单片机的粮仓多点测温系统设计方案.docx

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单片机的粮仓多点测温系统设计方案

第1章绪论

1.1背景

“国以民为本，民以食为天”，“兵马未动，粮草先行”，这些都充分说明粮食对国家的重要性。

从理论上讲国家掌握的粮食越多越好，但从现代经济学的角度看，国家只要能控制住一定数量的可以灵活支配、质量良好的粮食，既可达到“备战备荒”、宏观调控的目的，又可节省资金用于发展经济。

一般来说，粮食存放在粮仓中，大型的粮仓可存放数以万计的粮食，而且这些粮食存放的时间有长有短。

为了保证存放在粮仓中的粮食不致腐烂变质，就必须使粮仓内的温度保持在一定的范围以内。

为了达到以上的要求，必不可少的就是既稳定又精确的粮情智能测控管理系统。

粮情智能测控系统是通过计算机检测粮食储备库中粮食的基本温度情况，并结合其他粮情信息（如入仓时间、品种、仓型、天气状况等）进行综合分析。

利用微机技术对粮仓进行监控，用户可方便地构造自己需要的数据采集系统，在任何时候把粮仓现场的信息实时地传到控制室，管理人员不需要深入现场，就可查看历史数据，优化现场作业，提高生产效率，增强了国家粮食储备安全水平，以获得实时粮仓管理，实现自动化、智能化。

本文只阐述粮情温度检测，以下所说粮情仅指温度。

但涉及到的一些方法也适合其他粮情检测情况。

在综合研究国内粮库管理现状和发展的前提下，吸收了国内多种粮库粮情温度测控系统的成功经验后，我们设计了自己的粮仓多点测温系统。

该系统具有可靠性和高性价比，而且操作维修简便，具有检测、数显、分析等诸多功能。

1.2设计的目的和意义

科学储粮是粮食生产的一个重要环节，若管理不当，粮食发霉或生虫会造成极大浪费。

粮库管理中最重要的问题是监测粮堆中的温度变化。

粮库一般由几十个甚至上百个由水泥或钢板构成的圆型仓组成，仓高20—30m。

现在，我国在粮仓建设上已经实现规范化，但是监测手段一直未能实现同步现代化。

我国许多储备粮库每年都因测控设备的不完善而导致部分粮食霉变，许多大型储备粮库的测控设备仍需高价进口，因此国家准备在未来的几年内对全国所有的粮库进行翻新和改造工作，要求规范粮库管理，实现粮库管理现代化。

影响储粮安全的最主要因素是粮堆内的温度，这就要求能有一种有效的、低成本的仪表来实现监测控制功能，使得管理人员能够方便有效地进行监控操作。

如果用单片机作为前沿机对现场进行数据采集，通过对采集的数据进行分析（温度设定，实时温度显示，报警电路）。

利用单片机技术对粮仓进行检控，用户可以方便地够造自己所需要的数据采集系统，在任何时候把粮仓现场的信息实时地传到控制室，管理人员不进入现场就可以按照所需的温度要求对粮仓内的温度情况进行控制，提高了生产效率，增强了粮仓内存储安全，获得了粮仓的实时管理，实现自动化，智能化。

微机测量是微机设计的第一步，是微机测量技术的现场部分，即测量粮仓中的温度，并使用单片机对测量的数据进行处理并对粮仓内的温度进行控制。

1.3相关领域国内外技术和发展趋势

粮情检测技术是科学保粮的关键技术之一。

随着电子技术、计算机应用技术的进步和发展，计算机的应用范围日益扩大，计算机被应用于粮情监控系统。

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，粮情检测技术不断完善、提高、并日趋成熟，逐步形成了样式繁多的粮情检测系统，为安全、科学储粮起到了积极作用。

目前国内己有数十家企业生产粮情监控系统产品，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，鉴于粮食储藏的特殊性，系统功能的重点放在了储粮内部温度的检测和分析上。

粮情监控系统可以根据采用的温度传感器的不同进行如下分类:

（1）热敏电阻

以温度变化导致阻值的变化为工作原理的热敏电阻，因其具有成本低、体积小、简单、可靠、响应速度快、容易使用等特点，成为国内粮情检测系统中采用最多的温度传感器。

热敏电阻的电阻温度系数较高，室温通常也较高，因此其自身发热较小，信号调节较为简单。

但热敏电阻也存在缺点，如:

是互换性差、温度与输出阻值之间呈非线性关系。

（2）数字式温度传感器

数字式温度传感器的种类也不少，但用于粮情测控系统的温度传感器主要是Dallas的DS18x20系列温度传感器，其温度检测范围为－55℃～＋125℃，检测精度为±0.5℃。

DS18x20采用1－WireTM接口，封装形式有PR－35和SSOP－16两种，粮情测控系统中采用的是PR－35封装。

DS18x20采用9个位表示测温点的温度值，每个DS18x20内部都设置有一个单一的序列号，因此可以使多个DS18x20共存于同一根数据传输线上。

DS18x20内部分为4个部分：

1、64位序列号；2、保存临时数据的8字节片内RAM；3、保存永久数据的2字节EEPROM；4、温度传感器。

采用数字式温度传感器粮情测控系统的结构与采用热敏电阻粮情测控系统的结构大致相同，只是用测控单元替代了智能分机、扩充接线器替代了温度分线器。

测控单元与智能分机的区别在于没有用于将温度信号数字化的A/D转换电路，取而代之的是1－WireTM总线与上层通信总线之间的通信转换电路，如果系统选用了数字式湿度传感器则测控单元将完全由数字电路组成，而智能分机是由数字电路和模拟电路两部分构成的，这将使测控单元的电路设计更为容易。

采用DS18x20温度传感器的粮情测控系统的测温电缆与热敏电阻测温电缆大不相同，该测温电缆最多只需3根导线即可连接多个DS18x20温度传感器。

最为简洁的结构是利用DS18x20可以通过数据线供电的特点，在测温电缆中只放置两根平行的细钢丝绳即可连接多个DS18x20温度传感器，这样不仅使测温电缆的制造简便、成本下降，而且提高了测温电缆的抗拉强度、便于温度传感器的更换。

正是这些特点使得采用DS18x20温度传感器的粮情测控系统更适用于高大粮仓（诸如浅圆仓、立筒仓）的应用环境，可以解决高大粮仓在不需重新安装测温电缆的情况下更换测温电缆内部的温度传感器以及改变温度传感器相对位置。

由于这种温度传感器的价格比热敏电阻高出许多，所以DS18x20温度传感器粮情测控系统在房式仓中应用时不如热敏电阻粮情测控系统更具有性能价格比的优势。

（3）光纤传感器

光纤温度传感器是近几年发展的新技术，也是工业中用的最多的光纤传感器

之一。

目前研究的光纤温度传感器主要有辐射式温度传感器、半导体吸收式温度传感器、光纤热色传感器等。

光纤温度传感器的精度更高，但成本较贵。

第2章粮仓多点测温系统硬件设计

本设计系统的硬件设计是以单片机AT89S52为核心器件的一套检测系统，以制作出的电路板为实物，以C语言进行软件程序设计，利用PROTELDXP作为仿真软件设计而成的。

系统主要由温度传感器、液晶显示电路、键盘、报警电路组成，电路图如附录Ⅱ所示。

2.2硬件总体方案设计与论证

2.2.1方案设计

方案一：

该方案由单片机、模拟温度传感器AD590、运算放大器、A/D转换器、LCD显示电路、集成功率放大器、报警器组成。

该方案采用模拟温度传感器AD590作为测温元件，传感器测量的温度变化转换成电流的变化，再通过电路转换成电压的变化，使用运算放大器交给信号进行适当的放大，最后通过模数转换器将模拟信号转换成数据信号，传给单片机，单片机将温度值进行处理之后用LCD显示，当温度值超过设定值时开始报警。

如图2.1所示：

图2.1方案一温度测量系统方案框图

方案二：

该方案使用了AT89S52单片机作为控制核心，以智能温度传感器DS18B20为温度测量元件，采用多个温度传感器对多点温度进行检测，通过键盘模块对温度上限设置，超过其温度值就报警。

显示电路采用LCD1602模块，使用单片机直接驱动蜂鸣器构成报警电路。

如图2.2所示：

图2.2方案二温度测量系统方案框图

2.2.2方案论证

方案一采用模拟温度传感器，转换结果需要经过运算放大器传给处理器。

它控制虽然简单，但电路复杂，不容易实现对多点温度测量和监控。

由于采用了多个分立元件和模数转换器，容易出现误差，测量结果不是很准确，因此本方案并不可取。

方案二采用智能温度传感器DS18B20，它直接输入数字量，精度高，电路简单，只需要模拟DS18B20的读写时序，根据DS18B20的协议读取转换的温度。

此方案硬件电路简单，但程序设计复杂一些，但是在课题外对DS18B20、字符型液晶显示有所了解，而且曾经在网上看过此类程序设计，并且我们已经使用开发工具KEIL用汇编语言对系统进行了程序设计，用仿真软件PROTELDXP对系统进行了仿真，达到了预期的效果。

由此可见，此方案的可行性，体现了技术的先进性，经济上也没有任何问题。

2.3软件总体方案设计

系统软件设计首先LCD初始，写入报警温度的上下值。

如果DS18B20运行良好，能正常工作，那么在LCD液晶显示屏上就能显示出四路传感器所在位置的实时温度，如果DS18B20不能正常工作，那么LCD液晶显示屏上就不会发亮光；读取温度数据，在液晶屏上显示温度值，如果某一点的温度值超过上限值，那么就会自动报警，如果所有点的温度全部超过上限值，那么就会启动全部报警系统。

最后进行键盘扫描。

软件总体流程图如图2.3所示

图2.3软件总体流程图

第3章单片机AT89S52介绍

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。

为了设计此系统，采用了MCS-51兼容单片机AT89S52单片机作为控制芯片。

3.1单片机AT89S52基本知识

AT89S52是一个低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含8kBytesISP（In-systemprogrammable）的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISPFlash存储单元，功能强大的微型计算机的AT89S52可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。

AT89S52具有如下特点：

40个引脚，8kBytesFlash片内程序存储器，256bytes的随机存取数据存储器（RAM），32个外部双向输入/输出（I/O）口，5个中断优先级2层中断嵌套中断，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，看门狗（WDT）电路，片内时钟振荡器。

3.2单片机AT89S52产品特点

AT89S52具有以下标准功能:

8k字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。

另外，AT89S52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。

空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。

掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。

内部数据存储器的高128个单元是为专用寄存器提供的，因此该区也称作特殊功能寄存器（SFR），它们主要用于存放控制命令、状态或数据。

除去程序计数器PC外，还有21个特殊功能寄存器，其地址空间为80H～FFH。

这21个寄存器中有11个特殊功能寄存器具有位寻址能力，它们的字节地址刚好能被8整除。

下面将对部分专用寄存器作简要介绍。

3.3单片机AT89S52的使用

AT89S52单片机是一种低功耗高性能的CMOS8位微控制器，内置8KB可在线编程闪存。

该器件采用Atmel公司的高密度非易失性存储技术生产，其指令与工业标准的80C51指令集兼容。

片内程序存储器允许重复在线编程，允许程序存储器在系统内通过SPI串行口改写或用同用的非易失性存储器改写。

通过把通用的8位CPU与可在线下载的Flash集成在一个芯片上，AT89S52便成为一个高效的微型计算机。

它的应用范围广，可用于解决复杂的控制问题，且成本较低。

其结构框图如图3.1所示。

图3.1AT89S52结构框图

3.4单片机AT89S52的特性 

AT89S52的主要特性如下：

兼容MCS51产品

8K字节可擦写1000次的在线可编程ISP闪存

4.0V到5.5V的工作电源范围

全静态工作：

0Hz～24MHz

3级程序存储器加密

256字节内部RAM

32条可编程I/O线

3个16位定时器/计数器

8个中断源

UART串行通道

低功耗空闲方式和掉电方式

通过中断终止掉电方式

看门狗定时器

双数据指针

灵活的在线编程（字节和页模式）

3.5 AT89S52引脚功能与封装

图3.2是AT89S52引脚图。

图3.2AT89S52引脚图

按照功能，AT89S52的引脚可分为主电源、外接晶体振荡或振荡器、多功能I/O口、控制和复位等。

1.多功能I/O口

AT89S52共有四个8位的并行I/O口：

P0、P1、P2、P3端口，对应的引脚分别是P0.0～P0.7，P1.0～P1.7，P2.0～P2.7，P3.0～P3.7，共32根I/O线。

每根线可以单独用作输入或输出。

①P0端口，该口是一个8位漏极开路的双向I/O口。

在作为输出口时，每根引脚可以带动8个TTL输入负载。

当把“1”写入P0时，则它的引脚可用作高阻抗输入。

当对外部程序或数据存储器进行存取时，P0可用作多路复用的低字节地址/数据总线，在该模式，P0口拥有内部上拉电阻。

在对Flash存储器进行编程时，P0用于接收代码字节；在校验时，则输出代码字节；此时需要外加上拉电阻。

②P1端口，该口是带有内部上拉电阻的8位双向I/O端口，P1口的输出缓冲器可驱动（吸收或输出电流方式）4个TTL输入。

对端口写“1”时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位，此时可用作输入口。

P1口作输入口使用时，因为有内部的上拉电阻，那些被外部信号拉低的引脚会输出一个电流。

在对Flash编程和程序校验时，P1口接收低8位地址。

另外，P1.0与P1.1可以配置成定时/计数器2的外部计数输入端（P1.0/T2）与定时/计数器2的触发输入端（P1.0/T2EX），如表3.1所示。

表3.1 P1口管脚复用功能

端口引脚

复用功能

P1.0

T2（定时器/计算器2的外部输入端）

P1.1

T2EX（定时器/计算器2的外部触发端和双向控制）

P1.5

MOSI（用于在线编程）

P1.6

MISO（用于在线编程）

P1.7

SCK（用于在线编程）

③P2端口，该口是带有内部上拉电阻的8位双向I/O端口，P2口的输出缓冲器可驱动（吸收或输出电流方式）4个TTL输入。

对端口写“1”时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位，此时可用作输入口。

P2口作输入口使用时，因为有内部的上拉电阻，那些被外部信号拉低的引脚会输出一个电流。

在访问外部程序存储器或16位的外部数据存储器时，P2口送出高8位地址，在访问8位地址的外部数据存储器时，P2口引脚上的内容（就是专用寄存器（SFR）区中P2寄存器的内容），在整个访问期间不会改变。

在对Flash编程和程序校验期间，P2口也接收高位地址或一些控制信号。

④P3端口，该口是带有内部上拉电阻的8位双向I/O端口，P3口的输出缓冲器可驱动（吸收或输出电流方式）4个TTL输入。

对端口写“1”时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位，此时可用作输入口。

P3口作输入口使用时，因为有内部的上拉电阻，那些被外部信号拉低的引脚会输出一个电流。

在AT89S52中，同样P3口还用于一些复用功能，如表3.2所列。

在对Flash编程和程序校验期间，P3口还接收一些控制信号。

表3.2P3端口引脚与复用功能表

端口引脚

复用功能

P3.0

RXD（串行输入口）

P3.1

TXD（串行输出口）

P3.2

INT0（外部中断0）

P3.3

INT1（外部中断1）

P3.4

T0（定时器0的外部输入）

P3.5

T1（定时器1的外部输入）

P3.6

WR（外部数据存储器写选通）

P3.7

RD（外部数据存储器读选通）

2.RST 复位输入端。

在振荡器运行时，在此脚上出现两个机器周期的高电平将使其单片机复位。

看门狗定时器（Watchdog）溢出后，该引脚会保持98个振荡周期的高电平。

在SFRAUXR（地址8EH）寄存器中的DISRTO位可以用于屏蔽这种功能。

DISRTO位的默认状态，是复位高电平输出功能使能。

3.ALE/PROG 地址锁存允许信号。

在存取外部存储器时，这个输出信号用于锁存低字节地址。

在对Flash存储器编程时，这条引脚用于输入编程脉冲PROG。

一般情况下，ALE是振荡器频率的6分频信号，可用于外部定时或时钟。

但是，在对外部数据存储器每次存取中，会跳过一个ALE脉冲。

在需要时，可以把地址8EH中的SFR寄存器的0位置为“1”，从而屏蔽ALE的工作；而只有在MOVX或MOVC指令执行时ALE才被激活。

在单片机处于外部执行方式时，对ALE屏蔽位置“1”并不起作用。

4.PSEN 程序存储器允许信号。

它用于读外部程序存储器。

当AT89S52在执行来自外部存储器的指令时，每一个机器周期PSEN被激活2次。

在对外部数据存储器的每次存取中，PSEN的2次激活会被跳过。

5.EA/Vpp 外部存取允许信号。

为了确保单片机从地址为0000H～FFFFH的外部程序存储器中读取代码，故要把EA接到GND端，即地端。

但是，如果锁定位1被编程，则EA在复位时被锁存。

当执行内部程序时，EA应接到Vcc。

在对Flash存储器编程时，这条引脚接收12V编程电压Vpp。

6.XTAL1 振荡器的反相放大器输入，内部时钟工作电路的输入。

7.XTAL2 振荡器的反相放大器输出。

第4章粮仓多点测温系统硬件设计

4.1温度传感器的选则

4.1.1传感器的选择原则

要进行一个具体的测量工作，首先要考虑用何种原理的传感器，这需要分析多方面的因素之后才能确定。

因为，即使是测量同一物理量，也有多种原理的传感器可以选用，哪一种原理的传感器更为适合，则需要根据被测量的特点和传感器的使用条件考虑以下具体问题：

量程的大小；被测位置对传感器体积的要求；测量方式是接触式的还是非接触式的；信号的引出方法；传感器的来源，国产还是进口，价格是否能承受。

在考虑上述问题之后就能确定选用何种类型的传感器，然后再考虑传感器的具体性能指标。

传感器的具体指标有灵敏度，频率响应特性，线性范围，稳定性，精度等。

这些参数并不是要求越高越好，因为要求越高不仅会带来成本的提高，也会带来信号处理的难度，噪音等问题。

在满足检测系统要求的前提下我们一般选择价格便宜和简单的传感器。

4.1.2温度传感器的选择

美国DALLAS半导体公司的数字化温度传感器DS18B20是世界上第一片支持"一线总线"接口的温度传感器，而新的“一线器件”DS18B20体积更小、适用电压更宽、更经济。

单线数字温度传感器，可以直接将被测温度转化成串行数字信号，以供单片机处理，克服了传统的模拟式温度传感器不仅需要设计信号调理电路，还要经过复杂的校准和标定过程，测量精度难以保证的缺点，大大提高了系统的抗干扰性。

适合于恶劣环境的现场温度测量，如：

环境控制、设备或过程控制、测温类消费电子产品等。

另外，DS18B20"一线总线"数字化温度传感器同DS18B20一样，DS18B20也支持"一线总线"接口．采用单根信号线，既可以传输时钟，又能传输数据，而且数据传输是双向的。

与其他数字温度传感器相比具有线路简单．硬件开销少，成本低、便于扩展等优点。

DS18B20的测量温度范围为-55℃～+125℃，在-10～+85℃范围内,精度为±0.5℃。

DS1822的精度较差为±2℃。

现场温度直接以一线总线"的数字方式传输，与前一代产品不同，新的产品支持3V～5.5V的电压范围，使系统设计更灵活、方便。

而且新一代产品更便宜，体积更小。

DS18B20可以程序设定9～12位的分辨率，精度为±0.5℃。

分辨率设定及用户设定的报警温度存储在EEPROM中，掉电后依然保存。

DS18B20的性能是新一代产品中最好的，性能价格比也非常出色。

DS1822与DS18B20软件兼容，是DS18B20的简化版本。

省略了存储用户定义报警温度、分辨率参数的EEPROM，精度降低为±2℃，适用于对性能要求不高，成本控制严格的应用，是经济型产品。

继"一线总线"的早期产品后，DS18B20开辟了温度传感器技术的新概念。

DS18B20和DS1822使电压、特性及封装有更多的选择，让我们可以构建适合自己的经济的测温系统。

4.1.3温度上限值的设定原理

利用制冷机产生的冷量对自然空气进行冷却降温、除湿,再通过风机及粮仓内的通风管道使冷却后的空气穿过粮堆,使粮食温度降到15℃以下进行低温储藏的一项科学、先进的粮食储藏技术。

运用该技术可使粮食的低温储藏不受气候条件的影响,即使在炎热的夏季或雨季都可实现。

目前在发达国家特别是西欧国家已获得了广泛的应用,对于保证粮食品质,安全储藏粮食起着重要的作用。

利用机械制冷方法将粮温降到5～15℃进行低温储藏是一种科学、先进的储粮方式,具有以下特点：

（1）与常温储藏相比,低温储藏使粮食的呼吸活动大大减弱,可延缓粮食的陈化,保持粮食的新鲜度并降低储粮自然减量损失。

粮食在10°C时储藏,由于呼吸产生的干物质损失要比在20℃和30℃时储藏少4倍和15倍。

（2）当粮温达到13°C时,害虫的繁殖和活动就基本停止,粮温降至10℃时完全停止。

因此低温储藏可以避免粮食遭受虫害而造成的损失。

在一些西欧国家,低温储粮已不需要进行化学药剂熏蒸杀虫,从而改善了粮库工人的工作环境,避免残留药剂对人们身体健康的危害。

（3）因为霉菌等微生物喜温,所以低温储粮使霉菌的活动基本停止,可有效地防止粮食发生霉变。

（4）对粮食进行机械制冷降温,使得粮食在高于安全水分时储藏成为可能,因此可以提高储粮和加工单位的效益。

对于稻谷,最适合的碾磨水分是15%左右,但常温下稻谷储藏的安全水分是13.5～14%,加工前需进行人工增湿,使稻谷易于产生爆腰,碾磨的整米率下降。

若采用人工冷却降温方法,稻谷可在15%水分下安全储藏（见表4.1）,从而提高稻谷碾磨的整米率,同时减少储粮水分减量损失。

在西班牙的一个碾米厂,采用机械制冷低温储藏稻谷后提高整米率20%。

对于10000吨的粮食储量,在15%的水分下储藏,可减少储粮单位水分减量损失116～173吨。

表4.1　粮温为10℃时粮食水分与安全储藏期的关系

粮食水分（%）

粮食安全储藏期（月）

12.0-15.5

8-12

15.5-17.5

6-10

17.5-18.5

4-6

18.5-20.0

1-4

20.0-23.0

0.5-2

23.0-25.0

0.25-0.5

4.2DS18B20与单片机接口电路设计

4.2.1DS18B20简介

DS18B20是智能温度传感器，它的输入、输出采用数字量，通过单总线，接收主机发送的命令，根据DS18B20内部的协议进行相应的处理，将转换的温度数值以串口形式发给主机，主机按照通讯协议用一个I