第一篇
1系统的硬件设计
1．1系统的组成本系统硬件结构如图2所示，其对应的系统电路图如图3所示。本设计由AT89S52单片机、电源电路、光电传感器电路、报警电路和显示电路5大部分组成。AT89S52单片机芯片及其晶振电路和复位电路构成单片机系统;电源电路将220V交流电转化为5V直流电;光电传感器部分主要由发光二极管、光敏三极管、一个普通三极管及电阻组合而成，主要实现对害虫的检测功能;报警电路由蜂鸣器驱动电路构成;显示电路则是LED数码管电路。2．2系统的工作原理检测报警系统设计中，电源部分采用5V直流电源，为光电传感器电路、单片机系统、报警电路及显示电路提供5V直流电压。光电传感器为检测电路，设在探头内，一旦害虫由多孔管道钻入便掉进探头，就会经过光电传感器通道，从而使光敏三级管截止，产生一个脉冲;此脉冲便可传给单片机的INT0引脚(P3．2引脚)，单片机对其编程;当AT89S52单片机的P3．2引脚接收到脉冲时，便产生1次中断，单片机每中断1次就累加1，从而对脉冲个数进行计数;单片机驱动数码管工作，对脉冲数(害虫数)进行显示。同时，还可以通过编程对连接报警电路的P2．0引脚的电平进行设置，当产生一次中断时即置P2．0为高电平，此时便可驱动蜂鸣器鸣叫，达到报警的目的;鸣叫一定时间后，将P2．0引脚电平置零，报警完毕，接着等待下一个中断的到来。
2系统主要硬件电路设计
2．1AT89S52单片机系统AT89S52单片机系统如图4所示。AT89S52为ATMEL公司生产的一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K系统可编程Flsah存储器，其引脚图如图4所示。AT89S52主要性能如下［4］:1)拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash;2)晶片内部具时钟振荡器(传统最高工作频率可至12MHz);3)内部程序存储器(ＲOM)为8kB;4)内部数据存储器(ＲAM)为256字节;5)32个可编程I/O口线;6)6个中断源;7)3个16位定时器/计数器;8)3级加密程序存储器;9)全双工UAＲT串行通道。2．2光电传感器光电传感器电路如图5所示。其作用相当于电子开关，当没有害虫经过光电传感器通道时，光敏三极管VT1导通，从而拉低了三极管VT2的基极电压，VT2截止;这样连接VT2集电极的INT0口(P3．2)便是高电平，单片机便不会产生中断。当有害虫掉入时，便会经过光电传感器通道，阻挡光敏三极管吸收发光二极管的红外光线，从而光敏三极管截止［5］。当VT1截止时，VT2的基极便变为高电平，从而使VT2导通;由于VT2导通，便产生一个脉冲，将INT0的电位下拉至低电平，从而使单片机产生中断。2．3报警电路报警电路如图6所示。本设计中采用有源蜂鸣器报警，通过AT89S52单片机的一接口线经晶体管驱动蜂鸣器发声;单片机的P2．0接晶体管基极输入端，因晶体管是采用NPN型，故当P2．0输出高电平时，晶体管才导通，蜂鸣器两端获得约+5V电压而鸣叫;P2．0输出低电平时，晶体管截止，蜂鸣器停止发声。P2．0的高低电平控制可以通过编程实现，当单片机产生中断时就输出高电平，反之则为低电平。2．4显示电路显示电路如图7所示。在实际检测粮食仓库害虫时，如果在检测到大量害虫才采取措施，虫害已经爆发，已为时过晚，应在检测到有一定数量害虫时及时采取预防措施。因此，本显示电路采用两位显示。显示电路通过7段数码管显示，采用共阳接法。P0．0－P0．6引脚依次接数码管的a，b，…，f，g脚，控制数码管各段是否点亮。P2．1和P2．2则控制两个数码管个位和十位的位选。由于AT89S52的P0口内部没有上拉电阻，因此在此处外接10kΩ的上拉电阻。
3系统软件设计
本检测报警系统的软件设计采用C编程语言，目的是实现单片机对外部的中断次数进行计数、显示及发生中断时驱动蜂鸣器鸣叫。程序流程如图8所示。
4结论
基于AT89S52单片机控制的储粮害虫检测报警系统主要由AT89S52单片机、电源、光电传感器、报警器及显示器等部分组成。经过实际应用，该检测报警系统能有效地检测储粮害虫情况并报警，为害虫的综合防治提供可靠、科学的决策依据，将储粮损失降到最低限度，为更好进行储粮害虫检测提供了新思路。
作者：林怀蔚 李云海 胡秀霞 单位：江西农业大学 工学院 理学院
第二篇
1方案分析
1.1温度传感器的选择温度传感器有热电阻温度传感器和数字温度传感器两类。热电阻温度传感器利用电阻作为测量温元件，具有精度高温量范围大的特点，不过价格较高且容易被污染；数字温度传感器利用单片集成，具有成本低、精度高、无需线性化电路的特点。文章拟选用ANALOGDEVICES公司生产的AD590作为温度传感器，该传感器非线形误差为±0.3℃，测温范围在-55℃~+150℃之间，具有高精度、传输距离远、不易损坏的优点，能很好的满足本方案的要求。1.2温度传感器的选择湿度传感器有开关传感器和电容传感器可供选择。如HOS-201湿敏传感器即为开关传感器，其监测范围为0RH~100%RH，工作温度在0~50℃之间，不过这类传感器无法在宽频带范围内检测湿度。电容传感器如HS1101，这类传感器利用电容器件电容量大小的变化进行湿度检测，具有响应迅速、可靠性高等优点，但其误差有可能大于1%RH。虽然在检测精度上，HOS-201更能满足本方案需要，但HOS-201在工作温度处于0~50℃之间才有较好的效果，充分考虑本方案的检测精度要求和工作环境温度范围，小于±2%RH的检测精度通过控制检测范围能满足本方案的需要，为此本方案采用HS1101湿度传感器。1.3信号通道结构选择本方案需要对点温度、湿度信号进行采集传输，在信号通道结构方面，有多路并行模拟输入和多路分时模拟输入两大类。多路并行模拟输入可以根据不同的测量要求构建信号模拟量输入通道，并根据各通道的特点独立编程，每一路信号采用单独的采样保持器和A/D转换器，通过专用接口与单片机连接。多路分时模拟输入利用多路切换器进行不同采集单元信号输入之间的切换，各路信号共用一个采集保持器、一个A/D转换器，通过同一接口与单片机连接。多路并行模拟输入硬件结构复杂，硬件成本较高，但处理速度较快，软件实现容易；多路分时模拟输入硬件结构简单，硬件成本较低，不过处理速度稍慢且软件实现复杂。考虑本方案实际需要，采用多路分时信号模拟传输系统能满足处理速度的要求，其硬件结构更为简单成本较低，因此选用多路分时信号模拟输入结构。
2系统设计
本方案基本设计思想是利用温度、湿度传感器对仓库多点温度、湿度进行采集，利用单片机的高敏感性和可控性进行温度、湿度数据的分析，做出相应的反应和动作。其基本硬件结构如下：2.1信号采集系统信号采集系统包括温度采集系统和湿度采集系统。温度采集系统采用AD590做为温度传感器，该传感器使用5V直流电源供电，本系统共设24路温度信号采集，利用CD4051多路开关进行多路分时模拟切换。湿度传感器采用HS1101，本系统共设24路湿度信号采集，利用CD4051多路开关进行多路分时模拟切换。2.2多路开关本系统采用CD4051作为多路开关，起到将多个模拟量输入信道通过一个公共模拟输入端分时切换输入单片机的作用。由于本系统分为温度和湿度采集两类信号的采集，因此需要分别采用CD4051，对温度和湿度两个信号模拟量进行提取。考虑CD4051只有8个通道，因此需要分别为温度采集和湿度采集各设置3个CD4051进行扩展，分别扩展为24路通道，以满足本系统的需要。2.3A/D转换A/D转换主要将温度、温度检测电路所检测到的温度、湿度模拟信号转换为数字信号，传输至单片机处理的作用。本系统采用MC14433作为A/D转换器，采用5V电源供电，采用动态分时输出的方法，通过单片机P1口直接与单片机相连。2.4单片机及其它电路单片机是本系统的数据处理和控制核心，本系统采用AT89C51单片机，该单片机具有32个I/O接口，2个16位定时计数器，并内置4k字节FLASH闪存器和时钟电路，能满足本系统的需要。其它电路包括键盘电路、LED显示电路和报警电路，其中键盘电路负责温度、湿度设定值的输入和修改，LED显示电路负责温度、湿度设定值和检测值的显示，报警电路负责温度、湿度超限时的报警，采用蜂鸣器和闪光报警两种方式协同进行。2.5软件设计本系统软件包括键盘扫描、键码识别、温湿度显示、温湿度采样、超限报警几个部分。考虑温度和湿度的变化具有连续性和平稳性，软件系统采用分段定值滤波算法来所检测到的温度值和湿度值，以避免突发性干扰造成检测值波动过大导致误报警现象，以提高系统的抗干扰能力。整个软件系统工作流程按温湿度检测———温湿度数据处理———键盘查询———数据显示进行。系统工作时，首先读取传感器检测的温湿度数据，与温湿度预设置进行对比，当超出设定范围时利用声光报警器发出报警动作。
3结束语
利用单片机构建仓储自动监控系统，能有效提高监控效率和准确度，降低人工投入。由于篇幅原因，本系统仅针对温度、湿度信号的采集和超限报警进行了构建。在实际应用中，还可以进一步加入通风系统、排湿系统、降温系统等，利用单片机进行温度、湿度的控制，当温度、湿度超限时自动启动相应系统进行处理，能进一步提高仓储质量。
作者：伍立坤 单位：湖北工程学院
第三篇
１三端式磁通门传感器工作原理
三端式磁通门传感器采用双探头结构，即将两个绕有相同匝数线圈的磁通门传感器平行对称放置，将其并联后一端作为激励信号的输入端，另一端相互连接后中间引出抽头作为信号的输出端．主要是为了抵消由于变压器效应产生的感应电动势．这种结构相对普通磁通门传感器具有噪声低、基波分量小、灵敏度高和性能好等优点［９－１０］．先对三端式磁通门上半轴进行分析，上半轴上磁场强度总和为外界磁场强度Ｈ０和两个激励线圈在磁芯轴向上产生的磁场强度Ｈｅ之和．其中：Ｈｅ＝Ｈｅ１＋Ｈｅ２，Ｈｅ１＝Ｈ１ｓｉｎωｔ，Ｈｅ２＝Ｈ２ｓｉｎωｔ．根据法拉第电磁感应定律，当磁芯远未饱和状态时，这时磁导率μ视为常数，产生的感应电动势为Ｕ１＝－１０－８ＮμＳωｃｏｓωｔ（Ｈ１＋Ｈ２），（１）式中：μ为铁芯磁导率；Ｓ为横截面积；Ｎ为感应线圈匝数．当在交流激励的作用下，磁芯充磁达到饱和状态，磁导率μ成为随时间变化的一个变量，这时线圈产生的感应电动势Ｕ１＝－１０－８Ｎμ（ｔ）Ｓωｃｏｓωｔ（Ｈ１＋Ｈ２）－１０－８ＮＳ［ｓｉｎωｔ（Ｈ１＋Ｈ２）＋Ｈ０］ｄμ（ｔ）ｄｔ．（２）同理，对于下半轴铁心，由于下半轴激励方向和上半轴相反，其线圈产生的感应电动势Ｕ２＝－１０－８Ｎμ（ｔ）Ｓωｃｏｓωｔ（Ｈ１＋Ｈ２）＋１０－８ＮＳ［ｓｉｎωｔ（Ｈ１＋Ｈ２）－Ｈ０］ｄμ（ｔ）ｄｔ．（３）由于三端式磁通门传感器结构为差分输出，总感应电动势为上下半轴磁芯感应电动势之和，如式（４）Ｕ＝Ｕ１＋Ｕ２＝－２×１０－８ＮＳ×Ｈ０×ｄμ（ｔ）ｄｔ，（４）式中：μ（ｔ）为时变函数，将μ（ｔ）傅立叶展开，代入式（４）可以得出Ｕ＝－２×１０－８ＮＳ×Ｈ０×（２ωμ２ｍｓｉｎ２ωｔ＋４ωμ４ｍｓｉｎ４ωｔ＋…）．（５）通过式（５）得出，三端式磁通门传感器的输出信号为与外界磁场变化成正比的偶次谐波，奇次谐波分量得到有效抑制．
２磁通门探头结构
本设计中磁通门传感器探头采用三端式结构，即将一对高磁导率、低矫顽力的铁芯（选取型号为１Ｊ８６的坡莫合金）平行放置，其磁芯的饱和磁通为Ｂｓ＝０．６Ｔ，最大磁导率为１０００００．磁芯截面积约为６ｍｍ２，假设探头激励电压幅值为２４Ｖ，频率为４ｋＨｚ，根据文献［２］中公式，利用磁芯磁通达到饱和确定线圈匝数，经计算线圈匝数为１４９．实验中在磁芯上各绕一组匝数为１５０的线圈，这种结构主要是为了相互抑制由于变压器效应而引起的感应电动势．为了使传感器探头具有较高的灵敏度，设计中适当加大了磁芯探头与横截面直径的比值，设计的磁芯探头长度为２０ｍｍ，横截面直径为７．５ｍｍ．
３系统设计
铁磁体探测系统主要包括激励电路、磁通门探头、信号调理电路、数据采集模块、上位机几部分，如图２所示．通过这个模块得到的信号就是与外界磁场强度成正比的电信号．３．１激励电路磁通门探头激励电路对系统的性能和测量结果有较大影响，为了提高测量系统的稳定性，需要激励信号在频率、幅值、相位等方面具有较高的稳定度．设计中采用８Ｍ晶振经分频器ＳＮ７４ＨＣ４０６０分别输出４ｋＨｚ，８ｋＨｚ的方波信号，使其分别作为激励信号源和相敏检波的基准信号．将激励信号源通过功率放大器和二阶带通滤波器，目的是为了得到波形稳定的输出信号，并且可以使磁芯处于周期性饱和状态．为了减小激励信号对探头的干扰，在探头前端加装隔离变压器．３．２信号调理电路磁通门信号的调理电路一般采用二次谐波法，由ＬＣ并联谐振电路、低噪声放大电路、带通滤波器、积分器和反馈电路几个环节构成．由于磁通门探头阻抗特性以电感为主，通过并联电容使二次谐波频率达到谐振状态．探头二次谐波信号比较微弱，在对其进行滤波前设置前置放大电路，滤波采用二阶有源带通滤波器，中心频率为３１．２５ｋＨｚ，品质因素Ｑ为９．８，增益为１５．把滤波后的信号与相敏检波的基准信号经过相敏检波电路进行全波整流，消除基波信号和奇次谐波信号的影响，得到信号的幅度大小．３．３信号采集电路探测系统采用可编程逻辑器件ＥＰ３Ｃ１０Ｅ１４４型ＦＰＧＡ作为控制芯片来控制ＡＤ，实现３路信号采集，将采集后的数据先存入ＦＰＧＡ的ＲＡＭ中，对数据进行中值滤波和频谱分析．为了减少脉动的干扰，采集的信号进行中值滤波，其方法为信号采样Ｎ次后，对其进行排序取中间值．本系统采样５次后排序，选取中间值作为有效值．在ＦＰＧＡ内部对信号进行ＦＦＴ运算，应用于对不同频率的目标进行识别．
４实验
当有铁磁性目标在一定范围内经过磁通门传感器时，系统就会获取目标的磁场信号．当目标移动方向和传感器敏感轴方向一致靠近传感器时，首先测到的磁场强度是减小，而后逐渐增大；当目标与传感器在一条线时，寄传感器与目标距离最小时，系统测到的磁场强度为０；当目标继续移动远离传感器时，传感器输出值会先增大后减小为初值，如图３（１）所示．当目标移动方向和传感器敏感轴方向刚好相反时，信号变化方向也会变反，如图３（２）所示．实验中选体积约为１ｃｍ３的磁铁作为待测磁异目标，将三轴磁通门传感安装于试验台上，磁铁先沿传感器Ｘ轴敏感方向反向匀速移动，移动一段距离后改变运动方向，而后读取传感器输出信号值，结果如图４所示．实验结果显示正向运动与反向运动波形对称，与预期的变化一致．
５结论
本文设计了基于三端式磁通门传感器的铁磁性目标探测系统，系统能感测到铁磁性目标的运动情况，实现了磁性目标的三分量测量．系统具有功耗低、灵敏度高、稳定性好等优点．
作者：李沅 胡冠华 李凯 吴晓华 单位：中北大学 电子测试技术国家重点实验室 北方自动控制技术研究所 北京交通运输职业学院
第四篇
1系统通信
1.1ZigBee树簇拓扑网络ZigBee网络的自动动态组网功能及数据传输自动路由功能对实现了系统的灵活机动通信。图2为ZigBee树簇拓扑网络，其中协调器是首个FFD（全功能设备），路由器为FFD，终端设备为RFD（精简功能设备）。除了RFD互相之间不能通信外,其他组合均能相互通信。1.2ZigBee收发器图3为典型ZigBee收发器框图，不同ZigBee收发器的设计都必须包含匹配滤波在内的16个功能模块。采用的匹配滤波（matchedfiltering）是最佳滤波的一种，对信号的匹配滤波相当于对信号进行自相关运算。采用匹配滤波器处理，可以对传感器采集的信号中存在的工频信号进行突显，对其他信号或噪声进行抑制[3]。系统中ZigBee收发器采用的是新一代CC2530片上系统解决方案。CC2530的内核为单周期8051兼容内核，图4为CC2530最小系统设计电路原理图，也是实际收发器模块电路的核心电路部分。图中电阻R1、R2、R3和电容C6、C7、C8、C9、C10、C11构成匹配滤波。
2驱鸟终端设计
驱鸟终端的组成框图如图5所示。供电模块给终端供电，检测模块由多个传感器电路组成，负责将外部环境的模拟量转换为数值量输入，核心控制器MSP430F169按设定要求对采集的信息做出对应处理动作，终端上的是ZigBee收发模块实现近距离通信，语音模块及超声波模块为系统输出。2.1MSP430最小系统驱鸟终端的核心控制器采用德州仪器的MSP430F169芯片。MSP430F169从结构上看，包含一个16位的精简指令计算机CPU，多个外围电路和一个用常见的冯诺依曼内存地址总线和内存数据总线连接的灵活时钟系统。低频辅助时钟直接由32Hz的晶振驱动，能作为后台实时时钟自我唤醒。MSP430F169的最小系统电路原理图如图6所示。2.2电源模块驱鸟终端装置安装在电力塔杆的横担上，可以充分接受阳光，因此采用太阳能供电方式比较适合。本模块采用太阳能光伏发电，再由12V蓄电池存储电能并为整个系统提供电能。电源模块由稳压、滤波电路组成，给驱鸟终端的检测模块和ZigBee收发模块提供3.3V输入电压，给语音模块、LED模块及超声波模块提供5V输入电压。2.3检测电路设计多普勒效应指出，波在波源移向观察者时接收频率变高，而在波源远离观察者时接收频率变低[4]。观察者（Observe）r和发射源（Source）的频率的表达式为：其中，f'为观察到的频率；f为发射源于该介质中的原始发射频率；ν为波在该介质中的行进速度；νo为观察者移动速度，若接近发射源则前方运算符号为+号,反之则为-号；νs为发射源移动速度，若接近观察者则前方运算符号为-号，反之则为+号。文中采用的是微波移动物体探测器正是基于多普勒效应设计的GH-719模块。GH-719微波感应位移模块属于非接触探测型模块，抗射频干扰能力强，不受温度，湿度，光线，气流，尘埃影响[5]。驱鸟终端的设计除了微波感应位移模块外，辅助有时钟模块与温度模块，可以准确地检测到是否为白天有光情况。图7为检测电路部分原理图,补充加上模数转换电路即可实现GH-719微波感应位移模块的数字信号输出功能。2.4ISD1820P语音录放模块语音模块在动作时筛选出对应鸟类的天敌的声音进行驱鸟。语音芯片采用ISD1820P，内含振荡器、语音话筒前置放大、自动增益控制、防混淆滤波器、扬声器驱动及Flash阵列。外接电阻能调整录放音时间，还可以借助专用设备批量拷贝语音信息，不耗电，信息可以保存很长时间（大约100年）。考虑到可靠性和市场的普及性，通过对各种无线传输模块的比较后选择ISD1820P芯片，它能方便的实现语音的录音，用户可以方便地对驱鸟有明显效果的语音进行录音，并能通过微控制模块控制语音芯片播放录音。其电路如图8所示。
3系统软件设计
驱鸟终端通过微波位移感应传感器采集鸟飞临电力杆塔横担附近的位移信号，经过放大滤波电路处理系统启动后，先初始化系统的各个硬件模块，由软件实现驱鸟方式的选择，判断测量值是否满足预设值，若满足按流程驱鸟，不满足则代表没有鸟飞临杆塔的横担附近则进入休眠的低耗能状态。检测是否有鸟到来便开启天敌声驱鸟，若同时检测到无太阳光或星辰光，根据鸟类视觉定向的特点，开启LED阵列驱鸟。过一段时间后，是否还能检测到鸟，若不能则系统进入休眠状态；若能则改为超声波驱鸟，同时采集鸟类鸣叫声音，利用ZigBee无线近距离传输、无线远程传输发送有故障杆塔位置、具体时间、光照强度等信息，以便监控中心观察记录。图9为系统的软件设计流程图。
4结语
本文所设计的系统着眼于电力系统输电线路管理的结构优化及安全性的重要性，通过ZigBee无线近距离传输和GPRS无线远程传输对采集信息及时有效地传输，对飞临电力杆塔横担附近的鸟类录制其声音并对应发出其天敌的声音进行驱赶，而当该系统对天敌声音失效下情况下，发出超声波达到相同效果，监控中心收集实时运行状态，可以更及时，更高效维护驱鸟装置，省时省力，大大的降低了定期排查的人力成本，预留的I/O口可以满足后期扩展和开发的需要。
作者：彭龑 戴毓虎 单位：四川理工学院 自动化与电子信息学院
第五篇
1系统整体设计
从逻辑结构上可以将系统分成3个部分:农田环境参数采集系统，数据存储管理系统，远程监控系统。农田环境参数采集系统是由大量的传感器节点构成。传感器节点分为农田参数采集节点和网关节点两种节点类型。农田参数传感器节点负责采集农田环境中的各种参数，所得参数通过WIA-PA无线网络发送给网关节点。网关节点作为整个农田环境采集系统的核心节点，接受农田参数采集节点发送过来的数据，并将数据整理打包通过Internet网络发送至远程的Web主机。数据存储管理系统由SQLServer2008数据库服务器平台和数据分析处理软件组成。该系统接收来自网关节点的各种数据信息，并存储到数据库中。此外该数据库中存储了无线传感器网络的配置信息及人员操作记录等。远程监控系统是负责监测整个系统运行情况的窗口，该系统是基于B/S架构的网络系统。操作人员可以在不同地点，以不同的方式(如LAN、Internet)对系统进行访问，监测传感器节点的工作情况，并且可以发送指令使传感器节点完成相应的任务。
2系统硬件设计
农田参数采集系统中的农田参数采集节点和网关节点在结构上大体相似，主要由主控制器模块、参数采集模块、电源模块构成。2．1农田参数采集模块电路设计主控制器模块是农田参数采集模块的核心器件，模块电路所采用的处理器为意法半导体(ST)公司的具有AＲMCortex－M3核的STM32F107，负责连接各个参数传感器。农田环境参数主要由土壤水分、空气温度、湿度等，所采用传感器分别为SHT10温湿度传感器、TDＲ－3土壤水分传感器、BYT20YSCGJ光照度传感器。SHT10传感器使用简单，只需将SCK引脚、DATA引脚分别于STM32F107的IO口连接即可。TDＲ－3测定土壤水分是通过测定电磁波沿插入土壤的探针传播时间来确定土壤的介电常数进而计算出土壤水分含量。TDＲ－3的电路连接图如图3所示，Vout引脚通过信号放大电路、采样保持放大器AD783、A/D转换芯片TLC549连接到STM32F107的IO口。本设计采用MG811CO2传感器采集CO2含量，该传感器采用固体电解质电池原理测试CO2含量。CO2传感器电路连接图如图4所示，采集电路由3个部分构成:即温度补偿部分、放大部分以及电压比较部分。温度补偿部分电路主要采用温感电阻构成，放大部分电路主要采用芯片CA4140。比较输出部分采用比较器LM393实现比较输出。2．2射频模块电路设计射频模块电路主要负责将传感器模块所采集的参数信息通过WIA-PA无线网络发送至数据存储管理系统。射频模块电路主要采用Chipcon公司推出的符合2．4GHzIEEE802．15．4标准的射频芯片CC2430。CC2430与主控制器STM32F107连接简单，电路如图5所示，CC2430与STM32F107通过SPI接口连接。2．3电源模块电路设计由于农田环境参数节点中的处理器需要3．3V电源，传感器模块需要12V和5V电源供电，所以在电源模块供电方式上采用12V的锂电池供电。3．3V和5V电源主要采用电平转换芯片LP2590－3．3和LP2590－5。
3系统软件设计
3．1节点部分软件设计农田环境参数采集系统的软件部分采用模块化编程，如图6所示，以协议栈、板级支持包、应用程序相结合的方式，程序模块间采通过接口函数通信，软件中的任务调度器对3个模块进行调度。在协议栈方面，WIA-PA无线传感器网络遵循ISO/OSI的七层结构，通过基于80215．4标准格式的超帧结果，以TDMA的介入方式实现各个时段各个层次间的通信。在板级支持包方面，根据处理器STM32F107的内核及外设模块进行硬件抽象，编写统一的接口函数方便上层应用程序直接调用，从而使应用程序间接操作各个外设模块。应用程序将土壤含水率、温湿度等参数采集、以及节点ID信息发送给网关节点。网关节点负责网络间协议转换，实现WIA-PA无线网络和Internet之间的数据转换和处理。网关节点软件部分调用嵌入式Linux的socket接口编程函数建立网关和远程主机之间的网络连接，实现网关和远程主机间的Internet通信。3．2远程监控系统设计与实现远程监控系统采用基于J2EE的B/S构架，该应用构架集成了Struts应用框架技术和Hibernate应用框架技术，可以有效的保证系统长时间在大负荷量的情况下工作，软件框图如图7所示。该系统架构分为4个模块，分别是节点管理、用户管理、数据管理、日志管理。节点管理模块:该模块负责对农田环境参数采集节点的情况进行管理，诸如记录节点ID，发射功率等情况。用户管理模块:该模块是系统安全性保障的一个重要模块，负责对访问系统的用户进行合法性判断，权限判断。使得用户只能在其权限范围内对系统进行操作和调用特定的数据资源。数据管理模块:该模块主要是对节点所采集的农田环境参数信息进行处理和存储，方便操作人员分析数据。本部分具有对数据的参数、打印、备份与统计等操作。日志管理模块:该模块会对整个系统中的事件进行记录，有助于操作人员了解整个系统在无人值守的情况下的运行状态。
4系统性能测试
整个系统在河南农业大学附近农田进行了测试，通过在农田内部署8个环境参数采集节点与网关节点，参数采样间隔时间设置为30min，采样数据经过WIA-PA网络传输给网关节点，再经过网关节点传送至远程的Web主机。每个节点每天发送数据包48个，通过查询Web主机内的存储信息来计算数据包的发送成功率。节点发送成功率统计表如表1所示。通过表1可以得知，节点发送数据的成功率随着通信距离的增加而减小，并且在发送耗时方面随着通信距离增加而增加。
5结论
本论文主要针对目前微灌技术的研究，将WIA-PA无线网络和数据库等技术应用于微水监控系统。采用WIA-PA标准的无线传感器网络对农田环境参数进行采集，上传到数据库中，为系统管理人员提供参考，方便做出灌溉决策和措施。本系统采用的WIA-PA无线数据传输方式可以有效的降低成本，系统可靠性高，节点布局方面，实时性好，将会有非常好的应用前景。
作者：郑伟 黄平 刘刚 单位：新乡职业技术学院电子信息系
第六篇
1系统总体设计
基于Wi－Fi无线网络的设计的温室监控系统的总体框架是由温室采集层、数据汇集层、监控中心层3层构成。部署在温室内大量的微型终端节点能够独立完成对温度、湿度、CO2浓度、光照强度的测量，并且把收集到的数据，使用Wi－Fi无线通信形式发送到数据AP节点进行汇集，最后由AP节点传回到监测中心，如图1所示。
2Wi－Fi无线通信系统节点硬件设计
Wi－Fi又称802．11b标准，IEEE802．11b无线网络规范是对IEEE802．11的改进，其最高带宽为11Mbps。在信号较弱或有干扰的情况下，带宽可调整为5．5，2，1Mbps［3－4］。本系统中带宽为11Mbps。本系统需要完成基于Wi－Fi的无线传感器网络节点的设计与制作，包括终端节点和AP节点，并以无线传输的方式为上位机提供室内温度、湿度、CO2浓度及光照传感器参数值。2．1电源模块本系统的各个模块工作电压都为3．3V，因此供电采用2节AA电池，提供的工作电压为3．3V。电源电路如图2所示。2．2Wi－Fi无线通信模块Wi－Fi无线通信模块采用GainSpan公司的超低功耗模块—GS1011MEP。该模块芯片中包括2个32位AＲM7处理器，一个用于处理无线发送数据，一个用于软件应用。芯片内嵌的Flash和SＲAM用于保存程序和数据;可用USB转串口对模块进行编程和调试;ADC，GPIO，I2C总线等接口用于接收来自传感器采集到的数据信息［5］，工作电压为3．3V;通过串口与单片机通信。Wi－Fi模块电路图，如图3所示。2．3处理器模块终端节点采用低功耗STC89LE52ＲC单片机。该单片机IO口可模拟I2C接口和传感器模块进行通信，供电电压为3．3V。AP节点无需处理器。2．4串口模块Wi－Fi模块和单片机通过串口通信，并通过USB转串口进行程序配置，如图4所示。2．5传感器模块本设计中采用瑞士Sensirion公司生产的SHT11数字式温湿度传感器，工作电压为3．3V;通过串行数据线SDA和串行时钟线SCK与单片机的P1．2，P1．3相连进行通信，SDA需接一个10kΩ上拉电阻，实现SHT11的控制，以读写温湿度的数据［6］。光照强度传感器采用ISL29010数字型光照强度传感器，工作电压为3．3V，工作电流为0．25mA，待机电流0．1μA，测量精度±50lux，连接单片机的P2．0及P2．1［7］。CO2传感器采用C20红外CO2传感器，精度可达10×10－6，功耗＜100mW，工作电压3．3V，连接单片机的P2．6及P2．7［8］。传感器与单片机连接电路原理图，如图5所示。
3Wi－Fi无线通信系统节点软件设计
IEEE802．11标准定义了两种基本操作模式:In-frastructure模式和Ad－hoc自组织网络模式。在本设计方案中，以Infrastructure组网模式为基础，TCP/IP为通信协议，将多个终端节点采集到的数据通过AP节点传输到监测中心。本系统中，首先使用gs_flashprogram软件对GS1011模块进行烧写Wi－FiProtectedSetup(WPS)程序，该程序内嵌TCP/IP协议;然后，采用KeiluV4软件对单片机进行软件设计，软件结构由AT指令、各传感器的程序和API接口组成。在系统中，终端节点定时向AP节点发送采集到的数据，AP节点主要负责把收到终端节点发送到的数据帧传送给监控主机，最终为应用程序提供诸如温湿度、光照、CO2等参数信息。系统中所有的节点都工作在同一信道，同一时刻只能有一个终端节点和AP节点通讯，在定时器的控制下，各个终端节点在不同的时间被唤醒后，开始工作，采集数据后分别向与其配置的AP节点发送5次数据。发送数据后，定时器满，传感器休眠。其他时间双方都处于未连接状态，不同的IP地址有效避免了数据的冲突，降低了系统功耗。其软件流程如图6和图7所示。
4管理系统的实现
上位机是整个系统的管理核心，主要由串口接收程序及上位机管理程序等功能模块组成，采用Mi-crosoftVisualStudio2010里的MSCOMM控件设计串口接收程序，采用MicrosoftVisualStudio2010里的MFC应用程序框架设计上位机程序。监控中心程序主要进行传感器设置查询、数据接收、数据存放及历史数据查询等，当监控人员在客户端登入并查询相关资料时，系统可以将数据库中已处理过的数据调出，并以视图的形式提供给用户，以实现对温室大棚的远程监测。监测人员根据数据可以调整温室内的温湿度等数据。
5系统测试
在某基地对本文设计的系统进行了测试。在4个温室中各自放置2个节点，其中终端节点8个，路由节点2个。温湿度传感器、光照强度传感器、CO2传感器集成在终端节点上。终端节点仅需2节普通5号电池就可以工作6～12个月。节点固定在温室大棚内离地面1．5m处，两节点相互间隔50m。终端节点每隔30min进行一次采样，完成数据采集、发送之后，自动进入休眠状态，直至下一个采样周期唤醒。表1所示为光照、温度、湿度和CO2浓度监测结果。系统部署示意如图8所示。
6结束语
本文设计的温室环境监测系统具有良好的应用前景，能够正确地采集温湿度、光照强度和CO2浓度数据，并可通过Wi－Fi协议进行网络传输［6］。但无线传感器网络的发展也面临许多技术难题，如在本文设计的系统中，对于监控的数据无法对温室进行实时调节，只能进入温室调节。为了改进系统，可以在监控中心增加智能调控系统，如在后台以远程调节温室内的温湿度等。
作者：吴隽熙 周新志 单位：四川大学 电子信息学院
第七篇
1串口通信
采用MSComm控件实现PC机与单片机之间的串口通信［11］。MSComm控件通过OnComm事件响应函数编程实现数据的接收与发送。1．1串口设置在ClassWizard(类向导)中为MSComm控件定义成员对象(m_ctrlComm)，设置串口属性。1．2接收信息PC机接收电子罗盘航向角和电池电量信息。使用ClassWizard为MSComm控件添加OnComm()事件响应函数。当下位机发送数据时，触发On-Comm()事件，将字符保存到Byte数组rxdata［］中，根据通信协议对接收到的数据进行分类存储与处理，主要代码如下:1．3探测器运动的控制为了控制探测器运动，添加了前进、左转、右转、加速、减速和停止6个动作按钮。当动作按钮被按下时，PC机向单片机发送相应的命令控制探测器运动，动作按钮的设计原理类似。“前进”动作按钮的设计过程如下:使用ClassWizard为“前进”动作按钮添加消息响应函数OnButtonQianjin()，根据通信协议，当“前进”动作按钮被按下时，PC机向单片机发送命令“s11100p1”。由于串口初始化中设置二进制读/写方式，因此需将其转换为二进制，字符转换及发送代码如下:1．4航向角数据的提取按下“航向角”命令按钮时，PC机向单片机发送命令“s12020p1”，单片机采集当前电子罗盘航向角信息，并向PC机发送信息，PC机接收信息并将其存储于缓冲区，对接收信息进行分析处理，提取航向角数据并实时显示。电子罗盘采用NMEA－0183传输协议［12］，信息结构为$HCHDT，＜1＞，T*hh＜CＲ＞＜LF＞。信息以“$”开始，以“＜CＲ＞＜LF＞”结束。“HCHDT”为一帧数据的帧头，＜1＞为航向角，格式为0．0到360．0，T为真，＜*＞为校验和标志，＜hh＞为校验和。信息处理方法:通过搜寻“$HCHDT”，判断是否为一帧数据的帧头。识别帧头后，通过逗号个数的计数值，提取出航向角数据信息。1．5电池电量数据的提取为了直观显示电池所剩电量，将其分为4个等级:100%、75%、50%和25%。按下“电池电量”命令按钮，PC机发送命令“s13001p1”，单片机采集当前电池剩余电量信息，并向PC机发送信息，PC机接收信息并将其存储于缓冲区，对接收信息进行分析处理，提取电量数据并实时显示。
2视频捕获
VC++提供的vfw32．lib库文件以及AVICap窗口类，便于访问视频硬件，并控制视频捕获［13］。导入vfw32．lib库文件，并在对话框源文件中添加#include“vfw．h”语句。在对话框中添加图形控件(IDC_PICTUＲE)作为捕获父窗，在其头文件中加入全局变量HWNDgWndCap，在其初始化函数OnInitialDialog()中，采用capCreateCaptureWindow函数创建视频捕获窗，采用CapDriverConnect()函数实现捕获窗与捕获设备的连接，采用Preview(预览模式)显示视频。
3结语
基于VC++设计了岩腔三维地貌探测器上位机监控系统，运用MSComm控件实现PC机与单片机之间的串口通信，编程简便，工作可靠;采用VFW进行实时视频显示，界面友好，切实有效。通过上位机监控界面按钮操作实现探测器运动控制、电子罗盘航向角测量、电池剩余电量监测、盐腔三维地貌视频实时显示保存等功能。
作者：关利乐 马春燕 陈晓恒 单位：太原理工大学 信息工程学院 电气与动力工程学院 煤矿装备与安全控制山西省重点实验室
第八篇
1测试系统
1．1测试内容根据生产实际测试要求，需要测试传感器的如下电学功能参数:1)高低电流值:指轮速传感器输出脉冲信号的导通电流值(高电流)和关断电流值(低电流);2)高低电流比:指导通电流和关断电流的比值;3)高低脉冲时间:指一个周期内输出脉冲信号中高电平和低电平的持续时间;4)占空比:指高电平在一个周期之内所占的时间比率;5)电容值:霍尔芯片中为了提高电磁兼容性而封装的电容的值。1．2测试原理主动式轮速传感器是利用霍尔原理工作的，测试原理如图2所示。测试轮是一个刚性脉冲圈，等间距分布着48个相等齿高和齿宽的齿。轮速传感器中封装有霍尔芯片和永磁铁，霍尔芯片位于测试轮和永磁铁之间，能够检测齿经过传感器时所引起的磁通变化。当测试轮转动时，轮速传感器会受到测试轮的激励，交替变化的齿隙会引起恒定磁场中的相应波动。磁通量的连续变化产生相应的信号，再通过信号放大和调理转换成输出电流信号的脉冲沿。轮速数据以方波脉冲的形式作为外加电流来传递，脉冲频率与轮速呈比例，而且能一直检测到车轮几乎停止(0．1km/h)。在测试电路中，可使用75Ω的采样电阻器以使其转换为电压波形，再用数据采集卡进行采集。
2测试系统设计
2．1测试系统硬件设计根据测试项目要求搭建的轮速传感器测试系统，主要由工控机、数据采集模块(数据采集卡、GPIB卡、LCＲ测试仪)、运动控制部分(数字I/O卡、伺服驱动器、伺服电机)和人机交互部分组成，其连接见图3。2．1．1工控机工控机是测试系统的核心，也是测试软件的载体，其运行的稳定与否直接关系到测试工作能否可靠进行。系统采用研华的IPC—610工控机，结构紧凑，扩展灵活，具有良好的稳定性，适于在工业环境中使用。测试中负责处理LCR测试仪测量的数据和数据采集卡采集的数据，并将结果显示在软件界面上。2．1．2数据采集模块数据采集卡主要完成对传感器输出信号数据的采集。系统选用凌华PCI—9816数采卡，通过容量为512MB板载内存存储数据波形，以供工控机处理。该卡具有4通道同步单端模拟输入，并配备了4个高线性度的16位A/D转换器，每通道采样率最高可达20MSPS。在实际测试中经过验证，可以很好地满足系统的精度要求。GPIB通信协议转换卡安装在工控机中，用于连接LCＲ测试仪和工控机，从而实现信息的发送和接收。其中的LCＲ测试仪选用安捷伦LCＲ4263B，用于测量传感器中的电容值，它能快速准确地通过GPIB线缆传输测试数据，测试频率可达100kHz。2．1．3运动控制部分测试过程中，伺服电机带动测试轮转动，负载小。选用施耐德Lexium23系列超低惯量伺服驱动器和伺服电机，可以满足要求。采用伺服位置控制方式，通过数字I/O卡向伺服驱动器的/PULSE，PULSE和/SIGN，SIGN口输出脉冲信号，以控制伺服电机的速度和方向。2．1．4人机交互部分人机交互由键盘、鼠标和显示器组成，能完成产品型号输入、测试软件调用、测试结果显示、电机启停控制等功能。2．2测试系统软件开发2．2．1软件功能与界面测试系统软件采用LabVIEW作为开发平台，人机交互界面友好，功能强大，其主要功能包括传感器参数数据采集、实时显示、自动存储、分析计算和自动判断、错误显示，对测试过程和步骤进行自动化控制［5～6］。根据生产实际分析，本测试软件分为5个部分:1)载入测试文件:输入产品型号，载入对应的测试文件，准备开始自动测试。2)校准模式:连接信号源和标准电容，用以校准并显示结果。3)波形显示分析:显示并分析数据波形。4)手动模式:手动控制继电器，信号灯和伺服电机。5)自动测试模式:产品自动测试与结果显示。其中，自动测试模式直接用于生产中轮速传感器的测试，界面由5个模块构成:结果显示、参数显示、数据统计、测试状态和产品不良提示。在测试结果显示模块中，可显示测量到的各参数的值，以及各参数允许的最大值和最小值，通过比较用以判断是否通过测试。在测试参数显示模块中，可显示产品型号、工装型号和测试节拍。在测试数据统计模块中，可实时显示产品不良数、产品通过数、测试产品总数等信息。在测试状态模式中，可实时显示测试过程中的各个状态，以方便实时监控。在测试不良提示模块中，可显示产品测试不良的类别和个数，以供技术人员监控产品质量，若出现较多测试不良，可及时采取措施，保证产品质量。2．2．2软件流程测试软件流程图如图4所示。测试前，软件先搜寻插入工控机的板卡，若搜寻成功，软件加载相应驱动并初始化，以做好测试前的准备。再输入产品型号，更换工装和校准测试轮位置，通过扫描枪扫描工装二维码确认换型状态以后，按下开始按钮开始测试。测试过程中，软件会响应触发事件逻辑执行各个VI，从而完成整个测试。通过GPIB卡和GPIB电缆传送执行指令，驱动LCＲ测试仪，完成对电容的测量;数据采集卡通过高频信号线，采集轮速传感器输出电流在电阻器两端的电压脉冲信号。所有项目测试完成后，软件根据各个项目的测试结果与各测试项目标准参数进行比较，判断产品是否合格，并显示在自动测试界面上。测试通过，需要手动进行热刻印打标;测试不通过，需要把报废品放入废料盒，并通过光电传感器检测，否则，不能进行下一次检测。每一组测试，软件还会统计不良品数和测试节拍，并实时显示测试状态。测试完成后，项目测试数据和测试结果会自动存储到硬盘里，以方便技术人员查看和产品质量分析。
3测试举例
在正常生产环境下对DF11S型汽车轮速传感器共100只产品进行了测试，测试结果如表1所示。从表中数据可以看出:本测试系统测得的数据具有一致性好、精度高、稳定性好等特点，证明了该测试系统的设计满足要求。
4结束语
本文设计了一种基于LabVIEW的汽车轮速传感器功能测试系统，实现了对轮速传感器电学功能的自动测试。通过生产现场对产品连续大批量的测试，所得数据准确可靠，证明了系统的高稳定性。测试精度达到0．1%，测试速度达到10．5s/pcs，满足了生产中对测量的快速和高精度要求。本系统人机接口良好，运行稳定可靠，减少了人工因素的影响，保证了产品出厂合格率在100%的水平，满足了现代化生产对测试的要求。
作者：殷苏民 陆文俊 江煜 朱锦萍 王祖声 单位：江苏大学 机械工程学院 机械电子工程系
第九篇
1鱼类养殖水体臭氧处理系统
1.1系统组成与原理图1是臭氧水处理系统布局。系统主要由三部分组成:一部分是由8个规格相同的养殖池(直径2m，高1m)、回水槽、水泵、过滤机、臭氧混合设备和进排水管道组成的水循环系统;另一部分是由气源泵、臭氧发生器、流量计、臭氧混合设备、尾气处理器组成;第三部分是基于PLC的控制系统，由温度和臭氧传感器、PLC组件、调节步进电机和数据输出微机组成。图1试验设备布局Fig．1Layoutofthetestequipments系统工作时，养殖池的水靠水压力进入回水槽，由水泵压入过滤器，经过滤后的水进入臭氧混合设备与来自臭氧发生器的臭氧气体进行混合、溶解，溶解后臭氧水进入养殖池，对养殖水体进行臭氧处理，并反复循环进行，直到池水臭氧溶解浓度达到所要求的浓度为止。未溶解的臭氧通过尾气处理器进行无害化处理。1.2臭氧的产生设计了空气和氧气作为气源产生臭氧的两种方法。空气是常用的臭氧产生方法，氧气的使用是为了提高臭氧的产生效率而采用的方法。氧气由制氧机从空气中制备，纯度达95%。臭氧发生器采用XY-19型的臭氧发生器，额定气体流量为8m3/h，额定臭氧产量为100g/h。1.3臭氧浓度控制系统臭氧浓度控制系统如图2所示。系统通过设置在鱼池水中的传感器进行温度和臭氧浓度监测，监测数据传输给PLC并通过PLC的数据线自动记录在电脑中。根据预先设定的臭氧浓度，PLC对当前臭氧浓度进行分析后将控制信号传输给步进电机，步进电机依照PLC的指令控制臭氧发生器的电压变化，以增加或者减少臭氧的产量，从而达到控制臭氧浓度的目的。1.3.1臭氧浓度监测监测传感器采用哈希9185sc在线臭氧分析仪检测探头。检测仪采用选择性膜电极;不受样品中pH、氯、溴、二氧化氯或过氧化氢的干扰，测量范围:0～20mg/L，测量精度±5μg/L。同时设计了温度补偿系统，以消除温度波动的干扰。1.3.2监控系统监控系统由上位机、下位机、模拟量输入模块构成。模拟量输入模块采用哈希公司SC100控制器，控制器采集9185sc传感器信号并将其转换成模拟信号发送给下位机。下位机采用西门子公司生产的s7-200型PLC进行数据采集，通过通信电缆传输给上位机，上位机中安装组态王监控软件。组态王监控软件能够实时采集PLC传输的数据，自动画出变化趋势图表，通过软件的报表功能可以查询记录历史数据并导人Excel便于以后的处理。根据监控工程的需要在软件界面中制作3个功能窗口，每个窗口完成特定的功能。1.3.3功能窗口选择利用软件的历史趋势曲线控件，可以将PLC采集到的数据记录下来并自动连成趋势曲线，横坐标为采样时间，纵坐标为溶解臭氧含量，所有数据存入历史库以备查询。该窗口有自动打印功能，可将形成的历史趋势曲线定时打印，利于日后查阅。利用软件中报表功能可以从组态王历史数据库中查到之前记录的所有数据，包括PLC采集的溶解臭氧含量和对应的采样时间，该报表可以自定义所要查询的变量和时间间隔，并显示在列表中，便于试验中随时掌握数据的变化情况。1.3.4臭氧浓度的控制采用MA860H型两相混合式电机驱动器驱动86BYG二相步进电机，步进电机驱动器采用交流伺服驱动器的电流环进行超细分控制，电机的转矩波动小，低速运行平稳，振动和噪音低。高速时可输出相对较高的力矩，定位精度高。然后用PLC控制步进电机驱动器，内置于S7-200PLC的PTO能使用一个脉冲串输出用于步进电机的速度和位置控制。基于检测到的臭氧浓度，使用PLC编程自动控制步进电机的位移和方向来控制臭氧发生器的电压大小，最终达到对臭氧浓度的PID控制。
2臭氧溶解、衰减与杀菌消毒试验
2.1材料与方法试验目的是确定臭氧在处理鱼类养殖水体时产生所需臭氧浓度的时间和衰减至安全浓度的时间，从而确定臭氧处理的安全方法。试验内容为:1)在没有养殖鱼类，气源分别为氧气和空气的条件下，试验养殖水体臭氧溶解和衰减过程，以确定不同臭氧浓度的应用技术和处理过程的控制方法。2)以氧气为气源的条件下，分批次对鱼类进行消毒处理，检验杀菌消毒水体臭氧浓度稳定控制的准确性，确保处理过程可靠与鱼类安全。根据鱼类对臭氧浓度耐受试验［8-9］，设定臭氧溶解浓度测量范围为0～0.5mg/L。为了满足过程中臭氧用量的不同需要，氧气产量在设计能力60%～100%进行调节。在鱼类消毒试验中，养殖鱼类消毒杀菌的安全范围为0.1～0.2mg/L，试验中设定0.18mg/L为控制量的给定希望值，单次消毒时间为40min。试验选择8个水池中的1个为试验池，养殖池水2m3，分4次对系统养殖鱼类进行消毒;用水量包括臭氧混合设备、回水槽和养殖池水量总计5m3。试验鱼类为冷水性鱼类虹鳟鱼，平均体重160g，200尾，密度为32kg/m3;试验水温为10℃;循环水泵型号50JYWQ25-10，流量为25m3/h。试验初始，打开监控软件，启动臭氧检测仪半小时待其稳定之后开启臭氧发生装置并打开自动控制软件自动记录采样数据，采样频率为2次/s，待水池中臭氧浓度稳定之后关闭臭氧发生装置系统导出数据曲线并打印。2.2结果与讨论2.2.1臭氧溶解和衰减过程试验结果表明:利用纯氧制备臭氧和利用空气制备臭氧进行养殖水体处理，其效果差别较大，见图3、图4。由图3可知:在气源为纯氧的条件下，养殖水体循环10min就可以达到试验设定的最大臭氧溶解浓度0.5mg/L。溶解过程中臭氧浓度快速上升，持续供气可以保持该浓度;衰减过程中曲线缓慢下降，10℃水温下，循环40min后才能衰减到鱼类安全浓度0.06mg/L［8］。在纯氧为气源的条件下，臭氧发生器产生了高纯度臭氧，溶解过程中没有其他气体分压的影响，向液相转移的动力远高于臭氧与其他气体混合的混合体，提高了臭氧向水体溶解速度。这一结果表明，氧气为气源产生的臭氧在养殖水体处理中，可以采用高浓度短时间应用于鱼类和水体的消毒杀菌。由于可以产生较高浓度的臭氧水，因此在对养殖水体和鱼类处理时，要进行监测与控制，以实现操作过程的安全可靠。由图4可知:在气源为空气的条件下，养殖水体循环1.5h，臭氧才能到消毒杀菌处理的最低浓度0.1mg/L。臭氧溶解过程非常缓慢，且剧烈波动，不够稳定，最大臭氧浓度能达到0.14mg/L;其衰减过程也很缓慢，衰减到鱼类安全浓度0.06mg/L需要1h。由于空气中氧气含量约为21%，以空气为气源产生的臭氧不纯，臭氧向液相转移的过程中，受其他气体分压的影响，其溶解动力明显降低，溶解过程缓慢;同时，由于溶解过程气体混杂，干扰了臭氧检测的精度，产生了波动不稳定现象。在衰减过程中，由于低温及其他溶解气体的影响，该过程也同样很缓慢。这一结果表明:利用空气为气源的臭氧水产养殖应用时，选择低浓度长时间的处理方法，适应于养殖水体的氨氮、悬浮物、有机物处理［16］。由于其浓度低，难以形成稳定的状态，且臭氧浓度在消毒杀菌的范围内，不需对其过程进行自动控制，只要控制处理时间就可以达到安全可靠的要求。2.2.2纯氧为气源产生臭氧对鱼类消毒杀菌的影响试验结果表明，在40min消毒过程中，试验鱼类游速加快、运动剧烈。但是消毒后的各项体表形态并无损伤现象，进入养殖水体后可以进行正常的饲养，无不适反应。消毒过程中，系统工作正常，臭氧浓度稳定在0.18mg/L。图5是臭氧消毒试验过程中，控制系统调节下养殖水体臭氧浓度随时间的变化情况。由图5可知:系统工作开始后，臭氧浓度迅速接近设定的阀值0.18mg/L，随后在自控系统的控制下，溶解过程缓慢，其浓度在阀值0.18mg/L附近小幅波动，最终趋于稳定，稳定时臭氧发生器的电压为104kV。纯氧为气源产生臭氧的产生效率是使用空气的2倍～3倍［14］。由于自控系统的作用，臭氧浓度稳定保持在0.18mg/L附近，在操作过程中可以把整个工厂化养殖系统的鱼类分批次放入进行消毒杀菌。纯氧产生臭氧的曲线比空气产生臭氧曲线平滑稳定，有利于控制系统进行准确控制。建立可靠的臭氧浓度监控系统，利用纯氧为气源产生臭氧利用其高纯度、溶解过程快速的特性进行工厂化养殖鱼类的消毒杀菌，高效安全可靠，是一种清洁、无残留和无污染的有效方法，有利于工厂化养殖鱼类的健康生长和产品安全。
3结论
通过对鱼类工厂化养殖水体臭氧溶解和衰减过程的监测与控制，确定了空气和纯氧产生臭氧在工厂化水产养殖中的不同应用方式，为臭氧在工厂化养殖方面的应用奠定了基础，并可以得出下述结论:1)利用纯氧产生臭氧进行鱼类和水体的消毒杀菌较为有利，臭氧产生的浓度大效率高，而利用空气产生的臭氧进行氨氮、悬浮物和有机物处理比较有效和安全。纯氧产生的臭氧在应用过程中须进行浓度的精准控制。2)通过对纯氧产生臭氧进行设定阀值控制试验，验证了使用纯氧产生臭氧进行鱼类消毒杀菌安全控制的可靠性，在自控设备的保障下臭氧浓度可稳定保持在安全阀值内。3)在工厂化养殖中应用臭氧处理系统，通过采取适当技术措施控制臭氧发生器的产量，可以达到控制养殖水体臭氧浓度、消毒杀菌安全和可靠的目的。
作者：曹广斌 戚翆战 韩世成 周煊亦 蒋树义 陈忠祥 单位：中国水产科学研究院黑龙江水产研究所 上海海洋大学工程学院
第十篇
1系统整体方案设计
在线式电能综合质量分析仪，能连续、实时、高分辨率地监测外电网的电能质量，并将高分辨率的录波数据、实时数据、故障波形、故障报警等信息，通过独立CAN总线上传给车站站机，由站机对数据进行显示、存储。利用铁路信号微机监测的2M带宽专网，将外电网数据实时传送给远程服务器，使得通过远程终端可以查看各个车站外电网的实时高分辨率录波数据、实时数据（电压、电流、功率、功率因数等）、历史数据、报警记录、瞬间突变波形等信息，满足了电务段对于供电结合部管理的实际需要。
2系统硬件设计
在线式电能综合质量分析仪，包括信号采样电路、核心CPU模块、can总线接口电路。2.1信号采样设计电能综合质量分析仪采集两路三相电的电压、电流。电流采样采用开口的电流互感器CT53C104b-100A/50mA，将采样线从电流互感器中间穿过，通过电磁感应采集采样线中通过的电流，并输出最大50mA的电流，电流互感器输出的电流信号先在隔离转换板上转换为低于1.5V的电压信号，再输出到CPU板。电压采样是在采样位置与信号隔离转换板之间连接采样线，在隔离转换板上，先经过保险管，再经YXY300-1.06V进行隔离转换，输出到CPU板。保险管是防止电压采样线在电能质量分析仪内短路，影响到外电网正常运行。采集的电压、电流信号经过隔离防护后接入CPU模块，不会因为在线电能质量分析仪采集外电网信号，对外电网的正常运行造成影响。2.2CPU板设计核心CPU模块的中央处理器采用DSP芯片TMS320F2812[3]，外围电路包括电源电路、晶振、外扩RAM，电源采用DSP专用电源芯片PS73HD301，为TMS320F2812提供所需工作电源；晶振采用30M有源晶振和中央处理器的时钟端口连接，在TMS320F2812系统初始化时，将主频倍频为150M。外扩RAM选用CY7C1041V33芯片，作为高分辨率数据的暂存空间。2.3Can总线接口设计Can总线接口设计采用TMS320F2812自带的Can接口，在外围增加高速光耦6N137、Can收发器82C250以及Can防护电路。Can收发器82C250和核心CPU模块的中央处理器自带的Can接口通讯连接，在Can收发器82C250的串行输入和输出端口设有光耦隔离电路及Can防护电路；从所述Can收发器82C250引出与外部Can总线连接的Can总线接口。Can通讯线需采用双绞屏蔽线，且屏蔽层接地。因在线式电能综合质量分析仪具有高分辨率数据采样，且具有较高的实时性，所以在TMS320F2812满足高分辨率数据采样的前提下，必须具有足够高带宽的通讯总线将数据及时地传送出去，且具有足够长的通讯距离。Can总线具有1M带宽，且在速率500k时，通讯最大距离可达130m，可以满足高分辨率数据的传输带宽以及现场通讯距离的实际需求。
3软件设计
在线式电能综合质量分析仪，实时监测铁路信号机械室两路三相电的相电压（基波、谐波）、线电压、电流（基波、谐波）、频率、相位角、功率、功率因数等信息，并将实时采集的高分辨率实时电压/电流波形、瞬间波形突变等信息通过CAN总线上送给站机；同时，对采集的原始数据进行运算，计算出每相电压电流的有效值（基波、谐波），定时上送给站机。根据计算出的有效值，作为判断外电网断电/瞬间断电的依据。并根据采集的高分辨率原始数据，判断是否有瞬间突变（突变时间≥2ms），如果有瞬间突变波形，则截取突变前后几个周期的高分辨率数据进行存储，并记录突变时间、置位突变开关量，将突变时间、突变开关量、突变波形，依次上送给站机。站机软件对每秒定时上送的数据进行显示、存储，并形成日报表、日曲线、月曲线、年曲线，对突变波形进行存储，可通过菜单查看，并根据突变开关量和突变时间，在报警窗口中提示用户本次的报警信息，用户可根据报警的时间和类型，到相应的菜单下查看本次报警的突变曲线。站机通过具有2M带宽的专网，与远程服务器进行连接，可以设置多个终端与服务器相连，通过终端程序，远程查看各个车站外电网的实时高分辨率录波数据、实时数据（电压、电流、功率、功率因数等）、历史数据、报警记录、瞬间突变波形等信息。
4结束语
文章设计的在线式电能综合质量分析仪，设计科学，电路结构简单，实用性强。采用DSP芯片的高速采样、高速处理数据功能，利用Can总线强大的数据传输能力，实现了高分辨率、高实时性的外电网突变波形监测。
作者：解豪杰 刘霞丽 单位：河南辉煌科技股份有限公司 郑州众智科技股份有限公司
