1、9 毕业设计(论文)粮仓温湿度监测系统系 别自动化工程系专业名称测控技术与仪器班级学号 学生姓名 指导教师 2010年6月15日 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 58 页粮仓温湿度监测系统摘 要随着单片机技术的飞速发展，单片机在各个领域得到了广泛的应用。粮食是人类生存的必需品，温度是保存好粮食的先决条件，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。粮库一般较大，测量点会很多。粮仓温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。本系统是以AT89C52单片机、DS18B20数值温度传感器和HS1100湿度传感器为核心组成的粮仓温湿度控制系统。该系统利用AT89C5
2、2单片机采集了各个点的温度、湿度，实现温湿度显示、报警等功能。它以AT89C52单片机为主控制芯片，采用数字温度传感器DS18B20和湿度传感器HS1100实现多路温度的检测，利用LCD1602液晶显示器形象直观的显示测出的温湿度值。本文在确定法设计方案基础上，着重论述了系统的软硬件设计，并且描述了系统电路设计、硬件设计框图及所使用各种芯片功能和特性。通过PROTEUS软件和KEIL C仿真出了该系统。关键词：单片机，DS18B20，HS1100，液晶显示，报警Temperature And Humidity Monitoring System Of The Granary Author:Zh
3、ang Juanying Tutor: Wang Junwei AbstractAlong with the single chip microcomputer technology rapid development, the microcontroller obtained the widespread application in each domain. The grain is the human survival essential item，the temperature and humidity are the precondition of preserving the gr
4、ain well, storing up the massive grain plays a crucial role in the development of the stable national economy. Provision room is generally big, so there will be a lot of measurement points. Grain temperature and humidity measurements methods and the corresponding intelligent control of food preserva
5、tion has been an important issue.The system is based on AT89C52 single-chip, numerical temperature sensor DS18B20 and humidity sensor HS1100, which composite the core temperature and humidity control system. This system has gathered each temperature and humidity using AT89C52 monolithic integrated c
6、ircuit, which realizes functions temperature and humidity display and alarm functions and so on. It takes AT89C52 monolithic integrated circuit as main control chip, which uses digit temperature sensor DS18B20 and humidity sensor HS1100 to realize the multi-channel temperature detections. Temperatur
7、e value and humidity value which determines is displayed using the LCD1602 liquid-crystal in direct-viewing demonstration. This article focuses on systems software and hardware design emphatically on the foundation of determining the design of the program. It describes the system circuit design, the
8、 hardware design diagram as well as the function and the characteristic of the chip which is used in the system. This system is simulated through the PROTEUS and KEIL C software.Key Words：Single-chip Microcomputer ，DS18B20 ，HS1100， Liquid-crystal display， Warning 目 录1 绪论11.1 背景11.2 设计的目的和意义11.3 相关领域
9、国内外设计方法22 系统方案设计72.1 方案设计72.2 方案论证73 系统硬件的设计93.1 系统工作原理综述93.2 AT89C52的介绍93.2.1 AT89C52芯片的简介93.2.2 AT89C52主要功能特性103.3 DS18B20简介113.3.1 DS18B20 的性能特点113.3.2 DS18B20 的内部结构113.3.3 DS18B20 的温度值格式133.3.4 DS18B20单总线(1-Wire)的基本原理143.3.5 DS18B20与单片机接口电路163.4 HS1100简介及测湿度原理图183.4.1 HS1100 /1101的特点183.4.2 湿度测量
10、电路设计及工作原理193.5 LCD液晶显示电路203.5.1 LCD1602主要技术参数213.5.2 LCD1602的引脚说明213.5.3 控制指令说明223.5.4 液晶内部显示地址223.6 扫描键盘233.7 报警电路243.8 温湿度控制输出驱动电路244 系统软件的设计264.1 主程序设计264.2 DS18B20的软件设计274.2.1 复位与读、写时序274.2.2 操作命令介绍284.2.3 基本操作程序及流程图294.3 HS1100的程序设计334.4 1602的C51读写程序344.5 键盘扫描程序设计374.6 温湿度报警程序设计385 系统的抗干扰问题395.
11、1 硬件抗干扰措施395.2 软件抗干扰措施41结论43参考资料44致谢45附录46附录A46附录B47附录C531 绪论1.1 背景 “国以民为本，民以食为天”，“兵马未动，粮草先行”，这些都充分说明粮食对国家的重要性1。从理论上讲国家掌握的粮食越多越好，但从现代经济学的角度看，国家只要能控制住一定数量的可以灵活支配、质量良好的粮食，既可达到“备战备荒”、宏观调控的目的，又可节省资金用于发展经济。一般来说：粮食存放在粮仓中，大型的粮仓可存放数以万计的粮食。而且这些粮食存放的时间有长有短。为了保证存放在粮仓中的粮食不致腐烂变质，就必须使粮仓内的温湿度保持在一定的范围以内。为了达到以上的要求，必
12、不可少的就是既稳定又精确的粮情监测系统。粮情监测系统是通过计算机检测粮食储备库中粮食的基本温湿度情况，并结合其他粮情信息（如入仓时间、品种、仓型、天气状况等）进行综合分析。利用微机技术对粮仓进行监测，用户可方便地构造自己需要的数据采集系统。在综合研究国内粮库管理现状和发展的前提下，吸收了国内多种粮库粮情温湿度监测系统的成功经验后，我们设计了自己的仓库温湿度监测系统。该系统具有可靠性和高性价比，而且操作维修简便，具有检测、数显等诸多功能。1.2 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
13、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2。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新和改造工作，要求规范粮库管理，实现粮库管理现代化。影响储粮安全的最主要因素是粮堆内的温度和湿度，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测操作。如果用单片机作为前沿机对现场进行数据采集，通过对采集的数据进行分析（温度设定，实时温度显示，报警电路）然后通过单片机串行口控
14、制电机启停进行温湿度控制。利用单片机技术对粮仓进行监测，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湿度要求对粮仓内的温度情况进行控制，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。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。1.3 相关领域国内外设计方法国内外有很多仓库温湿度监测系统的方法，主要有以下几种。1、基于CAN总线的粮情监控系统的设计与实现 基于CAN总线的粮情监控系统主要由监控计算机和
15、各仓房智能测控节点构成，具体分为通用计算机、USBCAN网络适配器、CAN总线网络和若干个仓房智能测控节点。该系统将完成以AT89C52控制器为中心的数据采集与通风控制的仓房节点的设计，其中最重要的工作是完成仓房温度测量网络的设计3。由于仓房数据采集一般以温度采集为主，其测量点数目之多，使温度测量的难度加大，因此仓房温度的测量一直是粮情监控系统设计的关键。在设计中将采用单总线数字式温度传感器DS18B20组成单总线数字式测温网络，并最大限度的缩短和简化电缆布局。系统的湿度传感器选用电容式传感器，电容式传感器输出为020mA的电流信号，经过250欧电阻转为电压信号，此信号再经过A/D转换器TLC
16、1549转化为AT89C52所能采集的串行数字信号，同时，为减小TLC1549内部输入阻抗的影响，在其输入端放置了LM158组成的压随电路。基于CAN总线的粮情监控系统的主要任务是完成对各仓房的温湿度的实时巡检，对采集数据进行处理分析来掌握粮食的储存情况，并按照要求实时控制各仓房的通风设备。其中USBCAN网络适配器主要负责的任务是实现USB接口与CAN总线之间的数据交互，由于监控计算机没有CAN总线接口，不能直接提供CAN通信功能，系统通过USBCAN网络适配器使监控计算机间接地连入到CAN总线网络中。仓房智能测控节点的任务是完成对粮仓内的温湿度的采集和通风设备的控制，并能通过CAN总线和监
17、控计算机通信。特点：CAN现场总线技术作为最有前途的现场总线之一，其可靠性高，使用环境能力强，交错能力突出，性价比高，有灵活的网络拓扑结构，高度分散的系统结构和高智能化的现场设备。2、远程温湿度测控系统研究远程温湿度测控系统主要由温湿度采集器，温湿度测控平台，控制器，执行机构，远程通讯模块和控制中心软件等部分组成，系统采用了总线结构，模块化设计，各部分既可独立工作，又可联网工作，组建方便，并具有良好的扩充性。智能型温湿度采集器采用国际上先进的温敏和湿敏元件，传递温湿度参数；温湿度测控平台内置微处理器，智能化设计，可独立工作又可方便组网，还可监测并管理各个温湿度测控器的工作，指令各相应机构，实现
18、环境的检测和控制，同时，控制平台的通讯功能使其可作为下位机接受上位机和计算机的管理和控制，通过电力载波、电话线或通讯电缆等通讯手段可接入总体测控系统中心网络。1）温湿度采集器（信号采集）:用于测量环境温湿度，采用温敏电阻和高分子湿敏电容高精度测温测湿，智能化设计，自动校准温湿度基准。2）控制器:接受温湿度测控平台指令，控制执行机构起停。3）执行机构:指用于实现加热、制冷、加湿、除湿等功用的设备，如加热器、制冷机、加湿机、除湿机等。4）测控平台:测控平台是温、湿度测控系统的重要组成部分，是联系温、湿度测控及信号采集器和计算机管理控制中心（上位机）的枢纽。一方面传送报警设定参数给测量端，并获取各点
19、的温湿度值和开关变量；另一方面将温湿度值、状态和开关变量上传给计算机管理控制中心。巡检测控仪提供液晶显示器显示时间、通道号、温度、湿度以及抽风除湿等状态。系统状态有通风、强制通风、抽湿、强制抽湿、故障、锁定、查询，可连续设定温湿度控制值，根据设定指令自动监控温湿度测控器的工作，控制整个系统的运行，同时可通过通讯模块一与计算机管理控制中心（上位机）通讯联网，接受计算机管理控制中心（上位机）的工作指令。（可选带汉字打印机）。5）通讯（链路）模块:连接计算机管理控制中心（上位机）与测控平台，使测控平台纳入整体计算的控制管理中心体系。6）计算机管理控制中心（上位机）:A、可对多个测控平台进行远程实时显
20、示、检测；B、可对各个测控平台的历史数据进行存储分析，并进行相应的处理；C、可对平台的各个测控参数进行设置和控制；D、可以定时的搜索各个测控平台，及时的汇报各平台的状况。特点：系统的设计可靠，操作简单方便，全自动化，优选分析软件，智能控制，而且安装简便，维护简单，不仅适用于国防工程、人防工程等，而且也可广泛适用于大型建筑、工厂车间、仓库（房）、温室花棚、蔬菜塑料大棚等对温湿度要求较高的场所。另外，相关于智能化以及相关产品的研发，既有利于推动工控技术的发展，又能带来可观的经济效益和社会效益。缺点是所测量的温湿度数据不够精确。3、无线温、湿度仓贮自动测控系统的研究无线稳、湿度仓贮自动测控系统主要监
21、测、控制仓库现场的温度和湿度等参数，实时显示和监测各个仓库的环境情况，通过控制室计算机的分析处理，实现现场的控制，从而提高仓库的科学管理化、控制自动化水平。系统由温、湿度数据采集、无线收发、单片机数据接收处理及微机数据显示几部分组成。数据采集发送部分主要以89C51单片机作为核心主机，以单片智能化湿度/温度传感器作为从机加上数据无线发送模块。单片机接收数据并通过串行口将数据发送给计算机，计算机对接收到的数据进行处理和显示。整个系统采用对分布的传感器进行分时扫描的工作方式，控制端上电后将主动向分布的传感器按照预设的编号发起连接请求，与传感器建立数据传输通道。传感器端将采集到的仓贮现场数据在经过简
22、单的处理后，经过无线发送模块发送到控制器的接受端，控制端接收到数据后，按照用户的需要进行分析和处理并产生图表。同时控制端也可以按照预先设定的标号，对某一个或者多个传感器进行扫描，以确定是否为突发的干扰错误。系统通讯接口主要包括一个主控芯片AT89C51单片机、一个RS232接口电路芯片MAX232、一个DTMF编解码电路芯片MT888O、无线调频发射电路和接收电路等DTMF编、解码采用硬件电路MT8880芯片，它是一种带呼叫进展滤波器的单片双音多频收发器。MT8880有一个标准的微处理器总线接口，可直接与单片机I/O端口连接，CPU通过它控制发送器和接收器工作，与该接口有关的是片内的数据转移寄
23、存器、控制寄存器和状态寄存器。无线收发电路设计主要是挪威Nordic公司最新推出的一款数传频段为433MHz的单片无线收发一体化的nRF401芯片，它将高频发射、高频接收、PLL合成、FSK调制、FSK解调和多频道切换等功能进行高度集成，具有性能优异、价格低廉和使用方便等特点，nRF401芯片能和串口直接相连，且简单的单片机I/O输出可直接控制无线收发芯片的收发工作，无线通信系统设计简便4。 特点：采用无线传输技术的系统唯一缺陷是在传感器收发数据的校准的时候比较繁琐，花费了大量的时间和精力，但是一经校准，维护工作简单容易，测量数据的准确率高。4、智能化粮情监控系统的研究与开发 储粮的主要物理参
24、数是粮食的温度、水分以及仓库内、外的温度、湿度，这些参数的快速、准确、自动监测对于减少粮食损耗具有重要意义。粮情监控系统是能够对粮食自动进行测温、测湿及测水分，实现粮情的自动监测，完成粮食状态的分析与估计的智能系统。智能化粮情监控系统利用计算机构成整个粮食仓储区管理系统，系统设计成主从工作方式，主机应具备通讯、数据显示、数据存储、数据分析等主要管理功能；下位机系统应该具备通讯、控制及参数输入等基本功能。 粮情监控系统采用温度传感器来采集粮食的温度，粮仓中各个测温点在测控分机的控制之下被循环接入测量电路。由于每个粮仓的测温点较多，那么每一个都设置了一个测控分机，以确保其有足够的测量能力。测控分机
25、与中心控制室的距离较远，为了增加信号的传输距离，系统采用RS485总线与通讯主机相连，而通讯主机收到测控分机输出的数据信号，经过光电隔离、74LS14数据整形，然后将0SV的数字信号转换为上位机可以接受的（-12）V（+12）V数字信号，通过串行通讯口RS232传给上位机，上位机据此信号实现数据实时显示、曲线浏览、粮库管理等功能。 上位机：系统选用标准的PC机作为上位机，安放在中心控制室，该部分是整个系统的核心部分。无论是和下位机通讯，还是系统的综合管理，都完全依赖本控制中心。主要完成的功能有通讯功能，管理功能，显示机打印功能，还有报警提示功能。 下位机：主要由通讯主机和测控分机组成。 通讯主
26、机：通讯主机放在微机室或总控室，一端通过标准工业接口RS232与计算机相连，另一端通过RS485总线与现场的若干台分机相连，进行分机与计算机间数据或指令的上传下达。 测控分机：安装在仓库现场，通过RS485总线与通讯主机相连，每台测控分机连接若干温湿度传感器、通风控制器、仓内外温湿度传感器、水分传感器等设备，完成仓房粮情检测和通风控制功能。 特点：系统采用了数字式温度传感器DS18B20，这种芯片省去了A/D转换电路，测量精度高，可靠性强。通讯方式采用RS485总线技术，缺点是应用时间长，但软硬件实现较为容易，因此是国内粮情检测系统采用较多的通讯方式。2 系统方案设计2.1 方案设计方案一：该
27、方案由单片机、模拟温度传感器AD590、湿度传感器HS1100、555振荡芯片、运算放大器、A/D转换器、LCD显示电路、电风扇、报警灯组成。该方案采用模拟温度传感器AD590作为测温元件，传感器测量的温度变化转换成电流的变化，再通过电路转换成电压的变化，使用运算放大器交给信号进行适当的放大，最后通过模数转换器将模拟模拟信号转换成数据信号，传给单片机，单片机将温度值进行处理之后用LCD显示，当温湿度值超过设定值时开始报警且打开电风扇。如图2.1所示：模拟温度 传感器运算放大器AD转换键盘 单片机LCD 显示模块报警灯电风扇湿度传感器555振荡图2.1方案一温湿度测量系统方案框图方案二：该方案使
28、用了AT89C52单片机作为控制核心，以智能温度传感器DS18B20和湿度传感器HS1100为温湿度测量元件，进行多点温湿度监测，超过其温湿度上下限值就报警且打开电风扇和干燥机。显示电路采用LCD1602模块，使用单片机直接驱动发光二极管构成报警电路。（如图2.2所示）。2.2 方案论证方案一采用模拟温度传感器，转换结果需要经过运算放大器传给处理器。它控制虽然简单，但电路复杂，不容易实现对多点温度测量和监控。由于采用了多个分立元件和模数转换器，容易出现误差，测量结果不是很准确，因此本方案并不可取。方案二采用智能温度传感器DS18B20，它直接输入数字量，精度高，电路简单，只需要模拟DS18B2
29、0的读写时序，根据DS18B20的协议读取转换的温度,体现了技术的先进性，性价比低。综上所述，本课题应当采用方案二对系统进行设计。DS18B20键盘 单 片 机 LCD液晶显示电路报警器HS1100555振荡电风扇干燥机HS1100555振荡DS18B208253可编程计数器/定时器图2.2方案二温湿度测量系统方案框图 8253可编程计数器/定时器内部有三个计数器，分别为计数器0、计数器1和计数器2，他们的机构完全相同。每个计数器的输入和输出都决定于设置在控制寄存器中的控制字，互相之间工作完全独立。每个计数器内部有一个8位的控制寄存器，还有一个16位的计数初值寄存器CR、一个计数执行部件CE和
30、一个输出锁存器OL。CR、CE和OL都是16位寄存器，也可以作8位寄存器来用。3 系统硬件的设计3.1 系统工作原理综述基于单片机的单总线多点温度监测系统以AT89C52为中心，以KEIL为系统程序开发平台，以C语言进行程序设计，以PROTEUS作为仿真软件设计而成的。系统主要由温度传感器、湿度传感器、液晶显示电路、键盘、报警电路、电风扇、干燥机组成，电路图如附录A所示。温度传感器是DS18B20芯片，它的输入、输出采用数字量，通过单总线，接收主机发送的命令，根据DS18B20内部的协议进行相应的处理，将转换的温度数值以串口形式发给主机，主机按照通讯协议用一个I/O口模拟DS18B20时序，发送命令（初始化
