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）

       摘要：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(chǎn)業(yè)的發(fā)展，更對人們的身體健康帶來了嚴(yán)重的威脅。以高壓電場和電力電子測控技術(shù)作為理論基礎(chǔ)，設(shè)計了以STM32為控制核心的赤霉病小麥電處理實時檢測系統(tǒng)，從而實現(xiàn)對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)，實現(xiàn)上位機(jī)實時顯示、報警和控制，達(dá)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(diào)節(jié)，能夠為赤霉病小麥電處理提供可靠的保證。

　　關(guān)鍵詞：DON毒素；處理室；實驗參數(shù)；STM32

　　中圖分類號：TP29文獻(xiàn)標(biāo)識碼：ADOI： 10.19358/j.issn.16747720.2016.23.021

　　引用格式：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(tǒng)［J］.微型機(jī)與應(yīng)用，2016,35（23）：73-75，79.

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(yán)重的一種單端孢霉烯族毒素，它一旦進(jìn)入人或者動物體內(nèi)，會嚴(yán)重影響健康。目前，對于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)セ钚裕?-3］。

　　根據(jù)高壓電場技術(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)對高壓電場處理赤霉病小麥的影響，設(shè)計了一套DON毒素電處理實驗檢測裝置，以實現(xiàn)對處理室的溫濕度、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)的多傳感器檢測與控制系統(tǒng)，實現(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)同時對技術(shù)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控的實用系統(tǒng)。

1總體設(shè)計方案

　　本檢測與控制系統(tǒng)主要由微控制器STM32F103、參數(shù)檢測模塊、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。檢測模塊用于檢測實驗裝置中的電壓、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］，實現(xiàn)上位機(jī)和下位機(jī)實時對系統(tǒng)的電壓、電流、溫度等一系列技術(shù)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測，同時上位機(jī)可以根據(jù)實驗需要對相應(yīng)技術(shù)參數(shù)發(fā)送控制信號給下位機(jī)，下位機(jī)控制相應(yīng)模塊進(jìn)行調(diào)整，完成對實驗技術(shù)參數(shù)的檢測與控制［7-8］。

2系統(tǒng)硬件設(shè)計

　　赤霉病小麥實驗裝置檢測系統(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，本實驗檢測系統(tǒng)在主控制器下有條不紊地運行，從而實現(xiàn)對實驗的檢測與控制。

　　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：（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、1個I2S、2個USART串口、1 個HDMI CEC等。在設(shè)計赤霉病小麥電處理實驗裝置的檢測與控制系統(tǒng)時，需要實現(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

　　對于一個開關(guān)電源來說，電壓、電流是考量其性能的最重要的參數(shù)。本次設(shè)計的赤霉病小麥電處理實驗裝置，電壓、電流更是不可或缺的技術(shù)參數(shù)。為了準(zhǔn)確地測量電壓、電流參數(shù)的大小，本系統(tǒng)電壓采集運用電阻式分壓器進(jìn)行電壓測量。電阻式分壓器共由兩組電阻組成，如圖2所示，其中R24R23，因此R24又被稱為高壓臂電阻， R23被稱為低壓臂電阻，這種形式的電阻分壓器稱為理想分壓器，其分壓比為：

　　電流采集運用霍爾效應(yīng)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(jī)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(guān)系式為：VOUT=0.185×IP+2.5。

　　2.3處理室環(huán)境監(jiān)測

　　赤霉病小麥電處理實驗裝置的環(huán)境檢測包括溫度、濕度和環(huán)境光的檢測三部分。本實驗裝置力求對環(huán)境狀況實時監(jiān)測，方便對環(huán)境進(jìn)行調(diào)節(jié)，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(huán)境光檢測采用傳感器TCS230。根據(jù)設(shè)計要求，溫度檢測通過DS18B20的DQ管腳進(jìn)行數(shù)據(jù)采集；濕度傳感器DHT11具有獨特的單總線特點，當(dāng)主機(jī)想讓DHT11做動作時，首先主機(jī)應(yīng)該發(fā)送開始命令，然后等待DHT11的回應(yīng)，檢測到信號之后，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引腳將信號傳送給控制器，經(jīng)過內(nèi)部標(biāo)定，從而達(dá)到測量效果［9］。

　　2.4數(shù)據(jù)顯示設(shè)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(qū)動芯片為ILI9341。STM32與ILI9341的通信通過STM32F103自帶的FSMC接口實現(xiàn)，從而達(dá)到控制液晶模塊正常顯示的目的。

3軟件設(shè)計

　　在赤霉病小麥電處理實驗裝置中的檢測與控制子系統(tǒng)設(shè)計上，主要的工作是對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。

　　系統(tǒng)軟件設(shè)計部分主要是針對霉病小麥電處理實驗裝置的數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的設(shè)計，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)先級以及對檢測到的電壓、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)，排序并儲存，舍棄一個最高的和一個最低的數(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。

　　實驗裝置完成后，啟動系統(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)，實現(xiàn)上位機(jī)和下位機(jī)同時監(jiān)測，同時PC可以發(fā)送控制信號給單片機(jī)，完成對處理室的檢測與控制。

4實驗結(jié)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(jìn)行設(shè)備整體運行測試［10］。設(shè)定參數(shù)電場電壓分別為1 kV、2 kV、5 kV。在這些電壓參數(shù)的基礎(chǔ)上分別進(jìn)行對其他相應(yīng)參數(shù)的測量，觀察各個數(shù)據(jù)的變化情況，同時觀察單片機(jī)LCD顯示和PC機(jī)監(jiān)測與控制系統(tǒng)的運行情況，并記錄相關(guān)的數(shù)據(jù)。運行情況如圖6所示。

　　通過對赤霉病小麥電處理實驗裝置參數(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驗裝置檢測系統(tǒng)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(shù)的采集及顯示功能；（2）PC監(jiān)測與控制系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確地將實驗裝置采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示，反映出設(shè)備通信模塊運行良好。

5結(jié)論

　　在赤霉病小麥電處理實驗裝置技術(shù)研究的過程中，根據(jù)電處理實驗裝置處理實驗樣品時的關(guān)鍵因素——電場強(qiáng)度、溫度、作用時間等，設(shè)計了以微控制器STM32為核心、PC機(jī)針對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理的檢測與控制系統(tǒng)?？蓪崿F(xiàn)對于實驗數(shù)據(jù)的計算、顯示、閾值報警以及多屏關(guān)鍵參數(shù)波形顯示與保存，方便操作人員實時監(jiān)測實驗裝置的各種狀態(tài)量，調(diào)節(jié)和控制試驗過程。

　　參考文獻(xiàn)

　　［1］ 崔貴金.赤霉病麥粒光電分揀技術(shù)研究［D］. 鄭州: 河南工業(yè)大學(xué),2013.

　?。?］ 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(yè)大學(xué),2014.

　?。?］ 李萌萌, 關(guān)二旗, 卞科, 等. 真菌毒素的輻照降解及產(chǎn)物解析研究進(jìn)展［J］. 糧食與飼料工業(yè), 2013(1): 14-18.

　?。?］  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.

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

　?。?］ 郭知明,楊世鳳,劉星汛.基于無線傳輸技術(shù)的設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)研究［J］.國外電子測量技術(shù),2009, 28 (8) :54-56.

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

　?。?］ 程月平,肖黎.氧化鋅避雷器無線在線監(jiān)測系統(tǒng)的研究［J］.制造業(yè)自動化,2012,34(1) :48-49.

　?。?］ 王殊,閻毓杰,胡富平.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的理論及應(yīng)用［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2007.

　　［10］ 許俊杰.無線通信技術(shù)在設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測中的研究與應(yīng)用［D］.鄭州:鄭州大學(xué),2010.