基于51单片机粮库无线温度监测系统的设计.docx
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基于51单片机粮库无线温度监测系统的设计
科技学院2013届本科毕业论文
基于51单片机粮库无线温度监测系统
的设计与实现
专业：
通信工程
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学生学号：
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中国﹒贵州﹒贵阳
2013年5月
基于51单片机粮库无线温度监测系统
的设计与实现
摘要
粮食是国家的战略物质，是人民的生活必需品。
粮食安全是国家安全的基础。
然而，我国粮食霉变事故时有发生，造成巨大的粮食浪费，危害国家粮食安全。
为此，本文设计和构建了粮食仓库温度监测系统，主要用于实时监测粮食仓库中各个粮仓的温度。
方便粮库管理人员掌控粮情，做好防范措施，防止粮食安全事故的发生。
本文首先从理论上论述了温度监测的重要意义，讨论了粮食仓库中温度的允许变化范围，探讨了测量粮食仓库温度的原理和方法。
在此基础上，进行了粮食仓库温度无线监测系统的设计和研制。
此系统用51单片机、温度传感器和无线发送模块构成温度检测与发送装置；用51单片机、LCD显示装置和无线发送模块构成温度接收与显示装置；用语音芯片构成定时报温与超温报警装置。
实现温度信号的无线传输、对仓库内多个点的温度进行实时监测和语音报温报警。
其设计指标：
温度检测范围为-40℃至60℃，温度检测误差<=0.5℃。
温度控制目标范围为-10℃至30℃，控制点的间隔为1℃，超过目标范围时自动报警，以方便管理人员对温度的把握与控制。
此系统采用了无线射频技术，有效距离达到200米，完全可以满足中小型粮食仓库的温度监测。
关键词：
粮库；温度多点监测；无线传输；51单片机
DesignandImplementationofGrainDepotWirelessTemperatureMonitoringSystemBasedon51MCU
Abstract
Foodisthenationalstrategicmaterialsandthedailynecessitiesofthepeople.Sofoodsecurityisthefoundationofnationalsecurity.However,ourcountrygrain-mildewingaccidentsoccurfrequently,causinghugewaste,endangeringnationalfoodsecurity.Tothisend,thispaperdesignandbuildthegraindepottemperaturemonitoringsystem,mainlyusedforreal-timemonitoringthegranaryofthetemperatureinthegrainwarehouse.Inordertocontrolthegrainsituation,completethepreventionmeasures,andpreventfoodsafetyaccidents.
Thispaperfirsttheoreticallydiscussestheimportanceoftemperaturemonitoringanddiscusstheallowedrangeoffoodwarehousetemperature.Meanwhile,Thepaperdiscussestheprincipleandmethodofmeasuringgrainwarehousetemperature.Onthisbasis,thepaperbegintodesignandimplementthewirelesstemperaturemonitoringsystemofthegrainwarehouse.Thissystemusesmicrocomputer,temperaturesensorandwirelesssendingmoduletoconstitutetemperaturedetectionandsendingdevice;usesmicrocomputer,LCDdisplayandwirelesssendingmoduletoconstitutetemperaturereceivinganddisplaydevice;usesvoicechiptoconstitutetemperature-voicedandovertemperaturealarmdevice.Finally,thesystemrealizesthetemperaturesignalwirelesstransmission,real-timemonitoringofmultiplepointstemperature,temperature-voicedandovertemperaturealarm.
Thedesignindexes:
temperaturedetectionrangefor-40℃to60℃andthetemperaturedetectionerror<=0.5℃.Thetemperaturecontrolstargetrangefor-10℃to30℃.Andthesystemisautomaticallyalarmingwhenthetemperatureisabovetargetrange.Thus,iteasytofacilitatemanagementstafftograspandcontrolofthetemperature.Thissystemusingawirelessradiofrequencytechnique,theeffectivedistanceis200meters,cancompletelysatisfythesmallandmedium-sizedgrainwarehousetemperaturemonitoring.
Keywords：
graindepot,multi-pointstemperaturemonitoring,wirelesstransmission,
51MCU
第一章绪论
1.1引言
我国是一个人口众多的大国,科学储粮是保障人民粮食供应,促进社会安定的大事,粮仓温度的监测在科学储粮中占有重要地位。
在大多数粮食存储企业,目前仍主要靠人工检测粮仓温度。
由于粮库占地面积大，粮仓分散，仓内温度测试点多，因而人工监测工作量大，效率低，检测周期长，容易漏检，而且测量器件损坏率高，测试精度难以保证。
所以，设计和研制可靠的粮仓温度监测系统十分重要。
随着无线技术的日益发展，无线传输技术应用越来越广泛。
无线监控技术已经在现代化交通、运输、水利、航运、铁路、治安、消防、边防检查站、森林防火、公园、景区、厂区、小区等领域得到了广泛的应用。
同时，作为获取信息的手段——传感器技术得到了显著的进步，其应用十分前景广阔。
如家用电器、航空航天、国防军事、环境保护、医学诊断、刑事侦查、交通管理等，这领域都离不开传感器。
本文正是在上述背景下，以单片机控制为核心，结合无线传输技术和传感器技术设计了粮库无线温度监测系统。
在此基础上，应用了语音芯片，使温度监测系统更加地完善。
本设计系统主要包括单片机模块，无线收发模块，温度传感器模块，显示模块，语音报温模块五个部分。
文中对每个部分功能和实现过程作了详细地介绍。
然后进行硬件的设计、焊接与组装。
最终达到的目标是实现温度信号的无线传输，对仓库内多个点的温度进行实时监测，自动语音报温及超温报警。
要求成本低、可靠性高、实用性强，适用于中小型仓库的温度监测。
此系统提高了粮库的温度监测速度和监测精度，增强了粮库温度监测的实时性和有效性，有效防止了粮食霉变事故的发生。
同时，节省了大量的人力和物力，减轻了粮库管理的工作强度，提高了粮库管理的效率，使粮食管理得到了安全可靠的保障。
1.2现状
随着微型计算机和传感器技术的迅速发展，自动检测领域发生了巨大变化，仓库温度自动监测方面的研究有了明显的进展。
我国近年引进了多达16个国家和地区的仓库环境控制系统，对吸收国外先进经验和推动粮库温度自动检测产生了积极的作用，但多因能耗过大、造价高、品种未能配套，未能达到很好的效果。
目前，我国许多粮仓对环境温度的测试还停留在人工巡回测试水平上，其工作量大、可靠性差。
粮食行业“十二五”发展规划纲要指出，“十二五”时期是加快现代粮食流通产业发展的重要战略机遇期，同时保障国家粮食安全也面临着严峻挑战。
提出了完善粮食仓储设施，如配置必要的粮情检测等设备。
而粮库温度监测则是粮食安全的重要保障，所以设计并研制性价比较高的粮库温度监测系统势在必行。
1.3目的和意义
粮库温度监测是粮食质量的重要保障，随着微型计算机和传感器技术的飞速发展，传统人工检测的方法费时、费力、精确度低等缺点，已经不能满足当前需要。
本文以51单片机控制为核心，设计粮仓温度监测系统，信号采用无线传输，对仓库内多个点的温度进行实时监测，自动语音报温及超温报警，要求成本低、可靠性高、实用性强。
适用于中小型仓库的温度监测。
此系统克服了以前靠粮库管理人手工检查、测量粮仓温度的缺点，提高了粮库的温度监测速度和监测精度，增强了粮库温度监测的实时性和有效性。
因此，能有效防止粮食霉变事故的发生，同时也节省了大量的人力和物力，减轻了粮库管理的工作强度，从而提高了粮库管理的效率，使粮食管理得到了安全可靠的保障。
1.4本文结构
本文通过对无线发送模块和温度传感器等基本原理阐述，详细地介绍了基于51单片机粮库无线温度监测系统的开发过程。
第一章：
绪论。
本章阐述了本课题的背景、现状及研究意义。
第二章：
方案的比较和论证。
本章通过分析和比较，选择最佳的元器件。
第三章：
MCS-51单片机的结构及原理。
单片机是温度监测系统最核心的部分。
本章简要地介绍了单片机的结构和原理。
第四章：
系统硬件设计。
本章对各个模块中使用到的主要器件的原理和使用方法进行了详细地介绍，并进行了硬件的设计。
第五章：
系统软件设计。
介绍系统软件的开发环境，并进行了主要模块的软件设计。
第六章：
设计总结。
本首先对整个设计过程进行总结，然后指出了系统设计中的不足和改进的方向。
第二章方案的比较和论证
2.1温度传感器的选型
方案一：
采用AD590，如图2.1所示，它的测温范围在-55℃～+150℃之间。
精度高，非线形误差为±0.3℃。
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。
应用时，无需线性化电路、精密电压放大器、电阻测量电路和冷结补偿。
AD590可以裸片形式提供适合受保护环境下的混合电路和快速温度测量。
但是AD590采集的是模拟信号，没有自动转换为数字信号的功能，而单片机只能处理数字信息，所以使用使必须配置模数转换器（ADC），电路复杂，成本高。
而且需要校准，测温点数量少，对线阻有要求。
图2.1AD590外形
方案二：
采用DS18B20，如图2.2所示，它的测温范围在－55℃～＋125℃之间。
其精度较高，适应电压范围宽，电压范围：
3.0～5.5V。
DS18B20不仅具有独特的单线接口方式，在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯；也具有负压特性，电源极性接反时，芯片不会因发热而烧毁[1]。
而且，DS18B20支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，实现组网多点测温。
此外，它与AD590相比最大的优点是电路简单，不需要单独的AD转换，测量结果直接输出数字温度信号，且具有极强的抗干扰纠错能力。
可以看出，DS18B20的优点弥补了AD590的缺点。
综合比较方案一与方案二，方案二更适合本设计系统中温度传感器的要求。
图2.2DS18B20外形
2.2无线发送模块的选型
方案一：
采用nRF2401，如图2.3所示，它工作于2.4～2.5GHzISM频段，芯片内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器和调制器等功能模块，输出功率和通信频道可通过程序进行配置。
芯片的能耗低，以-5dBm的功率发射时，工作电流为10.5mA，接收时工作电流为18mA，它有多种低功率工作模式，节能设计方便。
其DuoCeiverTM技术使nRF2401可以使用同一天线，同时接收两个不同频道的数据。
nRF2401适用于多种无线通信的场合，如无线数据传输系统、无线鼠标、遥控开锁、遥控玩具等。
其缺点是，当它和单片机的I/O口直接连接时，会导致数据的传输速度下降，而成为整个系统传输速度的颈瓶。
图2.3nRF2401外形
方案二：
采用RF1100-232，如图2.4所示，它工作于433MHz频段免许可证使用。
RF1100-232具有高抗干扰能力和低误码率，它是基于FSK的调制方式，采用高效前向纠错和信道交织编码技术，提高了数据抗随机干扰和突发干扰的能力，在信道误码率为10-2时，可得到实际误码率10-5～10-6。
传输距离远，直线可视情况下，天线放置高度>2米，9600bps可靠传输距离大于100m（BER=10-3/9600bps）；1200bps传输距离最大可达200m（BER=10-3/1200bps）。
此外，RF1100-232支持透明数据传输,提供透明的数据接口，能适应任何标准或非标准的用户协议。
自动过滤掉空中产生的假数据，使用简单无需编程，大大方便应用。
综合比较方案一与方案二，方案二具有抗干扰能力强、误码率低、使用简单无需编程等优点，所以选择方案二。
图2.4RF1100-232外形
2.3语音芯片的选型
方案一：
采用ISD1420，如图2.5所示，其单片录放时间为20秒，音质较好。
选址处理达160段信息，EEPROM可重复擦写。
单电源供电，典型电压+5V，电路断电后语音内容不会丢失。
其控制方式：
并口或按键。
ISD1420模块芯片采用CMOS技术，内含振荡器、话筒前置放大、自动增益控制、防混淆滤波器、平滑滤波器、扬声器驱动及EEPROM阵列。
其外围元件简单，需少量阻容元件、麦克风即可组成一个完整录放系统；操作简单，无需专用编程器及语音开发器。
它的采样频率从5.3、6.4到8.0KHz，对音质有轻微影响。
此外，ISD1420的稳定性较差，价格稍贵。
图2.5ISD1420外形
方案二：
采用ISD1760，如图2.6所示，其单片录放时间40～120秒，音质好。
可利用震荡电阻来自定芯片的采样频率，来决定芯片的录放间和录放音质。
其控制方式：
按键模式和MCU串行控制模式（SPI协议）。
该芯片提供多项新功能，包括内置专利的多信息管理系统，新信息提示,双运作模式，以及可定制的信息操作指示音。
芯片内部包含有自动增益控制、麦克风前置扩大器、扬声器驱动线路、振荡器与内存等的全方位整合系统功能。
ISD1760的独立按键工作模式录放电路非常简单，而且功能强大，不仅有录、放功能，还有快进、擦除、音量控制、直通放音和复位等功能。
这些功能仅仅通过按键就可完成。
同时，它具有电压范围宽，稳定性好，工作状态提示丰富多样，可处理多达255段以上信息，宽价廉物美，应用灵活等优点。
综合比较方案一与方案二，方案二更适合本系统设计的要求。
图2.6ISD1760外形
2.4显示模块的选型
方案一：
采用LED数码管，如图2.7所示，它是设备常用简易显示电子元器件之一。
LED数码管的主要优点如下：
（1）能在低电压、小电流条件下驱动发光，能与CMOS、ITL电路兼容。
（2）发光响应时间极短，高频特性好，单色性好，亮度高。
（3）体积小，重量轻，抗冲击性能好。
（4）寿命长，使用寿命在10万小时以上，甚至可达100万小时。
（5）成本低，使用简单方便。
然而，LED也有缺点的：
（1）其散热性能稍差
（2）用单片机控制时需要配置恒流驱动芯片（3）容易出现光衰甚至“死灯”现象。
（4）只能显示数字，而不能显示简单的字符。
基于上述特点，LED数码管常用于设备简易的数字显示中。
图2.7LED数码管外形
方案二：
采用LCD1602A，如图2.8所示，其为标准型16X2液晶显示字符模块。
LCD1602A的特点如下：
（1）机身薄，节省空间：
与比较笨重的CRT显示器相比，液晶显示器只要前者三分之一的空间。
（2）省电，不产生高温：
属于低耗电产品，可以做到完全不发烫，相对与CRT显示器，因显像技术不可避免产生高温。
（3）无辐射，益健康：
液晶显示器完全无辐射，这对于整天在电脑前工作的人来说是一个福音。
（4）画面柔和不伤眼：
不同于CRT技术，液晶显示器画面不会闪烁，可以减少显示器对眼睛的伤害，眼睛不容易疲劳。
LCD1602A能现显示简单的字符。
其也存在缺点，如价格较贵，可视角度小，反应时间较慢等。
综合比较方案一与方案二，数码管作为温度检测的显示，LCD1602A作为温度接收的显示。
图2.8LCD1602A外形
第三章MCS-51单片机的结构与原理简介
作为单片机市场的主流产品，51系列单片机具有省电耐用、可多次编程、性能稳定、物美价廉等优点，所以选择MCS-51单片机作为此温度监测系统的控制核心。
本章将对其结构及原理进行简要的介绍。
3.1MCS-51单片机的内部结构
3.1.1MCS-51单片机的组成
MCS-51单片机是在一块芯片上集成CPU、RAM、ROM、定时器/计数器和I/O口等基本功能部件。
单片机内部包含以下几个部件：
（1）一个8位CPU
（2）一个片内振荡器及时钟电路
（3）4KBROM程序存储器（4）128BRAM数据存储器
（5）两个16位定时器/计算器
（6）可寻址64KB外部数据存储器和64KB外部程序存储器空间的控制电路
（7）32条可编程的I/0线（8）一个可编程全双工串行接口
（9）具有5个中断源、两个优先级嵌套中断结构
3.1.2CPU
CPU是单片机的核心部件，它由运算器和控制器等部件组成。
1）运算器
运算器的功能是进行算述运算和逻辑运算。
可以对半字节、单字节等数据进行操作。
例如能完成加、减、乘、除、BCD码十进制调整等操作。
此外，8051运算器还包含有一个布尔处理器，用来处理位操作。
2）程序计数器PC
程序计数器PC用来存放即将要执行的指令地址，共16位，可对64KB的程序存储器直接寻址。
执行指令时，PC内容的低8位P0口输出，高8位经P2口输出。
3）指令寄存器
指令寄存器中存放指令代码。
CPU执行指令时，由程序存储器中读取的指令代码送入指令寄存器，经译码后由定时与控制电路发出相应的控制信号，完成指令功能[2]。
4）定时与控制部件
（1）时钟电路
8051片内设有一个由反向放大器所构成的振荡电路，XTAL1和XTAL2分别振荡电路的输入和输出端，时钟可以由内部方式产生。
内部方式时钟电路如图3.1所示。
外部方式的时钟很少用，若要用时，只要将XTAL1接地，XTAL2接外部振荡器即可。
图3.1内部方式时钟电路
（2）时序
MCS-51典型的指令周期为一个机器周期，一个机器周期由6个状态个振荡周期组成。
每个状态又被分成两个时相进行。
如图3.2所示，为8051单片机的取指令和执行指令的定时关系。
图3.28051时序
3.2MCS-51单片机外部结构
3.2.1MCS-51单片机引脚功能
MCS单片机都采用40引脚的双列直插封装方式，其引脚功能如下：
1）主电源引脚VSS和VCC
VSS接地；VCC正常操作时为+5V电源。
2）外接晶振引脚XTAL1和XTAL2
XTAL1内部振荡电路反相放大器的输入端，是外接晶体的一个引脚。
当采用外部振荡器时，此引脚接地。
XTAL2内部振荡电路反相放大器的输出端。
是外接晶体的另一端。
当采用外部振荡器时，此引脚接外部振荡源。
3）控制或与其他电源利用引脚RST/VPD，ALE/PROG，PSEN和EA/VPP
（1）RST/VPD
当振荡器运行时，在此引脚上出现两个机器周期的高电平，将使单片机复位。
在VCC掉电期间，在引脚可接上备用电源，由VPD向内部提供备用电源，以保持内部RAM中的数据。
（2）ALE/PROG
正常操作时为ALE功能提供把地址的低字节锁存到外部锁存器，ALE引脚以不变的频率周期性地发出正脉冲信号。
因此，它可用作对外输出的时钟，或用于定时目的。
（3）PSEN
外部程序存储器读选通信号输出端，在从外部程序存储器取指令或数据期间，PSEN在每个机器周期内两次有效。
（4）EA/VPP
EA/VPP为内部程序存储器和外部程序存储器选择端。
当EA/VPP为高电平时，访问内部程序存储器；当EA/VPP为低电平时，访问外部程序存储器。
4）输入输出引脚P0.0～P0.7，P1.0～P1.7，P2.0～P2.7，P3.0～P3.7
P0口（P0.0～P0.7）是一个8位漏极开路型双向I/O口，在访问外部存储器时，它分时传送低字节地址和数据总线，P0口以吸收电流的方式驱动8个LSTTL负载。
P1口（P1.0～P1.7）是一个带有内部提升电阻的8位准双向I/O口。
能驱动4个LSTTL负载。
P2口（P2.0～P2.7）是一个带有内部提升电阻的8位准双向I/O口，在访问外部存储器时，它输出高8位地址。
P2口可以驱动4个LSTTL负载。
P3口（P3.0～P3.7）是一个带有内部提升电阻的8位准双向I/O口。
能驱动4个LSTTL负载。
3.2.2复位和复位电路
在单片机系统中，复位电路是非常关键的，当程序跑飞或死机时，就需要进行复位。
MCS-5l系列单片机的复位引脚RST出现2个机器周期以上的高电平时，单片机就执行复位操作。
MCS-51单片机的复位电路如图3.3所示：
图3.3开关复位电路
在RESET（图中表示为RST）输入端出现高电平时实现复位和初始化。
复位后，各内部寄存器状态如表3.1所示：
表3.1内部寄存器初始状态
寄存器
内容
寄存器
内容
PC
0000H
TMOP
00H
ACC
00H
TCON
00H
B
00H
TH
00H
PSW
00H
TL
00H
SP
07H
TH
00H
DPTR
0000H
TL
00H
P0～P3
0FFH
SCON
00H
IP
×××00000
SBUF
不定
IE
0××00000
PCON
0×××××××
3.3MCS-51单片机的定时器/计数器
3.3.1定时器/计数器的结构
1）特殊功能寄存器TMOD
特殊功能寄存器TMOD为定时器的方式控制寄存器，寄存器中每位的定义如图3.4所示。
其中M1、M0用来确定所选的工作方式，如表3.2所示：
D7
D6
D5
D6
D3
D2
D1
D0
T1方式控制字
GATE
C/T
M1
M0
T0方式控制字
GATE
C/T
M1
M
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