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多路温度与湿度检测系统的研制文库

沈阳工业大学

硕士学位论文

多路温度与湿度检测系统的研制

姓名：

刘丽

申请学位级别：

硕士

专业：

电机与电器

指导教师：

马少华

20070306

沈阳工业大学硕士学位论文

摘要

本文针对我国当今大型仓库、大型粮库的监测与控制现状，进行研究开发，采用较

为实用和先进的单片微型机控制系统，运用温度传感器和湿度传感器对温度、湿度的敏

感性设计了一种基于多级通讯总线的粮库温、湿度自动监测系统，主要包括通讯控制总

站以及下位机的设计。

操作人员可以通过向通讯控制总站发送命令，提取下位机温、湿

度数据，下位机实现温、湿度检测：

同时可以查看历史检测数据，进行粮情分析和粮库

管理等一系列操作。

温湿度的测量和控制系统通常被认为是一项较为简单的控制技术，但是由于湿敏元

件的稳定性差，寿命短等问题，实际应用系统中能正常运行的不多，除非建立有严格的

管理制度，而且管理人员的综合素质要达到一定的要求。

所以，本文重点分析了湿敏传

感测量的机制，选型和技术措施。

在研究了多种湿度传感器性能的基础上选用了合适的

湿度传感器，这是本设计的一个重点。

本设计还有一个重点，用cPLD设计了一个模拟

开关和显示部分。

本设计研制的上位机采用Pc机，通过RS．232接口与转换器相连，转换器通过

RS．485总线连接下位机，实现监控室与现场的数据通信。

每台下位机位于各粮仓内，

需要监测256路的温、湿度信号，为了能实现共256路温湿度的数据采集工作，本设计

中用CPLD设计了一个模拟开关，每次只采集一路数据送入到单片机中去；另外，本设计

的显示部分也独特的选用了CPLD来实现。

正常情况下上位机每4小时向下位机发布一

次检测信号（同时在任何时刻也可监控某个粮仓的温湿度情况），下位机利用PICl6F877

单片机来实现粮仓中128路温度和128路湿度的测控。

该粮仓温、湿度测控系统实用性强，成本低，数据传输效率高，可靠性好。

它不仅

可以应用于粮库的监控管理，而且也可推广到其他监控领域，因此具有广泛的应用前景。

关键词：

温度检测。

湿度检测，cPLD，传惑器，PIcl6F877

多路温度与湿度检测系统的研制

DeVelopmentofMulti—chamlelTemperatureandH啪idi锣

DetectionSystem

Abstract

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沈阳工业大学硕士学位论文

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Keywords：

tempe憎tllMmonitor'humiditymonitor’CPLD，sensor，PICl6F877

III～

独创性说明

本人郑重声明：

所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工

作及取得的研究成果。

尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方

外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得

沈阳工业大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。

与我一同

工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表

示了谢意。

关于论文使用授权的说明

；卯Z子．≯z

本人完全了解沈阳工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：

学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公

布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论

文。

（保密的论文在解密后应遵循此规定）

签名：

童l塾导师签名：

墨奎笙日期：

M．孑．22

沈阳工业大学硕士学位论文

l绪论

1．1设计的目的和意义

科学储粮是粮食生产的一个重要环节，若管理不当，粮食发霉或生虫会造成极大

浪费。

粮库管理中最重要的问题是监测粮堆中的温、湿度变化。

粮库一般由几十个甚

至上百个由水泥或钢板构成的圆型仓组成，仓高20～30m。

现在，我国在粮仓建设上

己实现规范化，但是监测手段一直未能实现同步现代化Il】。

我国许多储备粮库每年都

因测控设备的不完善而导致部分粮食霉变，许多大型储备粮库的测控设备仍需高价进

口，因此国家准备在未来的几年内对全国所有的粮库进行翻颜和改造工作，要求规范

粮库管理，实现粮库管理现代化12J。

影响储粮安全的最主要因素是粮堆内的大气条件（相对湿度和温度的日变化和季

节变化），这就要求能有一种有效的、低成本的仪表来实现监测控制功能，使得管理

人员能够方便有效地进行监控操作。

如果建立计算机监测系统，用单片机作为前沿机对现场进行数据采集，然后通过

单片机串行口与上位机（一般为Pc机）联网通讯构成集散数据采集系统，实现遥测功能，

就会产生较好的效果吼

通过计算机检测并控制粮食储备库中粮食的基本温度和湿度情况。

利用微机技术

对粮仓进行检控，用户可以方便地够造自己所需要的数据采集系统，在任何时候把粮

仓现场的信息实时地传到控制室，管理人员不进入现场就可以按照所需的温度和湿度

要求对粮仓内的温湿度情况进行控制，提高了生产效率，增强了粮仓内存储安全，获

得了粮仓的实时管理，实现自动化，智能化。

微机测量是微机设计的第一步，是微机

测量技术的现场部分，即测量粮仓中的温度和湿度，并使用单片机对测量的数据进行

处理并对粮仓内的温湿度进行控制14，”。

1．2国内外相关技术发展概况

温湿度测控系统主要应用于控制环境空间的温度和相对湿度，从系统控制的角度

来看，属于纯滞后控制。

技术已经非常成熟。

从提高可靠性、灵活性和降低成本的要

多路温度与湿度检测系统的研制

求来看，国内外的温湿度测控系统仍然不断地在改进，系统结构已经普遍采用网络连

接的现场总线技术（FCS）有些需要的场合，则连接到INTERNET上，实现远程控制、

远程诊断f6】。

另一方面，构成系统整体的测控技术和管理，无论是硬件和软件，国内

外已普遍采用相应的标准模块集成，并且早已实现组态。

传统的机械式温度检测仪表已经有上百年的历史了，一般均具有指示温度的功能，

由于测温原理不同，不同的仪表在报警、记录、控制信息远传等方面有较大的差别。

今年来由于微电子的进步以及计算机应用的日益广泛，智能化测量仪表已经取得巨大

的进步，以单片机为主体的温度控制器取代了传统的仪器仪表。

常规电子线路，可以

容易地将计算机技术与测量技术结合起来。

智能仪表在测量过程自动化，测量结果的

数据处理以及功能的多样化方面都取得了巨大的进展。

目前，在研制高精度，高性能，

多功能的测量仪表时，几乎没有不考虑使用单片机使之成为智能仪表的【7J。

对于湿度测量，初期限于满足气象工作的需要，出现了诸如毛发温度计，干湿球

温度计等测量仪表，随着高空探测技术的发展以及生产和科研对温度测量要求的提

高，特别是微型电子计算机在各种自动控制系统中的广泛应用，湿度的测量也逐渐实

现了自动化和智能化。

温湿度测量主要的测量工具就是温湿度传感器，下面介绍一下温湿度传感器的发

展概况。

1．2．1温度传惑器的发展概况

最早的温度计是近代科学之父伽利略于1597年提出的，它是利用空气热膨胀原

理的温度计。

然而这种温度计使用不便，因此开发了利用酒精和水银热膨胀的热体温

度计，这就是最初机械温度计。

随着测量技术的发展，出现了温度传感器，例如热电

偶，它是基于塞贝克发现热电势效应而制成的。

还有热敏电阻，它是根据金属和半导

体的电阻随温度的变化而变化的原理而制成的传感器。

这些都属于基于物理原理的传

感器。

而后，又出现了基于模拟电子技术的PN结传感器，晶体温度传感器等等嘲。

沈阳工业大学硕士学位论文

当今，由于用于感温的敏感材料越来越多，温度传感器的种类也越来越多。

特别

是随着计算机技术和电子技术的发展，各种集成式、电子式的温度传感器相继出现，

使温度传感技术已经相当成熟。

1．2．2湿度传感器的发展概况

湿敏传感技术的研究分为两个方面。

最主要的是传感机制、材料和产品工艺的研

究。

其次，从工程应用的角度，研究器件特性的校准、补偿以及可靠性和失效性问题，

而智能化技术的引入，是解决这类问题最佳方法【9】。

包括湿敏传感技术在内的湿度测量技术研究，国内外都投入了相当的人力和财

力。

国际上有以VAISALA（芬兰）、PHILIPS（比利时）为代表的几家著名专业公司，美

国霍尼韦尔也设有专业分公司。

研究水平较高的有芬兰、日本、英国、爱尔兰和美国

等。

国际湿度与水分学术会议每四年召开一次，国际化学传感器会议（IMCs）也包括湿

敏传感技术内容【101。

国内湿度测量研究的规模相当大，不仅研究人员多，有自己的标

准、鉴定系统和专业学会，而且研究工作也有相当水平，某些技术在国际上还处于领

先地位。

我国八五、九五规划发展期间分别列有湿敏传感技术专项攻关计划，并且有

武汉仪器仪表研究所、江苏无线电研究所等专业研究所，国家标准物质研究中心、国

家计量研究院、建筑科学研究院等机构也都有高水平的研究室，全国各大专院校的仪

器、陶瓷和固体电子材料等专业都有相当一部分研究人员从事湿度测量研究工作，其

中以北京、武汉、哈尔滨、上海、西安和南京等地的研究水平较高。

中国仪器仪表学

会设有湿度与水分、气体专业委员会，湿度与水分、气体全国会议每两年一次。

虽然我国的湿度测量研究和国际先进水平相差不大，但在实际应用和工业化生产

方面的差距却很大。

国家投入了大量的人力物力，但所产生的效益并不高。

究其原因，

除了科研和市场之间的衔接机制薄弱外，材料和工艺技术的滞后也是制约我国高科技

经济发展的因素，而湿敏传感技术稳定性较差，对工艺技术的依赖更大。

国内温湿度

测控系统的高端市场基本上选用昂贵的进口系统，而国内研制系统所处的中低端市场

规模小得多，而且发展缓慢。

多路温度与湿度检测系统的研制

随着多孔陶瓷、厚膜等湿敏传感技术的发展，近几年来，国内外湿敏传感技术的

研究重点和工程应用都集中在聚酞亚胺aPI）薄膜高分子电容湿敏元件，而低精度测量

系统则仍然以陶瓷、厚膜类湿敏器件为主。

代表世界先进水平的湿敏传感主要指标是如表1．1所示【Il】：

表1．1世界先进水平的湿敏传感主要指标

1铀．1．1worldadv卸ccdl钾clwets髓smves衄singIn勾ortargets

目前国内还没有完全符合上述指标要求的产品，哈尔滨半导体器件厂生产的

G壬{．11∞：

陶瓷器件带有加热清洗装置，具有较好的综合性能，但不适合本项目应用。

国外的}玎Ⅵ0014型（美国霍尼韦尔）集成式传感器尽管问世不久，受到一致好评。

性能

完全符合上述要求，并且可靠性较高㈣。

发达国家有先进的制造工艺支持，因此，其稳定性、互换性等系统应用的关键性

指标将越来越好。

国内湿敏传感技术的发展将密切跟踪传感器小型化、集成化、多功

能化和系统化的发展趋势，重点将开展纳米级功能材料的研究，并与微电子机械工艺、

成膜工艺技术相结合，固态电子技术的应用，如改性的声表面波器件的高频振荡检测

相对湿度和各种气体功能聚合物材料做为基体材料或选择性包覆材料的应用。

由于大

量的市场需求、国家对高新技术经济的强力支持以及国内工艺水平的不断提高，准确

的温湿度测控系统具有很大的发展潜力。

1．3温湿度智能控制系统的应用前景

在纺织、气象和仓储等部门中，湿度是最主要的检测控制参数：

在电力、高分子

薄膜、生物制品、药品、电子器件等行业，准确的湿度控制也同样重要。

湿度自动测

控系统的需求量很大。

因此，温湿度智能控制系统的应用范围非常广泛。

但由于各类

湿敏传感器的性能稳定性、适应性，经济性仍然存在不少技术问题，阻碍了自动测控

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系统的应用发展。

这些领域大都以较为准确但效率非常之低的检测手段为主，如目前

国内80％的纺织企业对工作环境湿度的检测仍采用千湿表，每隔1．2个小时人工抄表，

手动控制除湿。

尽管湿敏传感技术的发展近期难以突破，但如能充分利用智能化技术，

实现温湿度控制系统的自动调校或简化调校维护技术，系统的稳定工作期可延伸4．6

倍，达到2．3年，由此推广应用将可能出现一定的市场规模：

如能提高湿敏器件的抗

污染能力，应用前景将更加看好。

1．4本文的主要内容

为实现大型粮仓的温、湿度测量，本文主要研究工作如下：

本课题主要利用单片机来测量并控制粮仓中的温度和湿度，为了完成这个测量控

制系统的任务需要做以下研究：

（1）根据粮仓温度、湿度的测量范围及要求，选择温传感器。

（2）设计温湿度测量系统，使之具有多点测量及远程通讯功能。

（3）现场控制单元软件设计。

（4）通讯控制总站及通讯程序的设计。

多路温度与湿度检测系统的研制

2温湿度测量原理

2．1温湿度的相关知识

关于温度和湿度，温度对我们来说已经相当熟悉，开尔文温度和摄氏温度是温度

的两种表示方法。

而对于湿度来说，它的相关知识我们还不是很熟悉。

下面对湿度的