酒窖温湿度监控系统.docx

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酒窖温湿度监控系统

摘要

温度和湿度是酒储藏极其重要参数，稳定的温度湿度环境是储藏出高品质酒的必要条件。

本文分析了CAN总线监控系统模式及单片机特点以及适用于酒贮存的环境参数，并综合运用传感器技术、通讯技术和微型计算机技术，设计了一种基于CAN总线的酒窖温湿度监控系统。

酒窖温湿度监控系统由上位机、下位机及终端控制设备三部分组成。

上位机为PC微型计算机，它是监控系统的指挥中心。

下位机为控制仪，通过CAN接口卡将PC机和控制仪相连，完成PC机和控制仪的数据通讯。

下节点控制仪以微处理器89S52和CAN总线控制器SJA1000为核心。

终端控制设备由数据采集器件（温度传感器、湿度传感器）、空调、加湿机和通风设备等组成。

文中采用了Pt100温度传感器、

型湿度传感器采集酒窖内的温湿度信号，并利用空调、加湿机实现实时控制。

文中也设计了监控软件，可以实时显示和存储监测点的温湿度参数值、控制运行状态以及设定的参数，同时用户可修改监测点的温湿度参数值。

整个系统在硬件支持下，可修改控制仪的系统功能，系统有较强的安全性、可靠性和灵活性。

关键词：

CAN总线；酒窖；温度；湿度；监控

Abstract

Thetemperatureandhumidityaretheextremelyimportantparameterforthewinestoring，thesteadytemperaturehumidityenvironmentisnecessaryconditionforstoringthehigh-qualitywineoutinaccurately.CANbusmonitoringsystemmodeandfoundationoftheone-chipcomputercharacteristicareana1yzedinthispaper,alsotheenvironmenta1parameterofstudyingandsuitab1eforthewineandstoringisana1yzed，akindofmonitoringsystemaboutthetemperaturehumidityofwinecellarbasedonCANbusisdesignedusingthetransducertechno1ogyandcommunicationtechno1ogyandmicrocomputertechno1ogysynthetically.

Thissystematichardwarefromat1ocationmachine，itisthemachineandtermina1toifcontro11ingapparatusthethreeparts.ItisPCmicrocomputertogetonthe1ocationmachine，auditisthecommandcentreofthemonitoringsystem.Thenextmachinecontro11er1inkupthroughCANinterfacecardCANminiPCwithcontro11er，finishthedatacommunicationofPCandcontro11er.Contro11erse1ects89S52andCANbuscontro11erSJA1000foruseasthecorewiththemicroprocessor.Termina1tocontro1apparatusgatherdatadevice（temperaturetransducer、humiditytransducer）、airconditioner、humidificationp1aneandventi1ationfaci1ities，etc..Contro11ingthesoftwarecanrevea1andstoretheparameteroftheworkingstate，sett1ementoutputtedinparameterva1ueofwarmhumidity、contro1ofthemonitoringpointandperformanceofCANbus.Userscanrevisetheparameterva1ueofwarmhumidityofthemonitoringpoint.

Therearestrongersecurity，dependabi1ityandf1exibi1ity.Forfinishtowarmco11ectionofhumidity，contro1，andresponsecarryoutCANorderanddatathatbuscutoffmakesoftwaresupport.

Keywords：

CANbus；Winece11ar；Temperature；Humidity；Monitoring。

第1章绪论

题目的来源与意义

酒是世界上最古老的具有保健功能的含酒精饮品，为广大消费者所喜欢。

为了得到高品质的酒，不仅要讲究酒的酿造工艺，而且要讲究酒的存放条件。

酒一般都存放在酒窖里，恒定的环境是酒贮存的关键。

酒类收藏家们认为，酒最好的储藏温度13℃左右相对湿度长期维持在50%-70%，才能保证葡萄酒的储藏效果。

美国加州大学化学系教授A1exanderJ.Parde11曾经做过试验研究，如果以葡萄酒储存的通用标准摄氏13度作为基准，若温度上升到摄氏17度，酒的成熟速度会是原来的1.2～1.5倍，若温度增加到23摄氏度，成熟速度将变成2～8倍，若温度升高到32摄氏度，成熟速度将变为4～56倍。

而成熟速度快，不仅酒的风味比较粗糙，而且可能会发生过分氧化让酒变质的可能。

湿度的影响主要作用于软木塞，湿度一般认为在60～70%是比较合适的，湿度太低，软布塞会变得干燥，影响密封效果，让更多的空气与酒接触，加速酒的氧化，导致酒变质。

即使酒没有变质，干燥的软木塞在开瓶的时候很容易断裂甚至碎掉，给人们使用带来不便。

如果湿度过高有时也不好，软木塞容易发霉，而且在酒窖里还容易滋生一种甲虫。

所以，恒定的温度和湿度对葡萄酒陈酿的质量起着至关重要的作用。

对于厂家来说酒一般都存放在地下酒窖里，但是并不是可以随意的挖制地下酒窖，应根据产品的工艺和质量的要求，并结合当地气候、土壤、地下水位及材料来源等因素决定。

北方应考虑防冻，南方应注意过高气温的影响。

另外对于不同的酒所要求的最佳储存温度，如半甜、甜型红葡萄酒14～16℃，干红葡萄酒16～22℃等。

天然酒窖在精确控制方面还是很欠缺的。

专业的电子酒柜是恒温恒湿的，但是价格也非常的贵。

传统的酒窖需要日常维护，采用人工调节和测量环境，其工作量大，工况点的调节慢，数据的维护和分析困难。

此外，在许多偏僻的酒窖，工作人员工作起来既不方便也会增加维护成本。

在这个方面，急需一种更好的方法来实施酒窖温度和湿度控制。

在此基础上，充分利用实验室的资源和现代先进技术，研究并开发基于CAN总线的温度湿度监控系统。

对酒窖的温度和湿度的监控，既保证酒的品质的可靠性和经济性，可以降低维护费用，在生产实际中具有重要的意义。

国内外温室研究发展状况

目前，针对酒窖环境的监控系统的研究资料比较少，但是在有关温室环境的智能监控系统的研究资料相对多些，从这些资料中我们可以看到酒窖温湿度监控体统发展方向以及可以借鉴的相关技术。

世界发达国家大力发展集约化的温室产业，用计算机控制管理系统实现高效科学的环境调控与水肥管理。

欧、美等国在30年代就相继建立了人工气候室，温室调控技术至今经历了几十年的发展过程，初期是使用仪表对温室设施中的光照、温度等参数进行测量，再使用手动或电动执行机构（如帘幕、通风设备等）施行简单控制，随着传感元件、仪表及执行器技术的进步，逐步发展成为对温度、湿度、光照等儿乎所有室内环境参数分别进行自动控制。

计算机技术的发展使环境参数的综合控制成为可能。

国外温室的主要特点是规模大、设备齐全、环境控制系统先进。

国内计算机控制技术应用于农业领域始于70年代中期。

我国现代温室快速发展。

如90年代中后期，江苏理工大学的李萍萍、毛罕平等研制开发了温室软硬件控制系统，能对温度、光照、营养液等进行综合控制，是目前国产化温室计算机控制系统较为典型的研究成果。

2001年，国家“863”计划包含有“可控环境农业生产技术”，研究内容包含研制可控环境自动控制系统、信息自动采集系统等。

2003年国家计委启动了“设施农业技术集成产业化示范”课题；国家自然科学基金生命科学部对设施园艺也设立了重点项目。

由此可以看出国外发达国家的温室环境控制系统起步早，技术成熟，功能完善。

温室系统具有非线性、时变、滞后、不确定性、多目标、难于建立精确的数学模型的特点，而智能控制正好能针对上述特点进行有效地控制。

尤其是作为智能控制一个分支的模糊控制，它具有很强的解决复杂系统的能力。

从己实现的控制系统来看，它具有易于掌握、可靠性高、鲁棒性强等优点。

因此，智能化控制是对温室实行先进控制的发展方向。

CAN总线技术

控制器局部网（CAN—CONTRO11ERAREANETWORK）属于现场总线的范畴。

是德国Bosch公司为解决现代车辆中众多的控制和数据交换问题而开发出的一种总线通信结构。

CAN总线构建的系统具有优良的特点：

如良好的故障隔离能力，可靠性高，实时响应性能好，通信速率高，还有较好的检错措施，使数据传输的出错率降至极低。

由于具有这些特点，非常适合在酒窖温湿度监控系统完成信息通信。

CAN协议的一个最大特点是废除了传统的站地址编码，而代之以对通信数据块进行编码。

采用这种方法的优点可使网络内的节点个数在理论上不受限制，数据块的标识符可由11位或29位二进制数组成，因此可以定义2或2个以上不同的数据块，这种按数据块编码的方式，还可使不同的节点同时接收到相同的数据，这一点在分布式控制系统中非常有用。

数据段长度最多为8个字节，可满足通常工业领域中控制命令、工作状态及测试数据的一般要求。

同时，8个字节不会占用总线时间过长，从而保证了通信的实时性。

CAN协议采用CRC检验并可提供相应的错误处理功能，保证了数据通信的可靠性。

CAN卓越的特性、极高的可靠性和独特的设计，特别适合工业过程监控设备的互连，因此，越来越受到工业界的重视，并已公认为最有前途的现场总线之一。

CAN总线特点：

（1）数据通信没有主从之分，任意一个节点可以向任何其他节点发起数据通信，靠各个节点信息优先级先后顺序来决定通信次序，高优先级节点信息在134μs通信；

（2）多个节点同时发起通信时，优先级低的避让优先级高的，不会对通信线路造成拥塞；（3）通信距离最远可达10KM（速率低于5Kbps）速率可达到1Mbps（通信距离小于40M）；（4）CAN总线传输介质可以是双绞线，同轴电缆。

CAN总线适用于大数据量短距离通信或者长距离小数据量，实时性要求比较高，多主多从或者各个节点平等的现场中使用。

另外，监控系统常用DNC（DistributedNumerica1Contro1）结构，是能够实现监测和控制的一种方式。

目前在实时监控方面，DNC网络常见的构建形式主要有BITBUS网络和RS-485网络。

其中，BITBUS网络为单主结构的星型网。

节点之间的通信完全由主节点控制，这就大大降低了系统的效率，但一旦主节点出现故障，整个系统也就瘫痪了。

而基于RS-485网络的DNC系统，虽然具有结构简单、成本低等优点，但是系统的故障隔离能力、实时响应性差、总体可靠性低。

CAN总线与RS-485相比，具有更强的纠错能力和实时性；采用数字信号传输，减少了模拟量在传输过程中的误差，大大提高了抗干扰能力；同时，CAN总线还具有多主式即网络上任一节点均可在任一时刻主动地向网络上的其它节点发送信息而不分主次等优点。

酒窖温湿度控制技术

温湿度控制是酒窖中最重要的一个环节，恒温恒湿是酒窖需要满足的最基本条件之一，最重要的条件之一。

在一定的时间内，存有大量美酒的酒窖必须处在一个恒温恒湿的环境中，只有恒温恒湿的环境才能保证葡萄酒在干燥阴暗的酒窖中长期储存。

如果酒窖中的温湿度水平过低，不但不能保存好葡萄酒，而且会导致葡萄酒的自然蒸发。

温湿度水平长期大幅波动将会给葡萄酒的储存带来毁灭性的打击。

因此营造一个良好的储存环境对于酒窖来说显得十分重要。

储存葡萄酒的酒窖最佳湿度范围应该介于百分之七十到百分之九十五之间。

低湿度的水平往往导致额外的损失。

比如因为湿度过低，存放葡萄酒的木桶将会因为环境的干燥而脱水开裂，而且会导致桶内葡萄酒的蒸发。

根据相关经验，低湿度的环境往往使葡萄酒失去其容量的百分之十五，例如一个六十加仑的葡萄酒桶，将失去四加仑的葡萄酒。

这些酒都将被自然蒸发掉，造成额外的浪费和损失。

而且由于湿度过低，促进了葡萄酒桶的老化，因此，保证环境湿度水平对于葡萄酒酒窖来说显得意义非凡，合适的湿度，不但可以保证酒的质量，而且可以减少损失，节约开支，湿度控制设备的重要性得到充分的体现。

喷雾降温加湿系统经过多年的使用经验，已经充分的肯定了这种设备的使用价值，通过在酒窖中安装高压喷雾降温加湿设备，可根据预设的温湿度水平，自动控制环境的温湿度情况，当温度或湿度低于预设水平，自动启动设备，当温湿度达到预设水平则自动关闭系统。

而且高压喷雾系统还具有使用成本低廉，设备安装维护简便，耐用性好等优点。

高压喷雾系统的产生非常细小的水颗粒，这主要归功于高压为喷雾头，这种喷头孔径非常细小，当加压过的洁净水通过高压微雾喷头时，产生细小的水雾颗粒，接触空气的同时就被蒸发，绝对不会淋湿墙面地面，因此使用高压喷雾系统在增加环境湿度的同时，还可以保证酒桶的干燥。

本文主要研究内容

本设计中主要研究对象为酒窖内的温湿度，通过温湿度传感器采集酒窖内的温湿度信号，通过A/D转换电路传送到单片机，并对其判断是否越限报警，通过加湿器、除湿器和空调来控制酒窖内的温湿度，其数值显示在液晶显示器上。

第1章方案论证

酒窖温湿度监控系统分析

酒窖应为酒提供最理想的储藏条件。

理想的酒窖不仅要有适合的湿度、温度，还要保证有良好的通风，要避免震动，对于环境的清洁度也苛求很高。

本设计主要完成酒窖内温湿度的采集，处理，显示并做出判断实现超限报警，还通过CAN总线传至上位机有关信息。

上位机通过接收智能节点传来的信息，实时了解酒窖温湿度情况，并且能根据各智能节点地址，设定任何一个酒窖温湿度的报警阀值，从而解决了多个酒窖的温湿度监控问题。

本设计预期达到的性能指标：

（1）温度检测范围：

-10℃—+50℃，控制精度：

±0.5℃；

（2）湿度检测范围：

5％RH—95％RH，控制精度：

±5％RH；

（3）用户可根据需求设定温度和湿度；可以联网通信；

（4）实时显示检测参数，并能越限报警（报警限可由用户设定）。

方案设计

本设计中主要有三个方案，分别采用CP1D、AT89S52、AT89C52作为系统的主控制器。

方案一：

选用一片CP1D（如EPM71281C84-15）作为系统的核心部件，实现控制与处理的功能。

CP1D具有速度快、编程容易、资源丰富、开发周期短等优点，可利用VHD1语言进行编写开发。

但CP1D在控制上较单片机有较大的劣势。

同时，CP1D的处理速度非常快，对系统处理信息的要求不太高，在这一点上，MCU就已经可以胜任了。

若采用该方案，必将在控制上遇到许许多多不必要增加的难题。

为此，我们不采用该种方案，进而提出了第二种设想。

方案二：

采用AT89S52单片机作为主控制器。

AT89S52是一种超低功耗，和标准51系列单片机相比较具有运算速度快，抗干扰能力强，支持ISP在线编程，片内含8k空间的可反复擦写1000次的F1ash只读存储器，具有256bytes的随机存取数据存储器（RAM），32个I/O口，2个16位可编程定时计数器。

其指令系统和传统的8051系列单片机指令系统兼容，降低了系统软件设计的难度，电路设计简单、价格低廉。

方案三：

采用AT89C52单片机为主控制器。

AT89C51是一种带4K字节F1ASH存储器（FPEROM—F1ashProgrammab1eandErasab1eReadOn1yMemory）的低电压、高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。

AT89C2051是一种带2K字节闪存可编程可擦除只读存储器的单片机。

单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除1000次。

该器件采用ATME1高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。

由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATME1的AT89C51是一种高效微控制器，AT89C2051是它的一种精简版本。

AT89C51单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。

现在AT89S51/52已经取代了AT89C51/52。

综合以上方案本设计选择更为熟悉的方案二使用AT89S52单片机作为本设计的控制核心。

系统总体框图

该设计课题主要完成对用于酒窖温湿度控制系统，可以利用单片机和传感器实现对酒窖环境温湿度的采集以及控制。

因此需要采集温度和湿度信号，完成数据处理，同时实现温湿度自动控制，并做出判断实现超限报警。

本设计由单片机最小系统、温湿度传感器、键盘电路、显示电路、CAN控制器、报警电路和电源电路构成。

本节点以单片机AT89C52为主控制器，键盘设定温湿度的上下限，由温湿度传感器检测温室内的温湿度并经A/D转换后送往单片机，LCD实时显示室内的温湿度值，报警电路在温湿度值超过上下限值报警，单片机通过CAN总线控制器和CAN驱动器连接至CAN总线，与总线的其他节点通信，实现温湿度值的检测、处理及监控。

用户可以通过上位机中的键盘输入温湿度的预置值，从而实现上位机对酒窖温湿度远程控制。

系统下位机设在酒窖内，下位机中的温湿度传感器可以将环境中的温湿度非电量参数转化成电量信号，再将这些信号进行处理后送至下位机中的单片机，下位机通过CAN总线传给上位机，通过LCD进行实时显示。

同时与原先内部设定的参数值进行比较处理，单片机可以根据比较的结果决定是否报警，用户直接通过键盘对温湿度的预置值进行设置。

设计中要求温度检测范围为-10℃—+50℃，控制精度为±0.5℃，湿度检测范围为5％RH—95％RH，控制精度为±5％RH，并要求实现联网通信，同时要求能越线报警。

基于以上分析，基于CAN总线酒窖温湿度监控系统设计的总体框如图2.2所示。

CAN总线

图2.2系统总体框图

基于CAN总线酒窖温湿度监控系统对各个酒窖温湿度等进行检测和显示；要实现这些功能，可采用以单片机为核心的控制系统，因为单片机的内部资源丰富，供电电压只需要5V，并且单片机的体积较小，便于存放；价格也相对便宜。

对单片机外加简单的接口电路及编制不同的应用程序就可实现不同的功能。

从节能和经济效益方面考虑，选用以单片机为核心的控制系统更为合理。

基于以上分析，本设计系统分为以下几个模块。

（1）控制模块

用于接收主机经CAN总线发来的命令，控制采集温度参数，经CAN总线向主机发送遥测数据，再通过控制仪（空调、除湿器、加湿器）控制温湿度，使其满足酒窖需要的储存温度及湿度。

（2）数据采集功能模块

采集温度和湿度信号，并将信号进行放大及滤波处理，获得一个单片机可以识别的模拟电压信号，该信号经A/D转换后由单片机处理并储存。

（3）通信模块

主要完成智能控制仪与主机之间的通讯。

采用CAN总线进行通讯，CAN总线最大传输距离为10km。

（4）电源模块

根据智能控制仪内部件的电气特性提供电源变换。

（5）显示模块

利用液晶显示模块实现实时显示酒窖内的温湿度。

（6）声光报警模块

当酒窖内的温湿度不在预先设定的范围之内时，蜂鸣器报警并且指示灯闪烁。

第2章硬件设计

本设计由单片机最小系统、温湿度传感器、键盘电路、显示电路、CAN控制器、报警电路和电源电路构成。

本设计以单片机AT89S52为主控制器，键盘设定温湿度的上下限，由温湿度传感器检测温室内的温湿度并经A/D转换后送往单片机，LCD实时显示酒窖内的温湿度值，报警电路在温湿度值超过上下限值报警，单片机通过CAN总线控制器和CAN驱动器连接至CAN总线，与总线的其他节点通信，实现温湿度值的检测、处理及监控。

用户可以通过上位机中的键盘输入温湿度的预置值，从而实现上位机对酒窖温湿度远程控制。

系统下位机设在酒窖内，下位机中的温湿度传感器可以将环境中的温湿度非电量参数转化成电量信号，再将这些信号进行处理后送至下位机中的单片机，下位机通过CAN总线传给上位机，通过LCD进行实时显示。

同时与原先内部设定的参数值进行比较处理，单片机可以根据比较的结果决定是否报警，用户直接通过键盘对温湿度的预置值进行设置。

本设计中主要应用在地下3m*3m*3m的4个酒窖内，每个酒窖内各放置2个温度传感器和2个湿度传感器，在通过CAN总线连接各个节点，实现温湿度值的检测、处理及监控。

AT89S52单片机

AT89S52是一种低消耗、高性能CMOS8位微控制器，具有以下标准功能：

8k字节F1ash，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。

使用Atme1公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。

片上F1ash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。

在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程F1ash，使得AT89S52在众多嵌入式控制应用系统中得到广泛应用。

AT89S52单片机如图3.1所示。

图3.1AT89S52单片机

AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程F1ash存储器。

使用Atme1公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。

片上F1ash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。

在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程F1ash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。

AT89S52具有以下标准功能：

8k字节F1ash，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AT89S52引脚图DIP封装器、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。

AT89S52单片机实物图如如3.