基于ARM粮食仓储环境监测系统的设计

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1、毕业设计（论文）材料之二（1） 神山口大学本科毕业设计（论文）专 业： 题 目： 基于ARM的粮食仓储环 境监测系统的设计 作 者 姓 名： 帅 锅 导师及职称： * 导师所在单位： 年 月 日 神山口大学本科毕业设计（论文）任务书 届 学院 专业学生姓名： * 毕业设计（论文）题目中文：基于ARM的粮食仓储环境监测系统的设计 英文：Design of Monitoring System Based on ARM of Grain Storage Environment 原始资料1 周立功.ARM嵌入式系统软件开发实例M.北京:北京航天大学出版社,20052 周立功等编.ARM微控制器基础与实

2、战M.北京:北京航空航天大学出版社,20033 杨松山.粮情测控系统现状及其发展探析J.粮食流通技术,2003,6:10-124 张晓东等.基于ARM的粮食仓储监测系统J.微计算机信息,2010,26:67-69 毕业设计（论文）任务内容1.课题研究的意义： 近年来，随着计算机和电子技术的发展，在粮食仓储中如何改善储藏条件、保证粮食品质、减轻劳动强度等已成为粮食仓储行业的新课题。本设计主要是利用高性能、低功耗的ARM处理器进行粮食仓库的实时监测。本课题要求学生以嵌入式微处理器为基础，主要包括温湿度采集模块、气体信号模块、主控模块和显示模块的软硬件设计。2.本课题研究的主要内容有：（1）以ARM

3、为核心的主控制模块的设计；（2）温湿度、气体信号的采集模块的设计；（3）各信号显示模块的设计。3.课题完成形式：（1）毕业设计（论文）正文；（2）系统硬件电路原理图；（3）信号采集部分和显示部分的源程序；（4）至少一篇引用的外文文献及其译文；（5）附不少于10篇主要参考文献的题录及摘要。 指导教师（签字） 教研室主任（签字）批 准 日 期 接受任务书日期 完 成 日 期 接受任务书学生（签字）神山口大学毕业设计（论文）基于ARM的粮食仓储环境监测系统的设计摘 要 粮食在存储的过程中容易发生霉变，其主要原因与仓储环境的温度、湿度、室内相关气体的浓度有关。传统的仓库管理模式，缺乏自动监测设备，需要

4、值班人员定期用测量仪器去多个区域进行人工测量。这样的粗放型的管理粮仓模式往往不能及时的反映仓储环境的状况，从而不能及时的进行调节，导致粮食品质的下降。在这种状况下，就需要一套先进的粮食仓储环境监测系统，来避免因储粮不善造成的巨大损失，进一步提供完善配套的粮食存储技术与装备信息化是当今世界经济和社会发展的大趋势。本文主要的工作是基于ARM控制器、传感器、LCD显示器、报警电路等来设计一种自动监测、报警装置来切实提高储粮的水平。本设计的最大的优点在于其自动性、准确性、高效性。它取决于本设计的设计思路以及其所采用的一些相关的元器件。与传统的人工去粮仓不定期测量、记录相比，本设计更加方便，它采用了现代

5、传感器技术，通过一些先进的传感器如SHT11去自动的测量粮仓各个地方的温湿度情况。此外我们可以在本设计之中提前确定相关被控参数的设定值，利用ARM控制器的端口来控制蜂鸣器，来提醒我们环境的相关情况。此外在本设计中通过LCD显示器来显示各个参数的值，它比传统的LED显示更加直观、准确。本文的控制部分主要用的是ARM部分，它与传统的51单片机相比功能更加的强大，如芯片内部的Flsah、EEPROM、SRAM容量较大、支持在线编程烧写ISP、每个IO口都可以以推挽驱动的方式输出高、低电平，驱动能力强，内部资源丰富，一般都集成A/D、D/A模数转换器、PWM、SPI、USART、I2C、I2S等接口，

6、以及拥有丰富的中断源等。这些因素使得ARM与51单片机相比更加的高性能，低功耗。利用ARM来设计的自动监测系统的高效、方便、准确的特点决定了它将更加广泛的应用于工业控制各个领域，同时现在基于ARM，LINUX的嵌入式系统在控制、通信领域应用的更加广泛。关键词：ARM；温湿度；气体浓度 ；LCD显示；报警 Design of Monitoring System Based on ARM of Grain Storage Environment Abstract Prone to mildew grain in storage process, the main reason relate to

7、the storage environment temperature, humidity and indoor gas concentrations. Traditional warehouse management mode,which is lack of automatic monitoring equipment, need on staff on duty using the measuring instrument to multiple areas to manual measurement regularly.The granary of the extensive mana

8、gement mode can not be timely response storage environment conditions,so it cannot be adjusted timely, resulting in a decline in food quality. Under this condition, we need a set of advanced food storage environment monitoring system to avoid heavy losses caused by the improper storage, so further p

9、erfect the grain storage technology and equipment of form a complete set informationization is the worlds economic and social development trend. In this paper, the main work is to design an automatic monitoring and alarm system based on ARM controller, sensor, LCD monitor, alarm circuit and so on to

10、 enhance the level of grain storage. The biggest advantage of this design lies in its automaticity, accuracy, and efficiency. It depends on the design concept of the design and the use of some related components. Compared to the traditional artificial granary not regularly measure, record, this desi

11、gn is more convenient, which adopted the modern sensor technology, automatically by some advanced sensor like SHT11 to measure the granary temperature and humidity conditions in every region of the storage environment. In addition, we can in advance set those related parameters to the set value in t

12、his design , use ARM controller ports to control buzzer to remind us of the environment. In addition , display for each parameter value through the LCD in this design is more intuitive, accurate than the traditional LED display . ARM is used for the control part in this paper, it function more power

13、ful when compared with the traditional 51 MCU , such as the capacity of chip like Flsah, EEPROM, SRAM inside is bigger, support online programming burning ISP, each IO port can output high and low level in the form of push-pull driving, driving ability is strong, internal resource is rich, general i

14、ntegration A/D, D/A converter, PWM, SPI and USART, I2C, I2S interface, and has rich interrupt source. These factors make the ARM act more high performance, low power consumption while compared with 51 MCU . ARM is used to design the automatic monitoring system of high efficiency, convenient and accu

15、rate. This characteristics determines it will be more widely used in every field work control. At the same time now embedded system based on ARM and LINUX application more widely in the field of control, communication.Keywords: ARM; temperature and humidity; gas concentration; LCDdisplay; alarm 目 录

16、引 言.1第1章 绪论.21.1 研究意义及国内外发展概况.21.2 课题研究和解决的主要问题.21.3 课题总体方案设计与论证.3第2章 系统硬件设计.52.1 ARM最小系统模块.5 2.1.1 ARM处理器概述.5 2.1.2 时钟震荡电路.8 2.1.3 复位电路.9 2.1.4 3.3V供电电路.9 2.1.5 JTAG接口电路.102.2 温湿度测量模块.10 2.2.1 温湿度传感器SHT11.10 2.2.2 SHT11工作过程.112.3 气体浓度采集处理模块.12 2.3.1 气体传感器MC113.13 2.3.2 信号放大电路.13 2.3.3 信号滤波电路.142.4

17、显示电路模块.152.5 报警电路模块.182.6 电源电路模块.18第3章 系统软件设计.193.1 主程序设计.193.2 温湿度测量程序设计.193.3 气体浓度测量程序设计.213.4 显示程序设计.223.5 报警程序设计.22结论与展望.24致谢.25参考文献.26附录A 系统硬件电路图.27附录B 系统总程序.29附录C 英文文献及译文.48附录D 主要参考文献摘要.54III 插图清单 图1-1 系统总体工作框图.4 图2-1 ARM芯片内部连接图.6图2-2 STM32F107芯片引脚图.8图2-3 系统时钟电路.9 图2-4 按键复位电路.9 图2-5 3.3V电压转换电路

18、.10图2-6 JTAG接口电路.10图2-7 SHT11传感器电路.11 图2-8 MC113传感器测量电路.13 图2-9 AD623信号放大电路.14 图2-10 信号滤波电路.14图2-11 TFT-LCD电路连接图.15 图2-12 发光二极管监测电路图.18 图2-13 报警电路.18 图2-14 2.5V电压转换电路.18 图3-1 主程序流程图.19 图3-2 温湿度传感器工作流图.20 图3-3 气体浓度测量流程图.21 图3-4 LCD显示程序流程图.22 图3-5 报警程序流程图.23 表格清单表2-1 启动选项.7表2-2 ILI9320常用命令表.17V 引 言民以食

19、为天，自古以来粮食问题就是人们最为关注的问题，它体现了人们的生活质量状态，同时也是国家富强发展的基础。进入21世纪以来，全球人口的不断增长与有效耕地面积逐年减少成为难以逆转的矛盾，粮食安全问题显得尤为突出。由于粮食等农业产品的生产受自然条件的影响很大，产品收割时间比较集中，消费却是一年四季连续不断的，因此无论农民自用，还是出售给国家的商品粮，都必须存放在符合储粮要求的仓库(或容器)里。保障储粮安全，才能满足国家经济建设和人民生活的需要。经过五十多年的粮仓建设与发展，我国粮库的布局、规模、仓储工艺、设施配备、仓型设计、新材料应用和建筑施工等都发生了根本变化，而且仓储管理与技术管理等也得到了极大的

20、提高。粮食的有效存储与温湿度等因素息息相关。目前我国很多广大的农村农民还采用传统储粮模式，这种方式在粮食存储的过程中容易发生霉变，其主要原因与仓储环境的温度、湿度，气体浓度以及传统的仓库管理模式，缺乏自动监测设备等因素有关。传统储粮方式需要值班人员定期用测量仪器去某个区域进行人工测量，这样的粗放型的管理粮仓模式往往不能及时的反映仓储环境的状况，从而不能及时的进行调节，导致粮食品质的下降。在这种状况下，就需要一套先进的粮食仓储环境监测系统，来避免因储粮不善造成巨大的损失，进一步提供完善配套的粮食存储技术与装备信息化是当今世界经济和社会发展的大趋势。信息技术已经广泛应用在传统的粮食仓储环境监测系统

21、之上，所以应当寻求新的理论和技术来改进传统监测手段，来设计并实现更完善的监测系统。本次是基于ARM平台进行粮食仓储环境监测系统的设计，该系统主要由温湿度、可燃气体浓度等数据采集处理模块、ARM中心控制处理模块、复位模块、报警模块、LCD显示模块这五部分组成，五部分协同工作，从而最终实现对粮食仓储环境的监测。该系统将信息采集技术、信息传输技术、信息存储技术及信息处理技术等相互融合，将粮食仓储环境中多种参数监测和ARM控制器控制理论相结合，提出一种切实可行的粮仓环境监测系统，可以全面、实时、自动地对监测数据进行自动记录、存储和处理，满足了对农作物存储状态实行全面、实时、长期监测的要求。 第1章 绪

22、论1.1 研究意义及国内外发展概况 粮食的有效存储与温湿度、气体浓度等因素息息相关。目前我国很多广大的农村农民还采用传统储粮模式，这种方式在粮食存储的过程中容易发生霉变，其主要原因与仓储环境的温度、湿度，气体浓度以及传统的仓库管理模式，缺乏自动监测设备等因素有关，传统储粮方式需要值班人员定期用测量仪器去某个区域进行人工测量，这样的粗放型的管理粮仓模式往往不能及时的反映仓储环境的状况，从而不能及时的进行调节，导致粮食品质的下降。在这种状况下，就需要一套先进的粮食仓储环境监测系统，来避免因储粮不善造成巨大的损失，进一步提供完善配套的粮食存储技术与装备信息化是当今世界经济和社会发展的大趋势。目前国内

23、生产的粮仓环境监测系统品种繁多，系统结构各异。在粮仓内外温湿度监测、粮食内部温湿度监测及分析、通风机械的控制等方面比之前有了不少的进步，但仍有进步空间。现场检测电路和上位机的通讯大多采用RS-485，但整个系统抗干扰能差，实时性和纠错能力不强，增加了节点困难。当某一通信节点出现故障时还会影响整个系统。 国外的粮情监测系统相对比较先进，主要体现在以下三个方面： 1）.无论是传感器的测量精度、反应速度、稳定性、功能多样性还是使用环境方面国外的传感器都比较先进。 2）.构成系统整体的测控技术和管理无论是硬件还是软件都已普遍采用相应的标准模块集成，并且早已实现组态。 3）.系统结构已经普遍采用网络连接

24、的现场总线技术(FCS)，在有些需要的场合则连接到Internet上实现远程控制、远程诊断。从系统控制的角度来看属于纯滞后控制，而这一技术已经相当成熟。目前研制高精度高性能的温湿度、气体浓度监测系统是主流，提高可靠性、灵活性和降低成本也是其考虑的重点，并且系统在报警、记录、控制、通信等方面的自动化和智能化也将逐步完善。 目前国内的粮食仓储环境监测系统大多采用有线布网、人工测量，导致现场安装困难，工作效率偏低，测量精度差，这大大增加了电气工程施工的费用。因此，为了保证粮食等农作物的长期稳定的存储，开发和研制无线传感器网络环境监测系统必然是未来的发展趋势。无线传感器网络技术是现代传感器技术、微电子

25、技术、通信技术、嵌入式计算技术和分布式信息处理技术等多个学科的综合。无线传感器网络是将无线通信技术、传感器技术和网络技术相结合构成的能够根据环境自主完成指定任务的智能自治测控网络系统。因其具有随机布设、自组织、环境适中等特点，非常适合应用于布线、电源供给困难的区域、人员不易到达的区域，已广泛应用于国防军事、工农业生产、环境科学、交通管理、灾害监测等领域。1.2 课题研究和解决的主要问题 本课题设计主要是实现对温度，湿度，可燃性气体的浓度进行多点同时测量并准确显示。整个系统由ARM模块来控制，由温度传感器，湿度传感器，气体传感器采集数据，并通过相关电路对数据进行处理，如放大、滤波、A/D转换等，

26、将处理过的数据显示出来，并且可以能够对异常情况进行报警，由所设计出的硬件电路图进行相关软件设计，并且对该此设计进行调试仿真等。温度：度量物体冷热的物理量，是国际单位制中7个基本物理量之一。在生产和科学研究中，许多物理现象和化学过程都是在一定的温度下进行的，人们的生活也和它密切相关。湿度：湿度很久以前就与生活存在着密切的关系，但用数量来进行表示较为困难。日常生活中最常用的表示湿度的物理量是空气的相对湿度，用%RH表示。在物理量的导出上相对湿度与温度有着密切的关系。一定体积的密闭气体，其温度越高相对湿度越低，温度越低，其相对湿度越高。其中涉及到复杂的热力工程学知识。 可燃性气体：通常指城市煤气、石

27、油液化气、汽油蒸汽、酒精蒸汽、天然气以及煤矿瓦斯等。这些气体主要含有烷类、烃类、一氧化碳和氢气等烯类、醇类、苯类以及成分。这些气体易燃、易爆，在贮存和使用这些气体过程中，如违反操作规程和设备密封不好，都有可能发生可燃气体泄漏现象，进而酿成火灾或爆炸事故，给国家和人民的生命财产造成损失。其中“LEL”是指爆炸下限，可燃气体在空气中遇明火爆炸的最低浓度，称为爆炸下限一简称”LEL”，本设计中对超过60%LEL的气体浓度进行报警。 系统的各项性能指标是： 1)测温范围：40+60； 湿度测量范围为：0100%RH； 气体浓度测量范围：0100%LEL； 2)温度测量精度：+/-0.1 3)湿度测量误

28、差：4%RH 4)可设置报警值；当湿度、温度、浓度等参数超限时，发出报警信号。 5)可以通过LCD进行显示示数。 6)电源工作范围：DC2.5一5.5V1.3 课题总体方案设计与论证 方案一：本方案采用模拟分立元件，如电容、电感或晶体管等非线形元件，实现多点温度，湿度，气体的测量，该方案设计电路简单易懂，操作简单，且价格便宜，但采用分立元件分散性大，不便于集成数字化，而且测量误差较大。 方案二：本方案采用AT89C52单片机为核心，通过AD590等模拟传感器采集温度、湿度、气体信号浓度，输出的模拟信号经信号放大器放大后，送到A/D转换器进行转换，再用LED显示示数，用单片机检测处理数字信号，但

29、A/D转换电路设计较烦琐，而且使用模拟传感器进行检测必须对输出端进行补偿，以减小误差。 方案三：由温湿度传感器SHT11、MC113进行数据采集，SHT11内置放大、A/D转换电路，可以直接输出数字信号，ARM控制器STM32F107比51单片机更加高效、低功耗，系统还包括复位模块，蜂鸣器报警模块，用LCD进行数据显示，比LED显示更加清晰、准确。这几个部分在ARM控制模块的总控制作用下，协调统一的完成工作。综合上述三种方案可知方案三更加合理，高效。 系统总工作框图及工作过程 系统总体硬件设计框图如图1-1所示，本系统由温湿度、易燃气体浓度等数据采集处理模块、ARM控制处理模块、电源电路模块、

30、报警模块、LCD显示模块，这五部分组成，在ARM控制模块的总控制作用下，各模块协调统一的完成工作。该系统以ARM控制器为核心，以多个温度、湿度、气体传感器作为测量元件，通过ARM控制器STM32F107与智能传感器SHT11和MC113相连，通过多路通道采集处理并显示实时数据。用SHT11采集温湿度数值，直接送入控制器中显示、控制，用MC113气体传感器测量气体浓度，将输出的模拟信号放大、滤波、A/D转换后送入ARM控制器中。在ARM控制器的外围电路系统中，还要实现数据的实时显示、系统复位、超限报警等功能。用TFT-LCD进行显示，比一般的LED显示更加的清晰、准确。通过ARM控制器的端口来控

31、制蜂鸣器进行报警。ARM控制器 模块 显示电路模块数据采集、处理 模块 报警电路模块 电源电路模块 图1-1 系统总体工作框图 第2章 系统硬件设计2.1 ARM最小系统模块 本文主要用到STM32F107芯片进行设计，其最小系统主要用到的相关电路为复位电路、时钟电路、3.3V供电电路、JTAG接口电路等部分。2.1.1 ARM处理器概述 STM32F107是意法半导体推出全新STM32互连型（Connectivity）系列微控制器中的一款性能较强产品，此芯片集成了各种高性能工业标准接口，此芯片可以满足工业、医疗、楼宇自动化、家庭音响和家电市场多种产品需求。且STM32不同型号产品在引脚和软件

32、上具有完美的兼容性，可以轻松适应更多的应用。本设计用的芯片型号是STM32F107VCT6，芯片内部连接图如图2-1所示：性能特点：内核：ARM32位Cortex-M3 CPU，最高工作频率72MHz，运行速率1.25DMIPS/MHz ，和8/16位设备相比，ARM Cortex-M3 32位RISC处理器提供了更高的代码效率。 存储器：片上集成256KB的Flash存储器用于存储程序和数据，64KB的SRAM存储器可以以CPU的时钟速度进行读写。时钟、复位和电源管理：2.03.6V的电源供电和I/O接口的驱动电压。内部包括上电复位（POR）电路、PDR（掉电复位）电路和可编程的电压探测器（

33、PVD）。内嵌出厂前调校的8MHz RC振荡电路，可作为系统时钟，可也可用于CPU时钟的PLL。内部40 kHz的RC振荡电路，可用来驱动看门狗时钟及驱动RTC。低功耗：3种低功耗模式：休眠，停止，待机模式。其中为RTC和备份寄存器供电的是VBAT。调试模式：串行调试（SWD）和JTAG接口。DMA：12通道的DMA控制器，支持的外设：定时器、ADC、DAC、SPI、I2C和USART。芯片拥有100个引脚：其中包括80个GPIO端口，每个端口都可以映射到16个外部中断向量。除了模拟输入，所有的端口都可以接受5V以内的输入。定时器：内部共有10个定时器，其中包括4个16位普通定时器，每个定时器

34、有4个IC/OC/PWM或者脉冲计数器。1个16位的6通道高级控制定时器：最多6个通道可用于PWM输出。2个看门狗定时器（独立看门狗和窗口看门狗）。1个Systick定时器（24位倒计数器来产生中断）以及2个16位基本定时器用于驱动DAC。ADC/DAC：2个12位的us级的A/D转换器（16通道），A/D测量范围：0-3.6 V，双采样和保持能力，片上集成一个温度传感器。此外还包括2个12位D/A转换器。通信接口：包括5个USART(4Mbit/s)接口，3个SPI接口（18Mbit/s），2个数字音频接口I2S，2个I2C接口，2路CAN2.0接口，另外它拥有全速USB （OTG）接口，以

35、及以太网10/100MAC模块。 图2-1 ARM芯片内部连接图系统功能作用： 时钟：STM32F107有三种不同的时钟源可以被用来驱动系统时钟（SYSCLK）： 1.HSI振荡器时钟（高速内部时钟信号），一般晶振为8MHZ。 2.HSE振荡器时钟（高速外部时钟信号），一般晶振为4-16MHZ。 3.PLL时钟（锁相环时钟），其时钟输入源可以选择为HSI/2，HSE，或者HSE/2，倍频可以选择为216倍，最大频率可被设定为72MHZ。 STM32F107有两个二级时钟源： 1.低速内部RC振荡器（40MHZ），可以用于驱动独立看门狗和通过程序选择驱动实时时钟（RTC），RTC用于从停机/待机

36、模式下自动唤醒系统。 2.低速外部晶振（32.768KHZ）用来通过程序来驱动RTC（RTCCLK）。 当不被使用时，任意一个时钟源都可以独立的启动或者关闭，由此可以优化系统功耗。在系统启动的时候可以根据以上时钟种类进行系统时钟选择，但复位的时候内部8MHz的晶振被选用作CPU时钟。此外，多个预比较器可以用于配置外设时钟AHB，高速APB(APB2)和低速APB（APB1）的频率，AHB和高速APB最高的频率为72MHz，低速APB最高的频率为36MHz。 复位：包括系统复位和备份域复位 1.系统复位：除了时钟控制状态寄存器器(CSR)中的复位标志和备份区域外，将其他所有寄存器恢复到复位值，产

37、生系统复位的事件有： NRST引脚上的低电平（外部复位） 看门狗计数到复位(WWDG reset) 独立看门狗计数到复位(IWDG reset) 复位(SW reset) 功耗管理复位（Low-power management reset） 电源复位 2.备份域复位：产生备份域复位的事件有： 软件复位：将备份域控制寄存器中的BDRST位置1。 当VDD和VBAT都掉电的情况下，再将VDD和VBAT上电。Boot模式：如表2-1所示，在启动的时候，Boot引脚被用来在3种Boot选项种选择一种： 表2-1 启动选项 BOOT模式选择引脚 启动模式 说明 BOOT1 BOOT0 X 0 主闪存存储

38、器 主闪存存储器被选作启动区 0 1 系统存储器 系统存储器被选作启动区 1 1 内嵌SRAM 内嵌SRAM被选作启动区 FLASH等待周期与缓冲： 0等待周期，当0SYSCLK24MHZ 1等待周期，当24MHZSYSCLK48MHZ 2等待周期，当48MHZSYSCLK72MHZ此外应当在程序中开启FLASH预读缓冲功能，加速FLASH的读取。以上FLASH操作需要在软件系统初始化中设置，在RCC初始化子函数里面，时钟起振之后，这些操作在所有的程序中必须有。嵌套矢量中断控制器（NVIC）：可以处理43个可屏蔽中断通道（不包括Cortex-M3的16根中断线），提供16个中断优先级（抢占式优

39、先级和响应优先级）。紧密耦合的NVIC实现了更低的中断处理延迟，直接向内核传递中断入口向量表地址，紧密耦合的NVIC内核接口，允许中断提前处理，对后到的更高优先级的中断进行处理，支持尾链，自动保存处理器状态，中断入口在中断退出时自动恢复，不需要指令干预。系统嘀嗒定时器（Systick）：Systick位于NVIC控制器内，是一个24位的计数器（减1），主要用于为操作系统提供时钟，也可以作为闹铃或一般的计时器，它有自动重新装载的能力，当它减到0时可以屏蔽系统中断，它产生系统所需的嘀嗒中断，作为整个系统的时基，它的时钟源有HCLK/8和系统时钟，当时钟为HCLK/8时，重载值为9000，则会产生精确地1ms延时。 外部中断/事件控制器（EXTI）：包括19个