时间：2023-04-03 09:47:18
导语：在检测系统设计论文的撰写旅程中，学习并吸收他人佳作的精髓是一条宝贵的路径，好期刊汇集了九篇优秀范文，愿这些内容能够启发您的创作灵感，引领您探索更多的创作可能。
运动目标检测是将运动的目标(如车辆、人等)从视频图像序列中提取出来，是视频的后续处理，如日标分类、目标跟踪以及行为理解等机路视觉的高级应用的纂础。本文采用的运动目标枪测算法结合了混合高斯建模和帧间差分算法，以及形态学的闭运算.为后续处理提供1个连通的、去噪的运动目标二值图。混合高斯建模m是通过使用K(一般取3一S)个高斯概率密度函数来精确地量化图像中每个像索的值。K个高斯分布按照优先级进行排序，然后与像素伍进行匹配判断，若匹配，则用该像素值对高斯模型进行均值、方筹的更新:若像素值与K个分布都不匹配，则新增加一个高斯分布，均值为当前的像素俏.方差初始化为一个较大的值:对十未匹配的高斯分布，其均值和方差保持不变。排匹配完一个像素，需修改所有的高斯分布的权重系数，对于匹配的分布模型.则增大其权重;对于不匹配的分布模型，则降低其权重。因此，K个高斯分布表征的是图像序列中最频繁出现的像素值的模型，即背景模型，只要选取一个合适的阂放.就可把这些高斯模型合成一幅背景图像，进而得到运动的前景图。混合高斯建模能够动态地维护和更新背景，对环境具有较强的适应性，尤其是解决了背景环境受频繁扰动，如下雨、树叶扰动、水波纹等情况一下.难以提取的问题。帧间差分w}的原理是对视频图像序列中相邻两帧或者足多帧作差分运算.利用两帧图像之间的差异来提取运动目标。帧间差分算法简单，运算速度快.对环境有较强的的适应性，但是，帧图2显示的是运动前景提取的效果。可以看出，图(b)是高斯背景建模算法提取的前景图.图中右上角有一辆车运动速度慢，且显示的颜色大部分是相同的黄色，且高斯背景更新地比较慢，因此，该车大面积被判定为背景，检测的效果不佳。图(c)是帧间差分算法提取的前景图，图中检测的汽车内部存在空洞部分图(d)是结合两种算法得到的运动二值图.由图可知，本文提出的弊法规避I单独使用高斯背景建模和帧间差分算法的缺陷，融合r两种算法的优势，得到一个更准确的前景图。图(e)是经过闭囚运算输出的连通、消噪的二位图。
2.车辆识别算法
车辆识别的主要内容是通过分析交通视频图像，从中获取车辆的特征，用于从运动物体'R”提取出汽车。本文车辆的识别是通过对汽车轮廓的再分析，提取出轮廓内连通区域的面积和包括汽车轮廓的最小四边形的长宽比值作为汽车的特征量，进行汽车的识别。轮廓提取算法输入的是一幅运动二值图，目的是对连通的图像进行边界跟踪，从而得到一个有序的、压缩的、表征目标轮廓的边界点集。本文的轮廓提取算法采用的是八领域的边界跟踪算法。图中“P”代表当前像素点，其周围8个像素点为点P的八邻域，八邻域的方向码如图3所示。八领域边界跟踪算法c5},}i先，系统从左到右，土到下对二值图像进行扫描。如果点P(i.J一”为0o”且点P(i.J>为‘'t'，则记点P(i.,l)为边界跟踪的起始点PO，同时，设八领域的搜索方向码dir的初值为70其次，按逆时针方向依次判断当前点尸的八邻域像素值是否为“I"。若当前搜索的像素r}不为.t.，则d介十主，继续搜索，直到找到下一个边界点，记为汤.同时记下该像素对应的坐标值和力‘向码。母一个新边界点的搜索，都要设置d行起始方向，dir的设置由公式1给出。不断重复这个步骤，直到pn=p0。，边界搜索结束，得到一个闭合的目标轮廓。dir=(dlr+7)mod6,diro为偶数(dir+6)mod氏dir为奇数(I)本文的设计中，搜索的足连通域最外层的边界，即物体的轮廓。轮廓数据的压缩.采用的是压缩同一方向的点集，只用直线的两端点来表示的方法。得到了物体的轮廓后，进而计算该轮廓内连通区域面积的大小以及包围轮廓的最小四边形的长宽比值，用十从众多的运动物体中筛选出汽车。图9所示是汽车的识别结果，输入的二值图像(a)中，包含了行人和自行车以及大片的噪声，利用本文提出的汽车识别算法，有效地在这些物体中提取出了汽车，如图(h)所示。
3.车辆跟踪算法
目标跟踪算法需要具备实时性以及稳定性，用于跟踪的目标特征ipk不仅满要具备尺度变化、旋转不变性，还要求数据最小，具备独特性。目前存在的跟踪算法如粒子滤波算法、Camshift}0}算法，[1标特征量如灰度直方l妇、角点、纹理等信息都不适宜路面车辆的跟踪。本文提出了质心跟踪算法。2i#辆汽车都有自己独一无几的行}i}1轨迹，同一时刻不Il的汽车其质心位置相差比较大，日_同一辆汽车在前后两ipr;i的质心位置变化较小。此外，可以采用前后两帧物体质心的距离来进行汽车的匹配和跟踪。质心是包围物体轮廓的最小四边形的中心。运动物体以前后两帧质心的欧式距离作为匹配和跟踪的依据，通过设置一较小的距离闽值n，对该趾离进行判断。在距离阂值范围内的认为是同一物体。质心匹配是通过两个双链表的查询和比较来实现的。两个链表.一个是.}y前链表，一个是历史链表，分别用于保存当前帧和前一帧所有物体轮廓对应的信息。要匹配前后两l随对应的物体，就要在历史链表中找到与当前链表一一对应的物体，并用当前链表的数据对历史链表中对应物体节点的信息进行更新。因此，历史链表随时问更新，动态地保存着运动物体的信息。匹配算法的关键在于维护和更新历史链表。历史链表的更新操作分为3种悄况.一是对于新出现的物体，则应在历史链表中添加该物体对应的节点信息:二是对于消失的物体，则应该在链表中删除对应的节点信息:二是对于找到匹配的物体，则应用当前链表中物体的信息对历史链表中对应的节点信息进行更新:因此.历史链表的更新午要完成保持对原有物体跟踪的同时，动态地添加新物体和删除消失的物体。图4是质心跟踪算法的效果图。图中显示的是连续4帧的汽车跟踪画而，跟踪到的汽车以不同的数字编码表示。图巾，同一辆汽车的标号始终未变.说明，路面车辆这4帧图像中得到了准确地匹配和跟踪。因此，本文提出的质心跟踪算法实时、有效、且准确无误。
4.功能模块设计
该模块主要实现交通监控中常用的功能。如车流量的统计、车辆行驶方向的判断、车辆行驶速度的分析:记录车辆的违章行为，如逆向行驶、违章停车、越线等。基于车辆的匹配和跟踪功能的实现，结合其他图像分析的技术，还能便捷地实现其它路面车辆分析技术中所用到的功能。图5显示了一个简单的车辆监测系统的界面，画面中包含了3个信息、:跟踪到的汽车镶-辆汽车以其质心处的数字标号表示):汽车的行驶方向(以矩形框不同的颜色区分，黑表示向右行驶，白色表示向左行驶):不同行驶方向下的车流量(画面的左上角和右上角以对应的颜色表示出车流量的统计情况)。
5.结束语
论文摘要:本文围绕区域创新体系建设理论，结合云南省曲靖市区域创新等方面的成功实践，进行深入分析研究，构建了曲靖市区域创新系统的总体模型，并进一步提出了构建四大集成创新子系统(区域宏微观科技管理集成子系统;区域农业创新集成子系统;区域民营企业创新集成子系统;工业创新集成子系统)是建立区域创新系统的重要支撑。然后通过理论归纳，将支撑区域创新系统建设的四大创新集成体系进行了逻辑化、系统化、模式化的提升，并提出了一系列保障各集成体系运行的对策措施，使该体系的建设具指导性和可操作性。
0引言
当代经济出现的信息化、知识化、全球化和区域化等特征，使区域经济发展面临着新的挑战和机遇。在此新的时代背景中，区域创新能力正日益成为区域经济获取国际竞争优势的决定性因素和区域经济参与竞争优势的重要标志，而构建区域创新系统已经成为各区域实现新世纪快速发展的战略选择。因此，深入研究和认识区域创新系统理论，对于加速我国区域经济发展和指导地方技术创新工作有着重要意义。本文拟以云南省曲靖市为考察对象，对区域创新体系建设理论作一探讨。
1．曲靖市区域创新系统建设中存在的问题
1.1高校数量小，科技实力不足，创新人才资源少曲靖市基本，全日制学校中有师范学院1所、职业技术学院1所、中专7所、高完中52所、初级中学203所、完全小学1887所、中等职业技术学校12所、特殊教育学校4所、幼儿园328所、教师进修学校9所。与其他省份相比，科教实力不足，这严重制约了曲靖市知识创新能力的进一步提高。区域创新系统需要的创新人才总量不足。另外，人才结构也不尽合理，不能适应高新技术产业领域内的科技创新能力的进一步提高，这主要表现在信息技术、新材料技术、环保产业、新能源技术等高技术领域的人才紧缺，企业专业技术人员和复合型人才缺乏。同时，人才结构不合理也影响了专利类创新成果产出指标的提高，许多科研成果是科技人员为职称评定而作，完全脱离市场需求。
1．2曲靖市区域创新系统的创新环境不完善区域创新系统的构建离不开创新环境的支持，目前曲靖市创新环境的建设还不完善，具体表现为:①区域创新的文化环境和氛围还不浓厚，近年来，曲靖市大力发展区域创新体系，但曲靖区域创新文化氛围还不够浓厚，容忍失败、鼓励创新的精神尚未被普遍接受，创新要素各方未能在合作创新上达成共识。②区域创新系统的政策支持还有待进一步提高。由于政府科技管理的‘’部门分割”还存在，全市科技资源配置分散、重复和浪费，不能形成科技合力，难以开展科技攻关。科技局和其他承担科技管理的相关部门之间缺乏有机的联系，在创新活动组织、创新资源配置和创新制度建设等方面缺乏有效的宏观调控和协同机制，难以达到综合集成的效果。政府对科技创新管理的职能定位不够明确，计划管理痕迹较重，行政直接管理、控制、千预过多，政府与市场的良性互动关系尚未建立。
1.3企业自主创新能力不高，创新主体地位未完全确立企业作为区域创新系统中的“执行主体”，是科技成果转化为现实生产力的主导力量，在区域创新中具有举足轻重的地位。然而，一些大中型企业对创新的动力不强，一些规模较大的私企或者出于发展时期，或者由于所有者或经营者缺乏相应的素质和长远的眼光而没有意识到创新的重要性，从而失去对创新的动力。企业在创新投入方面没有起到主导作用。这些企业多数还没有建立起研究与开发机构，企业的科技人员素质不高，即使是已建立的研究与开发机构其整体开发能力与专业化的科研院所相比，还有较大差距，其中仍有部门不能有效进行技术开发，重要靠从国外引进技术，自主创新能力差，对引进技术的消化、吸收、再开发不够。由于企业的知识基础与技术能力有限，阻碍企业转型和技术升级，导致一些企业深陷夕阳产业而无法自拔，失去持续发展能力。
2曲靖市区域创新系统建设的对策建议
2.1完善创新环境，为区域创新提供有力保障一个地区的创新能力不仅来自于企业和研究机构内在活力的增加，更来自于良好的创新环境，包括科研、科研活动、科技产业化保障等基础设施的硬环境，也包括制度、社会文化、法规政策环境等方面的软环境，以及有利于高新技术企业创新发展的社会环境。培育和建设完善的创新环境，要以市场为导向，充分发挥地方政府的引导和调控作用，把地区有限的人力、物力、财力集中起来，形成一个局部优化的产业化环境。
【关键词】双CCD；脱绒棉种；线阵CCD；光电检测系统
1.引言
色选机是指利用物料的光学信息将劣物料剔除的集光、电、气、机于一体的高科技设备，广泛应用于农业、食品业、工业、矿业等，可以提高物料的品质，增加附加值，保障食用、使用时的安全性[1][3][4]。在棉种分选方面，传统的分选技术：种子风筛选、几何特征筛选、密度重力选种、介电式分选、颜色分选法、机器视觉分选[1][3][4][7]。虽然这些方法均有各自的优点，但没有同时判断颜色、破损棉种、或者是算法高深、采集静态图片信息等缺点。本文在颜色分选基础上利用双CCD加入破损判别，能够区分脱绒成熟棉种（黑褐色）、未熟棉种（红棕色）、破损棉种和杂质[3][4]。
2.总体结构
基于双CCD的脱绒棉种色选机光电检测系统是色选机的关键部分，其作用主要是对物料（脱绒棉种）进行检测，采集物料特征信息。系统总体框图如图1所示，主要包括光学系统、信号采集系统和信号处理系统。
图1 总体框图
3.功能简介
物料进入光电检测系统之前，要经供料系统相关处理后才能精确地在光电检测系统和分选系统区内。供料系统主要包括进料斗、振动喂料器、滑槽等。在处不详细简绍供料系统具体工作过程，主要简绍光学系统、信号采集系统和信号处理系统相关功能。
（1）光学系统
光学系统主要是有光源、背景板、光电传感器、成像系统等相关部分组成[4]。光学系统主要作用是通过光路设计使CCD能够覆盖每组棉种流的视场区域，使得所有目标图像都能够被CCD捕获。光学系统的光路结构、检测方式、光电传感器种类等，将直接影响色选机的质量与效率[3]。
（2）信号采集系统
信号采集系统采用TCD2566BFG和TCD1209作为光电传感器，对物料进行实时采集。CCD常用驱动方式有EPROM驱动法、IC驱动法、单片机驱动法以及可编程逻辑器件驱动法[5]。本文是基于FPGA设计的可再编程驱动电路，该方法优点是集成度高、速度快、可靠性好。需改变驱动电路的时序、增减功能时，仅需对器件重新编程，无需更改硬件条件[5]。
（3）处理系统
处理系统是以ALTERA公司cyclone III系列EP3C16Q240C8作为驱动实现以及后期处理的主要芯片。主要设计思想是：EP3C16Q240C8生成CCD工作所需的驱动时序，由于FPGA输出电压与CCD驱动电压之间差异，故驱动时序需反相升压器件处理，物料棉种采集信号经放大滤波电路输出，输出信号经A/D转换以后输入FPGA进行后续处理[2][6]。
4.采集处理系统设计
（1）硬件设计
硬件电路设计如下图2所示。利用光学采集系统原理，将TCD2566BFG作为彩色信号采集板A，TCD1209作为黑白信号采集板B。因两个CCD工作电压不同，采用LM2731X典型电路设计10V和12V，利用计算方法可以实现。至于处理板电源是利用LD1085D2M50、LD1085D2M33、AMS1117-2.5、AMS1117-1.2等电源转换芯片，实现电路所需的5V、3.3V、2.5V、1.2V等工作电压。在解决完电路工作所需电源之后，对于CCD驱动电路、采集信号放大滤波电路、A/D转换电路以及EP3C16Q240C8芯片工作电路均按照技术手册等信息进行设计，在此不再赘述。
图2 硬件电路框图
（2）软件设计
该部分是在硬件设计基础上，能够使CCD正常工作的关键部分。设计思想主要是利用TCD2566BFG和TCD1209的工作原理以及工作模式来设计工作时序。TCD2566BFG选择彩色模式下TDI=ON模式工作，工作需要时钟脉冲、、、、，复位脉冲RS、缓冲控制脉冲CP，转移脉冲SH、存储清晰脉冲SCG、开关脉冲SW1、SW2，另需48个虚设单元输出（dummy outputs）信号。TCD1209工作需时钟脉冲、、，复位脉冲RS、缓冲控制脉冲CP，转移脉冲SH，另需40虚设单元输出信号。因此，软件编写时需要注意虚设单元输出信号。
软件编码：TCD1209和TCD2566BFG关键代码
parameter TAGH=16，TAGL=2117，TAGHF=21，TAGLF=2112；
parameter SCGBA=0，SCGEA=30，SHBA=40，SHEA=70，TGFBA=80，TGFEA=5468，SCGBB=5478；
通过Verilog VHDL编程生成模块如图3所示，其中clk_sys系统时钟64MHZ，通过PLL（锁相环）和分频电路生产工作所需时钟信号，其中ad_in[11：0]为TCD1209经滤波放大电路及A/D转换后的采集输入信号，clk_out_0[5：0]为TCD1209工作所需的驱动频率以及A/D转换芯片时钟频率，ad_out[11：0]是经过处理后的棉种采集破损信息；ad_r_in[11：0]、ad_b_in[11：0]、ad_g_in[11：0]为TCD2566BFG经滤波放大电路以及A/D转换后的采集RBG信号，clk_out[11：0]和sw[1：0]为TCD2566BFG工作驱动频率、A/D转换芯片时钟频率及模式选择信号，ad_r_out[11：0]、ad_b_out[11：0]、ad_g_out[11：0]是经处理后棉种采集颜色信息。
图3 软件生成模块
（3）设计与仿真检测
通过Quartus II9.0中SignalTap II Logic Analyzer进行在线仿真，得到图4所示图形。
图4 FPGA在线仿真图
通过图4（b）、（c）所知，TCD2566BFG和TCD1209的时序与实际工作时序图是有所差别的，主要是器件驱动电压问题，导致FPGA输出的时序要经反相升压器才能给CCD提供驱动时钟，为此，FPGA生成时序也有相应处理。通过图4（d）可知CCD在不同物料时输出的差别，这也是我们后期处理的依据。
5.结论
本论文通过双CCD对脱绒棉种色选机光电检测系统进行设计，方案采用TCD2566BFG和TCD1209作为检测器件，EP3C16Q240C8以及反相器TC74ACT240和SN74AHCT14N设计CCD驱动电路，OPA357设计滤波放大电路、AD9224设计A/D转换电路，同时利用光学系统知识构建光学系统，使两CCD能够正常地工作，满足脱绒棉种色选机所需要求，光电检测系统稳定正常工作。
参考文献
[1]Melchor C.Pasikatan，Floyd E.Dowell.Evaluation of a High-Speed Color Sorter for Segregation of Red and White Wheat[J].Applied Engineering in Agriculture，2003，19（1）：71-76.
[2]Ivan Dolezal.Optoelectronic detector for a glass cullet sorter[C].Industrial Electronics Society，IECON 2013-39th Annual Conference of the IEEE，2013，3952-3957.
[3]刘德瑞.基于CCD的高速色选机光机系统研究[D].天津大学，2007.
[4]李江波.脱绒棉种色选机检测系统设计与实现[D].石河子大学，2008.
[5]张智辉，田地，杨义先.线阵CCD驱动电路设计的几种方法[J].仪表技术与传感器，2004（6）：32-33，52.
[6]杜鸿运，董志国，辛爱芹，王世璞.CCD色选机分选控制系统[J].仪器仪表用户，2011，18（5）：36-38.
【关键词】颜色识别；单片机；液晶显示器；步进电机
0 引言
RGB原理即世界上的任何物体的颜色都是自然界的三基色红（R）、绿（G）、蓝（B）按照不同比例构成的。这个原理几乎包括了人类视力所能感知的所有颜色，是目前运用比较广泛的颜色原理。而在自然界中，很多颜色看上去是很相近的，有的是人眼所不能识别的，这样就很容易造成误差与失误，而人的眼睛与颜色长时间打交道，就会受到伤害，这时候自然就需要一套装置设备来代替人工劳动，这样就能一定程度上减少误差与失误的避免。颜色识别自动分拣这一技术在现代社会的各行各业都有一定的应用：如在工厂中利用此技术进行货物的划分，药品厂进行不同颜色的药品的分类，生物上进行细胞的检测，生活上可以利用它检测一些瓜果的成熟度等。足以说明此技术有很好的市场前景，所以我们对颜色识别自动分拣系统的研究是很有必要的，从而达到更深层次和更广泛的应用。
1 系统设计
1.1 系统总体结构
整个颜色识别系统采用闭环控制方式。单片机作为系统控制的核心，用于连接颜色传感器实现颜色的识别；驱动步进电机进行传送；控制红外传感器的接收；控制液晶显示器的正常显示；连接串口通信，实现半双工或全双工。红外传感器部分用于检测系统是否有小球存在。颜色传感器用于实时采集系统小球的颜色，反馈给单片机。显示输出部分可以显示系统的实时小球颜色和记录采样的颜色RGB。语音部分用于小球颜色的播报。步进电机部分工作由单片机控制，主要是用来驱动圆盘的转动，从何控制小球的走向，使其到达指定的位置。
1.2 系统的硬件设计
系统设计采用了STC89C52RC单片机，该芯片具有低功耗、抗静电和抗干扰能力强、可靠性高的优点，具有8K Flash存储器和512字节的RAM，能能满足程序存储的要求，简化系统硬件电路的设计。
（1）检测系统设计
检测系统利用红外传感器，工作原理是利用红外传感器的物理性质来进行测量，红外线又称红外光，它具有反射、折射、吸收等性质。在本实验中用于检测是否有小球的存在。
（2）语音播报设计
语音播报由语音模块WTV020-S组成，在系统采样小球颜色时做出相应的语音播报动作，液晶显示器显示小球的颜色、系统的工作状态等信息，以及做出下步动作指示，可以根据需要进行设定。
（3）驱动部分设计
驱动模块利用的是步进电机以及霍尔开关一起组成，在本系统小球做出颜色识别后，步进电机在通电的情况下，在系统设定中就会去驱动圆盘的转动，从何控制小球的走向，根据系统做出的小球颜色识别使其到达指定的位置。步进电机运行后，就会在霍尔开关电路的作用下恢复到初始状态，即回到原点。
（4）颜色识别电路设计
颜色识别部分主要利用了颜色传感器TCS3200，它内部集成了可配置的硅光电二极管阵列和一个电流/频率转换器，可输出频率随光强线性变化且占空比为50%的方波。通过引脚，S0、S1来选择输出比例因子或电源关断式；S2、S3来选择滤波器的类型。在工作时可通过改变TCS3200感光部位滤光器的颜色，依次让三种原色的色光通过，根据其输出频率随光强线性变化的特性，得到色光中的红绿蓝三原色信息。例如，当选择红色滤光器时，红色光能透射到感光部位，而蓝色光则不能透过，此时即可得到红色光在此种颜色中的含量信息。
1.3 系统的软件设计
系统依据TCS3200反馈的实时小球颜色和系统采样过的颜色比对决定电机怎么运转。目标位置通过按键扫描的接口函数进行输入。
为了使程序简洁明了，便于理解和查阅，整个识别系统的软件编程采用模块化编程的方法。函数主要有TCS3200初始化、写入命令、读取数据，LCD1602初始化、写命令数据、显示，按键扫描输入，语音模块播报语音，步进电机动作等功能模块，通过主函数调用子函数模块，这样降低了程序的复杂度，使程序设计、调试和维护更加方便。
2 系统的测试与分析
为了进一步了解系统的工作性能，我们进行了实验，将该系统分别识别了红色、蓝色、白色以及黑色小球。从多次实验的结果可以看出，识别系统的误差精确识别，可以满足颜色识别系统的要求。
3 结语
本设计是以AT89C52单片机为基础，利用TCS3200颜色传感器模块，LCD1602液晶显示器模块实现色彩识别系统的，并进行了色彩识别的测试实验。其中，色彩识别的算法实现原理和各模块的实现是本论文研究的重点。色彩识别的核心及难点是RGB三种颜色测量的算法设计，算法的优劣程度很大程度上决定了色彩识别系统的优劣。通过本设计的测试，能很好的达到颜色分拣的目的。
【参考文献】
[1]王卓，杨学友，李恭.基于RGB三基色原理的手持式颜色检测仪的设计[J].天津科技大学学报，2006，21（6）.
[2]吴泽明，王俊，王景.利用单片机产生PWM信号的软件实现办法[J].机电技术，2008，2（1）.
[关键词]居家安全；zigbee；智能检测
中图分类号：TD353 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）41-0256-01
在日常生活中，有时我们会担心电器电源是否关闭、煤气或天然气阀是否关好、门窗是否锁好等，而目前相关的检测系统仅用于现代化程度较高的公寓或工农业生产，成本高昂，不能满足大众居家生活和规模较小的个体经济生产的需要，鉴于此，我们希望能够设计一种简单、经济、实用、灵活，能够走进大众生活的解决方案。
1 技术实现
1.1 系统架构
居家安全智能检测系统是一款基于ZigBee组网的集多功能一体的检测装置。现目前主要由一个中央处理器、GSM短信通知模块、还有四个检测模块（温度采集模块、家用电器开关检测模块、可燃气体检测模块、家庭意外着火检测模块）组成。
中央处理器采用mini2440开发板控制，这是一款低价实用的ARM9开发板。我们通过系统移植将Linux系统移植到开发板，使用QT、C++编程实现简单的界面控制软件，再移植到开发板上实现主控显示的功能。
1.2 方案选择
系统功能的实现主要涉及三方面的内容：传感器，无线网络，人机交互。
传感器
系统能够识别的内容有：是否有电流，是否有火灾的可能，是否有可燃气体的泄露。市面上已经有相应的传感器，可以直接输出数字信号，主控芯片可以依据厂家提供的技术手册进行辨别。
信号的传送
信号的传送主要包含两个部分：室内局域交互，室外远程交互。
室内局域交互
主要包括传感器数据的采集上传，动作命令的下达。就功能实现而言，应在室内搭建局域网络。方案设计涉及有线、无线的选择和多种的无线技术的取舍。
（1）无线与有线
无线局域网的网络速度与以太网相当，一个 AP 最多可支持多达上百个用户的接入，最大传输范围可达到几十公里，具有以下的鲜明特点：
具有高移动性，通信范围不受环境条件的限制，拓宽了网络的传输范围。在有线局域网中，两个站点的距离在使用铜缆（粗缆）时被限制在 500m ，即使采用单模光纤也只能达到 3000 m ，而无线局域网中两个站点间的距离可达到50km 。
无线技术的取舍
目前在智能家居行业中，较为主流的无线技术一共有三种：WiFi、蓝牙、和ZigBee。
（1）WiFi技术
基于WiFi技术的智能家居产品最为常见，其优势在于传输速率快，且产品成本低，生活中也最为普及，对用户来说，基于WiFi的智能家居组合最为省事，购买设备直接组网即可。
凡事都存在两面性，WiFi虽然传输快、普及广，但也存在着自身的技术劣势：其最大的问题要属安全性非常低，无线稳定性弱；功耗大也是其弱点之一，将导致其在家居领域的应用受限，例如智能门锁、红外转发控制器、各种传感器等不适宜使用；此外，WiFi的组网能力也相对较低，目前WiFi网络的实际规模一般不超过16个设备，而实际家居环境中，仅开关、照明、家电的数量就已远远多于16个，显然发展空间受到了一定的限制。
（2）Zigbee技术
ZigBee技术的安全性很高，至今全球尚未出现一起破解先例。其安全性源于其系统性的设计：采用AES加密（高级加密系统），严密程度相当于银行卡加密技术的12倍；其次，Zigbee采用蜂巢结构组网，每个设备均能通过多个方向与网关通信，网络稳定性高；另外，其网络容量理论节点为65300个，足够满足家庭网络覆盖需求，即便是智能小区、智能楼宇等仍能全面覆盖；最后，Zigbee具备双向通讯的能力，不仅能发送命令到设备，同时设备也会把执行状态反馈回来，这对终端使用体验至关重要，尤其是安防设备，倘若你点击了关门，却不知道门是否真的已经锁上，将会带来多大的安全隐患；此外，Zigbee采用了极低功耗设计，可以全电池供电，理论上一节电池能使用10年以上，节能环保。
（3）蓝牙技术
大家对蓝牙技术的熟知，恐怕要属手机上的蓝牙功能了。其功耗以及成本都介于WiFi与Zigbee两者之间，但传输距离最短，属于一种点对点、短距离的通讯方式，因在移动设备或较短距离间传输，故蓝牙产品会提供一些较为私人化的使用体验，例如蓝牙耳机、蓝牙音箱、智能秤等，由于其传输距离较短，所以并不适合组建庞大的家庭网络。
综合考虑后，采用Zigbee技术进行局域网络的搭建。
GSM应用
GSM模块，是将GSM射频芯片、基带处理芯片、存储器、功放器件等集成在一块线路板上，具有独立的操作系统、是一部手机开发人员使用ARM或者单片机通过RS232串口与GSM模块通信，使用标准的AT命令来控制GSM模块实现各种无线通信功能。基于GSM模块产品的开发往往都是基于ARM平台，使用嵌入式系统进行开发。有些GSM模块具有“开放内置平台”功能，可以让客户将自己的程序嵌入到模块内的软件平台中。直接使用由正点原子开发的GSM模块。该模块以ATK-SIM900A为核心，可以直接通过串口与主控芯片进行交互[4]。GSM模块通过AT指令进行通讯，本系统主要用到AT发短信指令“AT+CMGF=1”、“AT+CMGS=“手机号””。
2 项目总结
2.1 社会价值评估
（1）该系统的开发代表了当下嵌入式设备的新趋势，我们不再从零开始，而是借鉴和整合现有的成果。随着社会生活的不断发展，人们对于智能化设备的要求也越来越高，开发的难度和复杂度也越来越大。模块式产品的出现，使嵌入式设开发人员不必纠结于每个底层的实现，而能够将精力集中于方案的设计和芯片的代码的编写，或直接整合现有的版块，开发出更复杂的产品。
（2）居家安全智能检测系统是物联网技术应用于大众生活的尝试。我们将不同的内容整合到一个系统中，实现集中管理，如电流，煤气，烟雾，进一步的电视，电脑，微波炉，门禁等。若能够获得相应的研发支持，可以在生活中产生良好的效益。
2.2 功能拓展
（1）加入网络的版块，实现当下移动应用的需要；
（2）可以加入门禁，警报等实现闭环居家控制功能；
（3）Zigbee节点的放置应参照应用系统环境，合理地安排布局。
3 结论
本论文提出的基于Zigbee的家居安全智能检测系统，通过物物相联实现即时将家里的情况快速自行处理，当发生意外时通过短信通知房主，实现了智能安全的监测和防护，为现代家居提供进一步的理论支撑与技术指导。
参考文献
[1]高守玮.ZigBee技术实践教程[M].北京航空航天大学，2009.250-300.
[2]李从华，江芸.有线通信技术与无线通信的优劣对比分析[J].信息技术应用研究：2012（5）
关键词：包装机 PLC HMI
1.1 概述
包装机外形如图2-1所示，药粒散料由存料桶，落到三级传输带，再经过十二通道后装入药瓶。本包装机的在包装过程中的要求为：
1、 包装速度较高，每分钟装瓶约50～60瓶；
2、 药粒计数精确，确保装入药瓶的药粒个数为设定的规格个数；
3、 已装药瓶的个数实施计数 ；
4、 对于不同药粒实施包装作业时，能够现场较简便地更改参数。
设计采取软硬件结合，对电气原理主电路图设计以及PLC程序的同步设计，
2.1 包装机整体设计
本包装机包装过程中，药粒由存料桶流入电振机一带，一带以较低振动频率振动，药粒被抖动流入二带，二带电振机振动频率加快，拉大药粒间距，药粒继续流入三带，三带频率大于二带，拉大药粒间距，药粒流入十二通道，通过十二通道后，最后进入药瓶，原理图如图2-1所示
图2-1 包装机整体设计原理
十二通道每通道入口装有阻挡药粒的插板以及对射型光电传感器（插板在上，光电传感器紧挨其下面），此处设计在于，药粒必须是在拉开距离的下落过程中才能实现检测计数，如果光电传感器在上，当插板闭合时，药粒堆积，当再打开时，系统即无法实现检测计数。
插板的作用是开闭十二通道，光电传感器检测通过的药粒，检测信号送入PLC处理；药粒直接流入药瓶，当达到预先设定的药粒个数，十二通告关闭，药瓶挡板打开，挡板上装有光电检测系统，可对已装药瓶个数进行计数。从而消除了药瓶计数的玛法。
对药瓶计数有两种工作模式，一种是直接流水式计数，可清零重新开始计数；另一种是设定装瓶个数，达到个数，停止运行。系统工作示意图如图2-2所示。
2.2 硬件设计
2.2.1主要器件清单
根据2.1设计要求，所需器件列表如下表（2-1）所示
2.2.2挡板、插板动作分析
挡板、插板动作流程图如图2-2所示，信号的获取来自十二个光电传感器，信号被送入PLC进行处理，当达到设定的个数时，PLC指令，关闭十二通道插板，间隔后打开挡板（此间隔短时间将在3、2.5作出计算），药瓶挡板打开，打开间隔时间后关闭，系统如此循环运行
2.2.3 HMI、PLC网络控制结构
HMI、PLC网络构成了本包装机控制的主机，根据分装控制工艺及对计数控制器的性能要求，控制系统结构图如图2-3所示，系统由输入、输出通道及主机三部分组成。
输入通道由光电检测系统，触摸屏HMI组成；主机PLC进行计数、分装控制；输出通道由固态继电器、接触器组成，固态继电器控制电磁铁使挡板、插板，翻板动作。
采用PLC控制使系统抗干扰能力提高了，并且采用的固态继电器与电磁式继电器相比，具有开关时间短、无火花、无噪音、电磁铁动作准等优点。西门子S7-200 CPU226PLC加装两个拓展模块EM232，增加四个模拟量输出，I/O口输入输出24V供电已经拓展模块24V共供电由PLC24V传感器电源提供，PLC220V供电由三相四线中的中性线和一跟相线提供。PLC输入口为光电开关的接受端，执行机构为固态继电器和接触器。■
参考文献
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（郑州轻工业学院，电气信息工程学院，河南郑州450002）
摘要：针对核酸适体电流型传感器信号弱、噪声高、测量难的特点，设计一种可准确检测三磷酸腺苷（ATP）浓度的核酸适体传感器检测电路。该电路主要包括恒电位电路、I/V 转换电路、多级放大电路、带通滤波和锁相放大电路。利用循环伏安法研究并分析了核酸适体传感器的输出电压与被测物ATP浓度之间的关系。测试结果表明：电流型核酸适体传感器检测系统具有很高的信噪比、较好的灵敏度和线性度，线性度为0.994 0，能够满足现场快速准确测试的需求。
关键词 ：核酸适体传感器；ATP浓度；微电流检测；锁定放大；电路测试
中图分类号：TN98?34；TP216 文献标识码：A 文章编号：1004?373X（2015）14?0120?04
收稿日期：2015?01?25
基金项目：国家自然科学基金项目（61002007）；河南省科技创新人才计划项目（124100510001）
0 引言
ATP是体内组织细胞一切生命活动所需能量的直接来源，可促使机体各种细胞的修复和再生，增强细胞代谢活性[1]。细胞内ATP浓度与活细胞数量密切相关：细胞代谢受损时，ATP合成下降；细胞死亡时，在酶的作用下，ATP迅速水解消失；因此迅速而准确地测定细胞内ATP浓度在研究细胞乃至机体的生理活性和代谢过程以及临床诊断方面都有非常重要的意义。
现有ATP检测法包括定磷法、荧光素酶法、质谱法等，但这些方法所需要的仪器价格昂贵且只能在实验室内完成，无法满足现场检测要求。因此发展简便迅速的ATP检测系统意义重大。本文通过对低噪声放大技术、锁相放大技术的研究，设计了基于核酸适体传感器的ATP浓度检测电路，实现了检测系统的精确性、便携式和智能化。测试结果表明该系统能快速准确检测出ATP浓度，解决了现场检测的诸多不便。
1 检测原理
用于检测ATP浓度的核酸适体传感器是利用微机电系统（Micro Electro Mechanical Systems，MEMS）加工技术、薄膜技术并结合电化学沉积技术制备的基于共面薄膜金电极的高灵敏度传感器，本传感器采用三电极体系如图1 所示，即工作电极（Working Electrode，W）、对电极（Counter Electrode，
核酸适体传感器工作电极表面的适体采用巯基固化的单链DNA（ssDNA）或双链DNA（dsDNA）进行修饰。由于核酸适体与ATP有高亲和力和选择性，当引入ATP后，核酸适体与ATP相结合，工作电极表面产生负电荷。当在对电极上施加激励电压，工作电极与对电极之间发生氧化还原反应形成电流，该电流大小与ATP浓度有一定的关系，通过对工作电极电流信息进行检测分析，可知对应的ATP浓度。
2 检测电路设计
检测系统主要由激励信号（三角波）、恒电位电路、信号调理（I/V 转换、多级放大、带通滤波）和锁相放大组成，系统框图如图2所示。激励信号电路产生的三角波电压通过恒电位电路循环加在核酸适体传感器上，I/V转换电路将工作电极产生的电流转换成电压，再经过多级放大和带通滤波电路进行信号调理，通过锁相放大电路去除噪声，得到ATP浓度与输出电压关系曲线图。
2.1 激励信号产生模块及恒电位电路
激励信号是由单片机配合RC低通电路所产生的三角波，并将信号加到恒电位电路输入端，如图3所示。
运放OP1 与OP2 组成恒电位电路，恒电位电路的主要作用是将一个稳定的工作电压施加到传感器上，解决电化学反应过程中工作电位偏移的问题[2]，其工作原理如下：
由此可知：参比电极的电位与电化学反应过程中产生的电流无关，只与输入的激励电压与电阻有关，从而实现了恒电位功能。
2.2 信号调理电路
信号调理电路由I/V 转换电路、多级放大电路、带通滤波电路组成。本电路将核酸适体传感器得到的电流信号转换为电压信号，经放大电路放大后，通过带通滤波器保留所需频带信号。
2.2.1 I/V 转换和多级放大电路
传统的I/V 转换电路由运算放大器和反馈电阻并联组成。受运算放大器和反馈电阻的输入阻抗限制，过大的反馈电阻会使阻值的精度降低、稳定性变差、噪声增大。图4所示为改进后的T型I/V 转换电路。
核酸适体传感器在三角波电压激励下工作电极产生电流，大小约为4×10-8A，经I/V 转换电路转换成mV级以上电压。该电路的反馈电阻：
式中:R 表示电路总反馈电阻；R′表示上半部分电阻；R″表示下半部分电阻。接到输出端分压电阻上，通过并联负反馈增大反馈电阻，构成并联负反馈的各电阻的阻值都不需要太大，就可以得到足够大的总反馈电阻，从而降低电阻噪声。
多级放大电路中第一级放大电路对总噪声的影响最大，系统的总噪声系数由第一个放大电路的噪声系数决定[3]。第一级放大电路所选用的元器件应为低噪声、高精度的器件。放大电路图如图5所示，该级放大电路采用反向输入方式，输入电阻R20为10 kΩ，反馈电阻R24为100 kΩ，放大倍数n = - R24 R20 = -10 。其中电容C10的作用是进行相位补偿，避免运放产生自激振荡。
2.2.2 带通滤波电路
本设计采用通用芯片UAF42 设计中心频率为10 kHz的带通滤波器进行信号处理，滤除被测信号频率以外的其他频率信号，提高检测系统的信噪比。UAF42芯片具有自带的filter 仿真设计软件和不同品质因数、不同类型的滤波器连接图[4]。UAF42 设计带通滤波器时只需外接三个电阻，电路简单且容易实现。
基于上述优点本设计采用UAF42 通用芯片设计了中心频率为10 kHz的带通滤波器，设计参数图、设计电路图分别如图6、图7所示。
2.3 锁相放大电路
锁相放大过程是利用调制器将待测微弱直流或缓变信号变换成高频交流信号，对其放大后再解调恢复出原始信号。该过程滤除了原信号中的低频噪声（1 f 噪声），同时避免了直流放大器的直流漂移偏差。锁相放大器的基本结构如图8所示，包括信号通道、参考通道、相敏检测器（PSD）和低通滤波器（LPF）等[5]。
本电路的输入信号为10 kHz正弦波与前端低频信号调制后的信号，参考信号为10 kHz的正弦信号。在信号通道内对调制信号进行交流放大，再由带通滤波器滤除其他频率信号干扰，同时对信号进行放大处理以满足相敏检测的工作电压，相敏解调后的信号再通过低通滤波器恢复出待测低频信号，从而实现频带的搬移和消除低频噪声。采用相敏解调芯片AD630搭建的相敏检测电路如图9所示。
式中：右边的第1项为调制信号与参考信号的差频项；第2项为调制信号与参考信号的和频项；第3项为噪声信号与参考信号的和频项；第4项为噪声信号与参考信号的差频项。经过低通滤波器后输出为第1 项0.5VsVr cos(ω0 t + θ)和第4项中|ωn | - ω0 < BL（LPF的等效噪声带宽）的噪声，只要LPF的等效噪声带宽足够窄，就可以得到满意的信噪比[6]。
3 实验结果
为了研究核酸适体传感器检测ATP浓度与输出电压的关系，对标定不同浓度的ATP溶液分别进行检测，得出对应的输出电压值如表1所示。
由表1 可知，随着ATP 浓度的不断增大，输出电压值也随着增大。为了进一步研究ATP浓度输出电压值进行作图，如图10所示。可以看出，核酸适体与ATP结合后，在ATP浓度为5~100 nmoL/L时，输出电压与ATP浓度表现出良好的线性关系，相关系数R2 = 0.994 0 。
4 结语
本文设计的核酸适体传感器检测系统具有成本低、精度高、便携式的特点，电路具有较强的扩展能力，通过调整滤波器参数，可实现更宽频带信号的测量。同时，多次进行的测试证明了该核酸适体传感器检测电路性能稳定、抗噪能力强，可实现1×109 A电流检测放大，完全能够满足ATP浓度检测范围的要求。
参考文献
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作者简介：姜利英（1981—），女，河南郑州人，副教授，博士。主要研究方向生物传感器及其检测系统。
岳保磊（1987—），男，河南驻马店人，硕士研究生。主要研究方向传感器及其检测系统。
《物联网技术》杂志简介
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【关键词】水下航行器；舵机；分布式控制；角度检测
一、引言
水下航行器作为一种军民两用的水下运载器，近年来取得了长足的发展，具有广阔的应用前景和重大的经济价值。舵机是水下航行器中重要的执行机构，它根据控制器的输出指令来操纵航行器的舵面，从而改变航行器的航行姿态或航行轨迹，它的性能好坏直接决定着水下航行器的运动控制性能。舵机是一个典型闭环反馈系统，主要包括控制电路、小型直流电动机、减速齿轮组。减速齿轮组由电动机驱动，其输出端带动一个实现舵机角度检测的传感器装置。通常的检测方法是使用光电编码器和电位器，而对于舵机这样一个频繁正反转、长时间工作的执行机构，光电编码器存在抗冲击振动性差，电位器易受干扰，精度低等问题。
旋转变压器是一种精密角度、位置、速度检测装置，适用于所有使用旋转编码器的场合，特别是高温、严寒、潮湿、高速、高震动等旋转编码器无法正常工作的场合。由于旋转变压器的以上特点，可完全替代光电编码器等传感器，被广泛应用在各种领域的角度、位置检测系统中。
本文采用旋转变压器实现舵角度检测。该舵机角度检测系统以dsPIC30F6014A作为控制器核心，通过CAN总线与上级控制器进行通信，接收上级控制器的舵机角度指令，并将舵机当前实际角度和故障等信息返回给上级控制器，实现分布式控制。试验数据表明舵机角度检测性能完全满足控制系统指标要求。
二、旋转变压器的原理
旋转变压器是一种输出电压随转子角度变化的信号元件。当励磁绕组以一定频率的交流电压励磁时，输出绕组的电压幅值与转子转角成正弦、余弦函数关系，在一定转角范围内与转角成线性关系。如图1所示，旋转变压器的初级励磁绕组Np1，Np2和二相正交的次级感应绕组Ns1和Ns3，Ns2和Ns4同在定子侧，转子侧是与初级绕组和次级绕组磁通耦合的磁阻转子。
当旋转变压器转子随电机同步旋转，Np1，Np2外加交流励磁电压ENp2，Np1后，次级两输出绕组中便产生感应电势，其大小为励磁与转子旋转角的正、余弦值的乘积，其输入输出关系为：
式中：——励磁最大幅值；——励磁角频率；——旋转变压器变比；——转子旋转角度。
由旋转变压器的工作原理可知，通过给旋转变压器的原边加上正弦激励信号，可在其副边得到同相位的两路幅值为空间正交的正弦信号。通过监测它的幅值变化，即可测出旋转变压器的转子的空间角度的变化。
本文选用日本多摩川公司研究出的旋转变压器TS2142N1E63，该旋转变压器采用无刷设计，具有高可靠性、长寿命、高速旋转、绝对位置检测，能用在恶劣的环境中工作等特点。
三、舵机角度检测系统设计
旋转变压器是一种模拟型机电元件，输出的是模拟信号，不能满足数字化的要求，就需要将旋转变压器输出的交流信号直接变换成数字信号的器件，即旋转变压器/数字转换器（RDC）器件。Smartcoder-AU6802N1是一款高速、数字跟踪、全角度检测芯片，将它与旋转变压器相结合，可以将与机械转动角相应的电信息转换为数字信号并传输出来，便于计算机对电机旋转角度进行处理。AU6802N1芯片将旋转变压器的激励电路和数字转换电路集成在同一个芯片上，保证了旋转变压器激励输入的频率和相位与数字转换电路输入信号的频率和相位尽可能地保持一致。
提供给旋转变压器的励磁信号由芯片内部产生并通过RSO口输出，为了给旋转变压器的励磁绕组提供满足要求的高品质正弦波励磁信号，需要加入相应的信号处理电路，如图2所示，同时该励磁电压信号又反馈回R1E-R2E端口，用于实现内部相位同步检测和断相检测。
由旋转变压器输出的转速正弦信号和余弦信号分别通过S2-S4，S1-S3口输入，再经10位乘法器与反馈转速的数字跟踪量相乘，产生的信号再通过比较器和相位补偿及同步校正处理后，得到所需转速的精确数字量，为使所接收到的旋转变压器正/余弦信号能够满足芯片对输入信号幅值与相位的要求，相应的信号处理电路如图3所示：
舵机角度检测系统中选用Microchip公司的dsPIC30F6014A单片机作为核心处理器，用AU6802N1将旋转变压器输出的模拟位置信号（sin，cos）转换为12位数字位置信号，然后由单片机将数字位置信号读入并进行处理。
本系统通过CAN总线与上级控制器通信，CAN通信部分电路原理图如图4所示，CAN总线的接口部分采用了安全和抗干扰措施。采用光电隔离芯片6N137将CAN控制器和收发器隔离，以便有效地增加通信距离和抗干扰能力。
四、软件设计
软件采用模块化设计，其中舵机角度检测和CAN通信数据接收通过中断服务程序实现。为了提高控制系统的可靠性，在软件设计时采取了一些措施：在每个模块之后和程序存储器空白区加了软件陷阱，并且在一些重要跳转指令之间增加了软件冗余指令；对于舵机角度检测信号采用中值、均值滤波技术。软件主程序流程如图5所示。
五、试验结果及分析
本文所述舵机控制系统已应用在实际的水下航行器产品上，通过水池、湖上试验，舵机控制系统的性能完全能够满足运动控制指标要求，能够很好地实现水下航行器的上浮、下潜、左右转向等机动能力。通过记录舵角的设定值和实际测量值来分析舵机控制的动态性能和静态性能。如图6、7、8分别表示在不同设定值下的角度跟踪控制性能，其中蓝线代表设定值，红线代表实际测量值，
从图6、7、8可以看出在3种不同舵机角度设定值曲线下，通过角度检测系统测得的角度值均能够很好地跟踪设定值，具有动态响应速度快、静态误差小的优点。满足控制系统对舵机角度检测的性能要求。
六、结论
旋转变压器/数字转换器（RDC）AU6802N1与单片机构成了高精度舵机角度检测系统，其接口电路简洁，通过对转子位置进行合理的数字处理，能够实现转子位置的精确测量。试验证明，设计的接口电路和数字处理方法简单，精度高，可靠性好，抗干扰能力强，完全能够满足舵机控制系统的要求，具有较高的应用价值。
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【Abstract】In this paper， with the aid of the ultrasonic module ， the temperature sensor module and MCU microprocessor controller， it designed a set of water level and temperature detection system for the water tower ， and gives the design process in detail.The scheme has the advantages of high accuracy， low cost， simple structure， high reliability， convenient maintenance and strong expansibility. It has certain practical significance and market application value in practical production and life.
【P键词】超声波；单片机控制；水塔监测
【Keywords】ultrasound；SCM control；water tower monitoring
【中图分类号】TN216 【文献标志码】A 【文章编号】1673-1069（2017）04-0129-02
1 引言
在日常生活和工农业生产过程中，经常需要对水塔水位和水温进行监控。传统的水塔水位大部分采用浮球水位控制器，一般分为管式浮球与缆浮球。管式浮球适合清水及粘度不大的液体；缆浮球适合污水。浮球水位控制器优点是价格适中，缺点是属于开关量控制，无法给出实际水位。并且管式浮球容易卡滞，缆浮球容易缠绕，所有浮球都有触点接触不良现象，其后果是容易造成系统失控，调整控制点很不方便。另外，水塔的水温检测系统也一般是独立的系统，并不能与水位系统整合在一起，实际使用中比较不方便[1]。
基于这一现状，笔者设计了一款基于超声波和温度传感器的水塔水位水温监控系统。该系统依靠超声波的回声来测量水塔液位高度，其最大检测高度可达6m；温度传感器采用DS18B20，测温范围-55℃～+125℃。该传感器参数足以应用于水塔的水位水温监控。
2 系统方案设计
整个系统由HC-SR04超声波模块、DS18B20温度模块、显示模块、报警模块、单片机最小系统、电源管理模块、RS485总线模块等组成。系统以单片机为核心，读取DS18B20温度模块温度数据和超声波模块数据，通过RS485总线与上位机进行数据交换。系统总体框架图如图1所示。
3 硬件设计
3.1 单片机最小系统
在此次设计中，由于系统的处理任务比较少，因此采用传统的51单片机作为核心微控制器。单片机不是完成某一个逻辑功能的芯片，而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。单片机的使用领域十分广泛，如智能仪表、实时工控、通讯设备、导航系统、家用电器等[2]。
3.2 电源管理模块
电源管理模块是这个系统的能量来源，在此次设计中，采用5V直流电为超声波模块、单片机最小系统、温度检测模块、RS485总线模块、显示模块、报警模块等供电。
3.3 超声波模块
利用超声波指向性强，在介质中传播的距离较远的特点，广泛应用于物体距离的测量。利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制，并且在测量精度方面能达到工业实用的要求[3]。超声波测量水位的原理是：超声波模块放置在水塔顶端，通过超声波发射装置向水塔水面间隔一定的时间发射超声波，同时单片机打开定时器，超声波在空气中传播，途中碰到水面就立即返回来，一旦接收到返回的超声波，单片机马上关闭定时器，并读取定时器寄存器的数据，通过简单的运算计算出超声波发射到接收的时间差t，超声波在空气中的传播速度340m/s，就可以知道计算出超声波发射点距水面的距离s，即s=340×t/2，然后在设计之初先设置好超声波到水塔底的距离h1，通过单片机减法运算后即可以得出水位高度h2=h1-s。
3.4 温度检测模块
DS18B20是常用的温度传感器，单总线通信方式，具有成本低、体积小、硬件电路简单、抗干扰能力强、精度高、测温范围广、误差小的特点，广泛应用于生活和工业测温领域[4]。
3.5 RS485总线模块
RS485采用差分信号负逻辑，最大的通信距离约为1219m，最大传输速率为10Mbps，传输速率与传输距离成反比，是目前工业应用的比较常用的一种串行总线。RS485接口组成的半双工网络，一般是两线制，多采用屏蔽双绞线传输。这种接线方式为总线式拓扑结构在同一总线上最多可以挂接32个结点。在RS485通信网络中一般采用的是主从通信方式，即一个主机带多个从机。在此次设计中，该系统为从机模式，可以与上位机（主机）进行数据交换。
3.6 显示与报警模块
系统采用OLED显示屏，与单片机使用SPI总线进行数据交换，可以方便显示水温、水位的数据，并且在异常情况下显示异常信息。报警采用有源蜂鸣器加发光二极管，当水位和水温异常时，单片机IO口输出低电平，驱动PNP三极管，进而驱动蜂鸣器与发光二极管，对用户进行声光提醒[6]。
4 软件设计
水塔水位水温监测系统的程序结构由超声波模块、温度检测模块、RS485总线模块、显示与报警模块等程序组成。程序使用C语言在Keil4中进行编写调试，采用模块化程序设计思路，以使得程序结构清晰、修改方便、可移植性强、便于调试。装置上电开机后，先初始化各函数变量和各个模块，然后与主机通过RS485总线进行通信，识别主机有无指令以及指令内容。接着超声波模块发射超声波，单片机等待超声波回波，计算水位高度，判断液位高度是否正常，如果正常，在显示屏上显示当前液位高度，如果异常，显示异常信息并进行报警。然后进行水温的检测，同水位检测一样，水温正常显示当前水温，异常显示异常信息并报警。
5 结语
水塔水位水温监测系统在实际的测试与使用过程中体现出较好的实用性，基本满足了设计需求。该系统维护、检修比较方便，允许通过RS485总线组网，具有很强的扩展性与灵活性。但该装置的不足也比较明显，比如水位测量受限于超声波模块的测距最远距离，在超过6米的水塔基本无法使用，并且超声波模块的安装也需要尽量垂直于液面，否则容易出现无法接收到超声波回波的情况，进而对水位检测失败。
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