粮食仓库温湿度检测系统.docx

粮食仓库温湿度检测系统.docx

《粮食仓库温湿度检测系统.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《粮食仓库温湿度检测系统.docx（39页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

粮食仓库温湿度检测系统

粮食仓库温湿度检测系统

摘要

现代农业生产离不开环境监测，本文在对国内外温室智能控制进行深入分析的基础上，针对粮仓智能化控制存在的诸多因子，将智能传感器监测和单片机控制相结合，提出了基于单片机的粮食仓库温湿度检测系统设计方案。

本设计采用层次化、模块化设计，整个系统由数据采集系统、单片机控制系统、计算机监控系统组成。

系统以单片机为核心，以多个温度、湿度传感器作为测量元件，通过单片机与智能传感器相连，采集并存储智能传感器的测量数据。

在单片机系统中，还要实现程序的扩展存储、数据的实时显示、超限语音报警和数据辅助存储功能。

单片机作为监控计算机与智能传感器连接的中心，另一方面通过Rs232总线与监控计算机通信，将采集到的数据传输给监控计算机。

监控计算机将单片机传输的数据进行记录、存储、处理和报警，供工作人员浏览、记录和进行相关处理。

本设计将信息采集、信息传输、信息处理等多种信息技术相互融合，采用了多种总线技术，将温室环境多种参数监测和单片机控制理论相结合，提出一种切实可行的温室环境监测系统，可以全面、实时、自动地对监测数据进行自动记录、存储和处理，并将有关信息根据现场实际情况，采用最有效方式送入计算机进行处理，并可对监测系统进行远程控制。

关键词：

AT89S51；总线技术；DS1820；HS1101；ISD2560

Granarytemperatureandhumiditydetectionsystem

Abstract

Modernagriculturalproductionisinseparablefromenvironmentalmonitoring,thisintelligentcontrolinthegreenhouseathomeandabroadtoconductin-depthanalysisbasedontheexistenceofintelligentcontrolforthemanybarnfactor,theintelligentsensormonitoringandcontrolofintegratedSCMisproposedbasedonSCM'sgranarytemperatureandhumiditydetectionsystemdesign.

Thisdesignusesahierarchical,modulardesign,theentiresystemconsistsofdataacquisitionsystem,microprocessorcontrolsystem,computercontrolsystemcomponent. Systemmicrocontrollercore,withmultipletemperatureandhumiditysensorsasmeasuringdevices,smartsensorsthroughtheMCUandconnectsmartsensorscollectandstoremeasurementdata. IntheSCMsystem,butalsotoachieveextendedstoredprocedures,data,real-timedisplay,unlimitedvoicealarmanddatasupportingstorage. SCMasacontrolcomputerandintelligentsensorsconnectedtothecenter,ontheotherhandbyRs232busandsupervisioncomputer,thecollecteddatatothemonitoringcomputer. SCMtransmissioncontrolcomputerdatarecording,storage,processingandalarmforthestaffhere,recordsandrelatedprocessing.

Thedesignofinformationacquisition,informationtransmission,informationprocessingandfusionofmultipleinformationtechnology,usingavarietyofbustechnologytoavarietyofparametersofthegreenhouseenvironmentmonitoringandMCUcontroltheory,putforwardapracticalmonitoringsystemforgreenhouse canbecomprehensive,real-time,automaticallyrecordthemonitoringdata,storageandprocessing,andinformationabouttheactualsituationatthescene,usingthemosteffectivewayintothecomputerforprocessing,themonitoringsystemcanberemotelycontrolled.

Keywords:

AT89S51；Bustechnology；DS1820；HSll0l；ISD2560

目录

摘要I

AbstractII

第1章绪论1

1.1课题的提出和意义1

1.2题目研究现状1

1.3主要研究内容3

第2章方案论证5

2.1方案15

2.2方案26

2.3方案的论证7

第3章系统硬件设计7

3.1总体设计功能与原则7

3.1.1系统功能设计7

3.1.2系统设计原则8

3.1.3系统组成与工作原理9

3.2DS1820温度传感器10

3.2.1DS1820数字温度传感器概述10

3.2.21-wire技术12

3.2.3DS1820的测温原理13

3.2.4温度检测电路17

3.2.5提高DS1820测温精度的方法19

3.3HSll0l湿度传感器20

3.3.1HSll0l湿度传感器特点21

3.3.2湿度测量电路22

3.4AT89S51单片机26

3.4.1AT89S51单片机的介绍26

3.4.2时钟晶振电路和复位电路28

3.4.389S51看门狗功能的使用方法29

3.5存储扩展29

3.5.1I2C总线的基本结构与数据的传送30

3.5.2I2C总线接口器件与接口特性33

3.5.3I2C总线上的时钟信号与总线竞争的仲裁35

3.6数码管设计36

3.6.1数码管输出36

3.6.2数码管数据显示37

3.7语音报警电路设计38

3.7.1语音芯片1SD256038

3.7.2ISD2560工作原理40

3.7.3报警电路硬件设计43

第4章系统软件设计45

4.1上下位机通信45

4.1.1RS-232-C接口45

4.1.2单片机和PC通信连接46

4.1.3上下位机通信流程图50

4.1.4上位机监控软件功能52

4.2温度测量软件设计52

4.3湿度检测电路软件设计54

4.4报警电路软件设计55

第5章结论57

参考文献58

谢辞60

第1章绪论

1.1课题的提出和意义

我国是一个农业大国，每年都有大量的新粮收获也有部分陈粮积压,由于储存不当造成大量的粮食浪费,给国家和人民造成了巨大的经济损失,粮仓的性能成为粮食质量的决定因素。

以往采取的措施是用人工的办法对粮食进行晾晒，通风，喷洒药剂防止因存储不当引起的虫害，消耗了大量的人力和财力，然而效果不佳，发霉变质等现象仍然存在。

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。

同时，随着我国科技的快速发展和农业自动化程度的提高,粮仓管理技术也将得到进一步改进。

粮仓温度湿度测量方法以及相应的智能控制一直是粮食保存的一个重要问题，粮仓的智能化信息管理系统已成为粮储技术的发展趋势。

基于此我国研制了各种类型的粮仓温湿度检测系统。

这样可以更加有效的存储和防止粮食的腐败浪费，有一定的战略意义[1-2]！

1.2题目研究现状

温度和湿度的测量和控制是许多行业的重要工作目标之一，不论是粮食仓库、中药材仓库，还是图书保存，都需要在符合规定的温度和湿度环境条件之中。

然而温度和湿度却是最不易保障的指标，针对这一情况，研制可靠且实用的温度和湿度检测与控制系统就显得非常重要。

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，仓库的温度和湿度自动监测控制方面的研究有了明显的进展。

美国、日本的仓库监测设施近20年来发展很快，他们结合本国条件做出了具有创新特色的成就，其中仓库环境调控技术均有较高水平，但其监控设备价格昂贵。

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、推动仓库温度湿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。

中国的仓库环境综合控制系统必须走适合中国国情的发展道路，在引进、消化、吸收国内外先进技术和科学管理的基础上，进行总结提高、集成创新、超前示范，既开发适宜我国经济发展水平，又能满足不同气候条件，接近或达到世界先进水平的智能化仓库监测系统。

在专用品种、综合配套技术、贮运营销上，应该研制具有中国知识产权的产品和技术。

随着现代科技的发展，电子计算机已用于控制仓库环境。

控制系统由中央控制装置、终端控制设备、传感器等组成。

先编制出仓库存放粮食最优环境条件的管理程序表，存储于电子计算机的记忆装置中，电子计算机根据程序表确认、修正各仓库的参数，并给终端控制系统指令。

终端控制设备向中央控制装置输送检测信息，根据中央控制装置的指令输出控制信号，使电器机械设备执行动作，实现粮食仓库的环境调节。

该种系统可以达到自动控制降温、除湿、通风。

根据需要，通过键盘将信息输入中央管理室，根据情况可随时调节仓库温度。

1.按温度传感器分类

通常粮情测控系统主要选用热敏电阻、数字式温度传感器作为温度传感器，也有选用其它温度传感器例如PN结型温度传感器的粮情测控系统。

2．按通信方式分类

国内粮情测控系统的通信方式主要采用RS485总线技术和现场总线技术两种。

典型的设备例如：

基于FIX的粮仓温湿度检测系统、基于无线传感器网络的粮仓温湿度检测系统、基于单片机MSC—51粮仓温湿度检测系统、基于虚拟仪器的粮仓温湿度检测系统、基于CAN总线的粮仓温湿度检测系统、多点粮仓温湿度检测系统、以太网粮仓温湿度检测系统等。

再者，系统功能的进一步完善。

目前粮情测控系统仅局限与温湿度的检测和通风控制，诸如粮食储藏过程中倍受关注的水分检测和虫害检测均未得到解决，预计未来的粮情测控系统将会把更多种类的粮情检测综合数据采集上来，与粮情专家分析软件密切配合，共同保障粮食的储藏安全[3]。

1.3主要研究内容

本设计主要做了如下几方面的工作:

一是确定系统的总体功能设计方案;二是进行智能传感器的硬件电路和软件系统的设计:

三是单片机及通信接口的硬件电路及软件系统设计;四是对连接单片机的上位管理计算机软件系统的设计思路、工作原理和实现方法进行了阐述。

本设计将信息采集技术、信息传输技术、信息存储技术及信息处理技术等相互融合，将温室环境多种参数监测和单片机控制理论相结合，提出一种切实可行的温室环境监测系统，可以全面、实时、自动地对监测数据进行自动记录、存储和处理，并将有关信息根据现场实际情况，采用最有效方式送入计算机进行处理，并可对监测系统进行远程控制。

满足了对粮食仓库状态实行全面、实时、长期监测的要求。

与传统监测系统相比，本系统具有以下优点:

1、传感器设计成智能型，可以增加系统数据采集速度，减轻监控计算机的负担。

2.、增加了辅助存储功能，在监控计算机不工作的时候，采用多媒体存储卡存储采集数据。

3、单片机的设计提高了系统的监测速度，系统的可靠性、实时性都有很大提高

4、利用语音芯片，超限报警，实现了人性化管理。

第2章方案论证

2.1方案1

采用热电阻温度传感器，以及HOS-201湿敏传感器作为信号采集器件，通过A/D转换将信号传输到AT89S51进行处理，然后通过串行总线连接，通过数码管显示数据。

热电阻是利用导体的电阻随温度变化的特性制成的测温元件。

现应用较多的有铂、铜、镍等热电阻。

其主要的特点为精度高、测量范围大、便于远距离测量。

铂的物理、化学性能极稳定，耐氧化能力强，易提纯，复制性好，工业性好，电阻率较高，因此，铂电阻用于工业检测中高精密测温和温度标准。

缺点是价格贵，温度系数小，受到磁场影响大，铜电阻的温度系数比铂大，价格低，也易于提纯和加工；但其电阻率小，在腐蚀性介质中使用稳定性差。

在工业中用于-50～180℃测温。

HOS-201湿敏传感器为高湿度开关传感器，它的工作电压为交流1V以下，频率为50HZ～1KHZ，测量湿度范围为0～100%RH，工作温度范围为0～50℃，阻抗在75%RH（25℃）时为1MΩ。

然而，这种传感器只限于一定范围内使用时具有良好的线性，可有效地利用其线性特性。

2.2方案2

采用单总线技术的DS1820数字温度传感器以及湿敏电容传感器HS1101作为信号采集器件换将信号传输到AT89S51进行处理，然后通过串行总线连接，通过数码管显示数据。

DS1820温度传感器。

其特点如下

1.、独特的单线接口方式，DS182O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DS1820的双向通讯。

2、DS1820支持多点组网功能，多个DS1820可以并联在唯一的三线上，实现多点测温。

3、DS1820在使用中不需要任何外围元件。

4、测温范围-55℃～+125℃，固有测温分辨率0.5℃。

5、测量结果以9位数字量方式串行传送

测湿器件：

采用HS1100/HS1101湿度传感器。

HS1100/HS1101电容传感器，在电路构成中等效于一个电容器件，其电容量随着所测空气湿度的增大而增大。

不需校准的完全互换性，高可靠性和长期稳定性，快速响应时间，专利设计的固态聚合物结构，由顶端接触（HS1100）和侧面接触（HS1101）两种封装产品，适用于线性电压输出和频率输出两种电路，适宜于制造流水线上的自动插件和自动装配过程等。

相对湿度在1%---100%RH范围内；电容量由16pF变到200pF，其误差不大于±2%RH；响应时间小于5S；温度系数为0.04pF/℃。

可见精度是较高的。

2.3方案的论证

方案1中采用热电阻温度传感器传感器，其需要A/D转换才能将信号传递给单片机,相对方案2中的DS1820相对繁琐,而且DS1820的精度高,工作稳定.方案一中采用的HOS-201湿敏传感器其工作环境温度过于狭窄,只在一定线性范围良好工作.

方案2中HS1820不需要A/D转换,直接把信号传递给单片机,采用单总线技术双向传送,能够进行多点网状测量,而湿度传感器采用HS1100/HS1101传感器,误差率低,响应时间符合本设计要求.

综合比较方案2更符合本设计的原则:

可靠,操作维护方便,性价比高.方案2精度高,方便,简单,稳定都符合要求.所以本设计选择方案2[4]。

第3章系统硬件设计

3.1总体设计功能与原则

3.1.1系统功能设计

系统要完成的设计功能如下:

1、实现对温室温湿度参数的实时采集，测量空间多点的温度和湿度:

根据测量空间或设备的实际需要，由多路温度、湿度传感器对关键温、湿度敏感点进行测量，由单片机对各路数据进行循环检测、数据处理，实现温湿度的智能、多空间点的测量。

2、实现超限数据的及时报警。

3、现场监测设备应具有较高的灵敏度、可靠性、抗干扰能力并具有远程通信功能。

4、通信系统具有较高的可靠性、较好的实时性和较强的抗干扰能力。

与计算机通讯功能，采用RS232串行通讯方式最远传输距离为20米。

5、监控计算机软件设计管理软件既要具有完成数据采集、处理的功能，其软件编程应具有功能强大、界面友好、便于操作和执行速度快等特点。

要达到的技术指标

测温范围:

-20℃-100℃

测温精度:

士0.5℃

测湿范围:

0-100%RH

测湿精度:

士2.5%RH

3.1.2系统设计原则

要求单片机系统应具有可靠性高、操作维护方便、性价比高等特点。

l、可靠性

高可靠性是单片机系统应用的前提，在系统设计的每一个环节，都应该将可靠性作为首要的设计准则。

提高系统的可靠性通常从以下几个方面考虑:

使用可靠性高的元器件;设计电路板时布线和接地要合理;对供电电源采用抗干扰措施;.输入输出通道抗干扰措施;进行软硬件滤波:

系统自诊断功能等。

2、操作维护方便

在系统的软硬件设计时，应从操作者的角度考虑操作和维护方便，尽量减少对操作人员专用知识的要求，以利于系统的推广。

因此在设计时，要尽可能减少人机交互接口，多采用操作内置或简化的方法。

同时系统应配有现场故障诊断程序，一旦发生故障能保证有效地对故障进行定位，以便进行维修。

3、性价比单片机除体积小、功耗低等特点外，最大的优势在于高性能价格比。

一个单片机应用系统能否被广泛使用，性价比是其中一个关键因素。

因此，在设计时，除了保持高性能外，尽可能降低成本，如简化外围硬件电路，在系统性能和速度允许的情况下尽可能用软件功能取代硬件功能等。

3.1.3系统组成与工作原理

以单片机为控制核心，采用温湿度测量，通信技术，误差修正等关键技术，以温湿度传感器作为测量元件，构成智能温湿度测量系统。

该系统，可分为温度测量电路，湿度测量电路，滤波电路，数据存储及显示电路，语音报警电路，见图3.1。

选用的主要器件有:

温度传感器DS1820，湿度传感器HSll01，AT89S51，A/D转换器TLCO834，数据存储器AT24C04,4数码管显示模块，语音报警芯片ISD2560，MAX232，集成定时器555芯片等。

图3.1硬件结构框图

本系统以单片机AT89S51为核心，数据采集、存储、显示、报警以及上传至计算机进行数据处理都要通过单片机。

数据采集通过单总线的智能温度传感器DS1820和模拟的湿度传感器HS1101完成;当采集数据超出预警值时，有语音报警芯片ISD2560实时报警，然后进行相应处理;数据存储可以在计算机完成，在计算机不工作时还设置了辅助的多媒体卡MMC存储;由数码管实时显示接收的数值;数据处理主要是上位机完成的数据曲线显示、数据存储、数据打印等功能。

在整个系统中采用了多种总线、协议技术，如智能温度传感器DS1820的单总线技术，存储扩展的IZC总线技术，单片机和计算机连接的RS232协议技术等。

在这个系统中单片机部分采用语言为汇编和C语言混合编程，计算机部分采用VC++[5]。

3.2DS1820温度传感器

3.2.1DS1820数字温度传感器概述

美国DALLAS公司生产的DS1820数字温度传感器，可以直接将被测温度转化为串行数字信号供微机处理，通过简单的编程实现9位的温度读数。

并且多个DS1820可以并接到多个地址线上与单片机实现通信。

由于每一个DS182O出厂时都刻有唯一的一个序列号并存入其ROM中，因此CPU可用简单的通信协议就可以识别，从而节省大量的引线和逻辑电路。

与其它温度传感器相比，DS1820具有以下特性:

1、独特的单线接口方式，DS182O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DS1820的双向通讯。

2、DS1820支持多点组网功能，多个DS1820可以并联在唯一的三线上，实现多点测温。

3DS1820在使用中不需要任何外围元件。

4、温范围-55℃—+125℃，固有测温分辨率0.5℃。

5、测量结果以9位数字量方式串行传送DS1820采用3脚TO一92封装或8脚SO封装，管脚排列如图3.2所示:

图3.2DS1820的封装与引脚

对图3.2中DS182O的引脚功能说明如下:

NC:

空引脚，不连接外部信号。

VDD:

接电源引脚，电源供电3.0V～5.5V。

GND:

接地。

DQ:

数据的输入和输出引脚

DQ：

引脚口的I/O为数据输入/输出端（即单线总线），该引脚为漏极开路输出，常态下呈高电平[6]。

3.2.21-wire技术

单线总线，即1-wire技术是DS1820的一个特点。

该技术采用单根信号线，既可传输时钟，又能传输数据，而且数据传输是双向的，因而这种单总线技术具有线路简单，硬件开销少，成本低廉，便于总线扩展和维护等优点。

单总线适用于单主机系统，能够控制一个或多个从机设备。

主机可以是微控制器，从机可以是单总线器件，它们之间的数据交换只通过一条信号线。

当只有一个从机设备时，系统可按单节点系统操作;当有多个从设备时，系统则按多节点系统操作。

单总线即只有一根数据线，系统中的数据交换、控制都由这根线完成。

主机或者从机通过一个漏极开路或三态端口连至该数据线，以允许设备在不发送数据时能够释放总线，而让其他设备使用总线，其内部等效电路如图3.3所示。

单总线通常要求外接一个约为4.7kΩ的上拉电阻，这样，当总线闲置时，其状态为高电平[7]。

图3.3内部等效电路图

3.2.3DS1820的测温原理

DS18B2O的内部框图如图3.4所示，它主要包括寄生电源、温度传感器、64位激光ROM单线接口、存放中间数据的高速暂存器、用于存储用户设定的温度上下限值、触发器存储与控制逻辑、8位循环冗余校验码发生器等7部分。

图3.4DS1820内部框图

图3.5DS1820测温原理图

测温原理见图3.5。

低温度系数振荡器是一个振荡频率随温度变化很小的振荡器，为计数器1提供频率稳定的计数脉冲。

高温度系数振荡器是一个振荡频率对温度很敏感的振荡器，为计数器2提供一个频率随温度变化的计数脉冲。

初始时，温度寄存器被预置成—55℃，每当计数器1从预置数开始减计数到O时，温度寄存器中寄存的温度值就增加1℃，这个过程重复进行直到计数器2计数到0时便停止。

初始时，计数器1预置的是与—55℃像对应的一个预置值。

以后计数器l每一个循环的预置数都由斜率累加器提供。

为了补偿振荡器温度特性的非线性性，斜率累加器提供的预置数也随温度相应变化。

计数器1的预置数也就是在给定温度外使温度寄存器存值增加1℃计数器所需的计数个数。

图中比较器的作用是以四舍五入的量化方式确定温度寄存器的最低有效位。

在计数器2停止计数后，比较器将计数器1中的计数剩余值转换为温度值后与025℃进行比较，若低于0.25℃，温度寄存器的最低位就置O;若高于0.25℃，就置1，若高于0.75℃，温度寄存器的最低位就进位后置0。

这样，经过比较后所得的温度寄存器的值就是最终读取的温度值了，其最末位代表0.5℃，四舍五入最大量化误差为士l/2LSB，即0.25℃。

温度寄存器中的温度值以9位数据格式表示，最高位为符号位其余8位以二进制补码形式表示温度值。

测温结束时，这9位数据转存到暂存寄存器的前两个字节中，符号位占用第1字节，8位温度数据占用第2字节。

DS18B