基于单片机的粮库温湿度控制系统的设计.docx

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基于单片机的粮库温湿度控制系统的设计

基于单片机的粮库

温湿度控制系统的设计

摘要本文设计了一种粮库温湿度控制系统，它具有对温湿度的实时显示，上下限的控制等功能。

该系统主要由放大电路，A/D转换，单片机控制以及显示四部分组成。

利用传感器采集粮库的温湿度，将采集到的数据用A/D转换器将模拟信号转换为数字信号，用单片机AT89S52对数据进行处理，并且送给数码管显示。

经实验测试，温度变化范围为5℃～25℃，控制精度为±1℃；湿度变化范围为40%～+65%RH，控制精度为±3%RH。

关键词单片机温度传感器湿度传感器A/D转换器

TheGrainStorage’sTemperatureAndHumidityControlSystemDesignBasedOnSingle-ChipComputer

Profession:

ElectronicandinformationengineeringClass:

DX041Name:

CaiRuiruiInstructor:

YeGuowen

AbstractThisarticlehasdesignedakindofgrainstorage’stemperatureandhumidity

controlsystem,itistodisplaythetemperatureandhumiditytime-to-time,thecontrolofboundfunctionsandsoon.Thissystemmainlybytheamplifyingcircuit,A/Dtransforms,themonolithicintegratedcircuitcontrolsaswellasdemonstratedthatfourpartscompose.Gathersthegrainstorageusingthesensorthehumiture,willgatherthedatathesimulatedsignalwilltransformwithA/Dswitchintothedigitalsignal,whichcarriesonprocessingwithmonolithicintegratedcircuitAT89S52tothedata,andgivesthenixietubetodemonstrate.Testsaftertheexperiment,thetemperaturechangescopefor5℃~25℃,thecontrolprecisionis±1℃.Thehumidityrangeofvariationis40%~65%RH,thecontrolprecisionis±3%RH.

KeywordsSCMtemperaturesensorhumiditysensorA/Dconverter

引言

随着时代的进步和发展，单片机控制无疑是人们追求的目标之一。

单片机技术已经普及到我们生活，工作，科研，各个领域，已经成为一种比较成熟的技术。

温室、粮库等恒温场所对于自动化的要求也越来越高，对室内温湿度的测量和设备的控制操作要用自动控制系统来完成。

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[1]。

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[2]。

控温储粮是使粮食在储藏期间保持一定的温度水平，达到安全储藏的目的。

控温储粮能保持粮食较好的品质，是目前比较先进的一种安全、经济、绿色的储粮技术，已成为当今科学储粮技术发展的新方向。

低温储藏使粮食品质提高，温度对微生物的生长、繁殖也有影响，大多数菌种生长繁殖的适宜温度范围是28℃~30℃，温度低于15℃这些菌种的活动的繁殖就会受到抑制，低于12℃时害虫一般不能繁殖[3]。

当粮库温度在20℃~35℃、相对湿度≥85%时，粮食就易发生霉变。

当温度较高，空气中相对湿度较低时，霉菌也能依附在物体表面繁殖生长。

分析表明，我国江南5～9月有利于发生霉变的频率为34%，即夏季约有三分之一的时间，其温、湿度及空气中水汽含量搭配得当，易导致库房内大部分仓储物品霉变，尤其在7、8俩月，温湿度条件有利于物品发生霉变的频率达60%以上，而在其它时段均在20%以下。

储粮害虫一般最适湿度在70%~75%，如果粮堆内的空气相对湿度保持在65%以内，保持与其平衡的水分，就可以抑制粮食上几乎全部微生物的活动[4]。

从储粮管理来说，湿度抑制微生物的生长比温度更有意义。

第一章总体设计

1.1设计思路分析

本设计采用温度传感器采集温度，经过放大电路处理后，由模数转换器ADC0804将模拟量转换为数字量；采集湿度是将HS1101置于555定时器组成的振荡电路中，将电容值的变化转为与之呈反比的电压频率信号，经过与单片机相连，通过数据口输出送到数码管进行实时显示[5]。

当粮库的温度小于设定的下限温度时，密封粮库并采取加热设备进行加热，使温度上升到适宜储藏的温度范围；当粮库的温度大于设定的上限温度时，采取使排风扇或通风机进行通风或启动制冷设备降低温度，使温度范围为5℃～25℃，实现对温度的控制。

当湿度小于设定的湿度时，使用加湿器进行加湿；当湿度大于设定的湿度时，可以用加热器去降低湿度，使湿度控制范围为40%～65%RH。

1.2总体设计框图

本设计总体设计系统框图如图1－1所示。

图1-1系统框图

说明如下：

（1）测量经过温度传感器转换为电量，再放大后送给A/D转换器。

（2）电量经过A/D转换为二进制数值送给单片机，单片机根据设计目的完成相应的软件处理。

（3）处理完毕后，然后再由数码管显示其温湿度。

（4）如果温度超过所设温度上限值25℃，则采取使用排风扇通风或启动制冷设备降低温度；当温度低于所设的下限5℃时，则采取门窗封闭严实并启动加热系统进行加热。

当温度高于上限或低于下限值时，报警器发声，提醒工作人员此时温度太高或太低，以做出相应的措施。

（5）如果粮堆内的空气相对湿度保持在65%以内，保持与其平衡的水分，就可以抑制粮食上几乎全部微生物的活动。

当湿度小于40%RH时，报警并采取加湿设备进行加湿；当湿度超过65%RH时，就发出警告并采用加热器去降低湿度。

第二章硬件设计

本次设计的硬件电路由单元电路由单片机最小系统、温度采集及放大电路、A/D转换、湿度采集电路和显示电路组成。

2.1单片机最小系统

图2-1（a）AT89S52芯片引脚图图2-1（b）单片机最小系统图

本设计选用AT89S52作为电路的主要芯片，如图2-1（a）所示。

AT89S52是一种带8K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—FlashProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低功耗、高性能的CMOS8位微处理器。

该器件采用ATMEL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，ATMEL的AT89S52是一种高效微控制器，AT89S52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。

AT89S52单片机有40脚PDIP、42脚PDIP等，本系统采用40脚PDIP的封装，其引脚如图3-1（a）所示，AT89S52是AT89S5×系列单片机中性能居中、很有代表性的产品，其主要特性如下：

（1）兼容MCS-51产品；

（2）8K字节可擦写1000次以上的系统可编程ISPFlashROM；（3）工作电压为+4V～+5.5V；（4）有256字节RAM；（5）32个可编程I/O口；（6）3个16位定时/计数器；（7）8个中断源；（8）一个全双工UART串行通信口；（9）静态工作频率在0～33Mhz；（10）休眠和节电保持两种省电模式；（11）中断唤醒省电模式功能；（12）看门狗定时器；双数据指针（DPTR）；（13）电源关闭标志；（14）灵活的ISP编程；AT89S52配置了振荡频率可为0Hz并可通过软件设置省电模式，空闲模式下，CPU暂停工作，RAM定时计数器、串行口、外中断系统可继续工作。

掉电模式冻结振荡器而保存RAM数据，停止其他功能直至外中断激活或硬件复位。

它相对89C52，89S52增加了ISP在线编程功能、内部看门狗定时器、双数据指针，全新的加密算法等功能，但价格基本不变，甚至更低。

按照AT89S52的引脚图可分为主电源、外接晶振或振荡器、多功能I/O口，以及控制、选通和复位四类。

AT89S52有四个并行I/O口，分别为P0（P0.0～P0.7），P1（P1.0～P1.7），P2（P2.0～P2.7），P3（P3.0～P3.7），它们均作普通I/O口用，每个口线可以单独用作输入或输出口，此时它们是准双向口：

在将某一口线作为输出口用时可直接向其输出数据，而做输入口时，必须先对该口的锁存器写1，将其置为高阻输入，方可读入引脚数据，若某口锁存器为0，则对应引脚被钳位在0状态，无法读出高电平输入。

尽管均可做普通I/O口用，但P0～P3口的结构和驱动能力各不同，P1，P2，P3是内部带上拉电阻的8位准双向口，不必外接上拉电阻，每个口可带4个TTL负载；P0口是开漏结构的8位准双向口，做普通I/O口时，必须外接上拉电阻，每个口可带8个TTL负载。

P0，P2口为普通I/O口和总线复用口，P1的部分和P3口的全部端口具有第二功能。

ALE管脚信号发出地址锁存控制信号，在系统扩展时，ALE用于控制把P0口的输出的低8位地址送入锁存器锁存起来，以实现低位地址和数据的分时传送。

此外由于ALE是以六分之一晶振频率的固定频率输出的正脉冲，因此可作为外部时钟或外部定时脉冲使用。

管脚即外部程序存储器读选通信号脚，在外部ROM时

有效，实现外部ROM单元的读操作。

引脚发出信号为访问程序存储器控制信号，当

信号为低电平时，对ROM的读操作限定在外部程序存储器；而当

信号为高电平时，则对ROM的读操作是从内部程序存储器开始，并可延续到外部程序存储器。

XTAL1和XTAL2为外接晶振引线端。

本设计采用的晶振频率为12MHZ，VSS为接地线端，VCC为电源输入端。

，

分别作为扩展数据存储器时的读、写选通信号。

该电路时钟电路如图2-1（b）所示，由外接谐振器的时钟振荡器、时钟发生器及关断控制信号等组成。

时钟振荡器是单片机的时钟源，时钟发生器对振荡器的输出信号进行二分频，关断控制信号/PD和/IDL用于单片机的功耗管理。

本设计采用内部振荡器为单片机提供振荡源。

在XTAL1和XTAL2之间接一个频率范围为0～30MHZ的晶体振荡器或陶瓷振荡器及两只30pf的电容组成。

复位电路，RST为复位信号输入端，复位的作用是在规定的条件下，单片机自动将CPU及程序运行相关的主要功能部件，I/O口等设置为确定的初始状态的过程。

但如果电路参数不符合规定的条件或干扰导致单片机不能正确复位，系统将无法工作。

因此，复位电路除了要符合厂家规定的参数外，还要滤除可能的干扰。

复位分上电复位和按键复位两种，在RST端有从低电平到高电平，且高电平保持时间大于两个机器周期的复位信号时，CPU将响应并完成对系统的复位。

这里有两点要注意：

一是复位信号是高电平有效，二是高电平的保持时间必须是大于两个机器周期。

本设计采用手动复位，如图2-1（b）所示。

2.2温度采集与放大部分

什么叫传感器？

从广义上讲，传感器就是能感知外界信息并能按一定规律将这些信息转换成可用信号的装置；简单说传感器是将外界信号转换为电信号的装置。

所以它由敏感元器件（感知元件）和转换器件两部分组成，有的半导体敏感元器件可以直接输出电信号，本身就构成传感器。

现代信息技术的三大基础是信息采集（即传感器技术）、信息传输（通信技术）和信息处理（计算机技术）。

传感器属于信息技术的前沿尖端产品,尤其是温度传感器被广泛用于工农业生产、科学研究和生活等领域,数量高居各种传感器之首[6]。

温度传感器是应用最广的传感器之一，从空调、冰箱、电饭煲等家电产品直至PC机、手机等，都需要具有温度传感功能的器件。

随着各类电子产品的便携化，可用于片上测温的集成温度传感器的发展便越趋灼热化。

近百年来,温度传感器的发展大致经历了以下三个阶段：

1.传统的分立式温度传感器（含敏感元件）;

2.模拟集成温度传感器／控制器;

3.智能温度传感器。

智能温度传感器（亦称数字温度传感器）是在20世纪90年代中期问世的。

它是微电子技术、计算机技术和自动测试技术（ATE）的结晶。

目前,国际上已开发出多种智能温度传感器系列产品。

智能温度传感器内部都包含温度传感器、A/D转换器、信号处理器、存储器（或寄存器）和接口电路。

有的产品还带多路选择器、中央控制器（CPU）、随机存取存储器（RAM）和只读存储器（ROM）。

智能温度传感器的特点是能输出温度数据及相关的温度控制量，适配各种微控制器（MCU）；并且它是在硬件的基础上通过软件来实现测试功能的,其智能化程度也取决于软件的开发水平。

进入21世纪后，智能温度传感器正朝着高精度、多功能、总线标准化、高可靠性及安全性、开发虚拟传感器和网络传感器、研制单片测温系统等高科技的方向迅速发展。

目前，国际上新型温度传感器正从模拟式向数字式、由集成化向智能化、网络化的方向发展。

2.2.1温度传感器的选择

方案一：

采用热电偶，因为热电偶是温度测量中使用最广泛的传感器之一，其测量温度区域宽，一般在-180～2800℃的温度范围内可以使用，测量的灵敏度和准确度比较高。

因此，在国际实用温标规定，在-630.74～1064.43℃的温区范围内，使用热电偶作为复现热力学稳标的基准仪器。

方案二：

采用温度传感器AD590。

测量环境温度的传感器采用集成两端温度传感器AD590。

其电源电压为4～30V，温度测量范围为-55℃～+150℃。

整个测温范围内精度可达±0.5℃，且线性度好，测量精度高，并具有消除电源波动的特性，直接输出为电流（1μA/K），经运放LM741进行I/V转化后，可得到电压输出，输出的电压为100mV/℃，最后由A/D转换电路送给AT89C51微处理器。

A/D转换器采用8位CMOS逐次逼近型的A/D转换器ADC0804[7]。

由于采用了线性度良好的AD590进行温度测量，故测出的温度值不需要进行线性校正，软件编程简单。

故根据其特点，本设计选择方案二实现，电路如2-2所示。

图2-2温度采集电路

2.2.2AD590的简介

集成温度传感器实质上是一种半导体集成电路，它是利用晶体管的b-e结压降的不饱和

值VBE与热力学温度T和通过发射极电流I的下述关系实现对温度的检测：

式中，K—波尔兹常数；       q—电子电荷绝对值。

集成温度传感器具有线性好、精度适中、灵敏度高、体积小、使用方便等优点，得到广泛应用。

集成温度传感器的输出形式分为电压输出和电流输出两种。

电压输出型的灵敏度一般为10mV/K，温度0℃时输出为0，温度25℃时输出2.982V。

电流输出型的灵敏度一般为1mA/K[8]。

AD590是美国模拟器件公司生产的单片集成两端感温电流源。

它的主要特性如下：

1、流过器件的电流（mA）等于器件所处环境的热力学温度（开尔文）度数，即：

式中：

—流过器件（AD590）的电流，单位为mA；

T—热力学温度，单位为K。

2、AD590的测温范围为-55℃～+150℃。

3、AD590的电源电压范围为4V～30V。

电源电压可在4V~6V范围变化，电流

变化1mA，相当于温度变化1K。

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被损坏。

4、输出电阻为710MW。

5、精度高。

AD590共有I、J、K、L、M五档，其中M档精度最高，在-55℃～+150℃范围内，非线性误差为±0.3℃。

图2-3感温部分的核心电路图2-4AD590内部的电路

2.2.3AD590的工作原理

在被测温度一定时，AD590相当于一个恒流源，把它和5～30V的直流电源相连，并在输出端串接一个1kΩ的恒值电阻，此电阻上流过的电流将和被测温度成正比，此时电阻两端将会有1mV／K的电压信号。

图2-3是利用ΔUBE特性的集成PN结传感器的感温部分核心电路。

其中T1、T2起恒流作用，可用于使左右两支路的集电极电流I1和I2相等；T3、T4是感温用的晶体管，两个管的材质和工艺完全相同，但T3实质上是由n个晶体管并联而成，因而其结面积是T4的n倍。

T3和T4的发射结电压UBE3和UBE4经反极性串联后加在电阻R上，所以R上端电压为ΔUBE。

因此，电流I1为：

对于AD590，n＝8，这样，电路的总电流将与热力学温度T成正比，将此电流引至负载电阻RL上便可得到与T成正比的输出电压。

由于利用了恒流特性，所以输出信号不受电源电压和导线电阻的影响。

图3中的电阻R是在硅板上形成的薄膜电阻，该电阻已用激光修正了其电阻值，因而在基准温度下可得到1μA／K的I值。

图2-4所示是AD590的内部电路，图中的T1～T4相当于图2-3中的T1、T2，而T9，T11相当于图2-3中的T3、T4。

R5、R6是薄膜工艺制成的低温度系数电阻，供出厂前调整之用。

T7、T8，T10为对称的Wilson电路，用来提高阻抗。

T5、T12和T10为启动电路，其中T5为恒定偏置二极管。

T6可用来防止电源反接时损坏电路，同时也可使左右两支路对称。

R1，R2为发射极反馈电阻，可用于进一步提高阻抗。

T1～T4是为热效应而设计的连接方式。

而C1和R4则可用来防止寄生振荡。

该电路的设计使得T9，T10，T11三者的发射极电流相等，并同为整个电路总电流I的1／3。

T9和T11的发射结面积比为8：

1，T10和T11的发射结面积相等。

T9和T11的发射结电压互相反极性串联后加在电阻R5和R6上，因此可以写出：

ΔUBE＝（R6－2R5）I／3

R6上只有T9的发射极电流，而R5上除了来自T10的发射极电流外，还有来自T11的发射极电流，所以R5上的压降是R5的2／3。

根据上式不难看出，要想改变ΔUBE，可以在调整R5后再调整R6，而增大R5的效果和减小R6是一样的，其结果都会使ΔUBE减小，不过，改变R5对ΔUBE的影响更为显著，因为它前面的系数较大。

实际上就是利用激光修正R5以进行粗调，修正R6以实现细调，最终使其在25℃之下使总电流I达到1μA／K。

2.2.4AD590的基本应用电路

图2-5（a）是AD590的封装形式，图2-5（b）是AD590用于测量热力学温度的基本应用电路。

因为流过AD590的电流与热力学温度成正比，当电阻R1和电位器R2的电阻之和为1kW时，输出电压VO随温度的变化为1mV/K。

但由于AD590的增益有偏差，电阻也有误差，因此应对电路进行调整。

调整的方法为：

把AD590放于冰水混合物中，调整电位器R2，使VO=273.2mV。

或在室温下（25℃）条件下调整电

位器,使VO=273.2+25=298.2（mV）。

但这样调整

只可保证在0℃或25℃附近有较高精度。

AD590温度与电流的关系如下表2-1所示。

图2-5AD590的封装及基本应用电路

表2-1AD590温度与电流的关系表

摄氏温度

AD590电流

经10KΩ电压

0℃

273.2μA

2.732V

10℃

283.2μA

2.832V

20℃

293.2μA

2.932V

30℃

303.2μA

3.032V

40℃

313.2μA

3.132V

50℃

323.2μA

3.232V

60℃

333.2μA

3.332V

100℃

373.2μA

3.732V

2.2.5LM741放大器

741型运算放大器具有广泛的模拟应用。

宽范围的共模电压和无阻塞功能可用于电压跟随器。

高增益和宽范围的工作电压特点在积分器、加法器和一般反馈应用中能使电路具有优良性能。

此外，它还具有如下特点：

（1）无频率补偿要求；

（2）短路保护；（3）失调电压调零；（4）宽大的共模、差模电压范围；（5）低功耗。

741型运放双列直插封装的俯视图如图2-6（a）所示。

紧靠缺口（有时也用小圆点标记）下方的管脚编号为1，按逆时针方向，管脚编号依次为2，3，…，8。

其中，管脚2为运放反相输入端，管脚3为同相输入端，管脚6为输出端，管脚7为正电源端，管脚4为负电源端，管脚8为空端，管脚1和5为调零端。

通常，在两个调零端接一几十千欧的电位器，其滑动端接负电源，如图（b）所示。

调整电位器，可使失调电压为零。

（a）（b）

图2-6741型运算放大器的封装图

LM741是通用型集成单运算放大器，其特点是电压适应范围较宽，可在±5～±18V范围内选用；具有很高的输入共模、差模电压，电压范围分别为±15V和±30V；内含频率补偿和过载、短路保护电路；可通过外接电位器进行调零。

图2-7为LM741的内部电路图

图2-7LM741的内部电路图

2.3湿度采样电路设计

2.3.1湿度传感器的分类及特点

湿度传感器，分为电阻式和电容式两种，产品的基本形式都为在基片涂覆感湿材料形成感湿膜。

空气中的水蒸汽吸附于感湿材料后，元件的阻抗、介质常数发生很大的变化，从而制成湿敏元件。

湿度传感器具有如下特点：

（1）精度和长期稳定性

湿度传感器的精度应达到±2%~±5%RH，达不到这个水平很难作为计量器具使用，湿度传感器要达到±2%~±3%RH的精度是比较困难的，通常产品资料中给出的特性是在常温（20℃±10℃）和洁净的气体中测量的。

在实际使用中，由于尘土、油污及有害气体的影响，使用时间一长，会产生老化，精度下降，湿度传感器的精度水平要结合其长期稳定性去判断，一般说来，长期稳定性和使用寿命是影响湿度传感器质量的头等问题，年漂移量控制在1%RH水平的产品很少，一般都在±2%左右，甚至更高。

（2）湿度传感器的温度系数

湿敏元件除对环境湿度敏感外，对温度亦十分敏感，其温度系数一般在0.2~0.8%RH/℃范围内，而且有的湿敏元件在不同的相对湿度下，其温度系数又有差别。

温漂非线性，这需要在电路上加温度补偿式。

采用单片机软件补偿，或无温度补偿的湿度传感器是保证不了全温范围的精度的，湿度传感器温漂曲线的线性化直接影响到补偿的效果，非线性的温漂往往补偿不出较好的效果，只有采用硬件温度跟随性补偿才会获得真实的补偿效果。

湿度传感器工作的温度范围也是重要参数。

多数湿敏元件难以在40℃以上正常工作。

（3）湿度传感器的供电

金属氧化物陶瓷，高分子聚合物和氯化锂等湿敏材料施加直流电压时，会导致性能变化，甚至失效，所以这类湿度传感器不能用直流电压或有直流成份的交流电压。

必须是交流电供电。

（4）互换性

目前，湿度传感器普遍存在着互换性差的现象，同一型号的传感器不能互换，严重影响了使用效果，给维修、调试增加了困难，有些厂家在这方面做出了种种努力，（但互换性仍很差）取得了较好效果。

（5）湿度校正

校正湿度要比校正温度困难得多。

温度标定往往用一根标准温