手持式粮食温度记录仪的设计

裴勇

摘要：针对目前多场点粮食检温手段落后问题，设计一款手持式粮食温度记录仪。阐述该仪器的设计方案，介绍系统组成与软件设计，并提出保证系统运行可靠性的方法。该仪器操作简单、运行可靠、性价比高，适用于临时堆放的粮食检温。

关键词：粮食；温度检测；手持式；记录仪；DS18B20

中图分类号：TH811 文献标识码：A 文章编号：1674-1161（2015）06-0047-04

粮食温度检测是粮食日常保管的重要环节，现有一些粮仓温度检测手段及方法急需提高和完善。以往粮食仓容全部集中在国家粮库，仓库位置固定，粮仓检温等配套设施齐全。后来为了降低仓容建设及存贮费用，国家实行“藏粮于民”政策，使得粮食收购主体呈现多元化，非公有经济体及农户科学储粮得到大力推广，所占份额越来越大；粮食保管储藏呈现分散化，可能存储在非粮库等多个地方；粮食储藏方式呈现多样化，既有简易仓、散粮堆，又有麻袋垛；粮食储藏呈现时限化，既有临时的，又有长期的。因此，常规的粮食测温方法很难适应粮食储藏现状。

传统的检测手段是采用插拔探子来观察粮温，非常不方便，因此，需要研发粮食检温的新方法、新仪器、新设备，以适用于多种场合、多个测温点及各种临时形成的储粮货位、散粮堆、麻袋垛等。为此，鞍山市粮食科学研究所自主研制出手持式粮食温度记录仪，实现了简单准确、及时有效地监测粮温，可预防或降低恶性粮食事故的发生。

1 手持式粮食温度记录仪设计方案

1.1 工作方式的确定

由于散粮堆放位置随意，甚至在野外，没有现成的电源，很难安装一套固定式测温系统，因此，本仪器采用电池供电，具有功耗低、体积小、连线简单、测温元件一致性好、插接容易等优点，应用温度范围广，且成本低廉。

设计的总体思路是：将事先编号的简易测温线缆用专用工具插入粮堆，电缆位置固定，将封密接口露在粮堆外；根据粮堆的体积，每根线缆设3～5个测温点，采用手持式仪表按检测的时间要求插接需要检测的各线缆接口，分别检测温度并存储数据；然后将手持仪表中的数据传入计算机中处理。

1.2 元器件的选择

元器件应选择温度范围宽（-30～70 ℃）、适合简单电源供电（4.5～5.5 V）、功耗小且集成度高的元件。

1.2.1 测温元件 热敏电阻、PN结等传统模拟元件的一致性差、误差大、易受干扰，安装调试需要分别校准，接点连线多，不适用于本仪器。所以，温度传感器采用美国Dallas公司生产的1-wire数字测温元件DS18B20。该元件接线少，5个测温点只用2根引线就可以完整无误地管理，并能分辨出每个测温点的位置，省却了信号调理及滤波电路，使得系统结构简单。DS18B20管脚描述如图1所示。

1.2.2 单片机 单片机是整个系统的核心部分，宜选用功耗低、功能强、易编程、可靠性高的机型。检测装置在保证功能可靠的前提下，应尽量利用单片机本身的资源，以软代硬；，并能防止测量现场的各种干扰；另外，在数据传输错误时，还要求能够及时发现并予以更正。STC12C5052-35I（如图2所示）是高速/低功耗的新一代8051单片机，有增强型1T流水线/精简指令集结构8051 CPU，PDIP20封装，电源电压3.5～5.5 V，工作频率达12 MHz，温度范围工业级-40～85 ℃，用户应用程序空间5 K字节，片上集成256字节RAM，E2PROM有10个扇区（每扇区512 B），2个16位定时器/计数器，15个通用I/O口，看门狗及ISP/IAP功能。这样可充分发挥单片机的资源优势，降低成本，满足工作需要。

1.2.3 显示部分 由于采用电池供电，元件选择超宽工作温度范围（-30～70 ℃）；显示部分选用LCD模块JHD802A（如图3所示），显示模式为8字×2行字符；视窗尺寸为30.4 mm×13.9 mm；控制器为KS0066U（兼容HD44780）。管脚排列见表1。

1.2.4 电源及通讯转换 电源采用3节5号电池供电，增加外部电池供电插孔，通讯线采用市售的USB-TTL线，仪表只提供插接口，这样可减少仪表体积，达到简洁化。按键采用P3口线扩展。

1.2.5 实时时钟电路 时钟电路选择一款比较常用的实时时钟芯片DS1302。DS1302是美国DALLAS公司推出的一种高性能、低功耗、带RAM的实时时钟电路，它可以对年、月、周、日、时、分、秒进行计时，具有闰年补偿功能，工作电压为2.5～5.5 V。采用三线接口与单片机进行同步通信，并可采用突发方式一次传送多个字节的时钟信号或RAM数据。

2 系统组成及工作原理

2.1 系统组成

系统硬件结构框如图4所示。

2.2 工作原理

整个系统的控制核心为STC12C5052单片机。操作人员将测温电缆插入仪表，打开电源，仪表顺序显示电缆号、点号、温度，并将测量结果存入单片机的EEPROM中，然后再插入其余的电缆，检测并存储温度。检测完毕后，将手持仪表的数据通过USB传输线缆，传入计算机中处理。

2.3 主电路图

系统主电路图如图5所示。J1为外接5.0 V电源插孔；J3为TTL串行通讯接口，通过市售的USB-TTL转换线与计算机进行数据传输；J4为检温电缆插孔；K1～K4为按键。

为节省I/O口，液晶显示模块利用KS0066所具有的4位数据总线功能，与CPU采用间接控制方式（4位总线），DB0～DB3悬空，R2为背光调节电位器。

工作时，检温电缆插入J4，打开开关S1，单片机开始搜索电缆的元件序列号，并发送温度转换命令，经过3 s时间后，顺序在液晶上显示，并存储在单片机的EEPROM中。关闭开关，拔下检温插头，进行下一组电缆的测量。全部检测完毕后，将USB-TTL线连接记录仪，再连上计算机，打开开关S1，运行上位机软件，将检测的数据传入计算机进行统计、打印等进一步处理。

3 软件设计

系统的应用程序在结构上与硬件配置相适应，采用模块化结构。主程序调用具有不同硬件配置的子程序，协调组成完整的系统测控程序。软件主要由主程序、DS18B20子程序、数据采集及处理子程序、按键/显示子程序、实时时钟程序等组成。

3.1 主程序

由于实时性要求不高，故主程序采用查询方式执行。1） 将各给定值及上、下限等参数由键盘或指定的flash memory单元传送到指定的片内RAM单元。2） 初始化，主要是定义定时计数器。3） 巡回检测、显示并调节各量。

3.2 软件设计

软件主要由初主程序、始化程序、DS18B20单字节读写子程序、序列号匹配子程序、故障代码处理子程序等构成，能完成单项单点检测、单线缆检测、巡回采集等。

DS18B20序列号搜索及匹配程序编写难度较大（需要专题文章论述），每个DS18B20有8字节ROM，再加上1～3次测温数据，需要在扩展RAM中开辟约80字节的缓冲区，用以存放5个测温点的序列号及温度数据。测温后，数据存入EEPROM中（扇区整体擦除，顺序写入）。考虑一定的冗余度，STC12C5052单片机的EEPROM只用到其中10个扇区（每扇区512字节可存入32个点即6根电缆的检温数据），因此本记录仪每次可存入60～100根（3～5点/根）电缆的检温数据。数据传送至计算机后，再进行下一组温度数据的采集和传送，一次可检测2万t粮食的温度数据。采用其他CPU，则一次可采集400根电缆数据。

在各种子程序设计中，单总线器件DS18B20难度较大，时序配合严密，否则极易造成通讯失败。下面给出了调试通过的DS18B20单字节读/写子程序。

；18B20单字节写子程序 A<-待写字节，使用ACC，R2，R3，Cy

4 系统运行可靠性

为使系统可靠工作，必须从软硬件两方面考虑。硬件方面，插接口配备肖特基二极管防止静电损伤；软件方面，采用程序陷阱技术、数字滤波技术、程序冗余技术和看门狗技术（watchdog），在程序跑飞时能有效复位。

5 结语

手持式粮食温度记录仪能够取代传统的插探子测温方式，操作简单可靠，降低了劳动强度。可通过计算机分析打印，具有较高的性价比，适于临时堆放的粮食检温。

参考文献

[1] 沈德金，陈粤初.MCS51系列单片机接口电路与应用程序实例[M].北京：北京航空航天大学出版社，1992.

[2] 王幸之，王雷，翟成，等.单片机应用系统抗干扰技术[M].北京：北京航空航天大学出版社，2000.

[3] 贺晓辉.基于PIC24F微型温度记录仪的设计[J].农业科学与技术：英文版，2014（8）：1 414-1 416.（下转第52页）