多路温度与湿度检测系统的研制文库.docx

1、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

2、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RS232接口与转换器相连，转换器通过RS485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

3、，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DeVelopment of Multichamle

4、l Temperature and H啪idi锣Detection System Abstract hl View of oIIr comI时cufm Iargescale wa糟holl，Iarge-ale鲫ary stat啷of monitofing粕d IcontroIlingTllis system湎es on rcsearch and development孤d h删e designed a锄tomatic moIli仃iIlg systeIn of t锄pc船tIl】呛and humidny of grain s咖童ge baSed on mlllti-levcl commIlII

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9、 this desigll，nleis also趾鲫ph船is which is desigIling a觚alog sw“ch锄d display pan by me technology ofcPLD 1n this syst啪，the upper pos“imchiIle is PC mac地le卸d is connec锄、vim t11e switch廿_ou曲RS-232 intcd沁e，粕d the s州蛐is corlnectcd、；vitll t11e lower position maclli throu曲RS485 maill li，剃izing da诅co删cation

10、bet、张en tlle connDl f0HDm锄d ttIe sccneEach Iow盯position is arfanged ill雠vario璐萨啪ries，rllito血g 256cha衄el II沈阳工业大学硕士学位论文觚peranJrc锄d hl|111idit)r signalhl ord盯t0陀aIi髓256cham圮l纰acqms街on，mis System haVe desi驴ed a sil山atis、)I，itch璐iIlg CPLD，Each timely a ch柚nel蛐is g础砌锄d sent iII山e si掣Ial-ctlip oomputeI；Mo

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13、h鹤a bmad application prospect Key words：tempe憎tllM monitorhumidity monitorCPLD，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

14、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11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2030m。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

15、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

16、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，”。12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

17、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

18、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。121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

19、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。122湿度传感器的发展概况湿

20、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

21、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

22、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11所示【Il】： 表11世界先进水平的湿敏传感

23、主要指标1铀11 world adv卸ccd l钾cl wet s髓smve s衄sing In勾or targets 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0014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。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

24、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。13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4沈阳工业大学硕士学位论

25、文系统的应用发展。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12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46 倍，达到23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。14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

26、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21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。下面对湿度的相关知识做一下简要介绍。湿度是表示空气干湿程度的物理量。有绝对湿度、相对湿度、饱和湿度、比较湿度(含湿量)、露点等多种表示法。单位体积空气中所含水蒸汽的质量，称作空气的绝对湿度。相对湿度就是单位体积空气中实际所含水蒸汽的质量和同温

27、度下饱和状态时所含水蒸汽的质量百分比。它一般定义为空气中水蒸汽的分压风与同温下饱和水蒸汽分压之比【131： p 币=詈(21) d 通常，我们所说的粮仓湿度大小，都是指粮食的相对湿度大小。随着粮仓中湿度的变化，粮仓中的粮食会因为水分过多而加速发霉，也会因原有水分被蒸发而变得干燥。但是，粮食的水分到底有多少则与相对湿度的大小直接有关。相对湿度小，说明空气所含水蒸汽量还没有接近饱和量，也就是说还能容纳更多的水分，这时粮食中的水分就会被蒸发：相对湿度大，说明空气所含水蒸汽量己接近饱和量不能再窖纳更多的水分，这时粮食中的水分不仅不易蒸发，反而会吸收空气中的水分。若用绝对湿度来表示库房湿度时，很难准确反

28、映粮食中水分的变化，故粮仓中湿度都用相对湿度来表示。22温湿度的测量方法221温度的测量方法温度不能直接测定。它的测定是采用间接的手段，通过观察另一种物质一即所谓测温介质的物理特性变化的方法来确定。这种测量方法并没有给测介质温度的绝对值，而仅仅是它和测温介质原始温度相对的温度差，这个原始温度是制定温标时就被6沈阳工业大学硕士学位论文规定作为零度。为了测量时的方便，应尽可能的选择这样的物理特性，即它能随温度的改变而单值的变化，不受其它因素的影响，且比较易于精确测定适合这些要求的特性。如体积的膨胀、热电势的产生、电阻和辐射强度的变化等都被用作温度测量的基础，常用的颡4温仪表有各种温度计和温度传感器

29、。例如，热膨胀是温度计、热电偶、辐射温度计、光高温计等。在温度测控系统中，除了高温、低温和测量精度高于O1 的高级测温技术外，常温范围的温度传感测量和控制技术相当成熟，可以直接选用， 而且可选的测量方式也很多【141蜘。粮仓系统中温度测量采用半导体集成式温度传感器AD590直接变送输出。这种集成式传感器以两线制方式输出的电流值对应的是开尔文温标值，如O时输出电流为273uA，使用简便，而且价格低廉。222湿度的测量方法湿度测量技术中最准确的方法是绝对湿度测量的称重法，国际上普遍使用该法作为湿度基准其次是作为二级检定标准的阿斯曼通风干湿计。但是这两种方法都难以用于自动化测控系统的现场传感测量。工

30、程技术中常采用绝对湿度、相对湿度和露点温度表示法和相应的测量技。绝对湿度测量：也称为水分或微弱水分测量技术，测量的是空气体积中水分的直接含量，各种材料的含水量、电子器件封装、火力发电烟气、高压电器保护气体的测量等，所涉及的范围相当广泛。对应不同的工况环境、被测对象和性能价格比的要求， 其测量方式种类也非常多。常用的有电容式、化学露点式，精度较高的有光学露点式和称重、红外，微波等测量方法。相对湿度测量：空气的相对湿度所表达的是其中水气接近饱和的程度，是指力为P，温度为T时空气中水气的摩尔分数与相同条件下纯水表面的饱和水气的摩尔分数之比表示为RH。相对湿度测量主要用于要求保持一定湿度气氛的纺织、薄膜生产等行业；武器装备封存、仓储等场所防止材料的腐蚀、霉变主要依赖于相对湿度控制。相对湿度的测量方法有毛发湿度计、干湿温度计、各种露点计等人工视检测量方式；而应用最为普及的相对湿度测量方法是温湿度自动测控系统所采用的各种类型的多路温度与湿度检测系统的研制小型、微型化湿度传感器。这些类型各异的湿度传感器基本是以传感材料对水气吸附原理作为传感机制。因此，湿敏传感技术的研究大多集中在湿敏传感材料和水气吸附机制上，了解这些技术的原理和进展是本项目湿敏传感器选型的重要依据。23温湿度传感器的选型231传感器的选择原则要进行一个具体的测量工作，首先要考虑用何种原理的传感器，这需要分析多方