李志伟+基于单片机的粮仓温湿度检测系统参考模板.docx

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李志伟+基于单片机的粮仓温湿度检测系统参考模板

基于单片机的粮仓温湿度检测系统

摘要

粮仓作为储备粮食的重要场所，需及时对其内部的温度和湿度进行检测。

人工检测粮仓环境存在弊端，准确性低且稳定性差。

本文设计了一种基于单片机和传感器技术的粮仓温湿度检测系统，在线实时测量，精度高、稳定性好，系统功能及测量范围能够达到及时准确检测粮仓温湿度的要求。

本文分别从硬件和软件两个方面对此温湿度检测系统进行了分析。

本系统主要由集成温湿度传感器、12位双积分模数转换器ICL7109、主芯片AT89C51和键盘显示辅助芯片8279组成。

硬件部分介绍了系统总体工作流程、器件选择、芯片功能及工作原理等。

软件部分设计了计数、数据采集、温湿度显示等子程序来完善整个系统的检测功能。

该系统操作简单，安装方便，性能稳定可靠，特别适用于需对温湿度及时监测的粮仓，库房等场所。

关键词：

单片机，模数转换器，温湿传感器

Thedetectionsystemofwarmandhumidityofthegranarybasedonone-chipcomputer

Abstract

Thegranaryneedstogaugeitsinsidetemperatureandhumidityintimebecauseitisaimportantplacewherethegrainstores.Thedrawbackexiststomeasuretheenvironmentofthegranaryartificially,accuracyislowandthestabilityisbad.Thistexthasdesignedakindofdetectionsystemofwarmhumidityofgranarybasedonone-chipcomputerandsensortechnology,measureonline,havecharacteristicsuchashighprecisionandgoodstability.Systematicfunctionandtherangeofmeasuringcanreachtherequirementthatmeasurethewarmhumidityofthegranaryaccuratelyintime.Thistexthasbeenanalyzedtothewarmhumiditydetectionsystemfromtworespectsofhardwareandsoftware.Thepartofthesystematichardwareismainlymakesupwiththeintegratedwarmhumiditysensor,12totalmarksmodulusconverterICL7109,mainchipAT89C51andkeyboardandshowntheauxiliarychip8279,thistexthavebeendiscussedsuchrespectsastheworkflowofthesystem,devicechoosing,thefunctionofthechipandoperationprinciple,etc.Thepartofthesoftwarehasbeendesignedsuchsubprogramsasthecounted,thegatheredofdata,warmhumidityshows,whichcanperfectthemeasuringfunctionofthewholesystem.Thissystemoperationissimple,installedconveniently,itisreliableandsteady,thegranaryisespeciallysuitablefortheplacethatneedingtomonitortothewarmhumidityintime,suchplacesasthestorehouse,etc.

Keywords：

One-chipcomputer,Modulusconverter,Warmandhumidsensor

1绪论

1.1背景

防潮、防霉、防腐是粮仓日常工作的重要内容，是衡量粮仓管理质量的重要指标。

它直接影响到储备粮食的使用寿命和工作可靠性。

为保证日常工作的顺利进行，首要问题是加强粮仓内温度与湿度的监测工作。

但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粮仓进行通风、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。

因此我们需要一种造价低廉、使用方便且测量准确的温湿度测量仪。

1.2国内外研究状况和相关领域研究成果

1.2.1粮仓温湿度检测发展状况

粮食的安全存储是关系到国计民生的战略大事，科学保粮具有重要的社会意义与经济价值，粮仓管理中最重要的问题是检测粮堆中的温、湿度变化。

国家为粮食储藏每年需要支付很高的费用，这主要是因为检测设备成本较高，管理方式不够先进。

在理论研究和实地考察实验的基础上，进行了粮食仓库温度和湿度实时在线巡回检测与控制系统的设计和研制。

温度和湿度的检测与控制对防止粮食霉变有着重要的意义，讨论粮堆温度和湿度变化的主要原因以及粮食仓库中温度和湿度的允许变化范围。

探讨在线测量，计算和控制粮食仓库温度和湿度的原理和方法，基本消灭了粮食霉变事故，同时也节省了大量人力和物力，减轻了粮仓管理的工作强度，提高了粮库管理效率，使粮食管理得到了安全可靠的保障。

每到粮食收获季节各粮仓的粮食收购及粮情检测工作压力巨大，如何进行粮食的现代化管理也是每一个储库点的重中之重，若管理不当，粮食发霉或生虫会造成极大浪费。

粮仓管理中最重要的问题是检测粮堆中的温、湿度变化。

国家为粮食储藏每年支付很高的费用，主要是因为检测测设备成本较高，管理方式不够先进，于是温湿度智能监控系统的研究与应用也日益迫切。

粮食温度是能否保证粮食安全储存的重要指标之一,只有及时,准确地测得粮堆各层面的粮温数据,并根据检测的温度数据对粮食储存情况进行分析

作出决策,采取措施,最大限度的减少粮食在储存过程中的损失。

正目前,粮库中的温湿度检测,基本上是人工检测,劳动强度大,繁琐,由于检测报警不及时,造成库储粮食损失的现象时有发生,于是,设计并研制性能价格比较高的粮库温湿度自动检测系统迫在眉睫。

由于大型粮库分布广、储量大，粮库的管理和监测难度大，基于粮库粮情检测系统上的计算机管理软件的设计，由每个粮仓中配置的下位机将粮情数据通过无线数传模块发送给上位机，上位机将下位机的数据以曲线和表格的形式表示出来，清晰直观地显示出各仓内温湿度状况，由上位机对粮仓进行监视，管理人员在控制室就可以看到实时粮情数据，对粮情数据进行分析，实现粮仓管理自动化、智能化。

1.2.2单片机历史

单片机即单片微型计算机，是把中央处理器、存储器、定时/计数器、输入输出接口都集成在一块集成电路芯片上的微型计算机。

与应用在个人电脑中的通用型微处理器相比，它更强调自供应（不用外接硬件）和节约成本。

它的最大优点是体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件。

由于其发展非常迅速，旧的单片机的定义已不能满足，所以在很多应用场合被称为范围更广的微控制器，但是目前在中国大陆仍多沿用“单片机”的称呼。

绝大多数现在的单片机都是基于冯·诺伊曼结构的，这种结构清楚地定义了嵌入式系统所必需的四个基本部分：

一个中央处理器核心，程序存储器（只读存储器或者闪存）、数据存储器（随机存储器），一个或者更多的定时/计时器，还有用来与外围设备以及扩展资源进行通信的输入/输出端口——所有这些都被集成在单个集成电路芯片上。

说单片机与通用型中央处理单元芯片不同是因为前者一般很容易配合最小型的外部支持芯片制成工作计算机。

这样就可以很容易的把单片机系统植入装置内部来控制装置了。

第一代：

七十年代后期，4位逻辑控制器件发展到8位。

使用NMOS工艺（速度低、功耗大、集成度低）。

代表产品：

MC6800、Intel8048。

第二代：

八十年代初，采用CMOS工艺，并逐渐被高速低耗的HMOS工艺代替。

代表产品：

MC146805、Intel8051。

第三代：

近十年来，MCU的发展出现了许多新特点：

（1）在技术上，由扩展总线型向纯单片型发展，即只能工作在单片方式。

（2）MCU的扩展方式从并行总线型发展出各种串行总线。

（3）将多个CPU集成到一个MCU中。

（4）在降低功耗，提高可靠性方面，MCU工作电压已降至3.3V

第四代：

FLASH的使用使MCU技术进入了第四代。

1.3研究内容和研究方法

本课题需要研究的内容主要有以下几方面：

（1）根据系统功能要求并且考虑系统的实用性和可操作性，进行系统的整体方案设计。

该方案采用模块化设计方法，以方便系统调试和用户的使用。

（2）系统硬件设计。

主要内容包括芯片的选择、芯片的功能介绍、芯片外围电路的设计等。

（3）系统软件设计。

主要包括系统主程序，记数程序，采样子程序，读显示子程序，写显示RAM子程序。

本设计以实用为出发点，力求设计原理简单，开发成本低，易于实现。

器件选择上，也考虑到实际应用的具体情况。

单片机控制可靠性高，温湿度传感器采集信号误差小，稳定度高，整个系统使用简单，经济实用，有很强实用性。

2系统的总体设计

本章从系统组成、工作原理、工作范围等方面作了系统介绍。

2.1系统的组成

根据系统总体功能，将其划分为以下几个功能模块：

微处理器CPU、模数转换器A/D、温度传感器、湿度传感器、键盘、数码显示组成，整个系统的构成如图所示。

图2.1温湿度控制系统框图

2.2系统工作流程

本文设计过程可以分为三个阶段，即分析阶段，设计阶段和实现阶段。

分析阶段。

分析阶段：

为本论文的开始，作为系统设计的前提阶段，分析系统的设计总括，初步了解系统硬软件部分的主要性能，并初步的确定系统的设计方案。

设计阶段：

在已经分析好的基础上开始着手系统的总体设计，包括系统的硬件部分的设计和软件部分的设计。

实现阶段：

到了此阶段说明系统基本上已经设计完成，并确定了系统的全部安装连接工作，这时只要验证系统的可行性。

具体的流程可概括如下：

（1）了解系统的总体概况，初步确定系统的设计方案。

（2）对系统进行全面的设计，主要由两部分：

硬件的设计，软件的设计。

（3）系统的实现：

对已设置连接好的系统进行调试制作，确定系统的可行性。

整个检测系统的核心器件是单片机，它是整个系统的“心脏”由它来接收温湿信号并控制协调各功能模块的正常工作。

一方面AD590集成传感器采集温度信号，信号经过整理放大后送ICL7109A/D转换器，由此将模拟信号转变成数字信号后送至CPU进行运算处理，另一方面湿度传感器HS1101将采集的湿度信号通过以555定时器为主的单稳态电路转换成数字信号直接送至89C51进行处理，在单片机内部，CPU根据模拟量与数字量的对应关系，把收到的数字量与温湿度值一一对照，找出合适的温湿度值进行显示，达到测温测湿的目的。

显示部分由专用键盘、显示器控制芯片8279辅助单片机来完成，并可通过键盘输入指令进行控制，充分提高了单片机的工作效率。

因89C51内含4KB的EEPROM，不需外扩展存储器，可使系统整体结构简单。

2.3系统的功能介绍

本系统可对温湿度值进行实时检测，测温范围可为-55～+150。

C，根据粮仓内实际温度变化情况，将测温范围设定为0-70。

C。

可测湿度测量范围是（0-100）%RH，这也足以满足对湿度的测量要求。

所测温湿度值通过8279键盘显示芯片在数码管上进行显示，并可根据需要设定键盘功能控制温湿度的显示和消隐。

整个系统测量精度高、稳定性好，性能上能够达到远距离测量温湿度的要求，适于安置在粮仓内进行检测。

3系统的硬件设计

本章从器件选择、性能特点、电路分析等方面对硬件系统进行了讨论。

3.1温度采集系统

3.1.1集成温度传感器的选择

集成温度传感器实质上是一种半导体集成电路，它是利用晶体管的b-e结压降的不饱和值VBE与热力学温度T和通过发射极电流I的关系实现对温度的检测。

集成温度变换器把作为感温元件的结型温敏器件与外围电路集成在同一芯片上,实现了温度变换器的小型化。

由于附加了线性化电路,因此变换器线性极好,解决了温敏器件非线性问题。

集成温敏变换器还具有高灵敏度、高电平输出、稳定性好,易于与读出电路和控制电路接口等优点。

集成温度传感器的输出形式分为电压输出和电流输出两种。

电压输出型的灵敏度一般为10mV/K，温度0。

C时输出为0，温度25。

C时输出2.982V。

电流输出型的灵敏度一般为1μA/K。

温度检测在工农业生产、国防、科研以及日常生活等领域占有重要地位。

AD590是AD公司利用PN结正向电流与温度的关系制成的电流输出型两端温度传感器。

这种器件在被测温度一定时,相当于一个恒流源。

该器件具有良好的线性和互换性,测量精度高,测温范围宽而且容易实现。

并具有消除电源波动的特性。

即使电源在5～15V之间变化,其电流只是在1μA以下作微小变化。

因为AD590是恒流器件,所以适合远距离传送,也容易实现智能数字化显示[1]。

3.1.2AD590的性能特点

AD590是电流型温度传感器,一般用于精密温度测量电路,其电路外形如图3.1所示,它采用金属壳3脚封装,其中1脚为电源正端V+；2脚为电流输出端Io；3脚为管壳,一般不用。

集成温度传感器的电路符号如图3.2所示

图3.1AD590的外形电路

图3.2集成温度传感器电路符号

AD590的主要特性如下：

1、两端器件：

电压输入。

2、灵敏度：

1μA/K。

即电流输出温度每增加1。

C，它会增加1μA输出电流。

3、较宽的检测范围：

-55～+155。

C。

4、较宽的工作电压：

+4～+30V。

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被损坏。

5、输出电阻为710MW。

6、精度高，线形好：

AD590共有I、J、K、L、M五档，其中M档精度最高，在-55。

C～+150。

C范围内，非线性误差为±0.3。

C。

3.1.3温度采集电路

首先，我们根据AD590的特性，找出其输出电流值与温度值的关系。

具体说明如下：

AD590输出电流是以绝对温度零度（－273。

C）为基准，每增加1。

C，它会增加1μA输出电流，例如在室温25。

C时，其输出电流Io=（273+25）=298μA。

故AD590的输出电流I=（273+T）μA（T为摄氏温度）。

温度采集电路分析

图3.3AD590温度采集放大电路

如图3.3所示因此量测的电压V为（273+T）μA×10K=（2.73+T/100）V。

为了将电压量测出来又需使输出电流I不分流出来,我们使用电压跟随器，其输出电压V2等于输入电压V。

由于一般电源供应较多零件之后，电源是带杂讯的，因此我们使用齐纳二极体作为稳压零件，再利用可变电阻分压，其输出电压V1需调整至2.73V。

接下来我们使用差动放大器，其输出Vo为（50K/10K）×（V2－V1）=T/20V。

如果现在为摄氏100度，输出电压为5V。

图中用到两个LM324集成运算放大器，前一个起跟随作用，防止测电压时分流，第二个起放大作用，将电压信号放大5倍后送至模数转换器[2]，此电路的最终目的是实现信号的放大并将输出电压与测量温度的关系设定为V=

。

这样输入模数转换器的电压不会超过满度电压，同时所测温度的范围也满足要求。

本设计设定的测温范围是0。

C～70。

C，那么输入ADC的模拟电压范围为0V～3.5V。

3.2模数转换器

3.2.1模数转换器的选择

在测量系统中,常常需要将检测到的连续变化的模拟量如：

温度、压力、流量、速度、光强等转变成离散的数字量，才能输入到计算机中进行处理。

这些模拟量经过传感器转变成电信号（一般为电压信号），经过放大器放大后，就需要经过一定的处理变成数字量。

实现模拟量到数字量转变的设备通常成为模数转换器（ADC），简称A/D。

双积分式A/D转换器的基本原理是：

先对输入模拟电压进行固定时间的积分，然后转为对标准电压的反相积分，直至积分输入返回初始值，这两个积分时间的长短正比于二者的大小，进而可以得出对应模拟电压的数字量。

这种A/D转换器对消除共模干扰性能特别优异，虽然转换速度较慢，但不影响这种变化速度不高的温度信号的检测，且精度较高。

ICL7109是一种价格低廉的双积分式12位模/数变换器。

该芯片由模拟电路和数字电路两部分组成，其中模拟电路由模拟信号输入、振荡电路、积分、比较电路和基准电压源组成。

数字电路由时钟振荡器、异步通信握手逻辑、转换控制逻辑、计数器、锁存器、三态门组成。

其最大的特点是数据输出为12位二进制数，并配有较强的接口功能，能方便的与各种微处理器相连。

3.2.2AD转换器ICL7109的特点

ICL7109主要有如下特性：

（1）高精度（精确到1/212=1/4096），低漂移（<1μV/。

C）；

（2）低噪声（典型值为15μVP-P），低功耗（<20mw）；

（3）高输入阻抗（典型值1012欧姆）；

（4）转换速度最快达30次/秒，当采用3.58MHz晶振作振源时，速度为7.5次/秒；

（5）片内带有振荡器，外部可接晶振或RC电路以组成不同频率的时钟电路；

（6）12位二进制输出，同时还有一位极性位和一位溢出位输出；

（7）输出与TTL兼容，以字节方式（分高低字节）三态输出，并且具有VART挂钩方式，可以用简单的并行或串行口接到微处理系统；

（8）可用RVN/

（运行/保持）STATUS（状态）信号监视和控制转换定时；

（9）所有输入端都有抗静电保护电路。

（10）ICL7109工作电压为双电源±5V，基准电压典型值为外部分压输入的2.8V[3]。

3.2.3ICL7109芯片引脚说明及外部连接

图3.4ICL7109引脚说明及外部连接

ICL7109的引脚功能如下：

GND：

数字地,0V。

V-：

负电源，接-5V。

V+：

正电源，接+5V。

STATUS：

状态输出，ICL7109转换结束时，该脚发出转换结束信号。

POL：

极性输出，高电平表示ICL7109的输入信号为正。

OR：

过量程状态输出，高电平表示过量程。

B1~B12：

三态转换结果输出，B12为最高位，B1为最低位。

TEST：

此引脚仅用于测试芯片，接高电平时为正常操作，接低电平时则强迫所

有位B1~B12输出为高电平。

：

低字节使能端。

当MODE和CE/LOAD均为低电平时，此信号将作为低位字节（B1~B8）输出的辅助选通信号；当MODE为高电平时，此信号将作为低位字节输出。

：

高字节使能端。

当MODE和CE/LOAD均为低电平时，此信号将作为低电平时，此信号将作为高位字节（B8~B12）以及POL、OR输出的辅助的选通信号；当MODE为高电平时，此信号将作为高位字节输出而用于信号交换方式。

：

片选端。

当MODE为低电平时，它是数据输出的主选通信号，当本脚为低电平时，数据正常输出；当本脚为高电平时，则所有数据输出端（B1~B12，POL、OR）均处于高阻状态。

MODE：

方式选择。

当输入低电平信号时，转换器为直接输出工作方式。

此时，可在片选和数据使能的控制下直接读取数据。

当输入高电平脉冲时，转换器处于UART方式，并在输出的两个字节的数据后，返回到直接输出方式。

当输入高电平时，转换器将在信号交换方式的每一转换周期的结尾输出数据。

OSCIN、OSCOUT：

振荡器输入、输出端。

OSCSEL：

振荡器选择。

输入高电平时，采用RC振荡器；当输入低电平时采用晶体振荡器。

BUFOSCOUT：

缓冲振荡器输出。

RUN/

：

运行/保持输入。

输入高电平时，每经8192个时钟脉冲均完成一次转换。

当输入低电平时，转换器将立即结束消除积分阶段并跳至自动调零阶段，从而缩短了消除积分阶段的时间，提高了转换速度。

SEND：

是输入信号。

用于数据信号传送时的信号交换方式，以指示外部器件能

够接受数据的能力。

REFOUT：

基准电压输出，一般为+2.8V。

BUF：

缓冲器输出。

AZ：

自动调零电容CAZ连接端。

INT：

积分电容CINT连接端。

COMMON：

公共模拟端。

INLO、INHI：

差分输入低端、高端。

REFIN+、REFIN-：

正、负差分基准输入端。

REFCAP+：

正差分电容连接端。

REFCAP-：

负差分电容连接端。

ICL7109外部电路连接元件参数选择：

基准电压的供给：

ICL7109片内含有参考电压源，由REFOUT（29端）输出，一般为2.048V伏，经电阻分压输出。

基准电压输入为差分输入，分别从REFIN+（36端）、REFIN-（39端）引入。

一般来说对模拟输入如果满度输出4096个数，则VIN=2VREF，即2.048V基准电压对应于4.096满度输入模拟电压，当输入模拟电压为5.0V，因此基准电压为2.5V，通过片内参考电压源经电位器分压得到。

时钟电路的选择：

ICL7109时钟电路选择晶体振荡器，为了使电路具有抗50Hz串模干扰能力，A/D转换应选择积分时间（2048个时钟数）等于50Hz的整数倍，系统选择3.58MHz晶振。

本设计中，ICL7109接成晶体振荡器时，内部时钟为58分频后的振荡器频率。

ICL7109每转换一次所需的时间为8192个时钟周期，转换时间的计算公式为：

转换时间=（8192×58）/晶振频率。

本系统中所用晶振频率为3.58MHz，则转换时间为133ms，即一秒转换7.5次。

积分电容CINTZ选择：

积分电压根据积分器给出的最大输出摆幅电压选择。

此电压应使积分器不饱和（大约低于电源0.3V）。

对于ICL7109±5V电源，0.15uF比较合适。

通常CINT=

。

自动调零电容CAZ选择：

在模拟输入信号较小时，如0～0.5伏时，自动调零电容可选比积分电容CINT大一倍，以减小噪声，CAZ的值越大，噪声越小，如果CINT选为0.15μF，则CAZ=2CINT=0.33μF。

当传感器传来的微弱信号经放大器放大后为0～5V，这时噪声的影响不是主要的，可把积分电容CINT选大一些，使CINT=2CAZ，选CINT=0.33μF，CAZ=0.15μF，本系统正属于这种情况。

积分电阻RINT选择：

缓冲放大器和积分器能够提供20μA的推动电流，积分电阻要选的足够大。

以保证在输入电压范围内的线性。

积分电阻RINT等于满度电压时对应的电阻值（当电流为20μA、输入电压=4.096V时，RINT=200千欧），此时基准电压V+RI和V-RI之间为2V，由电阻R1、R3和电位器R2分压取得。

基准电容CREF一般取值1uF较好。

如果存在一个大的共模电，要求电容值较大，以防止滚动误差。

3.2.4ICL7109与89C51单片机的硬件接口设计

ICL7109内部有一个14位（12位数据和一位极性、一位溢出）的锁存器和