基于STM32赤霉病小麥實驗裝置檢測系統

岳朋闖，王 威，韓崇安，張偉峰

(河南工業大學 電氣工程學院，河南 鄭州 450001)

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基于STM32赤霉病小麥實驗裝置檢測系統

岳朋闖，王 威，韓崇安，張偉峰

(河南工業大學 電氣工程學院，河南 鄭州 450001)

脫氧雪腐鐮刀菌烯醇(deoxynivalenol，簡稱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業的發展，更對人們的身體健康帶來了嚴重的威脅。以高壓電場和電力電子測控技術作為理論基礎，設計了以STM32為控制核心的赤霉病小麥電處理實時檢測系統，從而實現對赤霉病小麥處理室的溫度、濕度、環境光以及電壓電流等參數的檢測與顯示。系統以無線WiFi模塊作為載體，將關鍵技術參數傳送到上位機，實現上位機實時顯示、報警和控制，達到減小外界因素對赤霉病小麥電處理的影響。實驗表明，實驗裝置測量精度高、便于調節，能夠為赤霉病小麥電處理提供可靠的保證。

DON毒素；處理室；實驗參數；STM32

0 引言

脫氧雪腐鐮刀菌烯醇(簡稱DON毒素)是小麥及其制品污染最嚴重的一種單端孢霉烯族毒素，它一旦進入人或者動物體內，會嚴重影響健康。目前，對于DON毒素降解的方法主要有生物、化學和物理的方法，其中生物法主要是利用微生物相互克制的原理以及轉基因技術對赤霉病小麥在發病期進行防治，但是該方法工作環境惡劣、工作量大，具有局限性；化學法主要是利用化學試劑將赤霉病毒素從麥粒中脫除，需要采用化學試劑，易造成二次污染，危害身體健康；物理法一般是靠機械加工、高溫、低溫或輻射除去麥粒中的赤霉病毒素，容易造成小麥失去活性[1-3]。

根據高壓電場技術在殺菌消毒、食品保鮮等方面的應用[4-5]，結合環境參數對高壓電場處理赤霉病小麥的影響，設計了一套DON毒素電處理實驗檢測裝置，以實現對處理室的溫濕度、環境光和電壓電流相關技術參數的檢測與控制。采用STM32F103為下位機、PC作為上位機的多傳感器檢測與控制系統，實現了PC端輸入控制的相關技術參數，處理室相關技術參數控制在恒定的設定值，上位機和下位機同時對技術參數進行監控的實用系統。

1 總體設計方案

本檢測與控制系統主要由微控制器STM32F103、參數檢測模塊、顯示模塊、無線WiFi通信模塊和控制電路組成，系統框圖如圖1所示。檢測模塊用于檢測實驗裝置中的電壓、電流、溫濕度以及環境光等參數。由于STM32有多路高速串口通信，可以快速讀取采集的技術參數，并由液晶屏對處理后的技術參數進行顯示。微控制器與PC進行無線通信[6]，實現上位機和下位機實時對系統的電壓、電流、溫度等一系列技術參數進行監測，同時上位機可以根據實驗需要對相應技術參數發送控制信號給下位機，下位機控制相應模塊進行調整，完成對實驗技術參數的檢測與控制[7-8]。

圖1 控制系統的結構圖

2 系統硬件設計

赤霉病小麥實驗裝置檢測系統的硬件主要有控制芯片STM32F103ZE、溫度傳感器DS18B20、濕度傳感器DHT11和環境光傳感器TCS230等，本實驗檢測系統在主控制器下有條不紊地運行，從而實現對實驗的檢測與控制。

2.1 控制器STM32F103ZE

意法半導體公司32位單片機具有以下特點：(1)采用ARM CortexTM-M0 的32 位RISC內核；(2)擁有豐富且高速的嵌入式閃存；(3)廣泛集成增強型外設和I/O 口；(4)標準的通信接口包含有： I2C總線和SPI串口各2個、1個I2S、2個USART串口、1 個HDMI CEC等。在設計赤霉病小麥電處理實驗裝置的檢測與控制系統時，需要實現電壓、電流的AD采集，溫度、濕度以及環境光等處理室參數的接收與發送，還要將得到的數據發送到PC監測與控制子系統進行顯示與數據分析。因此，在系統設計中選擇有豐富的接口資源、強大的數據處理能力以及穩定的數據傳輸性能的STM32F103ZE。

2.2 電壓電流檢測

圖2 電壓測量原理圖

電流采集運用霍爾效應原理檢測電流，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可被單片機STM32檢測與分析處理。電流傳感器的OUT端子輸出的電壓值與被測電流的關系式為：VOUT=0.185×IP+2.5。

圖3 電流測量原理圖

2.3 處理室環境監測

赤霉病小麥電處理實驗裝置的環境檢測包括溫度、濕度和環境光的檢測三部分。本實驗裝置力求對環境狀況實時監測，方便對環境進行調節，從而減少對處理實驗的影響。赤霉病小麥電處理實驗裝置的處理室溫度測量采用傳感器DS18B20、濕度檢測采用傳感器DHT11、環境光檢測采用傳感器TCS230。根據設計要求，溫度檢測通過DS18B20的DQ管腳進行數據采集；濕度傳感器DHT11具有獨特的單總線特點，當主機想讓DHT11做動作時，首先主機應該發送開始命令，然后等待DHT11的回應，檢測到信號之后，DHT11就可以接收數據，進行必要的操作；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引腳將信號傳送給控制器，經過內部標定，從而達到測量效果[9]。

2.4 數據顯示設計

圖4 液晶顯示電路圖

本實驗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。其驅動芯片為ILI9341。STM32與ILI9341的通信通過STM32F103自帶的FSMC接口實現，從而達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 軟件設計

在赤霉病小麥電處理實驗裝置中的檢測與控制子系統設計上，主要的工作是對STM32F103進行編程操作，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 軟件系統流程框圖

系統軟件設計部分主要是針對霉病小麥電處理實驗裝置的數據采集和數據處理系統的設計，數據采集和數據處理系統的流程圖如圖5所示，在系統的工作過程中，需要選擇采集的優先級以及對檢測到的電壓、電流和環境技術參數進行判斷和處理分析，將處理得到的AD數據通過軟件優化算法得到20次轉換后的數據，排序并儲存，舍棄一個最高的和一個最低的數據，將保留的數據求平均值，從而得到穩定的采集數值。

實驗裝置完成后，啟動系統程序分別將采集的處理室的技術參數在LCD顯示，并將數據通過串口發送到PC機，實現上位機和下位機同時監測，同時PC可以發送控制信號給單片機，完成對處理室的檢測與控制。

4 實驗結果分析

為了更好地測試赤霉病小麥電處理實驗裝置的性能，分多次進行設備整體運行測試[10]。設定參數電場電壓分別為1 kV、2 kV、5 kV。在這些電壓參數的基礎上分別進行對其他相應參數的測量，觀察各個數據的變化情況，同時觀察單片機LCD顯示和PC機監測與控制系統的運行情況，并記錄相關的數據。運行情況如圖6所示。

圖6 實驗裝置運行數據監測圖

通過對赤霉病小麥電處理實驗裝置參數采集與顯示的結果分析得出以下結論：(1)赤霉病小麥電處理實驗裝置檢測系統可以正常運行，基本可以完成實驗裝置的電壓、電流、溫濕度等參數的采集及顯示功能；(2)PC監測與控制系統能夠準確地將實驗裝置采集的數據進行顯示，反映出設備通信模塊運行良好。

5 結論

在赤霉病小麥電處理實驗裝置技術研究的過程中，根據電處理實驗裝置處理實驗樣品時的關鍵因素——電場強度、溫度、作用時間等，設計了以微控制器STM32為核心、PC機針對數據進行分析處理的檢測與控制系統。可實現對于實驗數據的計算、顯示、閾值報警以及多屏關鍵參數波形顯示與保存，方便操作人員實時監測實驗裝置的各種狀態量，調節和控制試驗過程。

[1] 崔貴金.赤霉病麥粒光電分揀技術研究[D]. 鄭州: 河南工業大學,2013.

[2] 張昆.電子束輻照對赤霉病小麥脫氧雪腐鐮刀菌烯醇降解效果的研究[D].鄭州：河南工業大學,2014.

[3] 李萌萌, 關二旗, 卞科, 等. 真菌毒素的輻照降解及產物解析研究進展[J]. 糧食與飼料工業, 2013(1): 14-18.

[4] El-HAG A H, JAYARAM S H, GONZALEZ O R, et al. The influence of size and shape of microorganism on pulsed electric field inactivation[J]. NanoBioscience, IEEE Transactions on, 2011, 10(3): 133-138.

[5] 黃康. 高壓脈沖電場處理室內多物理場對微生物滅活作用的研究[D]. 杭州：浙江大學, 2013.

[6] 郭知明,楊世鳳,劉星汛.基于無線傳輸技術的設備狀態監測系統研究[J].國外電子測量技術,2009, 28 (8) :54-56.

[7] 王劍平,黃康,余琳,等.在線監測電場強度和溫度的高壓脈沖電場滅菌處理室: 中國,201010281569.1 [P]. 2011-04-06.

[8] 程月平,肖黎.氧化鋅避雷器無線在線監測系統的研究[J].制造業自動化,2012,34(1) :48-49.

[9] 王殊,閻毓杰,胡富平.無線傳感器網絡的理論及應用[M].北京:北京航空航天大學出版社,2007.

[10] 許俊杰.無線通信技術在設備狀態監測中的研究與應用[D].鄭州:鄭州大學,2010.

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赤霉病小麥實驗裝置檢測系統[J].微型機與應用，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：控制科學與工程，檢測技術與自動化裝置。

王威(1957-)，男，教授，碩士研究生導師，主要研究方向：嵌入式測控，自動化儀表，食品安全。