毕业设计论文粮库温湿度智能监控系统的设计与研究精品.docx

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毕业设计论文粮库温湿度智能监控系统的设计与研究精品

摘要

粮食储藏是国家为防备战争、荒灾以及其他突发性事件而采取的有效措施。

粮食是人类生存的必需品，温度与湿度是保存好粮食的先决条件，随着中国加入WTO和粮食市场的逐渐开放，储存大量的粮食对稳定国民经济的发展起到至关重要的作用。

影响粮食安全储藏主要参数是粮食的湿度和温度，这两者之间是互相关联的。

人们通常使用温度计、湿度计来测量粮库的温度和湿度，通过人工加热、加湿、通风和降温等方法来控制粮库的温度、湿度，这种方法不但控制精度低、实时性差，而且操作人员的劳动强度大。

同时温度与相对湿度的大幅度变化可能导致种子大范围腐烂或者影响种子的发芽率，从而带来极大地经济及财产损失。

因此，保证适宜的粮库温度、湿度对保证农产品种子存储质量十分重要。

本设计分为上下两层结构，下位机系统以ATMEL公司生产的AT89C51单片机作为温、湿度监控核心部件，采用DS18B20温度传感器，它是数字温度传感器，能够直接读取被测物的温度值；选取HS1101作为湿度传感器，通过将该湿敏电容置于555定时器与电阻组成的电路中，将电容值的变化转为与之呈反比的电压频率信号，并采用RS485与上位机进行通信；一旦温度或湿度值超过设定阈值，即可实现报警。

上位机系统仍以单片机为核心，扩展数据存储器，在键盘模块里可以更改阈值，LCD显示模块显示从下位单片机传来的温度、湿度值。

从而实现一种小型粮库的温湿度智能监控。

实验表明该系统具有转换速度快、精度高、控制能力强等特点。

目前实现粮库温湿度的智能控制需要一种稳定性高、成本低的温湿度智能控制系统，其采用上、下位机控制结构，实现全方位智能化的粮库监控。

单片机在这种系统中往往作为一个终端机，安装在系统的某些节点上，对现场温湿度进行实时的测量和控制。

单片机的高可靠性和强抗干扰能力，使它可以置于恶劣环境的前端工作。

关键词单片机；小型粮库；温度；湿度

Abstract

Thefoodstorageisthenationalguardagainstwar,forHuangzaiandotherunexpectedeventsandtakeeffectivemeasures.Foodisthehumansurvivalnecessities,temperatureandhumidityistokeepthegoodfoodprerequisites,withChina'saccessiontotheWTOandtheopeningupofthefoodmarket,storelargeamountsoffoodtostabilizingthedevelopmentofnationaleconomyplayacrucialrole.Affectfoodsecurityisthemainparametersofgrainstoragehumidityandtemperature,betweenthetwoareinterrelated.Peopleoftenusethermometer,island-frommosquitoestomeasurethetemperatureandhumidityofwarehouse,throughtheartificialheating,addwet,ventilationandcoolingmethodtocontrolthewarehousetemperature,humidity,thismethodnotonlycontrolprecisionlow,real-time,andoperationofthepersonnellaborintensity.Atthesametimetemperatureandrelativehumiditycanleadtobiglargevariationseedrangedecayorinfluenceofseedgerminationrate,thusbringsgreateconomicandpropertylosses.Therefore,ensurethewarehouseoftheappropriatetemperatureandhumidityonagriculturalseedstoragequalityguaranteeisveryimportant.

Thisdesignisdividedintotheupperandlowerlevelsstructure,lowerplacemachinesystemtoATMELcompanyproducestheAT89C51ashumidityandtemperaturemonitoringcorecomponents,thetemperaturesensorDS18B20,itUSES"singlebus"interface,canbemeasureddirectlyreadthingsvalue;SelectHS1101ashumiditysensor,throughthewetsensitivecapacitancein555timerandresistorscircuit,willthechangeofcapacitancevaluestotheinverseofavoltageandfrequencysignal,andUSEStheRS485communicationandtheuppermachine;Oncethetemperatureorhumidityvaluemorethansettingthreshold,canrealizethealarm.PCsystembasedonsingle-chipmicrocomputerisstill,extendeddatastorageinthekeyboardmodulecanchangethethreshold,LCDdisplaymodulefromasinglechipthatunderthetemperature,humidityvaluefrom.Soastoachieveasmallthetemperatureandhumidityofthewarehouseintelligentmonitoring.Experimentsshowthatthesystemhasaconversionspeedandprecision,strongabilitytocontroletc.Characteristics.

Nowrealizeintelligentcontrolofthetemperatureandhumiditywarehouseneedahighstability,lowcostoftemperature,humidityintelligentcontrolsystem,anditsuse,underamachinecontrolstructure,achievingall-roundintelligentwarehousemanagementcontrolsystem.SCMinsuchsystemsoftenasaterminal,installedinthesystemofsomenodes,thetemperatureandhumidityofreal-timemeasurementandcontrol.Thesinglechipmicrocomputerhighreliabilityandstronganti-interferenceability,makeitcanbeplacedinthefrontofthebadenvironment.

Keywords:

single-chipmicrocomputer;Smallgraindepot;Temperature;humidity

1绪论

1.1研究背景

粮食是人类生存的必需品，温度与湿度是保存好粮食的先决条件，随着中国加入WTO和粮食市场的逐渐开放，储存大量的粮食对稳定国民经济的发展起到至关重要的作用。

防潮、防霉、防腐、防爆是粮库日常工作的重要内容，是衡量粮库管理质量的重要指标。

它直接影响到储备物资的使用寿命和工作可靠性。

为保证日常工作的顺利进行，首要问题是加强粮库内温度与湿度的监测工作。

但传统的方法是使用温度计、湿度计来测量粮库的温度和湿度，通过人工加热、加湿、通风和降温等方法来控制粮库的温、湿度，这种方法不但控制精度低、实时性差，费时费力、效率低，而且操作人员的劳动强度大，测试的温度及湿度误差大。

因此我们需要使用造价低廉、使用方便且测量准确的温湿度测量仪，并且实现智能控制。

温、湿度控制广泛应用于人们的生产和生活中，尤其是农产品种子，对环境温度与湿度有着比较严格的要求。

同时温度与相对湿度的大幅度变化可能导致种子大范围腐烂或者影响种子的发芽率，从而带来极大的经济及财产损失。

因此，保持适宜的粮库温度、湿度对保证农产品种子存储质量十分重要。

1.2粮库温湿度系统国内外现状以及发展趋势

粮情检测属监控系统范畴，近年来，由于传感器技术、计算机技术、超大规模集成电路技术和网络通信技术的发展，使监控系统广泛应用于工农业生产领域，因此，粮情检测技术的研究在软、硬件等方面都有了一定的进展。

随着科技的发展，从1978年开始，采用电阻式温度传感器、采样器、模数转换器等组成的储粮监测系统出现，它可对各粮库的各个测温点进行巡回检测，检测速度、精度大大提高，降低了劳动强度，但由于电阻传感器的灵敏度低，致使检测精度、系统可靠性还不够理想。

至1990年，粮情检测系统有了很大的改善和提高，系统在布线上采用矩阵式布线技术，简化了数据采集部分的线路，在传感器方面应用了半导体、热电偶等器件；在线路传输上采用了串行传输方式，从而减少了传输线根数；采用单板机进行数据处理，并采用各种手段提高数据传输及检测速度，通过软硬件技术的结合，检测精度和可靠性较以前有很大提高。

但温度传感器的线性度差，系统的检测精度仍不理想，无法大面积推广。

近年来，随着单片机功能的日益强大和计算机的广泛应用，粮情检测的准确性、稳定性要求越来越高。

寻找最佳配置和最好的性价比成为粮情监测研究的热点。

国外在粮情监控技术上已经达到了很成熟的地步，高科技数字式传感器广泛应用于粮情检测系统。

这种传感器采用了半导体集成电路与微控制器最新技术，在一个管芯上集成了半导体温度检测芯片、数据信号转换芯片、计算机接口芯片，存储芯片等，除完成温度检测功能外，还可完成预置范围温度、报警、多路A/D转换、温度补偿等功能。

由于数字温度传感器直接传出数字量，从而解决了温度信号长距离传输问题及传输过程中因干扰和衰减而导致的精度降低等问题[1]。

我国对于温度测控技术的研究较晚，始于20世纪80年代。

我国工程技术人员在吸收发达国家温度测控技术的基础上，掌握了温度室内微机控制技术，该技术仅限于对温度的单项环境因子的控制。

目前，国内出现了丰富的数字传感器配套产品，如远程控制模块、中继器等技术也比较成熟。

随着单片机技术的飞速发展，单片机在各个领域中都得到了广泛的应用。

其中，由单片机组成控制系统，已成为单片机应用的发展趋势。

我国温度测控设施计算机应用，在总体上正从消化吸收、简单应用阶段向实用化、综合性应用阶段过渡和发展。

在技术上，以单片机控制的单参数单回路系统居多，尚无真正意义上的多参数综合控制系统，与发达国家相比，存在较大差距。

我国温度测量控制现状还远远没有达到工厂化的程度，生产实际中仍然有许多问题困扰着我们，存在着装备配套能力差，产业化程度低，环境控制水平落后，软硬件资源不能共享和可靠性差等缺点。

本系统以AT89C51单片机为核心，研制了一种稳定性高、成本低的温、湿度智能控制系统。

采用上、下位机控制结构，上位机系统和下位机系统中采用模块化结构，完成软件和硬件的设计，从而实现对小型粮库全方位、智能化的监控。

1.3本设计主要工作内容

本课题设计的是粮库温湿度智能监控系统，是对一个小型粮库的温度、湿度进行控制，以保证粮库储粮的安全。

粮库温湿度控制系统是以低功耗的高性能的8位单片机AT89C51单片机为核心构成控制系统。

本系统可以通过键盘设定模块进行系统给定值的设置来调整粮库温、湿度控制范围。

温度、湿度检测模块将粮库内的温、湿度信息传到单片机，单片机根据实际情况发出控制信号驱动控制模块进行相应操作，同时将当前信息存储到单片机相应内存单元中并上传数据到上位机显示及保存。

当温度或者湿度超过设定的范围上下限时，通过下位机与上位机之间数据的传输，下位机系统发出报警并将采集信息在上位机系统LCD上显示。

上位单片机与下位单片机之间通过RS485进行串行通信。

另外还可以设计一些通用接口，为以后设备功能扩展提供方便。

单片机是本系统的核心，它控制本系统的各种功能，因此选择性能可靠的单片机就显得尤为重要，考虑到满足功能要求、性价比、货源保证、开发手段等因素，采用软件技术成熟、仿真器普通、性价比高的一种低功耗高性能的8位单片机—AT89C51。

温湿度传感器是本系统的测量单元，传感器性能的好坏直接影响到本系统性能的好坏。

为了尽量减小测量误差，首先我选用了测量精度较高的数字式温度传感器DS18B20，可直接将所测温度转化为数字量输出，送入单片机。

选用电容式湿度传感器HS1101测量湿度。

实现温湿度实时监测显示，超过阈值可以自动报警，人工处理控制粮库的温湿度，达到自动控制的目的。

其中，控制策略采用设定报警阀值，当温湿度超过一定的范围的时候，蜂鸣器响。

由于DS18B20采用单总线方式，CPU只需一根端口线就能与诸多DS18B20通信，占用微处理器的端口较少，可节省大量的引线和逻辑电路。

在进行多点测量的时候将非常易于扩展，不需要添加任何器件，将所有传感器直接与单片机I/O口连接即可。

使用电容式湿度传感器HS1101检测湿度，空气的相对湿度通过555测量振荡电路就转变为与之成线性关系的频率信号，即测得频率值即可转化为相应的湿度值。

在本系统中，采用LM016L作为显示单元。

LCD液晶显示器具有功耗低、寿命长、无辐射、不易引起视觉疲劳等优点，正在被广泛应用于仪表、家用电器、计算机、医疗仪器及交通和通信领域。

在一个粮库中，被测量的8个点可以在上位机的显示单元上滚动显示温湿度值。

当温度或湿度超过阈值时，下位机的警报声响，并在上位机系统的LCD显示屏上显示相应的温度、湿度值，引起工作人员注意，从而采取通风等措施。

上位机的键盘模块采用4×4键盘，可以更改设定的温湿度阈值。

2系统总体设计

2.1系统总体设计

本系统从结构上由下到上分两级，第一级是下位机，即前端采集系统；第二级是上位机。

下位机由单片机、温湿度传感器和报警模块组成，其任务是完成粮库中各个测量点的温湿度的测量，并且通过串行通信的方式向上位机传送测量数据，温湿度超过阈值可实现报警。

上位机主要实现对下位机进行控制，实现对一个粮库的不同方位温湿度值的循环采集，并对其进行处理、显示、存储。

用户可通过上位机上的键盘输入温湿度的阈值，从而显示从下位机接收来的数值。

下位机与上位机之间通过RS485串行通信方式进行数据和信息的传输。

此系统下位机采用模块化设计，由AT89C51主控芯片，温、湿度检测模块，上下位机通信模块以及报警模块等几部分组成。

温、湿度检测模块使用数字传感器。

DS18B20测量粮库的温度，湿度传感器HS1101测量湿度。

其中外围设备采用RS485串行通信接口方式和上位机实现远程数据交换，用以实现向用户发送信息。

该系统采用单片机机作为上位机监控单元。

用户对设备进行操作处理等功能本设计将整个系统分为两级结构：

上位机和下位机。

由于这是针对一个小型粮库，所以一台上位机控制8个点，即控制8个下位机。

一个下位机测量一个温湿度值。

系统总体框图如下：

图2.1系统总体框图

2.2下位机系统

下位机即为前端采集系统，由单片机和各种传感器组成，其任务是完成粮库现场温度的采集与处理，并通过总线同上位机进行数据传递。

通常粮库面积比较大，故需多个下位机进行粮库中不同方位的温湿度信息的采集。

每个下位机有其唯一的地址（可由用户自行设置）。

假设该粮库共有1个粮库，在每个粮库中要安装多个温湿度传感器，分布在该粮库的重要位置，每个温湿度传感器实际上是一个终端设备，也是该系统中的重要关键的设备。

在每个设备中都有一个新型的温度传感器和湿度传感器，用于测量现场的温度和湿度，并将测量的温度湿度值，发送到上位单片机上，以便控制整个粮库的各个测试点的温度湿度加以全面监视和控制管理。

下位机结构图如下：

图2.2下位图组成结构图

2.3上位机系统

上位机主要实现对下位机进行控制，实现对一个粮库的不同方向湿度的循环采集，并对其进行显示、存储。

用户可通过上位机上的键盘输入各环境参量的阈值，从而把从下位机接收来的数值在LCD显示屏上显示出来。

上位机仍由单片机担任，主要承担数据的读取、存储以及温湿度值显示，以实现对下位机的统一管理。

上位机与下位机之间通过RS485总线方式连接。

上位机定时向下位机发出读取环境参数数据命令。

下位机接收到命令后，将存储在RAM中的的数据通过串行口上传给上位的单片机，上位机机接收到并校验无误后，更新EEPROM中相应位置的保存数据并显示在与其相连的LCD上，并将报警信息存储所有的命令和数据传输都制定了严格的通信协议，采取了数据校验，大大提高了传输的可靠性。

3系统硬件电路设计

3.1下位机系统硬件电路设计

3.1.1温度检测模块

通常粮情检测系统主要选用热敏电阻、数字式温度传感器、光纤温度传感器作为温度传感器，也有的选用其它温度传感器[2]。

常见的温度传感器有以下几种：

1.热敏电阻

以温度变化导致阻值的变化为工作原理的热敏电阻，因其具有成本低、体积小、简单、可靠、响应速度快、容易使用等特点，在多项温度测量应用中受到广泛欢迎，也是国内粮情测控系统中采用最多的温度传感器。

热敏电阻的电阻温度系数较高，因此其自身发热较小，信号调节较为简单。

热敏电阻的缺点是互换性差，温度与输出阻值之间呈非线性关系[3]。

热敏电阻分为正温度系数热敏电阻和负温度系数热敏电阻两种，但在温度测量应用中，正温度系数热敏电阻较少得到采用，更多采用的是负温度系数热敏电阻131。

2.数字式温度传感器

数字式温度传感器的种类也不少，但用于粮情测控系统的温度传感器主要是Dallas的DS18x20系列温度传感器，其温度检测范围为-55℃~+l25℃，检测精度为士0.5℃。

Dslsx20采用1一WireTM接口，封装形式有PR-35和SSOP-16两种，粮情测控系统中采用的是RP一35封装。

DS18Zxo采用9个位表示测温点的温度值，每个DS18x20内部都设置有一个单一的序列号，因此可以使多个DS18x20共存于同一根数据传输线上。

Dsl8x20内部分为4个部分：

64位序列号，保存临时数据的8字节片内RAM，保存永久数据的2字EEPROM，温度传感器[4]。

3.光纤传感器

光纤温度传感器是近几年发展的新技术，也是工业中用的最多的光纤传感器之一。

目前研究的光纤温度传感器主要有辐射式温度传感器、半导体吸收式温度传感器等。

光纤温度传感器的精度更高，但成本较贵。

DS18B20是新型单总线数字温度传感器，单总线顾名思义只有一根数据线，它可以将测量到的温度结果以串行数字信号输出，易与微控制器连接。

DS18B20片内有唯一的64位序列号，所以可以在一根总线上挂接任意多个DS18B20，这样就可以很方便地构成单线多点温度测量系统。

DS18B20的工作电压为+5V，可以通过DS18B20的电源引脚进行供电，也可以通过DS18B20的数据线进行寄生供电。

DS18B20进行一次温度采集至多需要大约1秒钟的时间，在粮情监控系统中能够满足需要。

DS18B20内部存储器包括一个暂存RAM和一个非易失性电可擦除EERAM。

其中暂存存储器作用是在单总线通信时确保数据的完整性，它包括8个字节，头两个字节为转换的温度读数。

数字温度传感器DS18B20有三个引脚，分别是VCC，GND，DATA。

其中VCC和GND是DS18B20的供电引脚，接入+5V电源和地。

DATA是DS18B20的数据线，用来传送指令和温度数据。

DS18B20引脚图见图3.2。

DS18B20测温原理如下图所示。

图中低温度系数晶振的振荡频率受温度影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给计数器1；高温度系数晶振随温度变化其振荡频率明显改变，所产生的信号作为计数器2的脉冲输入。

计数器1和温度寄存器被预置在-55℃所对应的一个基数值。

计数器1对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当计数器1的预置值减到0时，温度寄存器的值将加l，计数器1的预置将重新被装入，计数器l重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数，如此循环直到计数器2计数到0时，停止温度寄存器值的累加，此时温度寄存器中的数值即为所测温度。

下图中的斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线性，其输出用于修正计数器1的预置值。

图3.1DS18B20测温原理图

图3.2DS18B20实物图

此系统的温度检测模块根据粮库面积的大小可增加多处检测点，而数字温度传感器DS18B20就具有支持多点组网的功能，可将多个DS18B20并连在惟一的三线上，实现多点温度检测，其测温范围为-55～+125℃，固有测温分辨率为0.5℃，工作电源为DC3～5V，测量结果以9～12位数字量的方式串行传送。

系统采用美国DALLAS半导体公司生产的DS18B20，它是世界上第一片支持“单总线”接口的数字式温度传感器，能够直接读取被测物的温度值。

DS18B20的温度检测与数字数据输出全集成于一个芯片之上，从而抗干扰力更强。

其一个工作周期可分为两个部分，即温度检测和数据处理，在系统上电时首先要对DS18B20进行复位，复位就是由控制器（单片机）给DS18B20单总线至少480us的低电平信号。

当DS18B20接到此复位信号后则会在15us～60us后回发一个芯片的存在脉冲。

在复位电平结束之后，控制器应该将数据单总线拉高，以便于在15us～60us后接收存在脉冲，存在脉冲为一个60us～240us的低电平信号。

至此，通信双方已经达成了基本的协议，接下来将会是控制器与DS18B20间的数据通信。

如果复位低电平的时间不足或是单总线的电路断路都不会接到存在脉冲，在设计时要注意意外情况的处理。

DS18B20与AT89C51的接线如图3.3所示：

图3.3DS18B20测温电路图

3.1.2湿度检测模块

近年来，国内外在湿度传感器研发领域取得了长足进步。

湿敏传感器正从简单的湿敏元件向集成化、智能化、多参数检测的方向迅速发展，为开发新一代湿度崛度测控系统创造了有利条件，也将湿度测量技术提高到新的水平[5]。

常见的湿度传感器有以下几种：

1.湿敏元件