基于单片机粮仓的温度控制设计.docx

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基于单片机粮仓的温度控制设计

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摘要

在粮食的储藏的过程中，由于粮仓温湿度异常而造成粮食变质，带来的经济损失是惊人的。

目前我国许多粮食仓储单位采用测温仪器与人工抄录、管理相结合的传统方法，消耗了大量的人力和财力，但是效果不佳，发霉变质等现象大量存在。

因此设计智能粮仓温湿度监控系统，提高工作效率，实现粮仓温湿度的实时监控，是仓储单位亟待解决的重要问题。

温湿度作为一个重要的物理量，是粮食仓库中最普遍、最重要的工艺参数之一。

随着时代的进步、社会的发展、科学技术的不断更新，温湿度测量的准确性要求不断提高，因此温湿度检测也成为一个重要的研究课题。

本设计实现的是单片机温湿度测量与控制系统，通过液晶显示器（LCD）显示所测量的温湿度。

系统采用集温湿度传感器与A/D转换器为一体的SHT11芯片，通过单片机处理进行显示，其它模块包括了实时时钟/日期产生电路和超限报警处理电路，对所测量的值进行实时显示和报警处理。

本文介绍了基于ATMEL公司的AT89C51系列单片机的温湿度实时测量与控制系统和显示系统的设计，包括硬件结构原理，并分析了相应的软件的设计及其要点，包括软件设计流程及其程序实现。

系统结构简单、实用，提高了测量精度和效率。

关键词：

单片机；SHT11；LCD；DS1302；温湿度控制

Abstract

Intheprocessofgrainstorage,graindeterioratesduetotheabnormalofthebarn’stemperatureandhumidity,andtheeconomiclosseswhichbroughtaboutareamazing.Atpresentmanygrainstorageunitsinourcountryusethetraditionalmethodswhichiscombinedofthermometerdevice,artificialtranscriptionandartificialmanagement,consumingalotofmanpowerandfinancialresources,andtheresultsarepoor,thephenomenaofmildewingandmetamorphismexistsinlargequantities.Therefore,designingthetemperatureandhumiditymonitorsystemonbarn,improvingefficiencyandachievingreal-timemonitoringofbarn’stemperatureandhumidity,isanimportantproblemdemandingpromptsolutionbystorageunits.

Thetemperatureandhumidityisanimportantphysicalquantity,isthemostcommonandimportanttechnicalparametersingrainstorages.Withtheprogressofthetimes,thedevelopmentofsociety,scienceandtechnologyunceasingrenewal,thetemperatureandhumiditymeasurementaccuracyrequirementscontinuetoincrease,sothetemperatureandhumiditydetectionhasbecomeanimportantresearchtopic.

ThedesignandimplementationofmeasurementandcontroltemperatureandhumidityisMCUsystem,throughwhichthetemperatureandhumiditymeasurementliquidcrystaldisplays（LCD）.SystemadoptssettemperatureandhumiditysensorandA/DconverterforSHT11chipmicrocontrollerprocessing,throughthatothermodulesincludingreal-timeclock/dateproducecircuitandtheoff-gaugealarmcircuit,thevalueofmeasurementforreal-timedisplayandalarm.ThepaperintroducestheATMELcompanybasedonAT89C51single-chipseriesoftemperatureandhumiditymeasurementandcontrolsystemandreal-timedisplaysystemdesign,includingthehardwarestructureandprinciple,andthecorrespondingsoftwaredesign,includingthedesignofthesoftwareanditskeyprocessandprocedure.Systemstructureissimple,practical,andimprovethemeasuringprecisionandefficiency.

KeyWords:

MCU,SHT11,LCD,DS1302,Temperatureandhumiditycontrol

1绪论

1.1问题的提出背景及研究意义

农业是国民经济的基础，粮食是基础的基础。

近年来，随着农业科学技术的不断进步，农业生产持续而稳定地增产，农户生产粮食数量也日益增多，绝大部分农民不仅解决了温饱问题，而且有了更多的粮食，粮食年产量和常年储存量均居世界首位。

中央粮食储备有较为完善的仓储设施和技术保障，在保证国家粮食安全方面发挥着重要作用。

但是，我国还有一半以上的粮食储存在农民手中，这些粮食的储藏安全是国家粮食安全的重要组成部分。

长期以来由于种种原因，忽视了农户粮食储藏技术的研究与推广，农户粮食的储藏技术非常落后，给国家和人民造成了巨大的损失，与此同时粮食产量增长所依赖的资源正在告急，如耕地面积进一步减少，水土流失日益严重，生态平衡遭到破坏，人口仍在增长的状况，而提高粮食总产量的空间已很小，并且我国到2040年人口将达到16.6亿，根据我国现有的光、热、水、土和气候资源，中国科学院在《我国土地的人口承载能力研究》中指出：

我国粮食最大可能生产能力为8.3亿吨，按联合国确定的最低标准人均500kg计，16.6亿人口是我国国土的人口承载能力的极限。

这就迫使我们必须将粮食产后的损失降低到最低限度，减少粮食的储藏损失无疑是利国利民的好事，是保证国家粮食安全的大事。

在这样一种大形势下，国家投资兴建了大型现代化粮库，最大粮库方圆几公里，仓库房数为数十个。

由于大型粮库中粮仓的容量和粮库的规模都是前所未有的，这些因素对原有小粮库的正常运行带来了一些新问题。

主要存在问题有如何随时掌握每个仓内粮食的质量变化情况，保证入库的粮食在较长时间的保存期内不变质。

目前我国农业正处于从传统农业向以优质、高产、高效益为目标的现代农业转化的新阶段。

环境控制工程作为农业生物速生、优质、高产的手段，是农业现代化的重要标志。

粮仓的环境由多个因子组成，如温度、光照、湿度及二氧化碳浓度等。

因此，采用先进的人工智能技术，科学、合理地控制影响作物的环境因子，通过计算机控制设备进行环境控制，以便给作物生长创造一个最佳的环境条件，做到既提高产品的质量、产量、经济价值和社会效益，又尽量降低生产成本，这对粮仓环境施行自动检测和控制是非常必要的。

粮仓设施的关键技术是环境控制，主要是温湿度的控制，其目的是提高控制及作业精度。

并且随着城市居民生活节奏的加快以及人民生活水平的不断提高，人们对于亚健康的问题越来越关注，因此对于居住环境的要求也越来越高，舒适的环境已不仅仅限于宽敞豪华的住宅，同时也希望在自己的小家里也会有大自然的调节作用，能够根据人类的需要，设定相应的温湿度。

因此研究温湿度的控制非常有必要，它可以优化组合社区资源，提升服务水平，推动反房地产等其他行业的发展，为他们带来新的商机。

1.2国内外现状

粮仓测控技术的研究始于20世纪70年代，它是科学保粮的重要技术之一，随着国家农业产业政策的不断完善，以及现代科学技术在农业生产中的应用和推广，国家粮食总产量不断创造历史新高。

但国家的粮食储备状况自建国以来却没有得到明显改善，全国80％左右的粮食仍采用原始的存储方式。

初期，以铜电阻、热敏电阻作为传感器件，通过检测电阻的变化来反映粮食温度的变化，为粮食保管提供参考依据。

但此工作靠人工一点一点测量，效率低，准确性差。

在粮食部门各级领导的关怀和粮食行业科技主管部门的大力支持下，在粮食行业内、外广大科技工作者近30年的共同努力下，粮食检测技术不断完善、提高，并日趋成熟，逐步形成了样式繁多的粮仓检测系统，为安全、科学储粮起到了积极的作用。

在储藏过程中，粮食受温度、湿度及其它因素的影响，可能出现发热、霉变、虫害等情况。

为了减少粮食储藏过程中的损失，保障粮食的品质和质量，首先应该及时准确地掌握粮食储藏过程中各种物理因素的变化情况，找出其变化规律。

法国储粮专家Je．Lasseran，D．Berhant采用温度调节器来控制温度。

实验在一个储量500吨、高16米的中型仓中进行。

研究表明：

在低温气候下，从夏季到秋季经2～3次通风，每次要持续几个晚上，每天4～10小时，可将温度从300C降到SC（在英国气候条件下）。

在冬天粮温可保持不变，并在春天有所上升，经过一年的实践表明：

不仅卫生状况良好，而且粮食的品质没有变化。

澳人利弧Gib等专家最近研究了一种以PC机为基础的可遥控和监测通风系统的通风控制器，该控制器包括一台PC机和相关的软件、气象预报台和粮堆中的灵敏元件，它能灵活地、有效地控制通风系统，减少通风费用，并可以实行联网，从而不必依靠仓库管理人员收集的情况，就能得到通风系统的有关数据和系统的运行情况。

目前，他们在进一步完善该通风控制系统并建立通风过程中热量和物质水分转换的数学模型。

1987年我国吴子丹等报道了储粮机械通风的计算机控制系统，根据在仓房内通风试验得到的数据，建立一个数学模型表示粮食平衡水分的关系，用该模型编制电算程序，观察粮食的通风效果，并根据物理参数的变化，确定控制通风的有效方式；1988年王善顺等报道了机械通风储粮与自动控制，并介绍了机械通风控制器的试验情况；2004年汤庆设计了粮库温度监控系统，该系统从温度传感器、数据传输方式、上位机监控软件三个方面入手对粮库系统加以改进；2005年施伟徉研究了基于CAN总线的粮食监控系统，该系统完成了对各仓房的温湿度的实时巡检，并通过对采集到数据进行处理分析来掌握粮食的储存情况。

现在国内已有数十家企业生产粮情检测系统产品，品种繁多，系统结构各异，但其基本功能无外乎粮仓内外温湿度检测、粮食内部温度检测及分析、通风机械的控制等几项。

现代温湿度传感器测量系统技术主要以数据采集为依据，主要类型包括：

虚拟仪器、智能仪器、数字式仪器等等。

伴随着电子科学技术的进一步发展，数据采集系统也发生了日新月异的变化，其整体的性能、实用性方面都有所改进。

因此，依托于数据采集结构而发展的温湿度传感器测量系统在实际应用中也发挥着越来越重要的作用。

目前，许多外国大型企业都很重视传感器的研发工作，例如，日本的Figaro公司、芬兰的Vaisala公司等，都致力于传感器的发展和完善，以保障其在整个销售市场的竞争力。

在九十年代，先后出现了集成温度湿度测量套件和应用于湿度传感器的测试系统，这些新技术的产生都大大刺激了传感器的进一步发展。

与此同时，国内许多机构也在传感器测试装置的研发上不断探索、研发。

例如通过采用传统电子仪器进行设计研发而成的多种动态测试系统、气体传感器智能测试系统等等，这些成绩都体现了我国在传感器领域取得的成就。

当然，随着科技的进步，传统的温湿度测试技术在稳定性、精度等方面已经无法满足市场的需求，因此，针对新一代传感器的探究显得尤为重要。

1.3课题的研究目的及内容

为了使得粮仓内粮食一直处于相对适宜的环境，我们就要随时对温湿度进行监控，对于不利情况能够及时地做出显示及报警，并能够采取相应的措施提醒用户进行调整，以达到最适宜的温湿度。

首先我们必须了解温湿度控制对于家庭和现在社会的重要性，其次我们才能够对此做出更好的判断，以求更好地满足用户的需要。

温湿度的控制是我们研究的主要内容。

数字化温湿度检测的方法为一旦环境中的温湿度发生变化，温度传感器和湿度传感器随着温湿度的变化而变化，然后将变化的电阻通过转换电路转换为与之对应变化的电压，然后把模拟电压信号由A/D转换器转换为数字信号并送入到单片机中，对采集到的信号单片机进行滤波处理并通过查表得到实际测量的温湿度值，之后通过单片机的各外部接口电路显示该温湿度值。

本设计温度检测的范围10℃-50℃，测温精度：

±2℃；湿度检测范围20%-80%RH，测湿精度：

±5％RH。

如果温湿度超过预设值的话，蜂鸣器和发光二级管都会给出相应报警提醒，用户即可做出调整。

2控制系统的硬件电路设计

2.1整体设计方案

本设计核心部件为AT89C51，信号采集及处理部分由SHT11构成，进入单片机并且经处理后通过LCD1604显示温湿度，信号显示采用的液晶屏为5×7点阵，一行可显示16字，四行。

其他组成部分为实时时钟发生电路，产生同现在相同的时间和具体日期，通过LCD1604液晶模块显示。

在软件设计部分有对测量的温湿度进行上下值的设定，当测量超过限定值时，通过超限报警处理电路对其进行处理后分别控制不同的二极管灯亮，蜂鸣器产生长鸣。

硬件中包括一个开关，为复位开关。

开机后，所有器件初始化，DS1302产生实时时间和日期，温湿度传感器SHT11开始进行温湿度测量和计算，最后通过两个LCD液晶显示器显示结果。

在测量结果中有超过设定的温湿度上下限的，通过超限模块作出反应。

整体电路框图如图2.1。

图2.1整体电路框图

89C51是一种带4k字节可编程可擦除的低电压高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。

89C2051是一种带2K字节只读存储器的单片机。

单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。

该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。

由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，89C51单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活且价廉的方案[1]。

2.2微控制器模块

2.2.1复位电路设计

这种复位电路的工作原理是：

单片机的复位电路在刚接通电时，电容是没有电的，电容内的电阻很低，通电后，5V的电通过电阻给电容进行充电，电容两端的电会由0V慢慢的升到4V左右（此时间很短，一般小于0.3秒），RC构成的微分电路在上电瞬间产生一个微分脉冲，其宽度大于两个机器周期，89C51将复位。

正因为这样，复位脚的电由低电位升到高电位，引起了内部电路的复位工作，RST端电压慢慢下降，降到一定电压值以后，即低电平，单片机开始正常工作（这是单片机的上电复位，也叫初始化复位）；当按下复位键时，电容两端放电，电容又回到0V了，于是又进行了一次复位工作（这是手动复位原理）[2]。

其电路图如图2.2所示。

图2.2手动复位及晶振电路

2.2.2时钟电路设计

此模块是为系统时间的实时显示而设计的，主要由芯片DS1302构成，其中引脚RST、CLK、I/O分别接单片机P3.0、P3.1、P3.2口，属于控制引脚，如图2.3[3]所示。

图2.3实时时钟电路

此模块产生实时的系统时间和日历，能对某个确定环境的实时温湿度控制起到一定的作用。

芯片连接电路简单，时间日期准确。

DS1302是DALLAS公司推出的涓流充电时钟芯片，内含有一个实时时钟/日历和31字节静态RAM，通过简单的串行接口与单片机进行通信。

实时时钟/日历电路提供秒分时日、日期月年的信息。

每月的天数和闰年的天数可自动调整，时钟操作可通过AM/PM指示决定采用24或12小时格式。

DS1302与单片机之间能简单地采用同步串行的方式进行通信仅需用到三个口线：

RES复位、I/O数据线、SCLK串行时钟。

时钟RAM的读/写数据以一个字节或多达31个字节的字符组方式通信，DS1302工作时功耗很低，保持数据和时钟信息时功率小于1毫瓦[4]。

DS1302是由DS1202改进而来，增加了以下的特性：

双电源管脚用于主电源和备份电源供应；Vcc1为可编程涓流充电电源；附加七个字节存储器；它广泛应用于电话传真便携式仪器以及电池供电的仪器仪表等产品领域。

2.3传感电路设计

此模块是整个电路设计的信号采集及初步处理的模块，由温湿度传感器芯片SHT11构成，如图2.4所示。

（1）SHT11简介

SHT11是瑞士Scnsirion公司推出的一款集数字温湿度传感器于一体的传感器芯片。

温湿度传感器SHT11集温度传感器和湿度传感器于一体，因此采用SHT11进行温湿度实时监测的系统具有精度高、成本低、体积小、接口简单等优点；另外SHT11芯片内部集成了14位A/D转换器，且采用数字信号输出，因此抗干扰能力也比同类芯片高。

该芯片已经广泛应用于暖通空调、汽车、消费电子、自动控制等领域。

其主要特点如下：

①高度集成，将温度感测、湿度感测、信号变换、A/D转换和加热器等功能集成到一个芯片上；

②提供二线数字串行接口SCK和DATA，接口简单，支持CRC传输校验，传输可靠性高；

③测量精度可编程调节，内置A/D转换器（分辨率为8～12位，可以通过对芯片内部寄存器编程选择）；

④测量精确度高，由于同时集成温湿度传感器，可以提供温度补偿的湿度测量值和高质量的露点计算功能；

⑤封装尺寸超小（7.62mm×5.08mm×2.5mm），测量和通信结束后，自动转入低功耗模式；

⑥高可靠性，采用CMOSens工艺，测量时可将感测头完全浸于水中。

图2.4SHT11传感器电路

（2）SHT11的内部结构和工作原理

温湿度传感器SHT11将温度感测、湿度感测、信号变换、A/D转换和加热器等功能集成到一个芯片上，其内部结构如图2.5所示。

该芯片包括一个电容性聚合体湿度敏感元件和一个用能隙材料制成的温度敏感元件。

这两个敏感元件分别将湿度和温度转换成电信号，该电信号首先进入微弱信号放大器进行放大，然后进入一个14位的A/D转换器，最后经过二线串行数字接口输出数字信号。

SHT11在出厂前，都会在恒湿或恒温环境

中进行校准，校准系数存储在校准寄存器中，在测量过程中，校准系数会自动校准来自传感器的信号。

此外，SHT11内部还集成了一个加热元件，加热元件接通后可以将SHT11的温度升高5℃左右，同时功耗也会有所增加。

此功能主要为了比较加热前后的温度和湿度值，可以综合验证两个传感器元件的性能。

在高湿（>95％RH）环境中，加热传感器可预防传感器结露，同时缩短响应时间，提高精度。

加热后SHT11温度升高、相对湿度降低，较加热前，测量值会略有差异[5]。

图2.5SHT11内部结构图

表2.1SHT11控制指令代码

命令代码

含义

00011

测量温度

00101

测量湿度

00111

读内部状态寄存器

00110

写内部状态寄存器

11110

复位命令，使内部状态寄存器恢复默认值。

下一次命令前至少等待11ms

其他

保留

微处理器是通过二线串行数字接口与SHT11进行通信的。

通信协议与通用的I2C总线协议是不兼容的，因此需要用通用微处理器I/O口模拟该通信时序。

微处理器对SHT11的控制是通过5个5位命令代码来实现的，命令代码的含义如表2.1所示。

（3）SHT11应用设计

①湿度线性补偿和温度补偿

SHT11可通过DATA数据总线直接输出数字量湿度值。

该湿度值称为“相对湿度”，需要进行线性补偿和温度补偿后才能得到较为准确的湿度值。

由于相对湿度数字输出特性呈一定的非线性，因此为了补偿湿度传感器的非线性，要对湿度值加以修正，修正式如式2.1所示：

（2.1）

式中：

RHlinear为经过线性补偿后的湿度值，SORH为相对湿度测量值，C1、C2、C3为线性补偿系数。

由于温度对湿度的影响十分明显，而实际温度和测试参考温度25℃有所不同，所以对线性补偿后的湿度值进行温度补偿很有必要。

补偿公式如式2.2所示：

（2.2）

式中：

RHtrue为经过线性补偿和温度补偿后的湿度值，T为测试湿度值时的温度（℃），t1和t2为温度补偿系数。

②温度值输出

由于SHT11是采用PTAT能隙材料制成的温度敏感元件，因而具有很好的线性输出。

实际温度值可由式2.3算得。

（2.3）

式中：

d1和d2为特定系数，d1的取值与SHT11工作电压有关，d2的取值则与SHT11内部A/D转换器采用的分辨率有关。

③露点计算

露点是一个特殊的温度值，是空气保持某一定湿度必须达到的最低温度。

当空气的温度低于露点时，空气容纳不了过多的水分，这些水分会变成雾、露水或霜。

露点可以根据当前相对湿度值和温度值计算得出，具体的计算公式如式2.4与式2.5所示：

（2.4）

（2.5）

式中：

T为当前温度值，SORH为相对湿度值，Dp为露点。

2.4显示电路设计

此模块分为两个显示部分，一个部分是由LCD1604芯片组成的日期时间和实时温湿度显示的电路部分，如图2.6所示。

另一部分是由LCD128×64液晶显示模块组成的电路部分，如图2.7所示。

LCD1604是一个四行每行16字的液晶显示屏，D0-D7接P0口，RS、RW、E接P3.5、P3.6、P3.7起控制作用。

LCD128×64组成部分用来显示“温度和湿度的控制与测量

”及“温度：

℃，湿度：

%”，其作用是让人了解此实验的目的，作用不明显，这里不做重点介绍。

图2.6LCD1604显示及其连接电路

1604采用标准的16脚接口，其中：

第1脚：

VSS为地电源。

第2脚：

VDD接5V正电源。

第3脚：

V0为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地时对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度。

第4脚：

RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器，低电平时选择指令寄存器。

第5脚：

RW为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。

当RS和RW共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当RS为低电平RW为高电平时可以读忙信号，当RS为高电平RW为低电平时可以写入数据。

第6脚：

E端为使能端，当E端由高电平变成低电平时，液晶模块执行命令。

第7～14脚：

D0～D7为8位双向数据线。

第15～16脚：

空脚。