基于單片機(jī)的糧倉溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計本科畢業(yè)設(shè)計論文

1、畢業(yè)論文設(shè)計基于單片機(jī)的糧倉溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計摘要在糧食的儲藏的過程中，由于糧倉溫濕度異常而造成糧食變質(zhì)，帶來的經(jīng)濟(jì)損失是 驚人的。目前我國許多糧食倉儲單位采用測溫儀器與人工抄錄、管理相結(jié)合的傳統(tǒng)方法， 消耗了大量的人力和財力，并且效果不佳，發(fā)霉變質(zhì)等現(xiàn)象大量存在。因此設(shè)計智能糧 倉溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)，提高了工作效率，實現(xiàn)糧倉溫濕度的實時監(jiān)控，是倉儲單位亟待解 決的重要問題。在實際的生產(chǎn)過程中，溫濕度監(jiān)控問題是一個很復(fù)雜的問題。本文通過全面分析溫 濕度監(jiān)控問題的特點以及國內(nèi)外研究開展?fàn)顩r，提出了一種溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計方 法。該系統(tǒng)采用單片機(jī)自動檢測糧倉溫濕度信息，并通過CAN總線與上位機(jī)進(jìn)行通

2、信， 來解決糧倉內(nèi)溫度和濕度的實時檢測和可靠控制的問題。進(jìn)而根據(jù)問題的特殊性，在檢 測、存儲和控制實現(xiàn)上，都做了改良，使問題可以在一個可行的時間范圍內(nèi)得到解決。 在仿真和模擬試驗中，驗證了該系統(tǒng)的可行性，分析了該系統(tǒng)在解決實際問題時的缺乏， 并提出了改良的方法。每個糧倉設(shè)有一個智能節(jié)點，該節(jié)點以 STC89C52 單片機(jī)為核心,主要完成糧倉內(nèi)溫 濕度的采集，處理，顯示并做出判斷實現(xiàn)超限報警和無差控制，還通過 CAN 總線傳至 上位機(jī)有關(guān)信息。上位機(jī)通過接收智能節(jié)點傳來的信息，了解各糧倉溫濕度情況，并且 能根據(jù)各智能節(jié)點地址，設(shè)定任何一個糧倉溫濕度的報警閾值，從而解決了多個糧倉的 溫濕度監(jiān)控問題

3、。最后，對論文工作進(jìn)行了總結(jié)，并說明了進(jìn)一步開發(fā)和研究的方向。關(guān)鍵詞：糧倉，溫濕度控制，CAN 總線The Design of Barns Temperature and Humidity MonitorSystem based on SCMIn the process of grain storage, grain deteriorates due to the abnormal of the barns temperature and humidity, and the economic losses which brought about are amazing. At present

4、many grain storage units in our country use the traditional methods which is combined of thermometer device, artificial transcription and artificial management, consuming a lot of manpower and financial resources, and the results are poor, the phenomena of mildewing and metamorphism exists in large

5、quantities. Therefore, designing the temperature and humidity monitor system on barn, improving efficiency and achieving real-time monitoring of barns temperature and humidity, is an important problem demanding prompt solution by storage units.In the actual production process, the monitoring of temp

6、erature and humiditys is a very complex issue. In this paper, a method of designing the barns temperature and humidity monitor system after fully analysis the characteristics of temperature and humidity monitor issues and domestic and the research and development status both at home and abroad. The

7、system uses microcomputer to detect the temperature and humidity information automatic, communicate with the host computer by the CAN bus and solve the problem of temperature and humiditys real-time detection and reliable control in the barn. Then according to the specificity of problem, an improvem

8、ent is made on detection, storage and controls realizing, which solves the problem reasonably in relatively short time. In the simulation, the feasibility of the system is verified, the shortage of this system when processing actual problem is also analyzed and the new improvement is raised.Each bar

9、n has an intelligent node, which is based on STC89C52 microcontroller mainly complete the collection and processing of temperature and humidity inside the barn, anddisplay and make judgments on the over-limit alarm and No difference control. It also deliver the relevant information to PC by the CAN

10、bus. Host computer find out each barn s temperatures and humidity through the information coming from intelligent nodes, and set temperature and humidity alarm threshold in every ban based due to every intelligent nodes address, and therefore the problem on Multiple barns temperature and humidity mo

11、nitor has been solved.In the end, the work in this paper is summarized and the further step of this research is clarified.Key Words: barn, temperature and humidity control, CAN-bus1緒論1.1背景“國以民為本，民以食為天，“兵馬未動，糧草先行，這些都充分說明糧食對國 家的重要性。儲糧是為了防范戰(zhàn)爭、保證非農(nóng)業(yè)人口的糧食消費需求、調(diào)節(jié)國內(nèi)糧食供 求平衡、穩(wěn)定糧食市場價格、應(yīng)對重大自然災(zāi)害及其它突發(fā)性事件而采取的有效措施

12、， 因此，糧食的科學(xué)儲藏具有重要的戰(zhàn)略意義和經(jīng)濟(jì)意義。一般來說，糧食存放在糧倉中，大型的糧倉可存放數(shù)以萬計的糧食，而且這些糧食 存放的時間有長有短。目前，我國地方及墾區(qū)的各種大型糧倉都還存在著不同程度的糧 食儲存變質(zhì)問題。根據(jù)國家糧食保護(hù)法規(guī)定，必須定期抽樣檢查糧倉各點的糧食溫度和 濕度，以便及時采取相應(yīng)的措施，防止糧食的變質(zhì)。但大局部糧倉目前還是采取人工測 量溫度和濕度的方法，這不僅使糧倉工作人員工作量增大，且工作效率低，尤其是大型 糧倉的溫度和濕度檢測任務(wù)如不能及時徹底完成，那么有可能會造成糧食大面積變質(zhì)。據(jù) 有關(guān)資料統(tǒng)計，我國每年因糧食變質(zhì)而損失的糧食達(dá)數(shù)億千克，直接造成的經(jīng)濟(jì)損失是 驚

13、人的。影響儲糧平安的最主要因素是糧堆內(nèi)的大氣條件，即溫度和相對濕度的日變化和季 節(jié)變化，而溫度和濕度兩者之間又是相互關(guān)聯(lián)的。為了保證存放在糧倉中的糧食不致腐 爛變質(zhì)，就必須使糧倉內(nèi)的溫度和濕度保持在一定的范圍以內(nèi)。利用制冷機(jī)產(chǎn)生的冷量對自然空氣進(jìn)行冷卻降溫、除濕，再通過風(fēng)機(jī)及糧倉內(nèi)的通 風(fēng)管道使冷卻后的空氣穿過糧堆，使糧食溫度降到 15以下進(jìn)行低溫儲藏的一項科學(xué)、 先進(jìn)的糧食儲藏技術(shù)。運用該技術(shù)可使糧食的低溫儲藏不受氣候條件的影響，即使在炎 熱的夏季或雨季都可實現(xiàn)。目前在興旺國家特別是西歐國家已獲得了廣泛的應(yīng)用，對于 保證糧食品質(zhì)，平安儲藏糧食起著重要的作用。利用機(jī)械制冷方法將糧溫降到515進(jìn)

14、行低溫儲藏是一種科學(xué)、先進(jìn)的儲糧方式， 具有以下特點：1與常溫儲藏相比，低溫儲藏使糧食的呼吸活動大大減弱，可延緩糧食的陳化， 保持糧食的新鮮度并降低儲糧自然減量損失。糧食在10時儲藏，由于呼吸產(chǎn)生的干物質(zhì)損失要比在20和30 時儲藏分別少4倍和15倍。2當(dāng)糧溫到達(dá)13時，害蟲的繁殖和活動就根本停止，糧溫降至10時完全停 止，因此低溫儲藏可以防止糧食遭受蟲害而造成的損失。在一些西歐國家，低溫儲糧已 不需要進(jìn)行化學(xué)藥劑熏蒸殺蟲，從而改善了糧倉工人的工作環(huán)境，防止殘留藥劑對人們 身體健康的危害。3因為霉菌等微生物喜溫，所以低溫儲糧使霉菌的活動根本停止，可有效地防 止糧食發(fā)生霉變。4糧食在通常儲藏過程

15、中，含水量一般在12%以下為平安狀態(tài)，不會產(chǎn)生溫度 突變，一旦糧倉進(jìn)水、結(jié)露等使糧食的含水量到達(dá)20%以上時，由于糧粒受潮，胚芽萌 發(fā)，新陳代謝加快而產(chǎn)生呼吸熱，使局部糧食溫度突然升高，必然引起糧食“發(fā)燒和 霉變，并可能形成連鎖反響，從而造成不可挽回的損失。而對糧食利用機(jī)械制冷方法進(jìn) 行降溫，使得糧食在高于平安水分時儲藏成為可能，因此可以提高儲糧和加工單位的效 益。對于稻谷，最適合的碾磨水分是15 %左右，但常溫下稻谷儲藏的平安水分是14 %，加工前需進(jìn)行人工增濕， 使稻谷易于產(chǎn)生爆腰，碾磨的整米率下降。假設(shè)采用人 工冷卻降溫方法， 稻谷可在15 %水分下平安儲藏(見表1.1)，從而提高稻谷碾

16、磨的整米 率，同時減少儲糧水分減量損失。在西班牙的一個碾米廠，采用機(jī)械制冷低溫儲藏稻谷 后提高整米率20 %。對于10000 噸的糧食儲量，在15 %的水分下儲藏，可減少儲糧單位 水分減量損失116173 噸。表1.1糧溫為10時糧食水分與平安儲藏期的關(guān)系糧食水分(%)糧食平安儲藏期(月)12. 0 - 15. 58 - 1215. 5 - 17. 56 - 1017. 5 - 18. 54 - 618. 5 - 20. 01 - 420. 0 - 23. 00. 5 - 223. 0 - 25. 00. 25 - 0. 51.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀與開展趨勢隨著傳感器技術(shù)、計算機(jī)應(yīng)用技術(shù)、超大規(guī)模

17、集成電路技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的開展， 監(jiān)控系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域，在此同時，糧倉溫濕度監(jiān)控技術(shù)的研究在軟、 硬件等方面都有了一定的進(jìn)展。初期，以熱敏電阻，濕敏電阻作為傳感器件，通過檢測電阻的變化來反映糧食溫濕 度的變化，為糧食保管提供參考依據(jù)。采用人工測量與人工抄錄、管理相結(jié)合的傳統(tǒng)方 法，并且用人工的方法對糧食進(jìn)行晾曬，通風(fēng)，噴灑藥劑防止因存儲不當(dāng)引起的溫濕度 異常及蟲害，消耗了大量的人力和財力，效率較低，然而往往由于判斷失誤和管理不力， 效果不佳，發(fā)霉變質(zhì)等現(xiàn)象大量存在。廣闊科技工作者近 30 年的共同努力下，糧情檢 測技術(shù)不斷完善、提高、并日趨成熟，逐步形成了樣式繁多的糧情檢測系統(tǒng)

18、，為平安、 科學(xué)儲糧起到了積極作用。目前，國內(nèi)生產(chǎn)的糧倉溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)品種繁多，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)各異，在糧倉內(nèi)外溫濕 度檢測、糧食內(nèi)部溫濕度檢測及分析、通風(fēng)機(jī)械的控制等方面，比之前有了不少進(jìn)步但 仍有進(jìn)步空間。現(xiàn)場檢測電路和上位機(jī)的通訊大多采用RS-485，使整個系統(tǒng)抗干擾能力 差，實時性和糾錯能力不強(qiáng)，增加了節(jié)點困難。當(dāng)某一通信節(jié)點出現(xiàn)故障時，還會影響 整個系統(tǒng)。國外的溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)相比照擬先進(jìn)，主要表達(dá)在以下三個方面：1無論是傳感器的測量精度、反響速度、穩(wěn)定性、功能多樣性還是使用環(huán)境方 面，國外的傳感器都比擬先進(jìn)。2構(gòu)成系統(tǒng)整體的測控技術(shù)和管理，無論是硬件還是軟件，都已普遍采用相應(yīng) 的標(biāo)準(zhǔn)模塊集成

19、，并且早已實現(xiàn)組態(tài)。3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)已經(jīng)普遍采用網(wǎng)絡(luò)連接的現(xiàn)場總線技術(shù)(FCS)，有些需要的場合，那么 連接到Internet上，實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制、遠(yuǎn)程診斷。溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)主要應(yīng)用于控制環(huán)境空間的溫度和相對濕度，從系統(tǒng)控制的角度來 看，屬于純滯后控制，而這一技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟。目前研制高精度，高性能，多功能的 溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)是主流，提高可靠性、靈活性和降低本錢也是其考慮的重點，并且系統(tǒng) 在報警、記錄、控制、通信等方面的自動化和智能化也將逐步完善。1.3設(shè)計的目的及意義科學(xué)儲糧是糧食生產(chǎn)的一個重要環(huán)節(jié)，假設(shè)管理不當(dāng)，糧食發(fā)霉或生蟲會造成極大浪 費，而糧倉管理中最重要的問題是監(jiān)測糧堆中溫度和濕度的變化。糧倉一

20、般由幾十個甚 至上百個由水泥或鋼板構(gòu)成的圓型倉組成，倉高 20-30m?，F(xiàn)在，我國在糧倉建設(shè)上己 經(jīng)實現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化，但是監(jiān)測手段一直未能實現(xiàn)同步現(xiàn)代化。我國許多儲藏糧倉每年都因 測控設(shè)備的不完善而導(dǎo)致局部糧食霉變，許多大型儲藏糧倉的測控設(shè)備仍需高價進(jìn)口， 因此國家準(zhǔn)備在未來的幾年內(nèi)對全國所有的糧倉進(jìn)行翻新和改造工作，要求標(biāo)準(zhǔn)糧倉管 理，實現(xiàn)糧倉管理現(xiàn)代化。影響儲糧平安的最主要因素是糧堆內(nèi)的溫度和濕度，因此這就要求有一種經(jīng)濟(jì)實用 的糧倉溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)能夠及時監(jiān)測糧倉溫度和濕度分布，準(zhǔn)確分析糧倉溫濕度變化， 并及時采取相應(yīng)控制措施，使得管理人員能夠方便有效地進(jìn)行監(jiān)控操作。本文只闡述了對溫濕度的檢測和

21、控制，以下所說糧情僅指溫度和濕度，但涉及到的 一些方法也適合其他糧情檢測情況。在綜合研究國內(nèi)糧倉管理現(xiàn)狀和開展的前提下，吸 收了國內(nèi)多種糧倉溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)的成功經(jīng)驗后，我們設(shè)計了自己的糧倉溫濕度監(jiān)控系 統(tǒng)。該糧倉溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)，用單片機(jī)作為前沿機(jī)或叫下位機(jī)對現(xiàn)場進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、 分析和控制，用 PC 機(jī)作為監(jiān)控機(jī)或叫上位機(jī)對糧倉進(jìn)行監(jiān)控，通過 CAN 總線實 現(xiàn)下位機(jī)與上位機(jī)聯(lián)網(wǎng)通信，從而實現(xiàn)即時遙測遙控功能。該系統(tǒng)具有可靠性和高性價 比，而且操作維修簡便，具有檢測、數(shù)顯、控制等諸多功能。糧倉溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)是利用現(xiàn)場的前沿機(jī)檢測糧食儲藏庫中糧食的根本溫濕度情 況，并結(jié)合其他糧情信息如入倉時間、品

22、種、倉型、天氣狀況等進(jìn)行綜合分析溫 濕度設(shè)定，實時溫濕度顯示，報警電路，然后通過控制電機(jī)啟停，到達(dá)對溫濕度的控 制。利用監(jiān)控室的上位機(jī)對糧倉進(jìn)行監(jiān)控，用戶可方便地構(gòu)造自己需要的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)， 在任何時候把糧倉現(xiàn)場的信息實時地傳到控制室，管理人員不需要深入現(xiàn)場，就可以按 照所需的溫濕度要求對糧倉內(nèi)的溫濕度情況進(jìn)行控制，還可以查看歷史數(shù)據(jù)，優(yōu)化現(xiàn)場 作業(yè)，提高了生產(chǎn)效率，增強(qiáng)了國家糧食儲藏平安水平，以獲得實時糧倉管理，實現(xiàn)自 動化、智能化，為實現(xiàn)我國糧倉管理現(xiàn)代化更近了一步。1.4設(shè)計的主要工作該課題主要利用單片機(jī)來測量并控制糧倉中的溫度和濕度，為了完成這個測量監(jiān)控 系統(tǒng)的任務(wù)需要做以下設(shè)計：(1

23、) 根據(jù)糧倉溫度、濕度的測量范圍及要求，選擇溫濕度傳感器。 (2) 設(shè)計溫濕度測量系統(tǒng)，使之具有多點測量及實時顯示的功能。 (3) 設(shè)計現(xiàn)場控制單元，使之能快速、準(zhǔn)確、穩(wěn)定地控制溫濕度。 (4) 設(shè)計基于 CAN 總線的遠(yuǎn)程通訊系統(tǒng)及基于 VB 的人機(jī)界面。1.5本文的研究內(nèi)容本文對所設(shè)計的系統(tǒng)進(jìn)行了介紹和總結(jié)，具體安排如下： 第一章為緒論，主要介紹了本系統(tǒng)的研究意義，研究現(xiàn)狀，開展方向以及本設(shè)計主要內(nèi)容； 第二章為方案選擇和總體設(shè)計，主要介紹了溫濕度的根本概念和測量方法，及由此確定的本系統(tǒng)方案，并對系統(tǒng)總體設(shè)計進(jìn)行了簡要介紹； 第三章為系統(tǒng)硬件設(shè)計，主要對系統(tǒng)中各模塊的硬件電路結(jié)構(gòu)，主要功能

24、及相關(guān)性能進(jìn)行了介紹； 第四章為系統(tǒng)軟件設(shè)計，主要對系統(tǒng)運行時，對應(yīng)功能實現(xiàn)所用程序進(jìn)行了介紹，并對軟件設(shè)計中應(yīng)當(dāng)注意的問題進(jìn)行了總結(jié)； 第五章為系統(tǒng)抗干擾技術(shù)，主要對系統(tǒng)運行時所受的主要干擾，以及在硬件和軟件方面的抗干擾措施進(jìn)行了介紹； 第六章為總結(jié)，那么是對本次畢業(yè)設(shè)計的設(shè)計和仿真及畢業(yè)論文的撰寫過程進(jìn)行了總結(jié)，并對系統(tǒng)完成的功能和存在的問題進(jìn)行了分析，還對下一步如果繼續(xù)做下去的 工作內(nèi)容進(jìn)行了陳述。第七、八、九章，分別為致謝，參考文獻(xiàn)和附錄。2方案選擇與總體設(shè)計2.1 溫濕度的相關(guān)概念u 溫度Temperature 溫度是表示物體冷熱程度的物理量，從分子運動論觀點看，溫度是物體分子熱運動

25、的劇烈程度。分子運動愈快，物體愈熱，即溫度愈高；分子運動愈慢，物 體愈冷，即溫度愈低。溫度是大量分子熱運動的集體表現(xiàn)，含有統(tǒng)計意義，對于 個別分子來說，溫度是沒有意義的。溫度只能通過物體隨溫度變化的某些特性來間接測量，而用來量度物體溫度 數(shù)值的標(biāo)尺叫溫標(biāo)。它規(guī)定了溫度的讀數(shù)起點零點和測量溫度的根本單位。 目前國際上用得較多的溫標(biāo)有華氏溫標(biāo)()、攝氏溫標(biāo)°C、熱力學(xué)溫標(biāo)(K)和 國際實用溫標(biāo)。溫度是分子平均動能的標(biāo)志，它決定一個系統(tǒng)是否與其它系統(tǒng)處于熱平衡狀 態(tài)，它的根本特征在于一切互為熱平衡的系統(tǒng)都具有相同的溫度。隨著物體溫度 的變化，物體的狀態(tài)會在固態(tài)、液體和氣態(tài)之間變化。整個世界

26、這么精彩就是因 為這些不同的分子、原子在不同的溫度下變化而來的。u 濕度Humidity 濕度是表示大氣枯燥程度的物理量，在一定的溫度下在一定體積的空氣里含有的水汽越少，那么空氣越枯燥；水汽越多，那么空氣越潮濕。空氣的干濕程度叫做“濕度，在 此意義下，常用絕對濕度、相對濕度、比擬濕度、混合比、飽和差以及露點等物理量來 表示。絕對濕度是一定體積的空氣中含有的水蒸氣的質(zhì)量，一般其單位是克/立方米， 其計算見公式2.1。絕對濕度的最大限度是飽和狀態(tài)下的最高濕度。絕對濕度 只有與溫度一起才有意義，因為空氣中能夠含有的水蒸氣的量隨溫度的變化而變 化。高度不同絕對濕度也不同，因為隨著高度的變化空氣的體積變

27、化。rw =Rw e= m·T V 其中的符號分別是：rw 絕對濕度，單位是克/立方米 e 蒸汽壓，單位是帕斯卡 Rù 水的氣體常數(shù)=46J/(kg K) T 溫度，單位是開爾文 m 在空氣中溶解的水的質(zhì)量，單位是克 V 空氣的體積，單位是立方米 相對濕度RH是絕對濕度與最高濕度之間的比，它的值顯示水蒸氣的飽和度有多高，其計算的見公式2.2。相對濕度是 0%的空氣不含水蒸氣，相對濕度 為 100%的空氣是飽和的空氣，相對濕度超過 100%的空氣中的水蒸氣一般凝結(jié)出 來。隨著溫度的增高空氣中可以含的水就越多，也就是說，在同樣多的水蒸氣的情況下溫度升高相對濕度就會降低。j =

28、rwrM ·100% = e ·100%E 2.2其中的符號分別是： j 表示相對濕度，單位是 1rM 最高濕度，單位是克/立方米 E 飽和蒸汽壓，單位是帕斯卡隨著糧倉中濕度的變化，糧倉中的糧食會因為濕度大而加速發(fā)芽或發(fā)霉，也會因濕 度小變得枯燥。但是，糧食的水分到底有多少那么與相對濕度的大小直接有關(guān)，相對濕度 小，說明空氣所含水蒸汽量還遠(yuǎn)沒有接近飽和量，也就是說還能容納更多的水分，相對 濕度大，說明空氣所含水蒸汽量己接近飽和量不能再容納更多的水分，反而會吸收空氣 中的水分。假設(shè)用絕對濕度來表示庫房濕度時，很難準(zhǔn)確反映糧食中水分的變化，故糧倉 中濕度都用相對濕度來表示。所以

29、，通常我們說的糧倉濕度大小，都是指糧食的相對濕 度大小。而濕度與溫度息息相關(guān)，所以我們也要關(guān)心糧倉的溫度上下。2.2 溫濕度的測量方法u 溫度的測量方法 溫度不能直接測定，它的測定是采用間接的手段，通過觀察另一種物質(zhì)，即所謂測溫介質(zhì)的物理特性變化的方法來確定。按照測量體是否與被測介質(zhì)接觸，可分為接 觸式測溫法和非接觸式測溫法兩大類。接觸式測溫法的特點是測溫元件直接與被測對象接觸，兩者之間進(jìn)行充分的 熱交換，最后到達(dá)熱平衡，這時感溫元件的某一物理參數(shù)的量值就代表了被測對 象的溫度值。這種方法優(yōu)點是直觀可靠，缺點是感溫元件影響被測溫度場的分布， 接觸不良等都會帶來測量誤差，另外溫度太高和腐蝕性介質(zhì)

30、對感溫元件的性能和 壽命會產(chǎn)生不利影響。非接觸式測溫法的特點是感溫元件不與被測對象相接觸，而是通過輻射進(jìn)行 熱交換，故可以防止接觸式測溫法的缺點，具有較高的測溫上限。此外，非接觸 式測溫法熱慣性小，可達(dá) 1/1000 秒，故便于測量運動物體的溫度和快速變化的溫 度。由于受物體的發(fā)射率、被測對象到儀表之間的距離以及煙塵、水汽等其他的 介質(zhì)的影響，這種方法一般測溫誤差較大。u 濕度的測量方法 濕度測量技術(shù)中最準(zhǔn)確的方法是絕對濕度測量的稱重法，國際上普遍使用該法作為濕度基準(zhǔn)，其次是作為二級檢定標(biāo)準(zhǔn)的阿斯曼通風(fēng)干濕計。但是這兩種方法都難以用于 自動化測控系統(tǒng)的現(xiàn)場傳感測量，工程技術(shù)中常采用絕對濕度、相

31、對濕度和露點溫度表 示法和相應(yīng)的測量技術(shù)。相對濕度測量：空氣的相對濕度所表達(dá)的是其中水氣接近飽和的程度，是指標(biāo)準(zhǔn)狀 況下，空氣中水氣的摩爾分?jǐn)?shù)與相同條件下純水外表的飽和水氣的摩爾分?jǐn)?shù)之比表示 為%RH。相對濕度測量主要用于要求保持一定濕度氣氛的紡織、薄膜生產(chǎn)等行業(yè)，武器 裝備封存、倉儲等場所，防止材料的腐蝕、霉變主要依賴于相對濕度控制。相對濕度的測量方法有毛發(fā)濕度計、干濕溫度計、各種露點計等人工視檢測量方式， 而應(yīng)用最為普及的相對濕度測量方法是溫濕度自動測控系統(tǒng)所采用的各種類型的多路 溫度與濕度檢測系統(tǒng)的研制。2.3溫濕度傳感器的選取要考慮用何種原理的傳感器，首先要看所進(jìn)行的具體測量工作，這需

32、要分析多方面 的因素之后才能確定。因為，即使是測量同一物理量，也有多種原理的傳感器可以選用， 哪一種原理的傳感器更為適合，那么需要根據(jù)被測量的特點和傳感器的使用條件考慮以下 具體問題：量程的大小、被測位置對傳感器體積的要求、測量方式是接觸式的還是非接 觸式的、信號的引出方法、傳感器的來源，國產(chǎn)還是進(jìn)口，價格是否能承受。在考慮上述問題之后就能確定選用何種類型的傳感器，然后再考慮傳感器的具體性 能指標(biāo)。傳感器的具體指標(biāo)有靈敏度，頻率響應(yīng)特性，線性范圍，穩(wěn)定性，精度等。這 些參數(shù)并不是要求越高越好，因為要求越高不僅會帶來本錢的提高，也會帶來信號處理 的難度，噪音等問題。在滿足檢測系統(tǒng)要求的前提下我們

33、一般選擇價格廉價和簡單的傳 感器。傳統(tǒng)的現(xiàn)場溫濕度檢測大都采用模擬溫濕度傳感器經(jīng)前端放大、信號調(diào)理、A/D 變 換和數(shù)據(jù)線性修正等過程來完成。放大、A/D 電路的性能對測量的精度影響較大，特別 是當(dāng)傳感器經(jīng)較長距離傳輸后與電路相連時，對電路要求更加嚴(yán)格。為提高測量精度， 需增加系統(tǒng)本錢和花費大量的時間進(jìn)行硬件電路及軟件的調(diào)試。而數(shù)字溫度傳感器其信 號的處理都在芯片內(nèi)部完成，芯片在生產(chǎn)時進(jìn)行了數(shù)據(jù)的線性校正，用戶只需通過一定 的協(xié)議從芯片中取出數(shù)字信號，就可完成精度較高的溫度測量，不必考慮模擬信號帶來 的不便，大大降低了產(chǎn)品的本錢，縮短了開發(fā)周期。本系統(tǒng)中，我采用集溫度、濕度測量于一體的數(shù)字傳感

34、器 DHT21，溫度傳感器濕 度傳感器合二為一，防止了溫度和濕度在同時測量或讀取時引起的沖突，簡單方便，快 速高效，經(jīng)濟(jì)耐用。采用該款傳感器防止了模擬傳感器帶來的共地干擾和線路干擾問題， 簡化了系統(tǒng)復(fù)雜度，提高了系統(tǒng)測量的準(zhǔn)確程度和智能化程度，并在一定程度上降低了 系統(tǒng)本錢。DHT21 輸出數(shù)字量已經(jīng)過校準(zhǔn)，傳感器包括電容式感濕元件和一個 NTC 測 溫元件，并與一個高性能 8 位單片機(jī)相連接，無需額外部件，只有一根信號線，便于擴(kuò) 展，性能穩(wěn)定，并且比同類產(chǎn)品要廉價的多，所以用在這里是我們理想的選擇。根據(jù)設(shè)計任務(wù)，為了保證系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，采用集散控制的方法，每個糧倉配備一臺現(xiàn)場控制器?，F(xiàn)場控

35、制器只有在接收到上位主控計算機(jī)的指令時才進(jìn)行其相應(yīng)操 作，其他時間單獨工作，并不斷向上位機(jī)發(fā)送測量數(shù)據(jù)，其特點如下：²當(dāng)計算機(jī)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，現(xiàn)場控制器可以繼續(xù)工作，不會影響控制功能；²溫濕度控制器的工作狀態(tài)由現(xiàn)場控制器獨立控制；²當(dāng)某一臺現(xiàn)場控制器出現(xiàn)故障時，可以立即利用備用的現(xiàn)場控制器替換，不會 影響其他糧倉溫濕度的控制，保證控制質(zhì)量。本系統(tǒng)的設(shè)計包括現(xiàn)場控制器的硬件、軟件設(shè)計，上位機(jī)監(jiān)控程序設(shè)計。按照目標(biāo) 要求，現(xiàn)場控制器完成的功能如下：Ø采集現(xiàn)場溫濕度并傳給上位機(jī)，根據(jù)設(shè)定溫濕度進(jìn)行實時控制，滿足控制要求；Ø通過 CAN 總線與上位機(jī)機(jī)

36、進(jìn)行通信；Ø顯示當(dāng)前的溫濕度測量值、設(shè)定值、實時時間；Ø可通過鍵盤設(shè)定溫濕度理想值；Ø在溫濕度超限時實現(xiàn)聲光報警；Ø能實現(xiàn)對關(guān)鍵數(shù)據(jù)的掉電保護(hù)。 上位機(jī)軟件完成的功能如下：Ø采集、儲存溫濕度值，繪制、打印實時曲線；Ø設(shè)定溫濕度上下限，并給出報警；Ø控制現(xiàn)場控制器是否發(fā)送實時數(shù)據(jù)；Ø查詢、打印溫濕度數(shù)據(jù)的歷史曲線；Ø與現(xiàn)場控制器進(jìn)行通信，顯示控制器狀態(tài)。 根據(jù)糧倉溫濕度范圍和控制精度要求，采用數(shù)字溫濕度復(fù)合傳感器 DHT21。由于使用 CAN 總線實現(xiàn)現(xiàn)場與主控室的通信，傳輸距離可到達(dá) 10km，最高通信速

37、率可達(dá)1Mbps，完全能滿足通信距離和通行速率的要求。由于現(xiàn)場環(huán)境有干擾，為了保證系統(tǒng) 可靠工作，采用自帶看門狗的單片機(jī) STC89C52，保證有干擾時，程序能夠自動復(fù)位并 開始正常工作。根據(jù)系統(tǒng)的目標(biāo)任務(wù)及總體設(shè)計方案，繪制系統(tǒng)的總體框圖如圖 2.1 所示。圖 2.1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)原理圖本系統(tǒng)以糧倉的溫濕度為監(jiān)測對象，主要由 PC 機(jī)、USB 轉(zhuǎn) CAN 總線模塊和智能 節(jié)點三局部組成。位于主控室的上位監(jiān)控機(jī)，可以隨時隨地通過界面友好、使用方便的監(jiān)控軟件實現(xiàn) 對各個糧倉中各采集點溫濕度的監(jiān)控。作為信號傳輸層的 USB 轉(zhuǎn) CAN 總線模塊是連接 上位監(jiān)控機(jī)和智能節(jié)點的橋梁，上位監(jiān)控機(jī)發(fā)出的控制

38、信號，以及智能節(jié)點的反響信號 都是通過它傳遞的。糧倉內(nèi)的智能節(jié)點，能獨立完成溫濕度的測量和控制，還能通過 CAN 總線與上位監(jiān)控機(jī)通信，并根據(jù)命令按照上位機(jī)的設(shè)定溫濕度進(jìn)行控制以及決定 是否向上位機(jī)發(fā)送實時溫濕度數(shù)據(jù)，智能節(jié)點原理圖如圖 2.2 所示。圖 智能節(jié)點原理圖東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計論文第 12 頁智能節(jié)點由 STC89C52 最小系統(tǒng)和 DHT21 溫濕度測量電路，鍵盤輸入電路，LCD 液晶顯示電路，聲光報警電路，掉電保護(hù)電路，實時時鐘電路，輸出控制電路以及 CAN 總線通信模塊構(gòu)成，能完成對一個糧倉內(nèi)多點溫濕度數(shù)據(jù)采集，溫濕度控制，能輸入所 要控制到的溫濕度值，能顯示出溫濕度值

39、和實時時間，能超限報警，有掉電保護(hù)功能， 還能通過 CAN 總線接口與 CAN 總線通信。智能節(jié)點的原理框圖如圖 2.3 所示。圖 2.3智能節(jié)點的原理框圖因為固態(tài)繼電器的輸入控制屬于兩位控制，只有開或關(guān)兩個狀態(tài)，不能進(jìn)行線性控 制，所以其控制算法采用 PWM 控制。為了到達(dá)很快的控制速度，很高的控制精度，取 得令人滿意的控制效果，再結(jié)合糧倉溫濕度這一被控對象的特點，系統(tǒng)中，對傳統(tǒng)的 PWM 控制又做了一些改良。系統(tǒng)控制原理框圖如圖 2.4 所示。圖 2.4系統(tǒng)控制原理框圖系統(tǒng)中，下位機(jī)通過程序控制各外圍器件的工作，完成檢測實時溫濕度，判斷是否報警，并控制溫濕度，還能實現(xiàn)與上位機(jī)的通信，其主程

40、序流程圖如圖 2.5 所示。開始初始化讀取溫濕度標(biāo)值向CGRAM寫字符設(shè)定狀態(tài)？否是清看門狗存放器 否 上位機(jī)允許？是 發(fā)送到can總線設(shè)定并顯示設(shè)定值 聲光報警處理存儲溫濕度設(shè)定值 PWM控制輸出數(shù)字濾波接收can總線數(shù)據(jù) 顯示前數(shù)據(jù)處理否 發(fā)向本節(jié)點？ 否顯示溫濕度？是算出溫濕度設(shè)定值 是 顯示實時溫濕度存儲溫濕度設(shè)定值 讀取實時時間讀取實時溫濕度 顯示實時時間圖 2.5下位機(jī)主程序流程圖3系統(tǒng)硬件設(shè)計3.1STC89C52 簡介STC89C52 是 STC 公司推出的 8 位單片機(jī)，與 MCS-51 單片機(jī)產(chǎn)品兼容，超強(qiáng)的加 密功能，極高的擦寫次數(shù)大于 100000。STC89C52 最

41、高可支持 80MHz 時鐘頻率，具有 1 個看門狗定時器WDT，4 個中 斷優(yōu)先級。本系統(tǒng)設(shè)計時，采用了 12M 的時鐘頻率，用 T0 產(chǎn)生 PWM 脈沖，用 WDT 保證系統(tǒng)穩(wěn)定運行。在本系統(tǒng)中，每個糧倉設(shè)一個智能節(jié)點，該節(jié)點以 STC89C52 為現(xiàn)場控制器，可以 實現(xiàn)一個糧倉內(nèi)溫濕度的監(jiān)控。系統(tǒng)中，單片機(jī)用到的各引腳與外圍電路的連接情況為： P07 連接數(shù)據(jù)采集電路，P00、P01 、P02 以及 P03 連接 CAN 總線通信模塊，P10、P11、 P12 以及 P2 口連接 LCD，P13、P14 和 P15 連接 DS1302，P04、P05、P06、P32 以及 P33 連接鍵盤

42、電路，P34 連接聲光報警電路，P35 連接輸出控制電路，P36 和 P37 連接掉 電保護(hù)電路，STC89C52 的最小系統(tǒng)如圖 3.1 所示。圖 單片機(jī)最小系統(tǒng)3.2數(shù)據(jù)采集電路本設(shè)計中的數(shù)據(jù)采集電路是由多路模擬開關(guān)和一系列的數(shù)字溫濕度傳感器DHT21 構(gòu)成的，每個傳感器都有特定的編號，在特定的位置測量，其電源一直供電，通過單片 機(jī)控制多路模擬開關(guān)的導(dǎo)通，選擇性讀取具體的某一個DHT21的測量結(jié)果，多路模擬開 關(guān)逐個導(dǎo)通就實現(xiàn)了循環(huán)數(shù)據(jù)采集。DHT21是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號輸出的溫濕度復(fù)合傳感器，它應(yīng)用專用的數(shù)字 模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，確保產(chǎn)品具有極高的可靠性與卓越的長期穩(wěn)定性。

43、采 用該款傳感器防止了模擬傳感器帶來的共地干擾和線路干擾問題，同時也防止了溫度和 濕度分開測量和處理的復(fù)雜和麻煩，簡化了系統(tǒng)復(fù)雜度，提高了系統(tǒng)測量的準(zhǔn)確程度和 智能化程度，并在一定程度上降低了系統(tǒng)本錢。傳感器包括一個電容式感濕元件和一個NTC測溫元件，并與一個高性能8位單片機(jī) 相連接，無需額外部件。每個DHT21傳感器都在極為精確的濕度校驗室中進(jìn)行校準(zhǔn)，校 準(zhǔn)系數(shù)以程序的形式儲存在OTP內(nèi)存中，傳感器內(nèi)部在檢測信號的處理過程中要調(diào)用這 些校準(zhǔn)系數(shù)。單線制串行接口，使系統(tǒng)集成變得簡易快捷，連接方便。該產(chǎn)品具有品質(zhì) 卓越、超快響應(yīng)、抗干擾能力強(qiáng)、性價比高等優(yōu)點，超小的體積、極低的功耗，較遠(yuǎn)的 信號

44、傳輸距離，使其成為各類應(yīng)用甚至最為苛刻的應(yīng)用場合的最正確選那么，其應(yīng)用領(lǐng)域有 暖通空調(diào)、汽車、家電、氣象站、醫(yī)療、濕度調(diào)節(jié)器、除濕器、數(shù)據(jù)記錄器、測試及檢 測設(shè)備等，傳感器的實物圖和封裝信息如下圖。圖3.2DHT21實物及封裝圖3.2.1DHT21 性能說明DHT21 的主要性能指標(biāo)如表 3.1 所示。表3.1 傳感器性能說明響應(yīng)時間的測量條件25，1m/s 空氣參數(shù)條件MinTypMax單位供電電流測量mA待機(jī)mA采樣周期-12-S濕度分辨率-%RH-16-Bit重復(fù)性-±1-%RH精度25-±3-%RH050-±5%RH互換性可完全互換響應(yīng)時間1/e(63%)

45、-2-S遲滯-±-%RH長期穩(wěn)定性典型值-±1-%RH/yr溫度分辨率-16-Bit重復(fù)性-±-精度-±量程范圍-40-80響應(yīng)時間1/e(63%)6-20S注：采樣周期不得低于最小值，否那么會引起錯誤。建議連接線長度短于20米時用5K上拉電阻,大于20米時根據(jù)實際情況使用適宜的上拉電阻。DHT21的標(biāo)值供電電壓為5V，傳感器上電后，要等待 1s 以越過不穩(wěn)定狀態(tài)在此期間無需發(fā)送任何指令。電源引腳VDD電源正極，供電 -DC，GND電源負(fù)極，接 地，這兩個引腳之間可增加一個100nF 的電容，用以去耦濾波。DATA引腳是串行數(shù)據(jù)接口，用于微處理器與 DH

46、T21之間的通訊和同步，采用單 總線數(shù)據(jù)格式，一次通訊時間5ms左右，具體格式在下面說明，當(dāng)前數(shù)據(jù)傳輸為40bit， 高位先出。NC引腳是空腳，要懸空，不能接VCC或GND。3.2.3DHT21 數(shù)據(jù)格式DHT21 所能測量的，溫度和濕度都是有一位小數(shù)的數(shù)據(jù)其數(shù)據(jù)格式如式 3.1 所示。40bit數(shù)據(jù)=16bit濕度數(shù)據(jù)+16bit溫度數(shù)據(jù)+8bit校驗和 校驗和的算法和驗證如式所示。濕度高8位+濕度低8位+溫度高8位+溫度低8位=和的末8位=校驗和 例如：接收40bit數(shù)據(jù)為0000 00101000 11000000 00010101 11111110 1110 驗證：0000 0010+

47、1000 1100+0000 0001+0101 1111=1110 1110，那么對應(yīng)濕度=RH溫度=當(dāng)溫度低于0時溫度數(shù)據(jù)的最高位置1。例如：-表示為1000 0000 0110 01013.2.4DHT21 時序用戶主機(jī)MCU發(fā)送一次開始信號后，DHT21從低功耗模式轉(zhuǎn)換到高速模式， 等待主機(jī)開始信號結(jié)束后，DHT21發(fā)送響應(yīng)信號，送出40bit的數(shù)據(jù)，并觸發(fā)一次信號采 集，總線上的信號如圖3.3所示。由于主機(jī)從DHT21讀取的溫濕度數(shù)據(jù)總是前一次的測 量值，如兩次測量間隔時間很長，那么要連續(xù)讀兩次以獲得實時的溫濕度值。圖 主從機(jī)對話信號空閑時總線為高電平，通訊開始時主機(jī)(MCU)拉低總

48、線500us后釋放總線，延時20-40us后主機(jī)開始檢測從機(jī)DHT21的響應(yīng)信號，從機(jī)的響應(yīng)信號是一個80us左右的 低電平，隨后從機(jī)在拉高總線80us左右代表即將進(jìn)入數(shù)據(jù)傳送，總線上的信號如圖3.4 所示。圖 開始數(shù)據(jù)傳送時信號高電平后就是數(shù)據(jù)位，每1bit數(shù)據(jù)都是由一個低電平時隙和一個高電平組成。低電 平時隙就是一個50us左右的低電平，它代表數(shù)據(jù)位的起始，其后的高電平的長度決定數(shù) 據(jù)位所代表的數(shù)值，較長的高電平代表1，較短的高電平代表0。共40bit數(shù)據(jù)，當(dāng)最后一 位數(shù)據(jù)傳送完畢后，從機(jī)將再次拉低總線50us左右，隨后釋放總線，由上拉電阻拉高。數(shù)字1信號表示方法如下圖，數(shù)字0信號表示方法

49、如下圖。圖 3.5DHT21 數(shù)字 1 信號表示法圖3.6DHT21數(shù)字0信號表示法為了提高系統(tǒng)監(jiān)控的靈活性，在下位機(jī)的設(shè)計中參加了鍵盤和顯示功能，這樣不僅可以通過上位管理機(jī)對參數(shù)進(jìn)行設(shè)置、顯示，下位機(jī)也可直接進(jìn)行設(shè)置和顯示，然后通 過 CAN 網(wǎng)絡(luò)通信給上位管理機(jī)，進(jìn)行同步控制。鍵盤是由假設(shè)干個按鍵組成的開關(guān)或開關(guān)矩陣，它是一種廉價而常用的輸入設(shè)備。常 用的鍵盤電路分為兩種：獨立鍵盤和矩陣鍵盤。獨立鍵盤適合于單個輸入，一個鍵盤對 應(yīng)一個 I/O 口，可以通過查詢 I/O 口的上下電平確定按鍵的狀態(tài)。矩陣鍵盤用于按鍵數(shù) 量較多的場合，它有行線和列線組成，按鍵位于行、列的交叉點上，行線、列線分別

50、連 接到按鍵開關(guān)的兩端，按鍵個數(shù)等于行數(shù)乘以列數(shù)，所以可大大節(jié)省 I/O 口的使用。查 詢按鍵的狀態(tài)時，常用的方法有：行掃描法、列掃描法和線翻轉(zhuǎn)法。使用按鍵時，必須要考慮的消除按鍵抖動的影響，消除按鍵抖動簡稱按鍵消抖，其 方法分為硬件消抖和軟件消抖。硬件消抖有用 RC 濾波電路，單穩(wěn)態(tài)電路和雙穩(wěn)態(tài)電路, 用的最多且效果最好的是雙穩(wěn)態(tài)的 RS 觸發(fā)器電路。軟件消抖也就是延時消抖，節(jié)省硬 件資源，使用廣泛。在本系統(tǒng)中，由于不需要很多按鍵，I/O 口又有大量剩余，系統(tǒng)采用了一個撥碼開 關(guān) K1 和四個獨立按鍵開關(guān) K2、K3、K4、K5。為了防止在單片機(jī)引腳在懸空狀態(tài)下外 界的干擾可能會導(dǎo)致單片機(jī)的

51、誤動作，而給每一個開關(guān)加上了 5.1k 上拉電阻來提高抗干 擾能力。判讀按鍵是否按下，等待按鍵釋放以及按鍵去除抖動都是在軟件里實現(xiàn)的。鍵盤電路原理圖如圖 3.7 所示。圖3.7鍵盤電路原理圖3.4LCD 顯示電路3.4.1電路概述系統(tǒng)中，采用了工業(yè)字符型液晶 1602 做信息顯示器件，1602 上下兩行共可顯示 32 個字符，1602 有體積小，重量輕，壽命長，功耗低，顯示信息清晰穩(wěn)定的優(yōu)點。系統(tǒng)工 作時，LCD1602 顯示如圖 3.8 所示。圖 3.8LCD1602 顯示的信息3.4.2LCD1602 引腳1602 采用標(biāo)準(zhǔn)的 16 腳接口，各引腳說明如表 所示。在系統(tǒng)中，單片機(jī) P10、

52、 P11、P12 分別連接著 RS、R/W、E，P2 口連接著數(shù)據(jù)總線 D0D7。通過這些接口， 單片機(jī)控制著 LCD1602 的工作。表3.2LCD1602引腳功能說明編號符號引腳說明編號符號引腳說明1VSS電源地6E使能信號2VDD電源正極典型值 5V7-14D0D7Data I/O 數(shù)據(jù)線3VL液晶顯示偏壓信號可調(diào)15BLA背光源正極4RS數(shù)據(jù)/命令選擇端H/L16BLK背光源負(fù)極5R/W讀/寫選擇端H/L3.4.3LCD1602 控制器整個 1602 模塊主要由 LCD 顯示屏、控制器、列驅(qū)動器和偏壓產(chǎn)生電路構(gòu)成?？刂?器主要由指令存放器 IR、數(shù)據(jù)存放器 DR、忙標(biāo)志位 BF、地址計

53、數(shù)器 AC、字符顯示緩 沖區(qū) DDRAM、標(biāo)準(zhǔn)字模區(qū) CGROM、自建字模區(qū) CGRAM 及時序發(fā)生電路組成。指令存放器 IR，內(nèi)部存儲 DDRAM 和 CGRAM 中的數(shù)據(jù)顯示的指令代碼和地址信數(shù)據(jù)存放器 DR，內(nèi)部暫時存儲單片機(jī)與模塊內(nèi)部 DDRAM 和 CGRAM 之間的傳送數(shù)據(jù)，內(nèi)部操作使 DR 與 DDRAM 或者 CGRAM 之間的數(shù)據(jù)傳送自動進(jìn)行。忙標(biāo)志位 BF，為“1說明模塊正在進(jìn)行內(nèi)部操作，此時不接受任何外部指令和數(shù) 據(jù)；只有 BF 為“0時，單片機(jī)才能訪問模塊。地址計數(shù)器 AC，是 DDRAM 或者 CGRAM 的地址指針。隨著 IR 中指令碼的寫入， 指令碼中攜帶的地址信息自動送入 AC 中，并確定 AC 做 DDRAM 還是 CGRAM 的地址 指針。DR 與 DDRAM 或者 CGRAM 之間完成一次數(shù)據(jù)傳送后，AC 會自動加 1 或減 1。字符顯示緩沖區(qū) DDRAM，存儲顯示字符的字符碼，直接和屏幕上的點相對應(yīng)，屏 幕上的一個點和 DDRAM 中的一個位對應(yīng)，共 80 個字節(jié)。標(biāo)準(zhǔn)字模區(qū) CGROM，保存了