基于ATmega 128单片机的粮食水分测量仪控制系统的硬件设计

粮食是人们赖以生存的物质基础，我国是粮食生产和需求大国，而由于粮食含水所导致的粮食霉变每年都会带来巨大的经济损失。据统计我国每年收获的粮食由于含水过多干燥不及时而造成的霉烂损失达500~1 000万t，大概占全年粮食总产量的1.5%~3%，特别在南方一些梅雨季节较长的省份（如江西、浙江、湖北和安徽等）每年粮食霉烂造成的损失就更大了，可见对于粮食水分的测量是一个不可忽视的问题。由于粮食水分分布复杂，影响因素较多，传统的对粮食水分的测量，很难实现既准确又快速的现场测量。本文所研究的是一种基于ATmega128微处理器为控制芯片并在此基础上研发的粮食水分测量仪系统，是一种操作方便、技术先进、测量准确度高的产品。本系统核心控制单元采用了ATMEL公司的ATmega 128单片机，控制程序使用C语言，采用CodeVisionAVR编译工具编写开发。

1 系统功能总体分析

粮食水分测量仪的控制系统较多运用单片机作为控制核心，本文研究的控制系统所采用的单片机为AVR系列中较高端的ATmega128单片机。系统总体的功能分析如图1所示。

粮食水分测量仪主要测量的是各种粮食中所含的水分，如大米、小麦、大豆、高粱等，且可以通过串口和计算机实时通信，实现粮食水分的在线检测。

本系统通过一个按键的选择，即可在不同的粮食品种之间进行测量，按键的选择和测量的信息都可在12864液晶屏幕上实时地显示出来。

2 系统硬件总体设计

根据控制系统功能需求的分析，主要从硬件方面给出控制系统的总体设计。

根据企业对粮食水分测量仪的功能需求，本控制系统硬件将由微处理器（MCU），按键、液晶显示器（12864LCD）、电机、罗拉、DS18B20温度传感器、电源、蜂鸣器、湿度模块和辅助模块组成。系统硬件总体设计如图2所示。

系统的核心芯片采用的是AVR的高端单片机ATmega 128微控制器ATmega 128单片机是一款基于AVR单片机增强型RISC结构的低功耗CMOS 8

位微控制器。它具有128 KB可同时读写的系统可编程Flash程序存储器，10000次的写/擦除周期，53个通用功能I/O端口，32个通用工作寄存器，实时时钟（RTC振荡器），4个具有比较模式和PWM的灵活的定时器/计数器，一个8通道且可选增益的差分输人的10位A/D转换器，一个SPI，一个符合IEEE 1149.1标准的JTAG接口，可用于访问片内调试系统和编程，具有6种软件可选的节电模式。由于其先进的指令集以及单周期指令执行时间，通过在一个时钟周期内执行强大的指令ATmega128单片机可取得接近1 MIPS/MHz的性能。

AVR单片机将丰富的指令集和32个通用寄存器结合在一起，所有的工作寄存器都直接与算术逻辑单元（ALU）相连，允许在一个时钟周期内执行的单条指令中两个独立的寄存器同时被访问，这种结构提高了代码效率，比普通CISC结构单片机要快将近10倍，完全适合于本控制系统的设计需要。

控制系统的硬件电路设计将根据总体设计的方框图中所示，按照模块化设计方式设计，其主要的电路设计将在对应的模块设计中给出。

3 功能模块设计

功能模块设计部分主要从控制系统的硬件总体设计出发，按照模块化设计思路，对显示模块、湿度信号采集模块、温度信号采集模块、按键控制模块、计算机串口通信模块、电源和电机模块等硬件电路分别进行设计。

3.1 12864液晶模块

显示模块的主体部分采用的是一块12864液晶显示器，和其相关的驱动电路共同组成该控制系统的显示模块。12864液晶显示器在微处理器 Atmega128的驱动下加上相对应的显示程序进而显示出汉字和图形，展现出包括粮食品种、测量校正、误差大小、水分含量、粮食温度和湿度等工作状态。

本控制系统显示模块采用的液晶是128x64点阵的汉字图形型液晶显示模块，可显示汉字及图形，内置国标GB2312码简体中文字库（16x16点阵）、128个字符（8x16点阵）及64x256点阵显示RAM（GDRAM）。液晶模块控制电路图如图3所示。

在该显示模块电路中加人一个2N3904三极管，所起的作用是当电源关闭时对显示器进行清屏，并关闭显示器的背光。

仪器在运行过程中，通过ATmega128芯片相应端口提供电平信号，控制2N3904三极管的集电极的导通，从而控制显示器背光灯管的开关导通状态。

3.2 湿度信号采集模块

湿度信号采集模块主要对被测量的粮食中的水分的含量进行数据采集并把采集到的信号反馈给单片机，本系统采用的是电容法测量频率值，即通过先测量粮食电容的频率，再把频率通过相对应的公式转换成相应的湿度值，进而在12864LCD上显示出来。

湿度信号采集模块主要由555振荡电路组成，555振荡电路是一种能产生时间基准并能完成各种定时、延迟功能的非线性集成电路。它将模拟电路与数字电路巧妙地结合在一起，既能产生周期性时钟信号，又能产生具有一定规律的时序信号;与有关外围元器件可构成定时器、触发器、振荡器或驱动器电路等，本系统主要通过555集成电路运用于信号的产生，该电路图如图4所示。

3.3温度信号采集模块

所研发的该型号的粮食水分测量仪，不仅能完成被测量粮食中所含水分的多少，还能测量该粮食中的温度值，以便能更好地实现对粮食的保管、储存。

温度信号采集模块电路所采用的传感器为美国DALLAS公司生产的DS18B20数字温度传感器，具有结构简单，不需要外接电路，该传感器采用单线接口方式，具有“一线总线”的结构特点门，可用一根I/0数据线既供电又传输数据，DS18B20数字温度传感器在与Atmega128微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20传感器的双向通讯，且该温度传感器测量精度较高，硬件电路和软件程序方面都较容易实现，其电路如图5所示。

3.4按键控制模块

根据对粮食水分测量仪的功能需求分析，本控制系统按键模块共设7个按键，如图6所示。

根据按键的硬件连接电路可知，按键状态的确认就是判断按键是否闭合，反映在输人口的电平就是与按键相连的I/O引脚呈现出高电平或低电平。如果输人高电平表示断开的话，那么低电平则表示按键闭合。因此，简单地讲，在程序中通过检测引脚电平的高低，便可确认按键是否按下，在本控制系统中，采用低电平有效方式判断，响应按键事件，当按键按下后，微处理器相对应的I/O端口检测到一个低电平信号，触发相应事件。

在实际操作中，按键闭合的判断通常会受到干扰，容易产生误判断，这时需要通过消除按键抖动的方法来解决。消除按键的抖动既可采用硬件方法，也可采用软件的方法。考虑到软件方式消抖比硬件方式消抖具有更好的经济性，因此，在本控制系统中，采用的是软件消抖方法。

3.5计算机串口通信模块

现在市场上的粮食水分测量仪功能较为单一，为了提高所研制的该型号系统在市场上的竞争力，同时也为了下步实现粮食在线监测、烘干的自动化操作，在该控制系统的功能上增加方便与计算机通信的串口模块。

计算机串口通信模块可实现与计算机的实时通信联系，该模块的硬件电路部分主要是由MAX232核心芯片所组成的电平转换电路，Max232产品包含2个RS-232C驱动器、2个RS-232C接收器和一个电压发生器，电路提供 TIA/EIA-232-F电平，采用+5v单电源供电。

3.6电源和电机模块

电源模块电路是整个控制系统的供电核心。本控制系统由外部提供220 V交流电经变压器变压，随后经由二极管和电容组成的整流滤波电路，最后通过三端稳压芯片LM7805的OUT端输出的5V直流电压经过滤波电容滤波得到本控制系统需要的稳定的5V直流电，为单片机电路、12864液晶显示模块、按键模块、计算机串口通信模块、蜂鸣器模块、温度和湿度电路等模块供电，电源模块电路原理图如图7所示。

电机模块目前采用的是日本制造的电机，采用220 V交流电供电，为了便于实现自动化控制，采取单片机控制可控硅进而驱动光耦MOC3023来实现，其控制电路如图8所示。

MOC3023（六个脚）它是一种可控硅驱动光耦，单片机引脚PCO端口发出低电平信号后，经过MOC3023直接输出到LINE端口，将电机导通进行驱动。

4 结语

本控制系统可分解为主控板、按键模块、温度湿度模块和电源模块四个部分，最后通过四个模块的协同配合，最终实现该控制系统所需求的各项功能，达到规定的设计目标。

本系统的硬件电路上使用Altium公司推出的PROTEL DXP 2004软件进行设计，软件部分采用CodeVisionAVR集成开发环境。在系统研制过程中采用Proteus软件进行电路的仿真。通过把系统分解为四个模块，采取模块化的解决思路，降低了硬件设计的复杂度、使后续的程序设计、调试和维护等工作变得简单，在满足系统各项功能需求的情况下，提升了该产品的市场竞争力。

本控制系统较其他产品的优越性在于：

（1）采取模块化的设计方法，便于系统后续的维护、调试、操作。

（2）该控制系统采用了计算机通信模块电路，便于和计算机联系起来，实现人机对话，进行粮食的在线检测，有利于减轻劳动强度，为下步实现自动化、智能化提供技术支持。