基于单片机的仓库通风控制系统的设计毕业论文Word格式.docx
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第1章绪论
1.1课题研究背景
温度作为生产生活中的重要参数对于指导生产而言具有举足轻重的作用。
温度变化体现在物质的物理和化学反应变化过程之中，随着人们对于生产工业要求的不断提升，对温度控制的必要性也随之升高生，因此怎样实现温度的精确控制成为学术界专家学者研究的重点之一。
对于不同场景下所采用的加热和控制方式均有所差异。
近年来，随着单片机的快速发展，利用单片机作为主控模块构建温度控制系统成为研究者研究热点之一，单片机作为主控单元具有功耗低、性能高、体积小等诸多优势，可满足实际生产需求。
对于仓库而言，温度和湿度的控制对于延长仓库内物品的储存时间而言显得尤为重要，所以开发实用而且可靠的仓库自动通风控制系统是一件很有必要的事。
伴随着社会经济的发展，货物的流通量越来越大，在货物的中转仓库中往往是成千上万件货物存放在一起，如果仓库内部的温度和湿度不能控制在一定的条件之中，就会影响货物的长期储存，给企业和社会带来巨大损失。
在粮仓中储存粮食时，粮仓的温度和湿度是影响粮食安全的重要影响因素，在进行储存时，若温湿度发生异常，则会造成粮食腐败或者出现病虫害等影响粮食质量的现象。
除此之外，粮食的储存也受到粮仓内气体，微生物等的影响。
在目前，粮食保质保量的存储仍然是一个不容易达到的目标，为保证粮食仓库中的温度和湿度保持在一个正常的水平，对仓库环境的温湿度的监控是必不可缺少的。
温度的监控在工业界的应用也十分广泛，当仓库内部温度超过正常水平的时候，储存物品就会发霉变质或者包装变形，所以随时监控仓库内部温度的变化，具有非常重要的实际意义，仓库温度监控系统就是为仓库内的温度变化而设计的。
1.2国内外研究现状
温度检测控制技术是仓库通风降温的关键技术之一，目前，国内已有多家公司和企业生产仓库自动温度检控产品。
虽然这些产品品种繁多，但他们的基本功能是一致的。
多是通过对仓库内外的温度进行检测和分析，然后通过机械通风的方式来对温度进行控制。
在这些产品的设计过程中会考虑环境，成本等因素的不同会采用不同的温度传感器和主控电路
随着微型计算机和传感器技术的逐渐成熟，在工业上自动化程度也越来越高。
自动监测和控制技术也被广泛应用工业生产的各个环节当中，大大提高生产的效率和安全性。
同时仓库的温度自动控制方面也有了明显的进展。
国外的仓库监控设备进二十几年的发展十分迅速，他们结合本国的工业的条件设计出具有特色的工业成就。
他们设计的仓库监控产品具有较高的技术水准，但是他们生产的产品价格往往比较昂贵。
近年来我国引进国外多家公司生产的仓库环境控制系统，吸收了国外大量先进成熟的技术，有效的推动了我国的环境温湿度自动监控技术的发展。
但存在的如，造价高，功耗大，不能与我国工业产品配套等问题，并未有使我国环境调控技术有根本的变革。
当前，我国的工业水平并不发达。
中国的仓库环境调控技术的发展应符合自己工业化道路，先引进国外的先进技术加以消化，再改进创新发展出既能符合我国经济发展水平，又能适应各种环境，具有国际先进水平的仓库环境检控系统，同时还因研制具有中国自主知识产权的产品和技术。
集成智能传感器是一个新兴的发展领域，具有很好的发展前途和广大的市场。
这需要先进集成电路和微机械加工技术，我国技术水平还很落后。
所以我们要在集成电路工艺和微机械加工方面独辟蹊径，让智能传感器的研制和生产具有一定的能力，为传感器的智能化和集成化奠定基础。
电子自动化产业的快速发展为传感器的发展提供了广阔的市场并对传感器的发展提出了更高的要求。
这促进了传感器智能化，集成化技术的日益成熟。
随着半导体技术的发展，国内外的一些大公司和高等院校也开始投入大量人力物力对温湿度传感器进行研究，大规模集成电路的出现和发展在很大程度上为集成式传感器的应用奠定了基础，使传感器朝着集成化，智能化的方向不断发展，成为新的发展潮流
1.3本文组织结构
仓库自动控制通风系统主要用于保证仓库内部温度处于安全值以内。
本文基于此主要研究了仓库自动通风降温的设计与实现。
论文的主要研究内容安排介绍如下：
第1章，对本系统的研究背景以及当前国内外对仓库通风控制系统的现状进行了说明。
第2章，在本章节实现了基于单片机的仓库通风控制系统总体方案的选择和确定。
第3章，实现了基于单片机的仓库通风控制系统系统的硬件设计。
第4章，实现了基于单片机的仓库通风控制系统系统的软件设计。
第5章，对基于单片机的仓库通风控制系统功能进行测试，并评价系统时会否达到预期功能。
第2章系统方案设计
2.1系统设计方案选择
在主控模块采用ATmega128单片机，该单片机系统体积小，系统的可靠性高，系统的成本低的优势它可称为世界上最小的应用系统。
温度采集模块采用DS18B20温度传感器，DS18B20数字温度计测量范围广，传输信息是利用单线接口来进行的，因此和CPU之间只存在一个接地连接。
温度测量范围为-40~+120°
C，误差为百分之五不需要外部电源供电。
温度的显示部分采用LED显示模块完成，当温度超过设定的阈值时单片机会驱动蜂鸣器进行报警，在内部温度超过预设值的时候发出警报声。
用户输入模块就采用简单的机械按键来对系统的预设值进行加减。
电机通风电路就采用光电耦合电路对通风电动机进行驱动，在超过预设温度开始工作。
2.2系统设计架构
根据设计要求，将系统电路划分为六大部分，分别是：
ATmega128核心模块、用户输入模块、显示电路、温度采集模块、电动机驱动模块和声音报警模块。
系统的硬件架构如图2-1所示。
图2-1系统硬件架构
各模块具体说明如下：
（1）ATmega128核心模块
包括一个“最小”ATmega128的应用系统，最小系统是核心控制模块。
（2）显示模块
主要用于显示当前系统所检测的温度信息和预置的温度。
（3）用户输入模块
主要用于用户的输入，对警报温度进行调节。
（4）温度采集模块
主要用于采集当前的温度数据。
（5）电动机驱动模块
对风扇电动机进行驱动。
（6）声音报警模块
提供报警声音。
2.3系统工作原理
本文是基于ATmega128单片机的仓库通风控制系统的设计，系统通过新型的温度传感器DS18B20对仓库内部进行多点测温。
将数据传递给核心控制器，并在LED上显示当前温度值。
如果温度超过预设值，就开启蜂鸣器报警并启动电动机进行通风降温。
图2-2系统工作流程图
第3章系统硬件设计
3.1系统整体结构
对所要研究的仓库通风控制系统进行仔细的研究和分析，对整个系统的硬件总体设计如下图所示。
图3-1系统整体结构框图
3.2单片机控制电路
在单片机模块的选择中，对比了几个可行的方案，发现该型号的单片机除了稳定性强、低功耗、低价格成本以外，还因为该单片机的封装工艺，使得通过自身的两列管脚直接插入到设备的底座上。
该型号的单片机的输入输出端口多，具有P0、P1、P2、P3四个端口，后三个是双向端口，而第一个端口则需要外接上拉电阻才能当常规I/O口使用。
该型号的单片机的制度存储器能够根据使用需要进行扩展，支持的最大扩展内存为64KB，而系统的随机存储器大小为256字节。
经过以上的对比和总结，系统的主控模块选择ATmega128单片机。
该单片机多级中断,可以64KB范围内寻址，都具有片内程序存储器，数据存储器的容量也有了加大，有的还自带片内模数转换器。
这类单片机的性价比很高现在也被较多的使用。
高集成单片机阶段，陆续有16位和32位单片机推出。
集成电路技术也得到了空前的发展，许多新型高集成的单片机进入市场，单片机的性能更加优越产品也更加丰富多彩。
在几十年里单片机就经历了4位、8位、16位、32位几个阶段，并广泛的应用于我们生活的各个方面，大到飞机火箭，小到手机玩具，单片机与我们的生活密切相关，单片机的应用也在逐渐进入新的阶段。
Tmega128是AVR系列中功能最强大的单片机,具有如下主要技术特点:
（1）它是8051单片机的升级优化版本，所以拥有更加强劲的CPU;
（2）P3.0/P3.1端口负责芯片的程序编任务;
（3）单片机的的工作电压分为3和5V两种;
（4）存储器通过片上集成最高达到1280字节;
（5）设备的输入输出端口众多;
（6）设备的时钟输出有3路;
（7）互在系统中可以直接编辑联网供应商;
该型号的单片机本身已经提供了大量的输入输出接口，但是当需要的输入的数据路数很多时，还可以通过串行口方式根据需要进行扩展。
并且在系统运行时不会出现占用的情况，是比较经济实用的扩展方式。
图3-2ATmega128的引脚
表3-1TAmega128的引脚功能
引脚
引脚功能
VCC，GND
数字电路电源和接地端
A口（PA7~PA0）
B口（PB7~PB0）
C口（PC7~PC0）
D口（PD7~PD0）
E口（PE7~PE0）
引口是一个8位的双向I/O口，端口也和其他的引脚一样可以作为一个8位双向I/O口，引脚的内部有可以选择的上拉电阻，输出缓冲也同样有对称的驱动特性，包括输入电流与输出电流。
当引脚作为输入端使用的时候，如果拉低了它的外部，会因为上拉电阻的存在，引脚将输出电流。
在复位过程中，接口为三态，这个时候时钟还未起振。
（A，B，C，D，E具有的相同功能）
F口（PF7~PF0）
F口是A/D转换的模拟入口。
但不使用转换器等时候，F口也和其他的引脚一样可以作为一个8位双向I/O口，引脚的内部有可以选择的上拉电阻，输出缓冲也同样有对称的驱动特性，包括输入电流与输出电流。
当F口作为输入端使用的时候，如果拉低了它的外部，会因为上拉电阻的存在，引脚将输出电流。
在复位过程中，F口为三态，即使此时时钟还未起振。
如果JTAG接口使能，即使复位发生，PF7（TD1），PF5（TMS）和PF4（TCK）上的上拉电阻将被激活，F口也具有JTAG接口的功能
G口（PG4~PG0）
5位的双向I/O口，内部有可以编程的上拉电阻。
其输出缓冲器可以输出和吸收大电流它也是具有对称性。
作为输入使用时，如果片内的上拉电阻使能，那么在外部拉低的情况下，端口就会输出电流。
复位发生时端口G为三态。
RESET
复位输入引脚。
系统复位的条件是超过的低电平的输入。
低于最小门限时间脉冲并不能保证可靠复位。
XTAL1
主要作为反向振荡器及片内时钟操作电路的输入
XTAL2
反向振荡器放大器的输出
AVCC
作为端口F和转化起的电源端，需要与VCC相连接，即使没有使用ADC也应该如此。
在使用ADC转换器的时候与ACC连接要通过一个低通的滤波器。
AREF
ADC转换器的模拟基准输入引脚。
PEN
SPI串行下载的使能引脚。
在上电复位过程中保持PEN为低电平将使器件进入SPI串行，在正常工作状态下该引脚没有其他功能
ATmega128单片机同其他机型的单片机类似，端口具有第二功能，根据设置的不同功能就不同。
表3-2B口的第二功能
第二功能
PB7
OC2/OC1C（T/C2的输出比较和PWM输出，或是T/C1的输出比较和PWM）
PB6
OC1B（T/C1的输出比较和PWM输出B）
PB5
OC1A（T/C1的输出比较和PWM输出A）
PB4
OC0（T/C0的输出比较和PWM输出）
PB3
MISO（SPI总线的主机输入/从机输出信号）
PB2
MOSI（SPI总线的主机输入/从机输出信号）
PB1
SCK（SPI总线的串行时钟）
PB0
SS（SPI从机选择引脚）
表3-3D口的第二功能
PD7
T2（T/C2的时钟输入）
PD6
T1（T/C1的时钟输入）
PD5
XCK1（USART1的外部时钟输入/输出）
PD4
ICP1（T/C1输入捕捉的触发引脚）
PD3
INT3/TXD1（外部中断3的输入引脚，或是UART1发送引脚）
PD2
INT2/RXD1（外部中断2的输入引脚，或是UART1接收引脚）
PD1
INT1/SDA（外部中断1的输入引脚，或是TW1的串行数据）
PD0
INT0/SCL（外部中断0的输入引脚，或是TW1的串行数据）
表3-4E口的第二功能
PE7
INT7/IC3（外部中断7的引脚入口，或是T/C3输入捕捉触发引脚）
PE6
INT6/T3（外部中断6的输入引脚，或是T/C3的时钟输入）
PE5
INT5/OC3C（外部中断5的输入引脚，或是T/C3的输入比较
和PWM输出C引脚）
PE4
INT4/OC3B（外部中断4的输入引脚，或是T/C3的输入比较和PWM输出B引脚）
PE3
ALN1/OC3A（模拟比较器负输入端或是T/C3的输入比较和PWM输出A引脚））
PE2
ALNO/XCK0（模拟比较器正输入端，或是USARTO的外部输入/输出时钟）
PE1
PDO/TXD0（编程数据输出，或是USART0的发送引脚）
PE0
PD1/RXD0（编程数据输出，或是USART0的接收引脚）
3.3温度测量电路
本次设计需要及时得到仓库的温度信息，并把得到的数据信息传递到主控系统。
所以本次设计我们需要用到温度传感器，DS18B20温度传感器是温度采集电路用来来实现功能的，该传感器的第一引脚是用来接地，第二引脚是用来进行数据输入输出的功能，接一个4.7K的上拉电阻，第三引脚用来接一个电源VCC.
3.3.1DS18B20简介
1、DS18B20的主要技术特点
DS18B20相较于其他温度传感器而言具有更为明显的优势，这体现在DS18B20具有更为广泛的测量范围和精度、可选更小的封装方式，符合构建经济且可靠性高的系统，这也是产品设计者们做出选择的重要原因。
2、DS18B20的引脚和封装
图3-3引脚图图3-4封装图
表3-5DS18B20的引脚说明
序号
说明
1
GND
接地
2
DQ
数据输入/输出脚，一线输出，漏极开关
3
VDD
可选的VDD引脚
3、DSA18B20的内部结构
DSA18B20的内部结构如图3-5所示。
图3-5DS18B20内部结构图
根据上图可知DSA18B20的内部结构包含四大部分，分别为配置寄存器、温度传感器、触发器以及64位ROM。
ROM中序列号在出厂时已被刻好，可将其视为地址序列码，不同DS18B20的序列码均不同。
ROM的作用是保证每个DS18B20具有其自身的工作特性，因此可在相同的总线上挂接多个温度传感器，实现多点温度的测量。
4、DS18B20通信协议
DS18B20采用一线通信接口，采用该通信结构首先需要完成ROM设定，使其具备控制和记忆功能。
在程序执行之后DS18B20传感器可实现外部温度信息的实时测量，测量数据会储存在DS18B20存储器当中。
用一个控制命令来控制DS18B20完成温度测量工作，所测得的数据信息储存于温度传感器的内部存储单元中，除此之外还可完成记忆功能命令执行，温度报警器的触发包含一字节EEPROM数据。
EEPROM是非易失性记忆体，可以长期存放需要保存的数据，这些寄存器可以存储一般的数据信息，还可以通过一个记忆功能命令来完成片上的字节配置。
5、DS18B20测温原理
图3-6DS18B20温度传感器测量原理
控单元借助于Scratchpad存储模块对温度传感器采集的数据进行读取以及调用，还可以使用功能指令完成数据格式的调整。
图中低温系数晶振不会随温度的变化改变。
高温系数晶振主要作为计数器二的输入信号脉冲，它的振荡率随温度变化会出现较大的起伏。
DS18B20必须经过三次转化才能把芯片所测实时温度转化。
如果要对存储和数据进行操作，必须先对DS18B20进行初始化，然后再进行RPM操作命令。
6、DS18B20注意事项
（1）在对温度传感器进行程序编写之前需要保证温度传感器模块时序正常，否则该模块将不能达到预期的测温效果，在程序编写的过程中最好采用汇编语言完成，一期增强系统的响应速度。
（2）通过微处理器总线驱动解决单总线连接点过多问题。
（3）在DS18B20测温程序时，要延时一段时间并等待传感器信号返回，否则将可能进入死循环，由此可知在进行设计时应当予以重视
3.3.2温度测量电路
测温系统具有很多优点，它的系统设计简单，有较高的精度，无需外部电路，范围也符合一般的要求，可以用于多种的测温系统当中。
在本文中，
的主要功能是采集仓库内部的温度数据，然后传递到单片机种进行分析。
温度采集模块电路图如下所示：
图3-7DS18B20与单片机连接电路
3.4显示电路
3.4.1LED简介
温度显示一般采用LED（Light-EmittingDiode）和LCD。
LED（Light-EmittingDiode）：
LED即发光二极管，是生产生活中常见的半导体元件，发光二极管的主要工作原理是通过载流子复合效应实现发光。
发光二极管可发出的颜色包含常见的红黄蓝白等多种。
LED照明产品即使用半导体发光二极管制造的照明设备，用于生产生活的照明领域之中。
LED由GaAs以及GaAsP等半导体制作而成，在半导体材料之中会通过掺杂工艺使LED发光二极管产生P、N结。
至此二极管便具有伏安特性，在特殊条件下还具有发光特性。
图3-8共阳极和共阴极LED图3-9典型的七段LED
LED数码管要加上对应的驱动电路后才能实现正常显示，根据驱动方式的不同可将其分为两种类型，其一为静态形式，其二为动态显示。
1、静态显示
静态驱动方式也称之为直流驱动。
静态驱动指的是数码管每个段码均连接单片机的输入输出接口并进行驱动，或使用BCD码进行驱动，静态驱动具有编程简单、显示效果清晰等诸多优势，但是占用的端口较多，因此会增加硬件电路的复杂性。
2、动态显示
LED数码管动态显示方式是当前LED中使用最多的形式之一，相较于静态显示方式而言，具有占用接口少以及效率高等多种优势，在动态显示中数码管是依次点亮的，因此只要系统刷新够快，由于视觉存在暂留，人眼看到的画面是十分稳定的。
因此动态显示与静态显示具有相同的效果，但是动态显示功耗更低。
3.4.2
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