基于89C51单片机的粮食水分温度综合检测仪Word格式文档下载.docx
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光纤温度传感器的精度更高，但成本较贵。
湿度:
其主要类型由湿敏，集成两种
一、湿敏元件
湿敏元件是最简单的湿度传感器。
湿敏元件主要有电阻式、电容式两大类。
湿敏电阻的特点是在基片上覆盖一层用感湿材料制成的膜，当空气中的水蒸气吸附在感湿膜上时，元件的电阻率和电阻值都发生变化，利用这一特性即可测量湿度。
湿敏电容的主要优点是灵敏度高、产品互换性好、响应速度快、湿度的滞后量小、便于制造、容易实现小型化和集成化，其精度一般比湿敏电阻要低一些。
国外生产湿敏电容的主要厂家有Humirel公司、Philip公司、Siemens公司等。
以Humirel公司生产的HS1100型湿敏电容为例，其测量范围是（1%一9%）RH，在55%1ZH时的电容量为180pF（典型值）。
湿敏元件的缺点是线性度及抗污染性差，在检测环境湿度时，湿敏元件要长期暴露在待测环境中，很容易被污染而影响其测量精度及长期稳定性。
二、集成湿度传感器
目前，国外生产集成湿度传感器的主要厂家及典型产品分别为Honeywe公司（HIH-3602,HIH-3605,HIH-3610型），Humirel公司（HM1500,HM1520,HF3223,HTF3223型），Sensiron公司（SHTI1,SHT15型）。
这些产品可分成以下三种类型:
1、线性电压输出式集成湿度传感器
典型产品有HIH3605/3610,HM1500/1520。
其主要特点是采用恒压供电，内置放大电路，能输出与相对湿度成比例关系的伏特级电压信号，响应速度快，重复性好，抗污染能力强。
2、线性频率输出式集成湿度传感器
典型产品为HF3223型，它采用模块式结构，属于频率输出式集成湿度传感器，在55%RH时的输入频率为8750Hz（典型值），当相对湿度从10%变化到95%时，输出频率就从9560Hz减小到8030Hz。
其中传感器具有线性度好、抗干扰能力强、便于配数字电路或单片机、价格低等优点。
3、频率/温度输出式集成湿度传感器
典型产品为HTF3223型。
它除具有HF3223的功能以外，还增加了温度信号输出端，利用负温度系数（NTC）热敏电阻作为温度传感器。
当环境温度变化时，其电阻值也相应改变并且从NTC端引出，纪上二次仪表即可测量出温度值。
1．2．2温湿度检测的国内外研究动态
粮情温湿度检测属监控系统范畴，近年来，由于传感器技术、计算机技术、超大规模集成电路技术和网络通信技术的发展，使监控系统广泛应用于工农业生产等领域，因此，粮情温湿度检测技术的研究在软、硬件等方面都有了一定的进展。
早期粮情监测主要采用温度计测量法，它是将温度计放入特制的插杆中，根据经验插在粮堆的多个测温点，管理人员定期拔出读数，确定粮温的高、低，决定是否倒粮。
这种方法对储粮有一定的作用，但由于温度计精度、人工读数的人为因素等原因，温度检测不仅速度慢，而且精度低，抽样不彻底，局部粮温过高不易被及时发现，导致因局部粮食发霉变质引起大面积坏粮的情况时有发生。
从1978年开始，随着科技的发展，采用电阻式温度传感器、采样器、模数转换器、警报器等组成的储粮监测系统出现，它可对各粮库的各个测温点进行巡回检测，检测速度、精度大大提高，降低了劳动强度，但由于电阻传感器的灵敏度低，致使检测精度、系统可靠性还不够理想。
至1990年，粮情检测系统有了很大的改善和提高，系统在布线上采用矩阵式布线技术，简化了数据采集部分的线路，在传感器方面应用了半导体、热电偶等器件;
在线路传输上采用了串行传输方式，从而减少了传输线根数;
采用单板机进行数据处理，并采用各种手段提高数据传输及检测速度，通过软硬件技术的结合，检测精度和可靠性较以前有很大提高。
但温度传感器的线性度差，系统的检测精度仍不理想，无法大面积推广。
近年来，随着单片机功能的日益强大和计算机的广泛应用，粮情检测的准确性、稳定性要求越来越高。
寻找最佳配置和最好的性价比成为粮情监测研究的热点。
国外在粮情温湿度监控技术上，己经达到了很成熟的地步，高科技数字式传感器广泛应用于粮情温湿度检测系统。
这种传感器采用了半导体集成电路与微控制器最新技术，在一个管芯上集成了半导体温度检测芯片、数据信号转换芯片、计算机接口芯片，存储芯片等，除完成温度检测功能外，还可完成预置范围温度、报警、多路转换、温度补偿等功能。
由于数字温度传感器直接传出数字量，从而解决了温度信号长距离传输问题及传输过程中因干扰和衰减而导致的精度降低等问题。
目前，国内出现了丰富的数字传感器配套产品，如远程控制模块、中继器、接插器、分线器等，技术也比较成熟。
1．2．3温湿度检测技术的发展方向
1、向高精度发展
随着自动化生产程度的不断提高，对传感器的要求也在不断提高，必须研制出具有灵敏度高、精确度高、响应速度快、互换性好的新型传感器以确保生产自动化的可靠性。
目前能生产万分之一以上的传感器的厂家为数很少，其产量也远远不能满足要求。
2、向高可靠性、宽温度范围发展：
传感器的可靠性直接影响到电子设备的抗干扰等性能，研制高可靠性、宽温度范围的传感器将是永久性的方向。
提高温度范围历来是大课题，大部分传感器其工作范围都在-20℃～70℃，在军用系统中要求工作温度在-40℃～85℃范围，而汽车锅炉等场合要求传感器的温度要求更高，因此发展新兴材料（如陶瓷）的传感器将很有前途。
3、向微型化发展：
各种控制仪器设备的功能越来越大，要求各个部件体积能占位置越小越好，因而传感器本身体积也是越小越好，这就要求发展新的材料及加工技术，目前利用硅材料制作的传感器体积已经很小。
如传统的加速度传感器是由重力块和弹簧等制成的，体积较大、稳定性差、寿命也短，而利用激光等各种微细加工技术制成的硅加速度传感器体积非常小、互换性可靠性都较好。
4、向微功耗及无源化发展：
传感器一般都是非电量向电量的转化，工作时离不开电源，在野外现场或远离电网的地方，往往是用电池供电或用太阳能等供电，开发微功耗的传感器及无源传感器是必然的发展方向，这样既可以节省能源又可以提高系统寿命。
目前，低功耗损的芯片发展很快，如T12702运算放大器，静态功耗只有1.5&
micro;
A，而工作电压只需2～5V。
5、向智能化数字化发展：
随着现代化的发展，传感器的功能已突破传统的功能，其输出不再是一个单一的模拟信号（如0～10mV），而是经过微电脑处理好后的数字信号，有的甚至带有控制功能，这就是所说的数字传感器。
1．3课题研究内容和意义
本文设计的是基于89C51型号单片机为核心，运用干湿球测湿计原理,间接检测温度，湿度并显示的方案。
系统主要由单片机89C51电路，时钟电路，复位电路，集成温度传感器DS18B20,显示电路组成;
软件选择汇编语言编程。
其主要具有以下功能：
通过干湿球测计原理检测,经过单片机处理，通过输出控制电路，间接得到温度，湿度，并在显示电路的LED上分别显示。
通过对系统大量的调试试验，系统检测，运行良好。
另外，在输出控制电路这块上，通过对硬件，软件的结合，还可以很容易地实现温湿度控制，报警功能。
总之，该系统灵活性强，易于操作，可靠性高，将会有广阔的开发前景。
第二章温湿度综合检测仪的整体设计
2.1系统方框图
图2－1系统方框图
本设计的主要系统组成：
两片数字温度传感器DS18B20，＋5V直流电源，单片机AT89C51，集成驱动MAX7219，八个数码管LED。
2.2温湿度检测仪的整体设计过程
2．2．1温湿度
温度和湿度检测，通常粮食温湿度检测系统主要选用热敏电阻、数字式温度传感器、光纤温度传感器作为温度传感器，也有的选用其它温度传感器，例如PN结型温度传感器。
在第一章1.2.1温度和湿度检测已有讲述，此处省略。
在实际应用中，相比较与日常生活中用的较多，技术也比较成熟的温度检测技术方面，湿度检测确是很复杂的。
在温度不变的情况下，空气绝对湿度愈大，相对湿度就愈高，绝对湿度愈小，相对湿度就愈低；
在空气中水蒸气含量不变的情况下，温度愈高，相对湿度就愈小，温度愈低，相对湿度就愈高。
湿度很久以前就与生活存在着密切的关系,但用数量来进行表示较为困难。
湿度测量始终是世界计量领域中著名的难题之一。
一个看似简单的量值，深究起来，涉及相当复杂的物理—化学理论分析和计算[11]。
常见的湿度测量方法有：
动态法（双压法、双温法、分流法），静态法（饱和盐法、硫酸法），露点法，干湿球法和电子式传感器法。
①双压法、双温法是基于热力学P、V、T平衡原理，平衡时间较长，分流法是基于绝对湿气和绝对干空气的精确混合。
由于采用了现代测控手段，这些设备可以做得相当精密，却因设备复杂，昂贵，运作费时费工，主要作为标准计量之用，其测量精度可达±
2%RH以上。
②静态法中的饱和盐法，是湿度测量中最常见的方法，简单易行。
但饱和盐法对液、气两相的平衡要求很严，对环境温度的稳定要求较高。
用起来要求等很长时间去平衡，低湿点要求更长。
特别在室内湿度和瓶内湿度差值较大时，每次开启都需要平衡6~8小时。
③露点法是测量湿空气达到饱和时的温度，是热力学的直接结果，准确度高，测量范围宽。
计量用的精密露点仪准确度可达±
0.2℃甚至更高。
但用现代光—电原理的冷镜式露点仪价格昂贵，常和标准湿度发生器配套使用。
④干湿球法，这是18世纪就发明的测湿方法。
历史悠久，使用最普遍。
干湿球法是一种间接方法，它用干湿球方程换算出湿度值，而此方程是有条件的：
即在湿球附近的风速必需达到2.5m/s以上。
普通用的干湿球温度计将此条件简化了，所以其准确度只有5~7%RH,干湿球也不属于静态法，不要简单地认为只要提高两支温度计的测量精度就等于提高了湿度计的测量精度。
⑤电子式湿度传感器法,电子式湿度传感器产品及湿度测量属于90年代兴起的行业,近年来，国内外在湿度传感器研发领域取得了长足进步。
湿敏传感器正从简单的湿敏元件向集成化、智能化、多参数检测的方向迅速发展，为开发新一代湿度测控系统创造了有利条件，也将湿度测量技术提高到新的水平。
比较以上五种测湿方法,在通用性上,很显然,前三种是不适用的,现代湿度测量方案最主要的有两种：
干湿球测湿法，电子式湿度传感器测湿法。
下面对这两种方案进行比较：
电子式湿度传感器是近几十年，特别是近20年才迅速发展起来的。
湿度传感器生产厂在产品出厂前都要采用标准湿度发生器来逐支标定，电子式湿度传感器的准确度可以达到2％一3％RH。
在实际使用中，由于尘土、油污及有害气体的影响，使用时间一长，会产生老化，精度下降，湿度传感器年漂移量一般都在±
2%左右，甚至更高。
一般情况下，生产厂商会标明1次标定的有效使用时间为1年或2年，到期需重新标定。
所以电子式湿度传感器测湿方法更适合于在洁净及常温的场合使用。
电子式湿度传感器的精度水平要结合其长期稳定性去判断，一般说来，电子式湿度传感器的长期稳定性和使用寿命不如干湿球湿度传感器。
干湿球测湿法的维护相当简单，在实际使用中，只需定期给湿球加水及更换湿球纱布即可。
与电子式湿度传感器相比，干湿球测湿法不会产生老化，精度下降等问题。
所以干湿球测湿方法更适合于在高温及恶劣环境的场合使用。
考虑到粮库的高温，高灰尘的使用场合；
系统工作的稳定性，寿命；
生产的成本价格，本系统选择干湿球测湿原理来设计温湿度综合检测仪。
其具体操作方法：
信息的采集放置两只数字化温度传感器DS18B20，一只置于被测物体所在空气中，测得的温度称为干球温度;
另一只用纱布包裹，纱布下端垂于一个蒸馏水器皿中，测得的温度称为湿球温度。
根据干湿度温度计测量原理，在得到温度（干球温度）的同时，只要计算出干球温度和湿球温度的差值，通过查温差相对湿度表就可得出湿度[3]。
2．2．2数字式温度传感器DS18B20[13]
本系统选择的温度传感器是：
数字式温度传感器DS18B20。
通常粮食温度的检测系统主要选用热敏电阻、数字式温度传感器、光纤温度传感器作为温度传感器，也有的选用其它温度传感器，例如PN结型温度传感器。
（1）热敏电阻作为温度敏感元件，热敏电阻主要优点是成本低，但需后续信号处理电路，而且可靠性相对较差，准确度和精度都较低。
（2）光纤温度传感器的精度很高，但成本较贵，如果要求在多个点检测时，显然不实际。
（3）PN结型温度传感器易受外界条件影响且精度低。
（4）DS18B20数字温度计是美国DALLAS公司最新推出的1－Wire总线数字式温度传感器，与传统的温度传感器不同，它能够直接读出被测温度，并且可根据实际要求通过简单的编程实现9－12位的数字值读数方式，可以分别在93.75ms和750ms内将温度值转化9位和12位的数字量因而使用DS18B20可使系统结构简单，可靠性更高，芯片的耗电量很小，最可贵的是这些芯片在检测点己把被测信号数字化了，因此在单总线上传送的是数字信号，这使得系统的抗干扰性好、可靠性高、传输距离远。
1-Wire单总线好处是：
与CPU接口方便，可不必过多考虑前向通道中诸如信号放大、A/D转换，多路开关选择，零点漂移、传感器供电和干扰等因素，可以在满足系统要求的前提下最大限度的减少系统开发成本和技术难度。
出厂时，DS18B20片内ROM中都光刻了唯一的64位序列号，所以可以在一根总线上挂接任意多个DS18B20，单片机根据不同的序列号作为地址寻址可以对不同的DS18B20进行监控，这样就可以很方便地构成单线多点温度测量系统。
经过综合考虑，本文选择美国DALLAS的数字式温度传感器DS18B20.
下面介绍DS18B20的基本情况：
1、DS18B20的特点：
（1）、只要求一个端口即可实现通信。
（2）、在DS18B20中的每个器件上都有独一无二的序列号。
（3）、实际应用中不需要外部任何元器件即可实现测温。
（4）、测量温度范围在－55。
C到＋125。
C之间。
（5）、数字温度计的分辨率可以从9位到12位选择（测温精度为±
0.5度）。
（6）、内部有温度上、下限告警设置。
2、DS18B20的引脚介绍：
名称
引脚功能描述
GND
地信号
DQ
数据输入/输出引脚。
开漏单总线接口引脚。
当被用着在寄生电源下，也可以向器件提供电源。
VDD
可选择的VDD引脚。
当工作于寄生电源时，此引脚必须接地。
表2－1DS18B20引脚
3、DS18B20的操作
其操作分四个部分：
初始化，ROM操作命令，存储器操作命令，DS18B20读写操作。
一.初始化
总线上的所有操作前要初始化主机，先发复位信号，之后，从机发出在线信号，后者通知主机DS18B20在线，并等待接收命令
二.ROM操作命令
主机收到DS18B20在线信号后，就可以发送四个ROM操作命令中的一个，这些命令字均为8位的16进制数（最低位在前），现将这些命令说明如下
（1）读命令（33H）
（2）选择定位命令（SSH）
（3）跳过ROM序列号检测命令（CCH）
（4）查询命令（FOH）
（5）报警查询命令（ECH）
三.存贮器操作命令
（1）写入（4EH）
（2）读出（BEH）
（3）复制（48H）
（4）开始转换（44H）
（5）回调（B8H）
（6）读电源标志（B4H）
四.DS18B20的读写操作
（1）复位
（2）写操作
（3）读操作
以上是DS18B20的操作过程。
本文选择数字式温度传感器DS18B20完全满足，系统温度范围：
－5℃～＋60℃；
精度：
±
0.5%的设计要求。
2．2．3单片机AT89C51
根据系统要求选择单片机AT89C51。
AT89C51是ATMEL公司生产的一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—FlashProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器。
图2－2AT89C51引脚
1、AT89C51的特点：
（1）、与MCS-51兼容
（2）、K字节可编程闪烁存储器
（3）、寿命：
1000写/擦循环
（4）、数据保留时间：
10年
（5）、全静态工作：
0Hz-24Hz
（6）、三级程序存储器锁定
（7）、128*8位内部RAM
（8）、32可编程I/O线
（9）、两个16位定时器/计数器
（10）、5个中断源
（11）、可编程串行通道
（12）、低功耗的闲置和掉电模式
（13）、片内振荡器和时钟电路
2、AT89C51的引脚介绍：
（略）
3．振荡器特性：
XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。
该反向放大器可以配置
为片内振荡器。
石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。
如采用外部时钟源驱动器件，
XTAL2应不接。
有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外
部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。
4．芯片擦除：
整个PEROM阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保
持ALE管脚处于低电平10ms来完成。
在芯片擦操作中，代码阵列全被写“1”
且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。
此外，AT89C51
设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉
电模式。
在闲置模式下，CPU停止工作。
但RAM，定时器，计数器，串口和中断、
系统仍在工作。
在掉电模式下，保存RAM的内容并且冻结振荡器，禁止所用其
他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。
AT89C51单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。
2．2．4共阴极显示驱动MAX7219[23]
MAX7219是美国MAXIM公司推出的三线串行8位LED可编程共阴极显示驱动器。
其片内包含有一个BCD码到B码译码器.多路复用扫描电路.段和数字驱动器及存储每个数字的8X8固态RAM。
它不需要如同在传统的显示电路中，每一个LED显示器需一个译码芯片.而每一段又需要一个限流电阻，这使电路变得简单，节省了系统很多资源，从而降低了系统成本也减少了电路板空间的要求。
图2－3MAX7219引脚
引脚介绍：
DIN串行数据输入线
DIG0-7八位数字驱动线，它从显示器上吸入电流
LOAD装载数据输入线
CLK时钟输入端
SEGA-G七位驱动器和小数点线，它供给显示器源电流
ISET通过电阻接到V+以建立峰值段电流
DOUT串行数据输出线
MAX7219是微处理器和共阴极七段－八位LED显示、图条/柱图显示或64点阵显示接口的小型串行输入/输出芯片.片内包括BCD译码器、多路扫描控制器、字和位驱动器8X8静态RAM外部只需要一个电阻设置所有LED显示器字段电流MAX7219和微处理器只需三根导线连接，每位显示数字有一个地址由微处理器写入允许使用者选择每位是BCD译码或不译码，使用者还可选择停机模式、数字亮度控制、从1-8选择扫描位数和对所有LED显示器的测试模式。
MAX7219和单片计算机连接有三条引线（D1N,CLK,LOAD），采用16位数据串行移位接收力一式即单片机将16位二进制数逐位发送到D1N端，在CLK上升沿到来前准备就绪，CLK的每个上升沿将一位数据移入MAX7219内移位寄存器，当16位数据移入完，在LOAD引脚信号上升沿将16位数据装入MAX7219内的相应位置，在MAX7219内部硬件动态扫描显示控制电路作用下实现动态显示。
2．3软件语言的选取
本系统以单片机为核心，采用汇编语言编程。
在已经有众多高级语言和可视化集成开发环境工具的今天，汇编语言仍然是一门不可缺少的有效的程序设计语言。
汇编语言是指用指令的助记符、符号地址、标号等符号书写程序的一种软件语言，它是计算机软件设计的重要工具，在系统软件开发、实时控制的和实时处理领域中有着不可替代的地位。
用汇编语言编程可以充分发挥计算机硬件的功能，进行高质量的设计，开发出的软件具有内存开销小、运算速度快的特点，而且它不独立于具体机器，是一种非常通用的低级程序设计语言，采用汇编语言编程，用户可以直接操作到单片机内部的工作寄存器和片内RAM单元，处理数据的过程非常具体。
注：
附录温差对应相对湿度表。
第三章温湿度检测仪主要硬件电路设计
3．1单片机主机系统电路
图3－1系统电路
主机系统由单片机89C51,复位电路，时钟电路组成。
3．1．1时钟电路[15]
单片机的时钟信号用来提供单片机片内各种微操作的时间基准，时钟信号通常用两种电路形式得到:
内部振荡和外部振荡。
MCS-51单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反向放大器，引脚XTALl和XTAL2分别是此放大电器的输入端和输出端，由于采用内部方式时，电路简单，所得的时钟信号比较稳定，实际使用中常采用这种方式，如图3－1所示在其外接晶体振荡器（简称晶振）或陶瓷谐振器就构成了内部振荡方式，片内高增益反向放大器与作为反馈元件的片外石英晶体或陶瓷谐振器一起可构成一个自激振荡器并产生振荡时钟脉冲。
图3-2中外接晶体以及电容C2和C3构成并联谐振电路，它们起稳定振荡频率、快速起振的作用，其值均为30PF左右，晶振频率选12MHZ．
图3－2时钟电路
3．1．2复位电路
为了初始化单片机内部的某些特殊功能寄存
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