岳朋闖，王 威，韓崇安，張偉峰

(河南工業(yè)大學(xué) 電氣工程學(xué)院，河南 鄭州 450001)

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基于STM32赤霉病小麥實(shí)驗(yàn)裝置檢測(cè)系統(tǒng)

岳朋闖，王 威，韓崇安，張偉峰

(河南工業(yè)大學(xué) 電氣工程學(xué)院，河南 鄭州 450001)

脫氧雪腐鐮刀菌烯醇(deoxynivalenol，簡(jiǎn)稱DON毒素)是存在于小麥、玉米等糧食作物中的一種真菌毒素，不僅影響了糧油食品產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，更對(duì)人們的身體健康帶來了嚴(yán)重的威脅。以高壓電場(chǎng)和電力電子測(cè)控技術(shù)作為理論基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了以STM32為控制核心的赤霉病小麥電處理實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)赤霉病小麥處理室的溫度、濕度、環(huán)境光以及電壓電流等參數(shù)的檢測(cè)與顯示。系統(tǒng)以無線WiFi模塊作為載體，將關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)傳送到上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)實(shí)時(shí)顯示、報(bào)警和控制，達(dá)到減小外界因素對(duì)赤霉病小麥電處理的影響。實(shí)驗(yàn)表明，實(shí)驗(yàn)裝置測(cè)量精度高、便于調(diào)節(jié)，能夠?yàn)槌嗝共⌒←滊娞幚硖峁┛煽康谋ＷC。

DON毒素；處理室；實(shí)驗(yàn)參數(shù)；STM32

0 引言

脫氧雪腐鐮刀菌烯醇(簡(jiǎn)稱DON毒素)是小麥及其制品污染最嚴(yán)重的一種單端孢霉烯族毒素，它一旦進(jìn)入人或者動(dòng)物體內(nèi)，會(huì)嚴(yán)重影響健康。目前，對(duì)于DON毒素降解的方法主要有生物、化學(xué)和物理的方法，其中生物法主要是利用微生物相互克制的原理以及轉(zhuǎn)基因技術(shù)對(duì)赤霉病小麥在發(fā)病期進(jìn)行防治，但是該方法工作環(huán)境惡劣、工作量大，具有局限性；化學(xué)法主要是利用化學(xué)試劑將赤霉病毒素從麥粒中脫除，需要采用化學(xué)試劑，易造成二次污染，危害身體健康；物理法一般是靠機(jī)械加工、高溫、低溫或輻射除去麥粒中的赤霉病毒素，容易造成小麥?zhǔn)セ钚訹1-3]。

根據(jù)高壓電場(chǎng)技術(shù)在殺菌消毒、食品保鮮等方面的應(yīng)用[4-5]，結(jié)合環(huán)境參數(shù)對(duì)高壓電場(chǎng)處理赤霉病小麥的影響，設(shè)計(jì)了一套DON毒素電處理實(shí)驗(yàn)檢測(cè)裝置，以實(shí)現(xiàn)對(duì)處理室的溫濕度、環(huán)境光和電壓電流相關(guān)技術(shù)參數(shù)的檢測(cè)與控制。采用STM32F103為下位機(jī)、PC作為上位機(jī)的多傳感器檢測(cè)與控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了PC端輸入控制的相關(guān)技術(shù)參數(shù)，處理室相關(guān)技術(shù)參數(shù)控制在恒定的設(shè)定值，上位機(jī)和下位機(jī)同時(shí)對(duì)技術(shù)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控的實(shí)用系統(tǒng)。

1 總體設(shè)計(jì)方案

本檢測(cè)與控制系統(tǒng)主要由微控制器STM32F103、參數(shù)檢測(cè)模塊、顯示模塊、無線WiFi通信模塊和控制電路組成，系統(tǒng)框圖如圖1所示。檢測(cè)模塊用于檢測(cè)實(shí)驗(yàn)裝置中的電壓、電流、溫濕度以及環(huán)境光等參數(shù)。由于STM32有多路高速串口通信，可以快速讀取采集的技術(shù)參數(shù)，并由液晶屏對(duì)處理后的技術(shù)參數(shù)進(jìn)行顯示。微控制器與PC進(jìn)行無線通信[6]，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)和下位機(jī)實(shí)時(shí)對(duì)系統(tǒng)的電壓、電流、溫度等一系列技術(shù)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，同時(shí)上位機(jī)可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要對(duì)相應(yīng)技術(shù)參數(shù)發(fā)送控制信號(hào)給下位機(jī)，下位機(jī)控制相應(yīng)模塊進(jìn)行調(diào)整，完成對(duì)實(shí)驗(yàn)技術(shù)參數(shù)的檢測(cè)與控制[7-8]。

圖1 控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

赤霉病小麥實(shí)驗(yàn)裝置檢測(cè)系統(tǒng)的硬件主要有控制芯片STM32F103ZE、溫度傳感器DS18B20、濕度傳感器DHT11和環(huán)境光傳感器TCS230等，本實(shí)驗(yàn)檢測(cè)系統(tǒng)在主控制器下有條不紊地運(yùn)行，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)的檢測(cè)與控制。

2.1 控制器STM32F103ZE

意法半導(dǎo)體公司32位單片機(jī)具有以下特點(diǎn)：(1)采用ARM CortexTM-M0 的32 位RISC內(nèi)核；(2)擁有豐富且高速的嵌入式閃存；(3)廣泛集成增強(qiáng)型外設(shè)和I/O 口；(4)標(biāo)準(zhǔn)的通信接口包含有： I2C總線和SPI串口各2個(gè)、1個(gè)I2S、2個(gè)USART串口、1 個(gè)HDMI CEC等。在設(shè)計(jì)赤霉病小麥電處理實(shí)驗(yàn)裝置的檢測(cè)與控制系統(tǒng)時(shí)，需要實(shí)現(xiàn)電壓、電流的AD采集，溫度、濕度以及環(huán)境光等處理室參數(shù)的接收與發(fā)送，還要將得到的數(shù)據(jù)發(fā)送到PC監(jiān)測(cè)與控制子系統(tǒng)進(jìn)行顯示與數(shù)據(jù)分析。因此，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中選擇有豐富的接口資源、強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力以及穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸性能的STM32F103ZE。

2.2 電壓電流檢測(cè)

圖2 電壓測(cè)量原理圖

電流采集運(yùn)用霍爾效應(yīng)原理檢測(cè)電流，從圖3可知，高壓輸出模擬電路的電流通過IP+和IP-端流入電流傳感器，在OUT端子輸出的電壓信號(hào)可被單片機(jī)STM32檢測(cè)與分析處理。電流傳感器的OUT端子輸出的電壓值與被測(cè)電流的關(guān)系式為：VOUT=0.185×IP+2.5。

圖3 電流測(cè)量原理圖

2.3 處理室環(huán)境監(jiān)測(cè)

赤霉病小麥電處理實(shí)驗(yàn)裝置的環(huán)境檢測(cè)包括溫度、濕度和環(huán)境光的檢測(cè)三部分。本實(shí)驗(yàn)裝置力求對(duì)環(huán)境狀況實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，方便對(duì)環(huán)境進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而減少對(duì)處理實(shí)驗(yàn)的影響。赤霉病小麥電處理實(shí)驗(yàn)裝置的處理室溫度測(cè)量采用傳感器DS18B20、濕度檢測(cè)采用傳感器DHT11、環(huán)境光檢測(cè)采用傳感器TCS230。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，溫度檢測(cè)通過DS18B20的DQ管腳進(jìn)行數(shù)據(jù)采集；濕度傳感器DHT11具有獨(dú)特的單總線特點(diǎn)，當(dāng)主機(jī)想讓DHT11做動(dòng)作時(shí)，首先主機(jī)應(yīng)該發(fā)送開始命令，然后等待DHT11的回應(yīng)，檢測(cè)到信號(hào)之后，DHT11就可以接收數(shù)據(jù)，進(jìn)行必要的操作；傳感器TCS230與微控制器STM32連接，通過控制器控制S2、S3來選擇不同的濾光片，并且通過OUT引腳將信號(hào)傳送給控制器，經(jīng)過內(nèi)部標(biāo)定，從而達(dá)到測(cè)量效果[9]。

2.4 數(shù)據(jù)顯示設(shè)計(jì)

圖4 液晶顯示電路圖

本實(shí)驗(yàn)裝置采用的液晶模塊為2.8英寸TFT液晶顯示模塊。該模塊具有65K色顯示以及320×240的分辨率，接口采用的是16位8080并口，并自帶觸摸功能。其驅(qū)動(dòng)芯片為ILI9341。STM32與ILI9341的通信通過STM32F103自帶的FSMC接口實(shí)現(xiàn)，從而達(dá)到控制液晶模塊正常顯示的目的。圖4為液晶顯示電路圖。

3 軟件設(shè)計(jì)

在赤霉病小麥電處理實(shí)驗(yàn)裝置中的檢測(cè)與控制子系統(tǒng)設(shè)計(jì)上，主要的工作是對(duì)STM32F103進(jìn)行編程操作，以及各種算法的處理。其軟件工作流程框圖如圖5所示。

圖5 軟件系統(tǒng)流程框圖

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)部分主要是針對(duì)霉病小麥電處理實(shí)驗(yàn)裝置的數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的流程圖如圖5所示，在系統(tǒng)的工作過程中，需要選擇采集的優(yōu)先級(jí)以及對(duì)檢測(cè)到的電壓、電流和環(huán)境技術(shù)參數(shù)進(jìn)行判斷和處理分析，將處理得到的AD數(shù)據(jù)通過軟件優(yōu)化算法得到20次轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)，排序并儲(chǔ)存，舍棄一個(gè)最高的和一個(gè)最低的數(shù)據(jù)，將保留的數(shù)據(jù)求平均值，從而得到穩(wěn)定的采集數(shù)值。

實(shí)驗(yàn)裝置完成后，啟動(dòng)系統(tǒng)程序分別將采集的處理室的技術(shù)參數(shù)在LCD顯示，并將數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送到PC機(jī)，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)和下位機(jī)同時(shí)監(jiān)測(cè)，同時(shí)PC可以發(fā)送控制信號(hào)給單片機(jī)，完成對(duì)處理室的檢測(cè)與控制。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

為了更好地測(cè)試赤霉病小麥電處理實(shí)驗(yàn)裝置的性能，分多次進(jìn)行設(shè)備整體運(yùn)行測(cè)試[10]。設(shè)定參數(shù)電場(chǎng)電壓分別為1 kV、2 kV、5 kV。在這些電壓參數(shù)的基礎(chǔ)上分別進(jìn)行對(duì)其他相應(yīng)參數(shù)的測(cè)量，觀察各個(gè)數(shù)據(jù)的變化情況，同時(shí)觀察單片機(jī)LCD顯示和PC機(jī)監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)的運(yùn)行情況，并記錄相關(guān)的數(shù)據(jù)。運(yùn)行情況如圖6所示。

圖6 實(shí)驗(yàn)裝置運(yùn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)圖

通過對(duì)赤霉病小麥電處理實(shí)驗(yàn)裝置參數(shù)采集與顯示的結(jié)果分析得出以下結(jié)論：(1)赤霉病小麥電處理實(shí)驗(yàn)裝置檢測(cè)系統(tǒng)可以正常運(yùn)行，基本可以完成實(shí)驗(yàn)裝置的電壓、電流、溫濕度等參數(shù)的采集及顯示功能；(2)PC監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確地將實(shí)驗(yàn)裝置采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示，反映出設(shè)備通信模塊運(yùn)行良好。

5 結(jié)論

在赤霉病小麥電處理實(shí)驗(yàn)裝置技術(shù)研究的過程中，根據(jù)電處理實(shí)驗(yàn)裝置處理實(shí)驗(yàn)樣品時(shí)的關(guān)鍵因素——電場(chǎng)強(qiáng)度、溫度、作用時(shí)間等，設(shè)計(jì)了以微控制器STM32為核心、PC機(jī)針對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理的檢測(cè)與控制系統(tǒng)?？蓪?shí)現(xiàn)對(duì)于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的計(jì)算、顯示、閾值報(bào)警以及多屏關(guān)鍵參數(shù)波形顯示與保存，方便操作人員實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)裝置的各種狀態(tài)量，調(diào)節(jié)和控制試驗(yàn)過程。

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Detection system of wheat experiment device based on STM32

Yue Pengchuang，Wang Wei，Han Chongan，Zhang Weifeng

(School of Electrical Engineering, Henan University of Technology, Zhengzhou 450001, China)

Deoxynivalenol is a mycotoxin which exists in wheat， corn and other grain crops. It not only affects the development of the food industry, but also threatens people's health. Based on the high voltage electric field and electronic control technology, we designed a detection system of wheat with the STM32 as the control core ,so that we can test and show the chamber temperature, humidity, ambient light and voltage and current parameters.With the carrier of wireless WiFi communication to send the key technology parameters to the host computer and it can display the data and control parameters in real time, thereby reducing the influence of external factors on the experimental data. The experimental results show that the measurement accuracy of the device is high,and easy to operate, it can provide reliable guarantee for the electrical treatment of wheat scab.

DON toxin; treatment room; experimental parameters; STM32

TP29

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2016.23.021

岳朋闖，王威，韓崇安，等. 基于STM32赤霉病小麥實(shí)驗(yàn)裝置檢測(cè)系統(tǒng)[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2016,35(23)：73-75，79.

2016-08-10)

岳朋闖(1990-)，男，碩士研究生，主要研究方向：控制科學(xué)與工程，檢測(cè)技術(shù)與自動(dòng)化裝置。

王威(1957-)，男，教授，碩士研究生導(dǎo)師，主要研究方向：嵌入式測(cè)控，自動(dòng)化儀表，食品安全。