计控 粮仓温度自动检测系统.docx
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计控粮仓温度自动检测系统
计算机控制系统
题目：
粮仓温度自动监测系统
系别：
电气工程与自动化
专业：
自动化
学号：
姓名：
粮仓温度自动检测系统
摘要
随着单片机技术的飞速发展，单片机在各个领域得到了广泛的应用。
粮食是人类生存的必需品，温度是保存好粮食的先决条件，储存大量的粮食对稳定国民经济的发展起到至关重要的作用。
粮库一般较大，测量点会很多。
粮仓温度测量方法以及相应的智能控制一直是粮食保存的一个重要问题。
本系统是以AT89C52单片机、DS18B20数值温度传感器为核心组成的粮仓温度控制系统。
该系统利用AT89C52单片机采集了各个点的温度，实现温度显示、报警等功能。
它以AT89C52单片机为主控制芯片，采用数字温度传感器DS18B20实现多路温度的检测，利用LCD1602液晶显示器形象直观的显示测出的温湿度值。
本文在确定法设计方案基础上，着重论述了系统的软硬件设计，并且描述了系统电路设计、硬件设计框图及所使用各种芯片功能和特性。
通过PROTEUS软件和KEILC仿真出了该系统。
关键词：
单片机，DS18B20，液晶显示，报警
4.2.1软件语言的选择
4.2.2主程序
5.1仿真软件Proteus简介15
5.3仿真结果分析17
第1章绪论
1.1选题的背景与意义
温度是科学技术中最基本的物理量之一，物理、化学、生物等学科都离不开温度。
在工业生产和实验研究中，像电力、化工、石油、冶金、航空航天、机械制造、粮食存储、酒类生产等领域内，温度常常是表征对象和过程状态的最重要的参数之一。
比如，发电厂锅炉的温度必须控制在一定的范围之内；许多化学反应的工艺过程必须在适当的温度下才能正常进行；炼油过程中，原油必须在不同的温度和压力条件下进行分馏才能得到汽油、柴油、煤油等产品。
没有合适的温度环境，许多电子设备就不能正常工作，粮仓的储粮就会变质霉烂，酒类的品质就没有保障。
因此，各行各业对温度控制的要求都越来越高。
可见，温度的测量和控制是非常重要的。
人们使用温度计来采集温度，通过人工操作加热、通风和降温设备来控制温度，这样不但控制精度低、实时性差，而且操作人员的劳动强度大。
即使有些用户采用半导体二极管作温度传感器，但由于其互换性差，效果也不理想。
在某些行业中对温度的要求较高，由于工作环境温度不合理而引发的事故时有发生。
对工业生产可靠进行造成影响，甚至操作人员的安全。
为了避免这些缺点，需要在某些特定的环境里安装数字温度测量及控制设备。
本设计由于采用了新型单片机对温度进行控制，以其测量精度高，操作简单。
可运行性强，价格低廉等优点，特别适用于生活，医疗，工业生产等方面的温度测量及控制。
第2章系统总体设计
2.1方案的选择
本次使用AT89C52单片机作为控制核心，以智能温度传感器DS18B20为温湿度测量元件，进行多点温湿度监测，超过其温度上下限值就报警且打开电风扇。
显示电路采用LCD1602模块，使用单片机直接驱动发光二极管构成报警电路。
如图2.1所示。
图2.1温度测量系统方案框图
优点是：
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,体现了技术的先进性，性价比低。
2.2系统总体设计
本设计以AT89S51为核心，控制整个系统。
适合在一定温度条件的环境下，电路中用到了继电器，通过单片机的弱点系统来控制与继电器项链的强电系统，从而保证强点系统控制的安全性。
系统的利用数字温度传感器DS18B20采集数据并送给单片机，单片机处理之后将采集的数据送给LCD1602显示一边操作人员直观的了解当前温度。
我们给系统正常工作设定为0℃-50℃，如果当前温度在这个温度设定范围内，则单片机控制继电器闭合，使继电器控制的负载回路导通，是系统正常工作；若当前温度不在这个范围内，则说明当前温度不满足工作需求，此时单片机控制蜂鸣器发出警报，并且控制继电器使负载停止工作。
并根据当前温度，若温度小于0℃，则启动加热装置，若温度高于50℃，则启动降温装置，直到达到系统温度，蜂鸣器停止报警，负载回路导通，重新开始工作。
从而达到一个自动控制的作用，整个系统形成一个闭环温度值，系统变化参数为温度的值，负载的工作取决于环境温度的变化，通过单片机弱电控制与继电器相连的强电系统，从而解决了强电系统直接控制对操作人员有一定危险性的特点。
电路各部分的主要功能电路功能如下图：
图2-2电路主要功能组成图
温度采集功能：
由温度传感器检测当前环境温度，并将温度传给单片机AT89S51。
温度显示功能：
采集到的温度，能够直接显示在LCD1602上，于使用者的操作和观测。
温度报警功能：
对采集到的温度自动判断并进行声音和光报警，起到提示的作用。
温度控制功能：
由两部分组成，分别是加热和降温装置，实现智能全自动操作。
.
第3章硬件设计
3.1硬件选型
单片机应用系统的硬件电路设计就是为本单片机温控系统选择合适的、最优的系统配置，即按照系统功能要求配置外围设备，如键盘、显示器、打印机、A/D转换器、设计合适的接口电路等。
系统设计应本着以下原则：
（1）尽可能选择典型电路，并符合单片机常规用法。
（2）硬件结构应结合应用软件方案一并考虑。
软件能实现的功能尽可能由软件实现，以简化硬件结构。
由软件实现的硬件功能，一般响应时间比硬件实现长，且占用CPU时间。
（3）系统中的相关器件要尽可能做到性能匹配。
系统中所有芯片都应尽可能选择低功耗产品。
方案一：
采用数码管做显示，显示温度数据。
用74LS164驱动数码管，DS18B20采集温度数，24CXX系列作存储，利用单片机进行连接。
经过反复考虑，系统成功较高，时间反应速度缓慢，数码管和驱动部分占用硬件资源大，能量消耗大，不够理想，放弃此方案。
方案二：
采用AT89S51芯片，使用DALLAS公司的温度传感器DS18B20读取温度，芯片体积小，三个管脚，硬件连接简单，节省I/O口。
显示用LCD1602，减小了系统的能耗。
报警模块用三极管驱动蜂鸣器发出警报。
控制模块通过继电器弱电控制强电。
为了仿真，负载和加热模块接一个12V的灯泡，通过灯泡的亮灭来观察控制效果，直观又节约资源。
最后通过比较，选择了这个方案。
3.2硬件电路设计
3.2.1温度采集模块
DS18B20的测温原理如图3-1所示：
图3-1DS18B20测温原理
从图3-1中可以看出，DS18B20主要由斜率累加器、温度系数振荡器、减法计数器、温度寄存器等部分组成。
斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线性，其输出用于修正减法计数器的欲置值。
温度系数振荡器用于产生减法计数脉冲信号，其中低温度系数振荡器受温度的影响很小,用于产生固定频率的脉冲信号送给减法计数器1,高温度系数振荡器随温度变化其振荡频率明显改变,所产生的信号作为减法计数器2的脉冲输入.减法计数器对脉冲信号进行减法计数。
温度寄存器暂存温度数值。
DS18B20与单片机接口电路
图3-2DS18B20与单片机的连线图
3.2.2温度显示模块
字符型液晶显示模块是一种专门用于显示字母、数字、符号等点阵式LCD，目前常用16*1，16*2，20*2和40*2行等的模块。
1602LCD采用标准的14脚（无背光）或16脚（带背光）接口，各引脚接口说明如表3-5所示:
表3-1：
引脚接口说明表
编号
符号
引脚说明
编号
符号
引脚说明
1
VSS
电源地
9
D2
数据
2
VDD
电源正极
10
D3
数据
3
VL
液晶显示偏压
11
D4
数据
4
RS
数据/命令选择
12
D5
数据
5
R/W
读/写选择
13
D6
数据
6
E
使能信号
14
D7
数据
7
D0
数据
15
BLA
背光源正极
8
D1
数据
16
BLK
背光源负极
LCD1602与单片机连接图
图3-3LCD1602与单片机连接图
3.2.3温度报警模块
报警电路原理
当环境温度不在设置温度范围内，需要发出警报，报警电路由PNP三极管和扬声器组成。
电路中刚才用PNP三极管，选用低功率三极管9012，当P1.0低电平，三极管集电极正偏，发射级反偏，三极管导通，驱动蜂鸣器报警。
报警电路与单片机连接图
图3-4报警电路与单片机连接图
3.2.4温度控制模块
温度控制电路连接图
本设计中，采用NPN三极管驱动继电器，并且带有一发光二极管作为指示灯，系统中由于仿真的方便采用了12V的灯泡代替强电系统。
加热系统接在单片机P1.2口上，降温系统接到单片机P1.3口上。
温度控制模块的电路图如图3-5
图3-5温度控制电路连接图
3.2.5负载模块
负载模块的原理
电路的负载也是通过继电器用单片机的弱电控制强电。
本设计中采用NPN三极管驱动继电器，并且带有一负载工作的指示灯，系统中负载由于仿真方便采用了12V灯泡代替强电系统。
电路和单片机的P1.7脚相连，当高电平时，三极管饱和导通，+5V电源分压加到继电器线圈两端，继电器吸合，同时状态指示的发光二极管也点亮，继电器的常开触点闭合，相当于开关闭合。
当单片机的P1.7脚为低电平时，三极管截止，继电器线圈两端没有电位差，继电器衔铁释放，同时状态指示的发光二极管也熄灭，继电器的常开触点释放，相当于开关断开。
在三极管截止的瞬间，由于线圈中的电流不能突变为零，继电器线圈两端会产生一个较高电压的感应电动势，线圈产生的感应电动势则可以通过二极管释放，从而保护了三极管免被击穿，也消除了感应电动势对其他电路的干扰，这就是二极管的保护作用。
负载模块的电路图
图3-6负载电路连接
第4章软件设计
4.1系统流程
图4-1主程序图
4.2软件设计
4.2.1软件语言的选择
单片机开发过程中往往使用汇编和C语言两种语言，就本设计而言我们用C语言。
具有如下优点：
∙更符合人类思维习惯，开发效率高、时间短。
∙模块化。
∙可移植性好。
总之，C语言既有高级语言的特点，又具有汇编语言的特点；既是一个成功的系统设计语言，又是一个使用的程序设计语言；既能用来编写不依赖计算机硬件的应用程序，又能用来编写各种系统程序。
综上所述，选择C语言作为软件设计的语言。
4.2.2主程序
主程序流程图如图4-1所示。
主程序主要完成以下几项任务：
（1）初始化。
对内存中的工作参数进行初始化，显示系统初始化。
（2）读取温度。
（3）判断是否超过设定温度。
若超过温度上限则启动降温模块，若没有超过则继续进行判断。
（4）判断是否低于设定温度。
若低于温度下限则启动加热模块。
（5）若位于设定温度内，则启动负载模块。
第5章仿真结果
5.1仿真软件Proteus简介
Proteus软件是来自英国Labcenterelectronics公司的EDA工具软件，Proteus软件有近20年的历史，在全球广泛使用。
它除了具有和其它EDA工具一样的原理布图、PCB自动或人工布线及电路仿真的功能外，其革命性的功能是，它的电路仿真是交互的，可视化的，针对微处理器的应用，还可以直接在基于原理图的虚拟原型上编程，并实现软件源码级的实时调试，如有显示及输出，还能看到运行后输入输出的效果，配合系统配置的虚拟仪器如示波器、逻辑分析仪等，可以测量仿真的波形及记录仿真数据。
在不需要硬件设备投入的情况下Proteus软件可以建立完整的电子学习设计开发环境，缩短研发周期，并且降低开发成本。
Proteus组合了高级原理布图、混合模式SPICE仿真,PCB设计以及自动布线来实现一个完整的电子设计系统。
此系统受益于多年来的持续开发,被《电子世界》在其对PCB设计系统的比较文章中评为最好产品—“TheRoutetoPCBCAD”。
Proteus产品系列也包含了我们革命性的VSM技术,用户可以对基于微控制器的设计连同所有的周围电子器件一起仿真。
用户甚至可以实时采用诸如LED/LCD、键盘、RS232终端等动态外设模型来对设计进行交互仿真。
图5-1为Proteus仿真界面：
图5-1Proteus仿真界面
其功能模块:
—个易用而又功能强大的ISIS原理布图工具；PROSPICE混合模型SPICE仿真;ARESPCB设计。
PROSPICE仿真器的一个扩展PROTEUSVSM:
便于包括所有相关的器件的基于微处理器设计的协同仿真。
此外，还可以结合微控制器软件使用动态的键盘，开关，按钮，LED甚至LCD显示CPU模型。
5.2仿真电路原理图及结果
利用Keil51及Proteus联合调试，将电路原理图仿真。
下图中DS18B20采集的温度为90.6℃，仿真中降温模块灯泡工作，扬声器发出警报。
图5-2仿真原理图及结果
5.3仿真结果分析
从仿真的效果图看出，仿真是针对的其中的一种状态。
当温度传感器DS18B20采集到环境温度，并将温度传给单片机进行显示，由LC1602显示当前环境温度为90.6℃，由于程序中设定的额定温度为0℃-50℃，此时已经超出了要求的温度。
这是单片机驱动蜂鸣器报警，并通过弱电驱动强电，是继电器闭合，让降温模块工作。
为了仿真的明显，我们用灯泡代替。
可以明显的看到图中的小风扇那个灯泡处于工作状态，说明正在降温。
而负载要等温度降到额定温度范围内才工作。
仿真结果说明设计的温度控制中降温部分已经工作，其他部分同理可以进行仿真和测试。
结 论
在单片机自动控制已经广泛的应用于人们的生产和生活的今天，传统用模拟电路来控制温度的做法，已经逐渐被淘汰。
本设计是基于AT89S51单片机的温度测控与报警电路设计，最终让电路能够保证负载在特定的环境温度范围内正常的工作。
本设计查阅了大量的关于传感器、单片机及其接口电路、以及控制方面的理论，经过方案论证、系统的硬件和软件的设计、系统的调试等过程，最终实现了温度显示、温度报警、温度控制，能够做到智能温度控制。
在电路中使用单片机的弱电控制其他模块的强电，也避免强电和操作人员的直接接触，提高了电路的稳定和安全性。
本设计结构简单，成本低，稳定性高，具有实际应用价值。
本设计使用的是DS18B20数字温度传感器，若根据使用环境配上适当的温度传感器，这个电路便还可以实现很多领域的温度自动控制，同时还可以进行多点温度测控。
可以广泛地应用于多种场合,机房的温度、育婴房的温度、水温的控制等。
这对于提高系统的利用率，避免重复设计有很大作用。
在本设计的作用下，能够为负载提供一个良好的工作环境，使产品的数量和质量有很大的提高。
降低产品的生成成本或者提高使用率，从而使系统的使用者获得的利润提高了。
本设计温度控制器结构简单、测温准确，还可以将测得的温度通过单片机与通讯模块相连接，以手机短消息的方式发送给用户，使用户能够随时对温度进行监控。
用户可灵活选择本设计的用途，其有很强的使用价值。
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附录
程序：
#include//包含单片机寄存器的头文件
#include//包含_nop_（）函数定义的头文件
sbitRS=P2^6;//寄存器选择位，将RS位定义为P2.0引脚
sbitRW=P2^5;//读写选择位，将RW位定义为P2.1引脚
sbitE=P2^7;//使能信号位，将E位定义为P2.2引脚
sbitBF=P0^7;//忙碌标志位，，将BF位定义为P0.7引
sbitk1=P2^0;//中断
sbitk2=P2^1;//移动键
sbitk3=P2^2;//加
sbitk4=P2^3;//减去
sbitk5=P3^7;//定时
sbitl1=P1^0;//中断
sbitl2=P1^1;//移动键
sbitl3=P1^2;//加
sbitl4=P1^3;//减去
sbitFM=P1^4;
unsignedcharcodes[11]={'0','1','2','3','4','5','6','7','8','9','-'};//unsignedcharcodedigit[11]={"0123456789-"};//
unsignedcharflag,tltemp;
charnum1=0,num2=0,sec=0,sec1=0,min=0,min1=0,h=0,h1=0,x=6,x1=6;
unsignedchard=1,d1=1,m=9,m1=9,year=12,year1=12;
chara=0,b=0,c=0,e=0,k=0,ds=0,df=0,dm=0;
/*****************************************************
函数功能：
延时1ms
***************************************************/
voiddelay1ms（）
{
unsignedchari,j;
for（i=0;i<4;i++）
for（j=0;j<33;j++）
;
}
/*****************************************************
函数功能：
延时若干毫秒
入口参数：
n
***************************************************/
voiddelay（unsignedintn）
{
unsignedchari;
for（i=0;idelay1ms（）;
}
/************************************************************************
以下是DS18B20的操作程序
************************************************************************/
sbitDQ=P3^7;
unsignedchartime;//设置全局变量，专门用于严格延时
/*****************************************************
函数功能：
将DS18B20传感器初始化，读取应答信号
出口参数：
flag
***************************************************/
bitInit_DS18B20（void）
{
bitflag;//储存DS18B20是否存在的标志，flag=0，表示存在；flag=1，表示不存在
DQ=1;//先将数据线拉高
for（time=0;time<2;time++）//略微延时约6微秒
;
DQ=0;//再将数据线从高拉低，要求保持480~960us
for（time=0;time<200;time++）//略微延时约600微秒
;//以向DS18B20发出一持续480~960us的低电平复位脉冲
DQ=1;//释放数据线（将数据线拉高）
for（time=0;time<10;time++）
;//延时约30us（释放总线后需等待15~60us让DS18B20输出存在脉冲）
flag=DQ;//让单片机检测是否输出了存在脉冲（DQ=0表示存在）
for（time=0;time<200;time++）//延时足够长时间，等待存在脉冲输出完毕
;
return（flag）;//返回检测成功标志
}
/*****************************************************
函数功能：
从DS18B20读取一个字节数据
出口参数：
dat
***************************************************/
unsignedcharReadOneChar（void）
{
unsignedchari=0;
unsignedchardat;//储存读出的一个字节数据
for（i=0;i<8;i++）
{
DQ=1;//先将数据线拉高
_nop_（）;//等待一个机器周期
DQ=0;//单片机从DS18B20读书据时,将数据线从高拉低即启动读时序
_nop_（）;//等待一个机器周期
DQ=1;//将数据线"人为"拉高,为单片机检测DS18B20的输出电平作准备
for（time=0;time<2;time++）
;//延时约6us，使主机在15us内采样
dat>>=1;
if（DQ==1）
dat|=0x80;//如果读到的数据是1，则将1存入dat
else
dat|=0x00;//如果读到的数据是0，则将0存入dat
//将单片机检测到的电平信号DQ存入r[i]
for（time=0;time<8;time++）
;//延时3us,两个读时序之间必须有大于1us的
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