糧食是人們賴以生存的物質基礎，我國是糧食生產和需求大國，而由于糧食含水所導致的糧食霉變每年都會帶來巨大的經濟損失。據統計我國每年收獲的糧食由于含水過多干燥不及時而造成的霉爛損失達500~1 000萬t，大概占全年糧食總產量的1.5%~3%，特別在南方一些梅雨季節較長的省份（如江西、浙江、湖北和安徽等）每年糧食霉爛造成的損失就更大了，可見對于糧食水分的測量是一個不可忽視的問題。由于糧食水分分布復雜，影響因素較多，傳統的對糧食水分的測量，很難實現既準確又快速的現場測量。本文所研究的是一種基于ATmega128微處理器為控制芯片并在此基礎上研發的糧食水分測量儀系統，是一種操作方便、技術先進、測量準確度高的產品。本系統核心控制單元采用了ATMEL公司的ATmega 128單片機，控制程序使用C語言，采用CodeVisionAVR編譯工具編寫開發。

1 系統功能總體分析

糧食水分測量儀的控制系統較多運用單片機作為控制核心，本文研究的控制系統所采用的單片機為AVR系列中較高端的ATmega128單片機。系統總體的功能分析如圖1所示。

糧食水分測量儀主要測量的是各種糧食中所含的水分，如大米、小麥、大豆、高粱等，且可以通過串口和計算機實時通信，實現糧食水分的在線檢測。

本系統通過一個按鍵的選擇，即可在不同的糧食品種之間進行測量，按鍵的選擇和測量的信息都可在12864液晶屏幕上實時地顯示出來。

2 系統硬件總體設計

根據控制系統功能需求的分析，主要從硬件方面給出控制系統的總體設計。

根據企業對糧食水分測量儀的功能需求，本控制系統硬件將由微處理器（MCU），按鍵、液晶顯示器（12864LCD）、電機、羅拉、DS18B20溫度傳感器、電源、蜂鳴器、濕度模塊和輔助模塊組成。系統硬件總體設計如圖2所示。

系統的核心芯片采用的是AVR的高端單片機ATmega 128微控制器ATmega 128單片機是一款基于AVR單片機增強型RISC結構的低功耗CMOS 8

位微控制器。它具有128 KB可同時讀寫的系統可編程Flash程序存儲器，10000次的寫/擦除周期，53個通用功能I/O端口，32個通用工作寄存器，實時時鐘（RTC振蕩器），4個具有比較模式和PWM的靈活的定時器/計數器，一個8通道且可選增益的差分輸人的10位A/D轉換器，一個SPI，一個符合IEEE 1149.1標準的JTAG接口，可用于訪問片內調試系統和編程，具有6種軟件可選的節電模式。由于其先進的指令集以及單周期指令執行時間，通過在一個時鐘周期內執行強大的指令ATmega128單片機可取得接近1 MIPS/MHz的性能。

AVR單片機將豐富的指令集和32個通用寄存器結合在一起，所有的工作寄存器都直接與算術邏輯單元（ALU）相連，允許在一個時鐘周期內執行的單條指令中兩個獨立的寄存器同時被訪問，這種結構提高了代碼效率，比普通CISC結構單片機要快將近10倍，完全適合于本控制系統的設計需要。

控制系統的硬件電路設計將根據總體設計的方框圖中所示，按照模塊化設計方式設計，其主要的電路設計將在對應的模塊設計中給出。

3 功能模塊設計

功能模塊設計部分主要從控制系統的硬件總體設計出發，按照模塊化設計思路，對顯示模塊、濕度信號采集模塊、溫度信號采集模塊、按鍵控制模塊、計算機串口通信模塊、電源和電機模塊等硬件電路分別進行設計。

3.1 12864液晶模塊

顯示模塊的主體部分采用的是一塊12864液晶顯示器，和其相關的驅動電路共同組成該控制系統的顯示模塊。12864液晶顯示器在微處理器 Atmega128的驅動下加上相對應的顯示程序進而顯示出漢字和圖形，展現出包括糧食品種、測量校正、誤差大小、水分含量、糧食溫度和濕度等工作狀態。

本控制系統顯示模塊采用的液晶是128x64點陣的漢字圖形型液晶顯示模塊，可顯示漢字及圖形，內置國標GB2312碼簡體中文字庫（16x16點陣）、128個字符（8x16點陣）及64x256點陣顯示RAM（GDRAM）。液晶模塊控制電路圖如圖3所示。

在該顯示模塊電路中加人一個2N3904三極管，所起的作用是當電源關閉時對顯示器進行清屏，并關閉顯示器的背光。

儀器在運行過程中，通過ATmega128芯片相應端口提供電平信號，控制2N3904三極管的集電極的導通，從而控制顯示器背光燈管的開關導通狀態。

3.2 濕度信號采集模塊

濕度信號采集模塊主要對被測量的糧食中的水分的含量進行數據采集并把采集到的信號反饋給單片機，本系統采用的是電容法測量頻率值，即通過先測量糧食電容的頻率，再把頻率通過相對應的公式轉換成相應的濕度值，進而在12864LCD上顯示出來。

濕度信號采集模塊主要由555振蕩電路組成，555振蕩電路是一種能產生時間基準并能完成各種定時、延遲功能的非線性集成電路。它將模擬電路與數字電路巧妙地結合在一起，既能產生周期性時鐘信號，又能產生具有一定規律的時序信號;與有關外圍元器件可構成定時器、觸發器、振蕩器或驅動器電路等，本系統主要通過555集成電路運用于信號的產生，該電路圖如圖4所示。

3.3溫度信號采集模塊

所研發的該型號的糧食水分測量儀，不僅能完成被測量糧食中所含水分的多少，還能測量該糧食中的溫度值，以便能更好地實現對糧食的保管、儲存。

溫度信號采集模塊電路所采用的傳感器為美國DALLAS公司生產的DS18B20數字溫度傳感器，具有結構簡單，不需要外接電路，該傳感器采用單線接口方式，具有“一線總線”的結構特點門，可用一根I/0數據線既供電又傳輸數據，DS18B20數字溫度傳感器在與Atmega128微處理器連接時僅需要一條口線即可實現微處理器與DS18B20傳感器的雙向通訊，且該溫度傳感器測量精度較高，硬件電路和軟件程序方面都較容易實現，其電路如圖5所示。

3.4按鍵控制模塊

根據對糧食水分測量儀的功能需求分析，本控制系統按鍵模塊共設7個按鍵，如圖6所示。

根據按鍵的硬件連接電路可知，按鍵狀態的確認就是判斷按鍵是否閉合，反映在輸人口的電平就是與按鍵相連的I/O引腳呈現出高電平或低電平。如果輸人高電平表示斷開的話，那么低電平則表示按鍵閉合。因此，簡單地講，在程序中通過檢測引腳電平的高低，便可確認按鍵是否按下，在本控制系統中，采用低電平有效方式判斷，響應按鍵事件，當按鍵按下后，微處理器相對應的I/O端口檢測到一個低電平信號，觸發相應事件。

在實際操作中，按鍵閉合的判斷通常會受到干擾，容易產生誤判斷，這時需要通過消除按鍵抖動的方法來解決。消除按鍵的抖動既可采用硬件方法，也可采用軟件的方法。考慮到軟件方式消抖比硬件方式消抖具有更好的經濟性，因此，在本控制系統中，采用的是軟件消抖方法。

3.5計算機串口通信模塊

現在市場上的糧食水分測量儀功能較為單一，為了提高所研制的該型號系統在市場上的競爭力，同時也為了下步實現糧食在線監測、烘干的自動化操作，在該控制系統的功能上增加方便與計算機通信的串口模塊。

計算機串口通信模塊可實現與計算機的實時通信聯系，該模塊的硬件電路部分主要是由MAX232核心芯片所組成的電平轉換電路，Max232產品包含2個RS-232C驅動器、2個RS-232C接收器和一個電壓發生器，電路提供 TIA/EIA-232-F電平，采用+5v單電源供電。

3.6電源和電機模塊

電源模塊電路是整個控制系統的供電核心。本控制系統由外部提供220 V交流電經變壓器變壓，隨后經由二極管和電容組成的整流濾波電路，最后通過三端穩壓芯片LM7805的OUT端輸出的5V直流電壓經過濾波電容濾波得到本控制系統需要的穩定的5V直流電，為單片機電路、12864液晶顯示模塊、按鍵模塊、計算機串口通信模塊、蜂鳴器模塊、溫度和濕度電路等模塊供電，電源模塊電路原理圖如圖7所示。

電機模塊目前采用的是日本制造的電機，采用220 V交流電供電，為了便于實現自動化控制，采取單片機控制可控硅進而驅動光耦MOC3023來實現，其控制電路如圖8所示。

MOC3023（六個腳）它是一種可控硅驅動光耦，單片機引腳PCO端口發出低電平信號后，經過MOC3023直接輸出到LINE端口，將電機導通進行驅動。

4 結語

本控制系統可分解為主控板、按鍵模塊、溫度濕度模塊和電源模塊四個部分，最后通過四個模塊的協同配合，最終實現該控制系統所需求的各項功能，達到規定的設計目標。

本系統的硬件電路上使用Altium公司推出的PROTEL DXP 2004軟件進行設計，軟件部分采用CodeVisionAVR集成開發環境。在系統研制過程中采用Proteus軟件進行電路的仿真。通過把系統分解為四個模塊，采取模塊化的解決思路，降低了硬件設計的復雜度、使后續的程序設計、調試和維護等工作變得簡單，在滿足系統各項功能需求的情況下，提升了該產品的市場競爭力。

本控制系統較其他產品的優越性在于：

（1）采取模塊化的設計方法，便于系統后續的維護、調試、操作。

（2）該控制系統采用了計算機通信模塊電路，便于和計算機聯系起來，實現人機對話，進行糧食的在線檢測，有利于減輕勞動強度，為下步實現自動化、智能化提供技術支持。