粮仓温湿度实时检测系统设计.doc
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1引言
粮食是一个国家生存的根本，为了防备战争、灾荒及其它突发性事件，粮食的安全储藏具有重要意义。
根据国家粮食保护法规，必须定期抽样检查粮仓各点的粮食温度与湿度，以便及时采取相应的措施，防止粮食的变质。
但大部分粮仓目前还是采取人工测温的方法，这不仅使粮仓工作人员工作量增大，且工作效率低，尤其是大型粮仓的温度检测任务如不能及时彻底完成，则有可能会造成粮食大面积变质。
据有关资料统计，目前，我国各个地方及垦区的各种大型粮仓都还存在着程度不同的粮食储存变质问题。
我国每年因粮食变质而损失的粮食达数亿斤，直接造成的经济损失是惊人的[1]。
对粮仓粮食安全储藏的主要参数是粮仓的温度和湿度，这两者之间又是互相关联的。
粮食在正常储藏过程中，含水量一般在12%以下是安全状态，不会产生温度突变，一旦粮仓进水、结露等使粮食的含水量达到20%以上时，由于粮粒受潮，胚芽萌发，新陈代谢加快而产生呼吸热，使局部粮食温度突然升高，必然引起粮食“发烧”和霉变，并可能形成连锁反应，从而造成不可挽回的损失[2]。
此次设计的是粮仓温湿度实时检测系统，是对一个粮仓的温湿度进行控制，以保证粮仓储粮的安全。
粮仓温湿度控制系统是以MCS-51系列单片机为核心构成控制系统。
本课题完成了整个系统的硬件设计，提出了一种可以应用于中小型粮仓的温湿度控制系统。
2系统总体分析与设计
2.1系统功能及系统的组成和工作原理
2.1.1总体方案
根据设计功能要求，系统可分如下部分：
·温度监控：
对粮仓温度进行测量，并通过升温或降温达到储粮的最佳温度。
·湿度监控：
对粮仓湿度进行测量，并通过喷雾或去湿达到储粮的最佳湿度。
·控制处理：
当温度、湿度越限时报警，并根据报警信号提示采取一定手段控制。
·显示：
LED就地显示输入值和相应的温湿度。
2.1.2实施措施
·实际环境温度与给定界限比较，执行加热/制冷措施。
·实际环境湿度与给定界限比较，执行加湿/去湿措施。
·越限报警：
当温湿度越限时声音报警。
·键盘与显示：
负责用户的输入及相关数据的显示。
2.2系统方案论证和选择
当将单片机用作测控系统时，系统总要有被测信号通过输入通道，由单片机拾取必要的输入信息。
对于测量系统而言[3]，如何准确获得被测信号是其核心任务；而对测控系统来讲，除对被控对象状态的信号测试外，还要将测试数据与控制条件对比并实时控制相应执行设备。
传感器是实现测量与控制的首要环节，是测控系统的关键部件，如果没有传感器对原始被测信号进行准确可靠的捕捉和转换，一切准确的测量和控制都将无法实现。
工业生产过程的自动化测量和控制，几乎主要依靠各种传感器来检测和控制生产过程中的各种参量，使设备和系统正常运行在最佳状态，从而保证生产的高效率和高质量。
2.2.1温度传感器的选择
方案一：
采用热电阻温度传感器。
热电阻是利用导体的电阻随温度变化的特性制成的测温兀件。
现应用较多的有铂、铜、镍等热电阻。
其主要的特点为精度高、测量范围大、便于远距离测量。
铂的物理、化学性能极稳定，耐氧化能力强，易提纯，复制性好，工业性好，电阻率较高，因此，铂电阻用十工业检测中高精密测温和温度标准。
缺点是价格贵，温度系数小，受到磁场影响大，在还原介质中易被站污变脆。
按IEC标准测温范围-200~650℃，百度电阻比WC（100）=1.3850时，R0为100Ω和10Ω[4]，其允许的测量误差A级为士（0.15℃+0.002|t|），B级为士（0.30℃+0.005|t|）。
铜电阻的温度系数比铂电阻大，价格低，也易于提纯和加工;但其电阻率小，在腐蚀性介质中使用稳定性差。
在工业中用于-50~+180℃测温。
方案二：
采用模拟集成温度传感器AD590，它的测温范围在-55℃~+150℃之间，而且精度高。
M档在测温范围内非线性误差为士0.3℃[5]。
AD590可以承受44V正向电压和20V反向电压，因而器件反接也不会损坏。
使用可靠。
它只需直流电源就能工作，而且，无需进行线性校正，所以使用也非常方便，接口也很简单。
作为电流输出型传感器和电压输出型相比，它有很强的抗外界干扰能力。
AD590的测量信号可远传百余米。
方案三：
采用数字化温度传感器DS18B20[6]。
DS18B20是Dallas半导体公司研制的一款数字化温度传感器，支持“一线总线”接口，即只通过一根信号线完成数据、地址和控制信息的传输。
该器件只有3个引脚（即电源VDD、地线GND、数据线DQ），且不需要外部元件，内部有64位光刻ROM，64位器件序列号出厂前就被光刻于ROM中，可作为器件地址序列码，便于实现多点测量。
全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内；现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输，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。
该电路的检测温度范围为-55~125℃；精度为士0.5℃（在-10℃~85℃范围）；可以分别在93.75ms和750ms内完成9位和12位的数字温度值读入[7]。
根据设计要求：
使用挂接在单总线上的多个单线数字温度传感器为检测元件，且考虑到硬件设计的性价比。
故，采用方案三。
2.2.2湿度传感器的选择
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[8]。
方案一：
采用HOS-201湿敏传感器。
HOS-201湿敏传感器为高湿度开关传感器，它的工作电压为交流1V以下，频率为50Hz~1KHz，测量湿度范围为0~100%RH，工作温度范围为0~50℃[9]，阻抗在75%RH（25℃）时为1MΩ。
这种传感器原是用于开关的传感器，不能在宽频带范围内检测湿度，因此，主要用于判断规定值以上或以下的湿度电平。
然而，这种传感器只限于一定范围内使用时具有良好的线性，可有效地利用其线性特性。
方案二：
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，适用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，其误差不大于士2%RH；响应时间小于5S；温度系数为0.04pF/℃。
可见精度是较高的。
方案三：
采用数字湿度传感器（如SHT11等）。
数字湿度传感器将传感器、信号放大调理、A/D转换、I2C总线接口全部集成于一个芯片中。
应用该方案不需外接A/D转换芯片，可以大大简化硬件电路，并能提高电路的可靠性[10]。
综合比较三个方案，方案一虽然满足精度及测量湿度范围的要求，但其只限于一定范围内使用时才具有良好的线性，而且还不具备在本设计系统中对温度-40℃~+60℃的要求；方案二，虽然不是数字式传感器，与单片机的接口需要外接A/D转换器件，但其性能较优，使用简单，只要合理选择转换电路等也可以有较高的性价比。
本系统中，我们选择方案二来作为本设计的湿度传感器。
3系统硬件设计
本系统硬件包括：
温度检测、湿度检测、A/D转换、单片机及附属电路、控制接口（空调、风机、加湿机）、键盘及显示、报警电路、通信串口等部分的设计。
系统整体电路框图如图3.0.1所示。
ATMEL
89S52
单片机
温度采集装换模块
湿度采集装换模块
键盘接口电路
报警电路
风机接口电路
加湿机接口电路
空调机接口电路
电源与显示电路
RS232
通信接口
图3.0.1系统整体电路框图
3.1数据采集电路设计
3.1.1温度采集电路
1）DS18B20介绍：
DALLAS最新单线数字温度传感器DS18B20简介新的“一线器件”体积更小、适用电压更宽、更经济。
Dallas半导体公司的数字化温度传感器DS1820是世界上第一片支持“一线总线”接口的温度传感器[11]。
一线总线独特而且经济的特点，使用户可轻松地组建传感器网络，为测量系统的构建引入全新概念。
现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输，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控，如环境控制、设备或过程控制、测温类消费电子产品等。
支持3-5.5V的电压范围。
DS18B20具有如下特点：
（1）独特的单线接口只需1个接口引脚即可通信。
（2）在DS18B20中的每一个器件上都有独一无二的序列号，可实现多点测量。
（3）不需要外部元件即可实现测温。
（4）由数据线供电，不需外接电源。
（5）测量范围从-55至+125℃，在-10~+85℃围内保证0.5℃的精度。
（6）用户可以从9位到12位选择数字温度计的分辨率。
（7）内部有温度上、下限告警设置。
（8）用户可定义的非易失性的温度告警设置
图3.1.1：
是TO-92封装和SSOP封装的DS18B20的外部结构图[12]。
图3.1.1DS18B20外观
DS18B20引脚功能描述如下：
GND：
地信号。
DQ：
数据输入/输出引脚。
开漏单总线引脚。
当被用在寄生电源下，可向器件供电。
VDD：
电源引脚，可选择使用。
当工作于寄生电源时，此引脚必须接地。
NC：
空引脚。
DS18B20内部结构如图3.1.2所示：
图3.1.2DS18B20内部结构图
DS18B20内部结构主要由六部分组成：
电源电路、64位光刻ROM及1-wire接口、温度传感器、非易失的温度报警触发器TH和TL[13]、配置寄存器和CRC校验码产生器。
光刻ROM中的64位序列号是出厂前被光刻好的，它可以看作是该DS18B20的地址序列码。
64位光刻ROM的排列是：
开始8位（28H）是产品类型标号，接着的48位是该DS18B20自身的序列号，最后8位是前面56位的循环冗余校验码（CRC=X8+X5+X4+1）。
光刻ROM的作用是使每一个DS18B20都各不相同，这样就可以实现一根总线上挂接多个DS18B20的目的[14]。
DS18B20高速存储器包含了9个连续字节，前两个字节是测得的温度信息，第一个字节的内容是温度的低八位，第二个字节是温度的高八位。
第三个和第四个字节是TH，TL的易失性拷贝，第五个字节是配置寄存器的易失性拷贝，这三个字节的内容在每一次上电复位时被刷新。
第六、七、八个字节用于内部计算。
第九个字节是冗余校验字节。
其中，配置寄存器的内容如下：
“TMRlRO11111”
低5位一直都是1，TM是测试模式位，用于设置DS18B20在工作模式还是在测试模式。
在DS18B20出厂时该位被设置为0，用户不要去改动[15]。
Rl和RO用来设置分辨率，如下表3.1.1所示：
（DS18B20出厂时被设置为12位）
表3.1.1分辨率设置表
R1
R0
分辨率
温度最大转换时间
0
0
9位
93.75ms
0
1
10位
187.5ms
1
0
11位
375ms
1
1
12位
750ms
DS18B20中的温度传感器可完成对温度的测量，以12位转化为例：
用16位符号扩展的二进制补码读数形式提供，以0.0625℃/LSB[16]形式表达，其中S为符号位。
如下表3.1.2所示。
表3.1.212位的温度转化形式表
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