基于单片机的智能仓库设计Word格式文档下载.docx
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防潮、防霉、防腐、防爆是仓库日常工作的重要内容，是衡量仓库管理质量的重要指标。
传统的方法是用与湿度表、毛发湿度表、双金属式测量计和湿度试纸等测试器材，通过人工进行检测，对不符合温度和湿度要求的库房进行通风、去湿和降温等工作。
这种人工测试方法费时费力、效率低，且测试的温度及湿度误差大，随机性大。
目前，国内大中型库房在仓储管理中由于技术和资金上的原因，多数仅限于只对温度进行监测，当温度超标时进行强制通风和翻仓，即使如此，处理不及时或因设备人力条件有限仍会造成大量损失。
实现库房储藏物的温升主要是由于湿度引起的，库房储藏物本身的水分过高或连续的高湿天气将导致储藏物新陈代谢加快而放出热量，放热引起的温升又使代谢进一步加剧以至发霉变质。
这种恶性循环一旦形成很难进行有效控制。
因此，库房在进行温度监测的同时，必须重视对空气湿度的检测，以利于提前采取有效措施控制库房储藏物升温而霉变。
本文所介绍的温湿度控制系统是基于AT89C8051单片机控制核心，结合传感器、通讯和数字电子电路技术，实现了温度和湿度检测与库房温度和湿度的有效控制，降低经济损失和劳动强度。
2系统总体设计
对仓库的温湿度进行实时的监测与控制，为了适应对多个测控点的监控与管理，经分析采用了分布式系统的控制方式，即在每个测控点配置能独立工作的从机，多个从机由1个上位机进行监控管理，上下采用主从式监控管理形式，系统总体结构如1-1所示。
图2-1系统总体结构图
本设计是基于单片机对数字信号的高敏感和可控性、温湿度传感器可以产生模拟信号，和A/D模拟数字转换芯片的性能，我设计了以8051基本系统为核心的一套检测系统，其中包括A/D转换、单片机、复位电路、温度检测、湿度检测、键盘及显示、报警电路、系统软件等部分的设计。
2.1系统的各个部分的功能和关系如下：
1）主机为管理机，完成参数设置、数据存储、处理及管理功能。
2）从机为控制机，采用单片机8051，直接实现各个模块的控制功能，并能在主机关机的条件下实现所有的控制功能。
3）通讯转换机实现RS232信号和RS485信号的转换，主机通过其向从机发送控制参数，从机将现场采集数据通过其传给主机。
4）数据采集实现对传感器及运行设备的检测。
5）控制器及其设备根据系统输出的信号对现场设备进行控制。
6）输入输出部分包括输入模块和输出模块，输入模块将采集的信号转换后输入到从机，输出模块将系统的控制信号输出到控制器及其设备。
2.2系统的工作方式
系统以温湿度监控为核心，温湿度参数和设备运行状态由主机根据用户要求定时向从机查询，各控制模块的设置参数修改时，将新的参数发送到从机。
主机可以对从机进行参数设置及控制，从机也可以独立工作。
从机通过数据采集装置不间断地采集温湿度数据，根据控制模块的设置参数做出控制决策，驱动设备运行，并随时准备接受主机的指令，当受到询问时，将库房的各项数据编码通过串行通信方式传输到主机。
主机接收到数据后，进行数据处理，在监控界面上显示当前的状态信息，并将此信息实时地存储到数据库中，为用户维护和管理准备数据。
此控制平台主要实现现场数据采集，并将采集数据处理、存储、发送给主机。
8051是控制平台的核心，温湿度数据的采集通过多路传感器获得，采集的信号经ADS1286实现转换。
为有效控制多路传感器，在系统设计中使用4051实现扩展，使控制平台可以控制多路传感器，采集的数据存放于24LC04。
在控制平台的驱动上，使用CMOS管1120提高8051的驱动能力，使控制平台每路可以控制多个传感器（主要是提高控制平台对18B20、温湿度采集器的驱动能力）。
在与主机通讯时，为达到电平一致，控制平台通过RS485芯片实现8051的引脚RXD、TXD的TTL电平与RS485的引脚A、B的485电平之间的转换。
把主机通过通讯接口机送来的RS485标准电平转换为TTL电平传送给8051，把8051送出的TTL电平转换成RS485标准电平通过通讯接口机传送给主机。
2.3信号采集通道的选择
在本设计系统中，温度输入信号为8路的模拟信号，这就需要多通道结构。
本系统采用多路分时的模拟量输入通道。
这种结构的模拟量通道特点为：
（1）对ADC、S/H要求高。
（2）硬件简单，成本低。
其缺点是，软件比较复杂，处理速度慢。
其系统框图如图2-2所示：
图2-2多路分时的模拟量输入通道
3硬件的设计与论证
3．1信号采集
3．1．1温度传感器——DS18B20
DS18B20是DALLAS半导体器件公司生产的可编程一线数字温度传感器芯片，它仅用一线就可完成与单片微控制器的硬件接口,具有使用简单方便、分辩率高的优点。
DSl820数字温度计提供9位（二进制）温度读数指示器件的温度信息经过单线接口送入DSl820或从DSl820送出因此从主机CPU到DSl820仅需一条线（和地线）DSl820的电源可以由数据线本身提供而不需要外部电源因为每一个DSl820在出厂时已经给定了唯一的序号因此任意多个DSl820可以存放在同一条单线总线上这允许在许多不同的地方放置温度敏感器件DSl820的测量范围从-55到+125增量值为0.5可在ls（典型值）内把温度变换成数字。
每一个DSl820包括一个唯一的64位长的序号该序号值存放在DSl820内部的ROM（只读存贮器）中开始8位是产品类型编码（DSl820编码均为10H）接着的48位是每个器件唯一的序号最后8位是前面56位的CRC（循环冗余校验）码DSl820中还有用于贮。
存测得的温度值的两个8位存贮器RAM编号为0号和1号1号存贮器存放温度值的符号如果温度为负（）则1号存贮器8位全为1否则全为00号存贮器用于存放温度值的补码LSB（最低位）的1表示0.5将存贮器中的二进制数求补再转换成十进制数并除以2就得到被测温度值（-550125）DSl820的引脚如图226l所示每只D51820都可以设置成两种供电方式即数据总线供电方式和外部供电方式采取数据总线供电方式可以节省一根导线但完成温度测量的时间较长采取外部供电方式则多用一根导线但测量速度较快
3.1.2湿度传感器——HS1100/HS1101湿度传感器
测量空气湿度的方式很多，其原理是根据某种物质从其周围的空气吸收水分后引起的物理或化学性质的变化，间接地获得该物质的吸水量及周围空气的湿度。
电容式、电阻式和湿涨式湿敏原件分别是根据其高分子材料吸湿后的介电常数、电阻率和体积随之发生变化而进行湿度测量的。
采用HS1100/HS1101湿度传感器。
HS1100/HS1101电容传感器，在电路构成中等效于一个电容器件，其电容量随着所测空气湿度的增大而增大。
不需校准的完全互换性，高可靠性和长期稳定性，快速响应时间，专利设计的固态聚合物结构，由顶端接触（HS1100）和侧面接触（HS1101）两种封装产品，适用于线性电压输出和频率输出两种电路，适宜于制造流水线上的自动插件和自动装配过程等。
相对湿度在1%---100%RH范围内；
电容量由16pF变到200pF，其误差不大于±
2%RH；
响应时间小于5S；
温度系数为0.04pF/℃。
可见精度是较高的。
温度检测采用HS1101型温度传感器，HS1101是HUMIREL公司生产的变容式相对湿度传感器，采用独特的工艺设计。
HS1101测量湿度采用将HS1101置于555振荡电路中，将电容值的变化砖换成电压频率信号，可以直接被微处理器采集。
设计的电路如图1-2所示。
图3-1湿度传感器的电路图
555芯片外接电阻R57，R58与HS1101，构成对HS1101的充电回路。
7端通过芯片内部的晶体管对地短路实现对HS1101的放电回路，并将引脚2，6端相连引入到片内比较器，构成一个多谐波振荡器，其中，R57相对于R58必须非常的小，但决不能低于一个最小值。
R51是防止短路的保护电阻。
HS1101作为一个变化的电容器，连接2和6引脚。
引脚作为R57的短路引脚。
HS1101的等效电容通过R57和R58充电达到上限电压（近似于0.67
VCC，时间记为T1），这时555的引脚3由高电平变为低电平，然后通过R58开始放电，由于R57被7引脚内部短路接地，所以只放电到触发界线（近似于0.33
VCC，时间记为T2），这时555芯片的引脚3变为高电平。
通过不同的两个电阻R19，R20进行传感器的不停充放电，产生方波输出。
电路充电、放电时间分别为
输出波形的频率和占空比的计算公式如下：
由此可以看出，空气相对湿度与555芯片输出频率存在一定线性关系。
表2给出了典型频率湿度关系（参考点：
25℃，相对湿度：
55%，输出频率：
6.208kHz）。
可以通过微处理器采集555芯片的频率，然后查表即可得出相对湿度值。
为了更好提高测量精度，将采用下位机负责采集频率，将频率值送入上位机进行分段处理。
因此，利用该电路进行仓库的湿度控制是正确且可行的。
一、特点
图3-2a为湿敏电容工作的温、湿度范围。
图3-2b为湿度-电容响应曲线。
图3-2a、湿敏电容工作的温、湿度范围图3-2b、湿度-电容响应曲线。
二、湿度测量电路
如何将电容的变化量准确地转变为计算机易于接受的信号，常有两种方法：
一是将该湿敏电容置于运方与租蓉组成的桥式振荡电路中，所产生的正弦波电压信号经整流、直流放大、再A/D转换为数字信号；
另一种是将该湿敏电容置于555振荡电路中，将电容值的变化转为与之成反比的电压频率信号，可直接被计算机所采集
频率输出的555测量振荡电路如图3-3所示。
集成定时器555芯片外接电阻R4、R2与湿敏电容C，构成了对C的充电回路。
7端通过芯片内部的晶体管对地短路又构成了对C的放电回路，并将引脚2、6端相连引入到片内比较器，便成为一个典型的多谐振荡器，即方波发生器。
另外，R3是防止输出短路的保护电阻，R1用于平衡温度系数。
图3-3、频率输出的555振荡电路
该振荡电路两个暂稳态的交替过程如下：
首先电源Vs通过R4、R2向C充电，经t充电时间后，Uc达到芯片内比较器的高触发电平，约0.67Vs，此时输出引脚3端由高电平突降为低电平，然后通过R2放电，经t放电时间后，Uc下降到比较器的低触发电平，约0.33Vs
此时输出，此时输出引脚3端又由低电平突降为高电平，如此翻来覆去，形成方波输出。
其中，充放电时间为
t充电=C（R4+R2）Ln2
t放电=CR2Ln2
因而，输出的方波频率为
f=1/（t放电+t充电）=1/[C（R4+R2）Ln2]
可见，空气湿度通过555测量电路就转变为与之呈反比的频率信号，表3-1给出了其中的一组典型测试值。
表3-1、空气湿度与电压频率的典型值
三、多路检测信号的实现
本设计系统为八路的湿度信号采集，故采用CD4051组成多路分时的模拟量信号采集电路，其硬件接口如图3-4所示
图3-4八路分时的模拟量信号采集电路硬件接口
VEE:
模拟部分的负电源端，接-5V。
VAG：
模拟地端。
VSS：
数字地端。
VR：
基准电压。
外界电阻及电容端
RI：
积分电阻输入端，VX=2V时，R1=470Ω；
VX=200Mv时，R1=27KΩ。
C1：
积分电容输入端。
C1一般为0.1µ
F。
C01、C02：
外界补偿电容端，电容取值约0.1µ
R1/C1：
R1与C1的公共端。
CLKI、CLKO：
外界振荡器时钟调节电阻Rc，Rc一般取470KΩ左右。
转换启动/结束信号端
EOC：
转换结束信号输出端，正脉冲有效。
DU：
启动新的转换，若DU与EOC相连，每当A/D转换结束后，自动启动新的转换。
过量程信号输出端
/OR：
当|Vx|›VR，过量程/OR输出低电平。
位选通控制线
DS4----DS1：
选择个、十、百、千位，正脉冲有效。
DS1对应千位，DS4对应个位。
每个选通脉冲宽度为18个时钟周期，两个相应脉冲之间间隔为2个时钟周期。
图3-5MC14433选通脉冲时序图
BCD码输出线
Q0---Q3：
BCD码输出线。
其中Q0为最低位，Q3为最高位。
当DS2、DS3和DS4选通期间，输出三位完整的BCD码数，但在DS1选通期间，输出端Q0-------Q3除了表示个位的0或1外，还表示了转化值的正负极性和欠量程还是过量程其含意见表3-1
表3-1、DS1选通时Q3～Q0表示的结果
由表可知Q3表示1/2位，Q3=“0”对应1，反之对应0。
Q2表示极性，Q2=“1”为正极性，反之为负极性。
Q0=“1”表示超量程：
当Q3=“0”时，表示过量程；
当Q3=“1”时，表示欠量程；
3.2.2单片机8051
为了设计此系统，我们采用了8051单片机作为控制芯片，在前向通道中是一个非电信号的电量采集过程。
它由传感器采集非电信号，从传感器出来经过功率放大过程，使信号放大，再经过模/数转换成为计算机能识别的数字信号，再送入计算机系统的相应端口。
由于8051中无片内ROM，且数据存储器也不能满足要求，，经扩展2762和6264来达到存储器的要求，其结果通过显示器来进行显示输出。
3.2.2.18051的片内结构
8051是MCS-51系列单片机的典型产品，8051单片机包含中央处理器、程序存储器（ROM）、数据存储器（RAM）、定时/计数器、并行接口、串行接口和中断系统等几大单元及数据总线、地址总线和控制总线等三大总线。
8051就是MCS-51系列单片机中的一种。
其基本结构组成如下图所示
图3-68051基本组成
其各个部分的功能介绍如下：
1）、中央处理器：
中央处理器（CPU）是整个单片机的核心部件，是8位数据宽度的处理器，能处理8位二进制数据或代码，CPU负责控制、指挥和调度整个单元系统协调的工作，完成运算和控制输入输出功能等操作。
2）、数据存储器（RAM）：
8051内部有128个8位用户数据存储单元和128个专用寄存器单元，它们是统一编址的，专用寄存器只能用于存放控制指令数据，用户只能访问，而不能用于存放用户数据，所以，用户能使用的的RAM只有128个，可存放读写的数据，运算的中间结果或用户定义的字型表。
3）、程序存储器（ROM）：
8051共有4096个8位掩膜ROM，用于存放用户程序，原始数据或表格。
4）、定时/计数器（ROM）：
8051有两个16位的可编程定时/计数器，以实现定时或计数产生中断用于控制程序转向。
5）、并行输入输出（I/O）口：
8051共有4组8位I/O口（P0、P1、P2或P3），用于对外部数据的传输。
6）、全双工串行口：
8051内置一个全双工串行通信口，用于与其它设备间的串行数据传送，该串行口既可以用作异步通信收发器，也可以当同步移位器使用。
7）、中断系统：
8051具备较完善的中断功能，有两个外中断、两个定时/计数器中断和一个串行中断，可满足不同的控制要求，并具有2级的优先级别选择。
8）时钟电路：
8051内置最高频率达12MHz的时钟电路，用于产生整个单片机运行的脉冲时序，但8051单片机需外置振荡电容。
单片机的结构有两种类型，一种是程序存储器和数据存储器分开的形式，即哈佛（Harvard）结构，另一种是采用通用计算机广泛使用的程序存储器与数据存储器合二为一的结构，即普林斯顿（Princeton）结构。
INTEL的MCS-51系列单片机采用的是哈佛结构的形式，而后续产品16位的MCS-96系列单片机则采用普林斯顿结构。
如图3—7为8051系列单片机的内部结构示意图。
图3—78051系列单片机的内部结构示意图
3.2.2.28031的引脚图
如图，图3-8为8051的引脚图：
3-88051引脚图
8051的制作工艺为HMOS，采用40管脚双列直插DIP封装，引脚说明如下：
VCC（40引脚）正常运行时提供电源。
VSS（20引脚）接地。
XTAL1（19引脚）在单片机内部，它是一个反向放大器的输入端，该放大器构成了片内的震荡器，可以提供单片机的时钟信号，该引脚也是可以接外部的晶振的一个引脚，如采用外部振荡器时，对于8031而言此引脚应该接地。
XTAL2（18引脚）在内部，接至上述振荡器的反向输入端，当采用外部振荡器时，对MCS51系列该引脚接收外部震荡信号，即把该信号直接接到内部时钟的输入端。
RST/VPD（9引脚）在振荡器运行时，在此引脚加上两个机器周期的电平将单片机复位，复位后应使此引脚电平保持不高于0.5V的低电平以保证8031正常工作。
在掉电时，此引脚接备用电源VDD，以保持RAM数据不丢失，当BVCC低于规定的值时，而VPD在其规定的电压范围内时，VPD就向内部数据存储器提供备用电源。
ALE/PROG（30引脚）当8031访问外部存储器时，包括数据存储器和程序存储器，ALE9地址锁存允许0输入的脉冲的下沿用于锁存16位地址的低8位，在不访问外部存储器的时候，ALE仍有两个周期的正脉冲输出，其频率为振荡器的频率的1/6，在访问外存储器的是候，在两个周期中，ALE只出现一次，ALE断可驱动8个LSTTL负载，对于有片内EPROM的而言，在EPROM编程期间，此脚用于输入编程脉冲PROG。
（29引脚）此脚输出为单片机内访问外部程序存储器的读选通信号，在读取外部指令期间，PSEN非有两次在每个周期有效，在此期间，每当访问外部存储器时，两个有效的PSEN非将不再出现，同样这个引脚可驱动8个LSTTL负载。
/VPP（31引脚）当
保持高电平时，单片机访问内部存储器，当PC值超过0FFFH时，将自动转向片外存储器。
当
保持低电平时，则只访问外部程序存储器，对8051而言，此脚必须接地。
P0，P1，P2，P3：
8051有四个并行口，在这四个并行口中，可以在任何一个输出数据，又可以从它们那得到数据，故它们都是双向的，每一个I/O口内部都有一个8位数据输出锁存器和一个8位数据输入缓冲器，各成为SFR中的一个，因此CPU数据从并行I/O口输出时可以得到锁存，数据输入时可以得到缓冲，但他们在功能和用途上的差异很大，P0和P2口内部均有个受控制器控制的二选一选择电路，故它们除可以用做通用I/O口以外还具有特殊的功能，P0口通常用做通用I/O口为CPU传送数据，P2口除了可以用做通用口以外，还具有第一功能，除P0口以外其余三个都是准双向口。
8051有一个全双工串行口，这个串行口既可以在程序下把CPU的8位并行数据变成串行数据一位一位的从发送数据线发送出去，也可以把串行数据接受进来变成并行数据给CPU，而且这种串行发送和接收可以单独进行也可以同时进行。
8051的串行发送和接收利用了P3口的第二功能，利用P3.1做串行数据接收线，串行接口的电路结构还包括了串行口控制寄存器SCON，电源及波特率选择寄存器PCON和串行缓冲寄存器SBUF，他们都属于SFR，PCON和SCON用于设置串行口工作方式和确定数据发送和接收，SBUF用于存放欲发送的数据起到缓冲的作用。
3.2.2.38051程序存储器
MCS-51系列单片机的内部ROM是不同的，8031则没有片内的ROM，8751则是4K光可擦写EPROM，而我们采用的8051有4K的ROM，但是无论那种型号的芯片都可以在片外扩展多达64K的片外程序存储器，外部程序存储器扩展的大小以满足系统要求即可，或有特殊要求或为了以后升级方便采用大容量的片外程序存储器。
当外接程序存储器的时候，单片机通过P2口和P0口输出16位的地址，即可寻址的外部程序存储器单元的地址，使用ALE作为低8位地址锁存器信号，再由P0口读回指令的代码，用PSEN非作为外部程序存储器的选通信号。
单片机有一个程序计数器PC，它始终存着CPU要读取的机器码的所在地址，单片机工作时，PC自动加一，此时程序开始顺序执行，因为单片机程序访问空间是64K，故需要16条地址线，当
接“0”则8051在片外程序存储器中读取指令，此时片外程序存储器从0000H开始编址，因为8031无片内程序存储器，故在此系统中
必须接地使CPU到外部ROM中去寻址。
在程序存储器中有六个单元有特定的含义：
0000H单元：
单片机复位后，PC=0000H即从此处开始执行指令。
0003H单元：
外部中断0入口地址。
000BH单元：
定时器0溢出中断入口地址。
0013H单元：
外部中断1入口地址。
001BH单元：
定时器溢出中断入口地址。
0023H单元：
串行口中断入口地址。
使用时常在这些入口外安放一条绝对跳转指令，使程序跳转到拥护安排的中断处理程序的起始地址，或从0000H外执行一跳转指令，跳转到用户设计的初始程序入口。
3.2.2.48051数据存储器
数据存储器用于存放运算中间的结果、数据暂存、缓冲、标志位、待测程序等功能。
片内的128B的RAM地址为00H～7FH，供用户做RAM用，但是在这中间的前32单元，00H～1FH即引用地址寻址做用户RAM用，常常做工作寄存器区，分做四组，每组由8个单元组成通用寄存器R0～R7，任何时候都由其中一组作为当前工作寄存器，通过RS0，RS1的内容来决定选择哪一个工作寄存器。
低128字节中的20H～2FH共16字节可用位寻址方式访问各位，共128个位地址，30H～7FH共80个单元为用户RAM区，作堆栈或数据缓冲用，片内RAM不够用时，须扩展片外数据存储器。
此时单片机通过P2口和P0口选出6位地址，使用ALE作低
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