基于ATmega 128單片機(jī)的糧食水分測量儀控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計

糧食是人們賴以生存的物質(zhì)基礎(chǔ)，我國是糧食生產(chǎn)和需求大國，而由于糧食含水所導(dǎo)致的糧食霉變每年都會帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失。據(jù)統(tǒng)計我國每年收獲的糧食由于含水過多干燥不及時而造成的霉?fàn)€損失達(dá)500~1 000萬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，可見對于糧食水分的測量是一個不可忽視的問題。由于糧食水分分布復(fù)雜，影響因素較多，傳統(tǒng)的對糧食水分的測量，很難實現(xiàn)既準(zhǔn)確又快速的現(xiàn)場測量。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)的糧食水分測量儀系統(tǒng)，是一種操作方便、技術(shù)先進(jìn)、測量準(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語言，采用CodeVisionAVR編譯工具編寫開發(fā)。

1 系統(tǒng)功能總體分析

糧食水分測量儀的控制系統(tǒng)較多運用單片機(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。

糧食水分測量儀主要測量的是各種糧食中所含的水分，如大米、小麥、大豆、高粱等，且可以通過串口和計算機(jī)實時通信，實現(xiàn)糧食水分的在線檢測。

本系統(tǒng)通過一個按鍵的選擇，即可在不同的糧食品種之間進(jìn)行測量，按鍵的選擇和測量的信息都可在12864液晶屏幕上實時地顯示出來。

2 系統(tǒng)硬件總體設(shè)計

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。

根據(jù)企業(yè)對糧食水分測量儀的功能需求，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可同時讀寫的系統(tǒng)可編程Flash程序存儲器，10000次的寫/擦除周期，53個通用功能I/O端口，32個通用工作寄存器，實時時鐘（RTC振蕩器），4個具有比較模式和PWM的靈活的定時器/計數(shù)器，一個8通道且可選增益的差分輸人的10位A/D轉(zhuǎn)換器，一個SPI，一個符合IEEE 1149.1標(biāo)準(zhǔn)的JTAG接口，可用于訪問片內(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)行時間，通過在一個時鐘周期內(nèi)執(zhí)行強大的指令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，允許在一個時鐘周期內(nèi)執(zhí)行的單條指令中兩個獨立的寄存器同時被訪問，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)計需要。

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

3 功能模塊設(shè)計

功能模塊設(shè)計部分主要從控制系統(tǒng)的硬件總體設(shè)計出發(fā)，按照模塊化設(shè)計思路，對顯示模塊、濕度信號采集模塊、溫度信號采集模塊、按鍵控制模塊、計算機(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。

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)動下加上相對應(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)置國標(biāo)GB2312碼簡體中文字庫（16x16點陣）、128個字符（8x16點陣）及64x256點陣顯示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2N3904三極管，所起的作用是當(dāng)電源關(guān)閉時對顯示器進(jìn)行清屏，并關(guān)閉顯示器的背光。

儀器在運行過程中，通過ATmega128芯片相應(yīng)端口提供電平信號，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關(guān)導(dǎo)通狀態(tài)。

3.2 濕度信號采集模塊

濕度信號采集模塊主要對被測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反饋給單片機(jī)，本系統(tǒng)采用的是電容法測量頻率值，即通過先測量糧食電容的頻率，再把頻率通過相對應(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。

濕度信號采集模塊主要由555振蕩電路組成，555振蕩電路是一種能產(chǎn)生時間基準(zhǔn)并能完成各種定時、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)生周期性時鐘信號，又能產(chǎn)生具有一定規(guī)律的時序信號;與有關(guān)外圍元器件可構(gòu)成定時器、觸發(fā)器、振蕩器或驅(qū)動器電路等，本系統(tǒng)主要通過555集成電路運用于信號的產(chǎn)生，該電路圖如圖4所示。

3.3溫度信號采集模塊

所研發(fā)的該型號的糧食水分測量儀，不僅能完成被測量糧食中所含水分的多少，還能測量該糧食中的溫度值，以便能更好地實現(xiàn)對糧食的保管、儲存。

溫度信號采集模塊電路所采用的傳感器為美國DALLAS公司生產(chǎn)的DS18B20數(shù)字溫度傳感器，具有結(jié)構(gòu)簡單，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)特點門，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微處理器連接時僅需要一條口線即可實現(xiàn)微處理器與DS18B20傳感器的雙向通訊，且該溫度傳感器測量精度較高，硬件電路和軟件程序方面都較容易實現(xiàn)，其電路如圖5所示。

3.4按鍵控制模塊

根據(jù)對糧食水分測量儀的功能需求分析，本控制系統(tǒng)按鍵模塊共設(shè)7個按鍵，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的話，那么低電平則表示按鍵閉合。因此，簡單地講，在程序中通過檢測引腳電平的高低，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，微處理器相對應(yīng)的I/O端口檢測到一個低電平信號，觸發(fā)相應(yīng)事件。

在實際操作中，按鍵閉合的判斷通常會受到干擾，容易產(chǎn)生誤判斷，這時需要通過消除按鍵抖動的方法來解決。消除按鍵的抖動既可采用硬件方法，也可采用軟件的方法?？紤]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計算機(jī)串口通信模塊

現(xiàn)在市場上的糧食水分測量儀功能較為單一，為了提高所研制的該型號系統(tǒng)在市場上的競爭力，同時也為了下步實現(xiàn)糧食在線監(jiān)測、烘干的自動化操作，在該控制系統(tǒng)的功能上增加方便與計算機(jī)通信的串口模塊。

計算機(jī)串口通信模塊可實現(xiàn)與計算機(jī)的實時通信聯(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RS-232C驅(qū)動器、2個RS-232C接收器和一個電壓發(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，最后通過三端穩(wěn)壓芯片LM7805的OUT端輸出的5V直流電壓經(jīng)過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，為了便于實現(xiàn)自動化控制，采取單片機(jī)控制可控硅進(jìn)而驅(qū)動光耦MOC3023來實現(xiàn)，其控制電路如圖8所示。

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

4 結(jié)語

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部分，最后通過四個模塊的協(xié)同配合，最終實現(xiàn)該控制系統(tǒng)所需求的各項功能，達(dá)到規(guī)定的設(shè)計目標(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，軟件部分采用CodeVisionAVR集成開發(fā)環(huán)境。在系統(tǒng)研制過程中采用Proteus軟件進(jìn)行電路的仿真。通過把系統(tǒng)分解為四個模塊，采取模塊化的解決思路，降低了硬件設(shè)計的復(fù)雜度、使后續(xù)的程序設(shè)計、調(diào)試和維護(hù)等工作變得簡單，在滿足系統(tǒng)各項功能需求的情況下，提升了該產(chǎn)品的市場競爭力。

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)采用了計算機(jī)通信模塊電路，便于和計算機(jī)聯(lián)系起來，實現(xiàn)人機(jī)對話，進(jìn)行糧食的在線檢測，有利于減輕勞動強度，為下步實現(xiàn)自動化、智能化提供技術(shù)支持。