狀態(tài)。

本控制系統(tǒng)顯示模塊采用的液晶是128x64點(diǎn)陣的漢字圖形型液晶顯示模塊，可顯示漢字及圖形，內(nèi)置國(guó)標(biāo)GB2312碼簡(jiǎn)體中文字庫(kù)（16x16點(diǎn)陣）、128個(gè)字符（8x16點(diǎn)陣）及64x256點(diǎn)陣顯示RAM（GDRAM）。液晶模塊控制電路圖如圖3所示。

在該顯示模塊電路中加人一個(gè)2N3904三極管，所起的作用是當(dāng)電源關(guān)閉時(shí)對(duì)顯示器進(jìn)行清屏，并關(guān)閉顯示器的背光。

儀器在運(yùn)行過(guò)程中，通過(guò)ATmega128芯片相應(yīng)端口提供電平信號(hào)，控制2N3904三極管的集電極的導(dǎo)通，從而控制顯示器背光燈管的開(kāi)關(guān)導(dǎo)通狀態(tài)。

3.2 濕度信號(hào)采集模塊

濕度信號(hào)采集模塊主要對(duì)被測(cè)量的糧食中的水分的含量進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并把采集到的信號(hào)反饋給單片機(jī)，本系統(tǒng)采用的是電容法測(cè)量頻率值，即通過(guò)先測(cè)量糧食電容的頻率，再把頻率通過(guò)相對(duì)應(yīng)的公式轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的濕度值，進(jìn)而在12864LCD上顯示出來(lái)。

濕度信號(hào)采集模塊主要由555振蕩電路組成，555振蕩電路是一種能產(chǎn)生時(shí)間基準(zhǔn)并能完成各種定時(shí)、延遲功能的非線性集成電路。它將模擬電路與數(shù)字電路巧妙地結(jié)合在一起，既能產(chǎn)生周期性時(shí)鐘信號(hào)，又能產(chǎn)生具有一定規(guī)律的時(shí)序信號(hào);與有關(guān)外圍元器件可構(gòu)成定時(shí)器、觸發(fā)器、振蕩器或驅(qū)動(dòng)器電路等，本系統(tǒng)主要通過(guò)555集成電路運(yùn)用于信號(hào)的產(chǎn)生，該電路圖如圖4所示。

3.3溫度信號(hào)采集模塊

所研發(fā)的該型號(hào)的糧食水分測(cè)量?jī)x，不僅能完成被測(cè)量糧食中所含水分的多少，還能測(cè)量該糧食中的溫度值，以便能更好地實(shí)現(xiàn)對(duì)糧食的保管、儲(chǔ)存。

溫度信號(hào)采集模塊電路所采用的傳感器為美國(guó)DALLAS公司生產(chǎn)的DS18B20數(shù)字溫度傳感器，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不需要外接電路，該傳感器采用單線接口方式，具有“一線總線”的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)門(mén)，可用一根I/0數(shù)據(jù)線既供電又傳輸數(shù)據(jù)，DS18B20數(shù)字溫度傳感器在與Atmega128微處理器連接時(shí)僅需要一條口線即可實(shí)現(xiàn)微處理器與DS18B20傳感器的雙向通訊，且該溫度傳感器測(cè)量精度較高，硬件電路和軟件程序方面都較容易實(shí)現(xiàn)，其電路如圖5所示。

3.4按鍵控制模塊

根據(jù)對(duì)糧食水分測(cè)量?jī)x的功能需求分析，本控制系統(tǒng)按鍵模塊共設(shè)7個(gè)按鍵，如圖6所示。

根據(jù)按鍵的硬件連接電路可知，按鍵狀態(tài)的確認(rèn)就是判斷按鍵是否閉合，反映在輸人口的電平就是與按鍵相連的I/O引腳呈現(xiàn)出高電平或低電平。如果輸人高電平表示斷開(kāi)的話，那么低電平則表示按鍵閉合。因此，簡(jiǎn)單地講，在程序中通過(guò)檢測(cè)引腳電平的高低，便可確認(rèn)按鍵是否按下，在本控制系統(tǒng)中，采用低電平有效方式判斷，響應(yīng)按鍵事件，當(dāng)按鍵按下后，微處理器相對(duì)應(yīng)的I/O端口檢測(cè)到一個(gè)低電平信號(hào)，觸發(fā)相應(yīng)事件。

在實(shí)際操作中，按鍵閉合的判斷通常會(huì)受到干擾，容易產(chǎn)生誤判斷，這時(shí)需要通過(guò)消除按鍵抖動(dòng)的方法來(lái)解決。消除按鍵的抖動(dòng)既可采用硬件方法，也可采用軟件的方法。考慮到軟件方式消抖比硬件方式消抖具有更好的經(jīng)濟(jì)性，因此，在本控制系統(tǒng)中，采用的是軟件消抖方法。

3.5計(jì)算機(jī)串口通信模塊

現(xiàn)在市場(chǎng)上的糧食水分測(cè)量?jī)x功能較為單一，為了提高所研制的該型號(hào)系統(tǒng)在市場(chǎng)上的競(jìng)爭(zhēng)力，同時(shí)也為了下步實(shí)現(xiàn)糧食在線監(jiān)測(cè)、烘干的自動(dòng)化操作，在該控制系統(tǒng)的功能上增加方便與計(jì)算機(jī)通信的串口模塊。

計(jì)算機(jī)串口通信模塊可實(shí)現(xiàn)與計(jì)算機(jī)的實(shí)時(shí)通信聯(lián)系，該模塊的硬件電路部分主要是由MAX232核心芯片所組成的電平轉(zhuǎn)換電路，Max232產(chǎn)品包含2個(gè)RS-232C驅(qū)動(dòng)器、2個(gè)RS-232C接收器和一個(gè)電壓發(fā)生器，電路提供 TIA/EIA-232-F電平，采用+5v單電源供電。

3.6電源和電機(jī)模塊

電源模塊電路是整個(gè)控制系統(tǒng)的供電核心。本控制系統(tǒng)由外部提供220 V交流電經(jīng)變壓器變壓，隨后經(jīng)由二極管和電容組成的整流濾波電路，最后通過(guò)三端穩(wěn)壓芯片LM7805的OUT端輸出的5V直流電壓經(jīng)過(guò)濾波電容濾波得到本控制系統(tǒng)需要的穩(wěn)定的5V直流電，為單片機(jī)電路、12864液晶顯示模塊、按鍵模塊、計(jì)算機(jī)串口通信模塊、蜂鳴器模塊、溫度和濕度電路等模塊供電，電源模塊電路原理圖如圖7所示。

電機(jī)模塊目前采用的是日本制造的電機(jī)，采用220 V交流電供電，為了便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制，采取單片機(jī)控制可控硅進(jìn)而驅(qū)動(dòng)光耦MOC3023來(lái)實(shí)現(xiàn)，其控制電路如圖8所示。

MOC3023（六個(gè)腳）它是一種可控硅驅(qū)動(dòng)光耦，單片機(jī)引腳PCO端口發(fā)出低電平信號(hào)后，經(jīng)過(guò)MOC3023直接輸出到LINE端口，將電機(jī)導(dǎo)通進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。

4 結(jié)語(yǔ)

本控制系統(tǒng)可分解為主控板、按鍵模塊、溫度濕度模塊和電源模塊四個(gè)部分，最后通過(guò)四個(gè)模塊的協(xié)同配合，最終實(shí)現(xiàn)該控制系統(tǒng)所需求的各項(xiàng)功能，達(dá)到規(guī)定的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

本系統(tǒng)的硬件電路上使用Altium公司推出的PROTEL DXP 2004軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，軟件部分采用CodeVisionAVR集成開(kāi)發(fā)環(huán)境。在系統(tǒng)研制過(guò)程中采用Proteus軟件進(jìn)行電路的仿真。通過(guò)把系統(tǒng)分解為四個(gè)模塊，采取模塊化的解決思路，降低了硬件設(shè)計(jì)的復(fù)雜度、使后續(xù)的程序設(shè)計(jì)、調(diào)試和維護(hù)等工作變得簡(jiǎn)單，在滿足系統(tǒng)各項(xiàng)功能需求的情況下，提升了該產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

本控制系統(tǒng)較其他產(chǎn)品的優(yōu)越性在于：

（1）采取模塊化的設(shè)計(jì)方法，便于系統(tǒng)后續(xù)的維護(hù)、調(diào)試、操作。

（2）該控制系統(tǒng)采用了計(jì)算機(jī)通信模塊電路，便于和計(jì)算機(jī)聯(lián)系起來(lái)，實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話，進(jìn)行糧食的在線檢測(cè)，有利于減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，為下步實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、智能化提供技術(shù)支持。