【正文】 河北科技師范學院 2021 屆本科畢業(yè)設計 1 1 緒論 課題的背景 為保護農(nóng)民種糧積極性，進一步促進糧食生產(chǎn)發(fā)展，經(jīng)國務院批準，決定從新糧上市起適當提高主產(chǎn)區(qū) 2021 年生產(chǎn)的稻谷最低收購價格。每 50 公斤早秈稻（三等，下同）、中晚秈稻、粳稻最低收購價格分別提高到 120 元、 125 元、 140元，比 2021 年分別提高18 元、 18 元、 12 元。早秈稻播種在即，各地要做好宣傳工作，以調(diào)動農(nóng)民種糧積極性，促進糧食生產(chǎn)穩(wěn)定發(fā)展。 糧食的增產(chǎn)增收，給糧食的收購部門帶來了壓力，也給糧食的儲存帶來挑戰(zhàn)。糧食儲存質(zhì)量的高低和進倉前的質(zhì)量有很大的關系，所以必須控制進倉的糧食質(zhì)量。本文是利用濕度傳感器和單片機對進倉糧食濕度進行檢測，并根據(jù)分析結果報警和控制運輸電機，阻止超過標定濕度的糧食進倉，避免糧食霉變。 糧食進倉濕度自動檢測系統(tǒng)研究的意義 我國目前有數(shù)千座不同類型的糧食倉庫 , 它們分布在不同的氣候區(qū)內(nèi)，不同濕度的糧食，在多變的氣候條件和溫濕度變化會受到不同程度的霉變 [1]。 以前的經(jīng)濟和科技水平有限，所以我國糧食的存儲環(huán)境很差，管理落后。 因此研制能夠可靠的檢測進倉儲前糧食的濕度，并對濕度進行預測分析和報警以阻止高濕度的糧食進倉，對避免霉變有重要意義 [2]。 糧食進倉濕度自動檢測系統(tǒng)的發(fā)展狀況 濕度就是指空氣中濕氣的含量。有絕對濕度和相對濕度之分，空氣濕度是用來表示空氣中的水汽含量多少或空氣潮濕程度的物理量。通常指的是相對濕度，它是指實際空氣的濕度與在同一溫度下達到飽和狀況時的濕度之比值，絕對濕度是指每單位容積的氣體所含水分的重量，一般用 mg/L 作指標。（本文所指的濕度均為相對濕度）濕度測量從原理上劃分有二、三十種之多。但濕度測量始終是世界計量領域中著名的難題之一。一個看似簡單的量值，深究起來，涉及相當復雜的物理 — 化學理論分析和計算，初涉者可能會忽 略在濕度測量中必需注意的許多因素，從而影響傳感器的合理使用。糧食是國家發(fā)展的命脈，糧食進倉時的濕度對糧食的長期存儲是否可行起著決定性的作用。近年來，糧食進倉時濕度越來越受到人們的重視。 國外研究概況 國外研究機構已設計出了基于電子式傳感器的可對濕度進行檢測檢測儀器，主要的 河北科技師范學院 2021 屆本科畢業(yè)設計 2 有如下幾種： ⑴ 一種新型多通道溫濕度檢測儀。 多通道智能溫濕度檢測儀是以 51 單片機為基礎，選用瑞士盛世瑞恩的 SHT11 數(shù)字溫濕度傳感器，該傳感器內(nèi)部經(jīng)過溫度補償和濕度全量程標定，輸出標準數(shù)字信號，且提供應用程序，使用非常 方便，縮短開發(fā)時間，降低成本，通過 485 總線可實現(xiàn)對糧食濕度的多點測量。這種儀器具有測量精度高、硬件電路簡單、顯示界面友好、可巡回測試多點溫濕度等特點，但是該儀器只能對倉內(nèi)糧食濕度進行監(jiān)測 [3]。 ⑵ 基于 MEMS（ MicroElectroMechanical Systems，微機電系統(tǒng)）的濕度檢測儀。 該儀器是一種基于多傳感頭集成的 MEMS 系統(tǒng)，用于測量濕度。同時由于 MEMS 技術的使用，使得該儀器整體電路簡單可靠，而且體積小，攜帶方便 [4]。目前該儀器未用于糧食的濕度檢測。 ⑶ 一種用微波 來監(jiān)測田間糧食作物子粒濕度的儀器系統(tǒng)。 美國新澤西立貝農(nóng)業(yè)機械公司開發(fā)了一種用微波來監(jiān)測田間糧食作物子粒濕度的儀器系統(tǒng) [5]，該儀器的發(fā)射無線可以將微波傳入田間的糧食、玉米、小麥、大豆、大麥等作物的果實子粒部分，通過觀測發(fā)生的相應變化來測其果實子粒的潮濕度和含水量。 國內(nèi)研究概況 國內(nèi)也有一些研究機構提出濕度檢測方案，主要有如下幾種： ⑴ 手持式微波糧食測試儀。 廣州建科測試儀器科技有限公司研發(fā)的 MOIST200 手持式微波測試儀 [6]。它采用了微波技術，測試深度可達 30cm，可測試建筑材料 的濕度，快速輕便。另外 MOIST200 與 MOISTANALYZE 多維濕度分布成像軟件綜合使用，可獲得所測建筑材料內(nèi)部及表面濕度情況的分布圖 [7]。 ⑵ 用于檢測糧食內(nèi)部相對含水量的理論模型。 黑龍江八一農(nóng)墾大學研制了一種以變頻技術為基礎 ,采用了空間波法中反射波法，提出了如何利用純凈水對微波的衰減特性測量糧食內(nèi)相對含水量分布的方法，建立了檢測糧食內(nèi)部相對含水量的理論模型。該方法克服了以往測量前需對待測物采樣定標所帶來的不便 , 拓展了微波的應用范圍 [8]。 ⑶ 基于 AT89C51 的單片機的濕度檢測與 控制的方案。 西南石油大學提出了一種基于 AT89C51 的單片機的濕度檢測與控制的方案，對被測對象濕度在不同變化范圍需要不同的 PID 參數(shù)的特點，根據(jù)檢測濕度自動選擇合適的一組 PID 參數(shù)進行控制的設計方案，整個設計簡明清晰 [9]。 本課題的主要研究內(nèi)容 本課題是為實現(xiàn)糧食濕度檢測的要求而設計的，課題的主要研究內(nèi)容是設計并 河北科技師范學院 2021 屆本科畢業(yè)設計 3 實現(xiàn)一個基于單片機系統(tǒng)的糧食進倉濕度自動檢測報警控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有實時顯示檢測數(shù)據(jù)和實時上傳檢測數(shù)據(jù)的功能。因此本課題的研究內(nèi)容有以下幾個方面： ⑴ 系統(tǒng)整體方案設計 ：根據(jù)系統(tǒng)功能要求并且考慮產(chǎn)品的性價比，采用濕度傳感器，并采用模塊化設計方法，以方便系統(tǒng)的調(diào)試和后期開發(fā)。 ⑵ 系統(tǒng)硬件設計：主要單片機芯片的選型、傳感器的選型、單片機系統(tǒng)與 A/D 及其外圍電路的設計、單片機與 LED 顯示模塊接口電路設 計，報警電路的設計，電機控制電路的設計等。 ⑶ 系統(tǒng)軟件設計：主要包括單片機部分的 LED 顯示、數(shù)據(jù)采樣程序設計和串口通信程序等。 2 糧食進倉濕度自動檢測系統(tǒng)的總體設計 糧食進倉濕度自動檢測系統(tǒng)的設計要求 本課題的主要研究內(nèi)容是設計并實現(xiàn)一個基于單片機系 統(tǒng)的糧食進倉濕度自動檢測報警控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)的設計要求具有實時顯示檢測的數(shù)據(jù)和實時上傳檢測數(shù)據(jù)的功能，同時當濕度超過設定的 75%以上時，系統(tǒng)將會啟動報警系統(tǒng)報警通知檢測人員對糧食進行檢測，同時控制系統(tǒng)將運輸線停止。 設計思路和方案 糧食進倉時一般是由工作人員將運糧車上成袋的糧食打開放到傳送帶上，通過傳送帶傳送到清選機清除雜物后再進入到倉庫里。本系統(tǒng)是通過安裝在輸送安裝架上的濕度檢測系統(tǒng)對通過傳送帶進倉的糧食濕度進行實時的檢測，并對濕度進行顯示和分析，根據(jù)分析結果報警提示工作人員并切斷電機使輸送帶停 止，防止高濕度的糧食進倉。系統(tǒng)設計要能夠可靠的檢測進倉前時糧食的濕度（測量范圍為 10%～ 95%RH 的濕度） [10]，并進行合理的分析，實時的報警和及時的電機切斷。本文的主要研究內(nèi)容將集中在該儀器電子部分的設計和研究，整個系統(tǒng)的框圖如圖 21 所示。 圖 21 系統(tǒng)的流程圖 車上的 糧食 工作 人員 工作 人員 濕度檢測系統(tǒng) 搬到傳 送帶上 濕度是 否過高 報警并控制電機 是 否 防止糧 食進倉 輸送到 清選機 庫 河北科技師范學院 2021 屆本科畢業(yè)設計 4 根據(jù)系統(tǒng)框圖，研究內(nèi)容分為下面三個大模塊： ⑴ 糧食進倉濕度自動檢測系統(tǒng)信號采集部分。 通過調(diào)查與研究目前各種糧食進倉濕度自動檢測系統(tǒng)的評價方法及現(xiàn)有的檢測手段及檢測方 法，選擇合適的濕度傳感器，把非電信號（濕度）轉換成模擬電信號（如電壓，電流等）。 ⑵ 糧食進倉濕度自動檢測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理部分。 以 AT89C51 單片機為中心的數(shù)據(jù)處理，數(shù)據(jù)顯示，數(shù)據(jù)通訊部分。 AT89C51 單片機接收 A/D 芯片轉換結果數(shù)據(jù)，通過一定的軟件算法求得能表征糧食濕度的數(shù)據(jù)，并送至 3 位八段 LED 顯示和 PC 機存儲和處理 [11]。 ⑶ 糧食進倉濕度自動檢測系統(tǒng)的軟件設計。 軟件設計分為單片機軟件和 PC 機軟件兩個部分，單片機軟件主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理，系統(tǒng)外設控制，數(shù)據(jù)顯示以及與 PC 機間數(shù)據(jù)通信。其中，數(shù)據(jù)處理是關鍵，根據(jù)濕度檢測儀器的特點，本文用取最大值再求均方差算法處理數(shù)據(jù)。 PC 機軟件主要實現(xiàn)與單片機的數(shù)據(jù)通訊以及數(shù)據(jù)處理兩大功能。各個模塊的劃分如圖 22 所示。 圖 22 系統(tǒng)模塊劃分圖 糧食進倉濕度自動檢測系統(tǒng) 硬件系統(tǒng)模塊 軟件系統(tǒng)模塊 變送器 A/D 轉換器 LED 顯示 報警 電機控制 串口通信 PC 機程序模塊 單片機程序模塊 串口接收數(shù)據(jù)模塊 數(shù)據(jù) 處理模塊 數(shù)據(jù)采集處理模塊 LED 顯示模塊 串口通信模塊 電機控制模塊 報警模塊 河北科技師范學院 2021 屆本科畢業(yè)設計 5 3 糧食進倉濕度自動檢測報警控制系統(tǒng)硬件設計 引言 本硬件系統(tǒng)采用的單片機是 AT89C51，該單片機具有靈活性高、使用方便、價格低廉等優(yōu)點，圖 31 所示的是基 于 AT89C51 的濕度檢測系統(tǒng)硬件結構圖。 濕度傳感器將外部濕度轉換為模擬電壓信號，并接著將信號放大和線性化使得信號在 A/D 轉換芯片的量程范圍內(nèi)，在 AT89C51 的控制下， A/D 轉換芯片完成信號的 A/D 轉換，然后將轉換后的數(shù)字信號送入 AT89C51， AT89C51 進行數(shù)據(jù)的比較和 BCD 碼轉換，最后利用數(shù)碼管對當前濕度進行 3 位顯示，當濕度超過其要求時便報警和切斷控制電機。 系統(tǒng)上電復位后開始直接運行，在運行過程中，系統(tǒng)每隔 3 秒檢測一次當前濕度并送往數(shù)碼管進行顯示。在檢測過程中 ，當濕度超過上限值時系統(tǒng)會自動報警，指示當前濕度過高并切斷電機。同時將顯示清零，以準備進行下一次的數(shù)據(jù)采集、檢測及顯示[12]。 該系統(tǒng)硬件組成主要包括濕度檢測電路、顯示接口電路、報警電路、電機控制電路、PC 機通信電路。 圖 31 系統(tǒng)硬件結構圖 單片機模塊 單片機 又稱單片微控制器，它 是將 CPU、存儲器、輸入 /輸出接口、定時 /計數(shù)器等集成在一塊芯片上，是目前銷量最大、應用面最廣、價格最便宜的微型計算機。單片機的結構框圖如圖 32 所示。 AT89C51 結構簡單，應用范圍廣，技術成熟，價格便宜。因此本系統(tǒng)所采用的單片機為 AT89C51。 濕度變送器 A/D 轉換器 AT89C51 LED 顯示 聲光報警 電機控制 PC 機通信 河北科技師范學院 2021 屆本科畢業(yè)設計 6 圖 32 單片機結構框圖 AT89C51 單片機的內(nèi)部的硬件結構及引腳 ⑴ AT89C51 單片機內(nèi)部的總體硬件結構： AT89C51 單片機的內(nèi)部基本結構，如圖 33 所示。 圖 33 AT89C51 單片機的內(nèi)部基本結構 ⑵ AT89C51 單片機的引腳： AT89C51 單片機是 HMOS 工藝制造，外形為 40 條引腳，如圖 34 所示。因為受芯片引腳數(shù)量的限制，有很多引腳具有雙功能。 ① 主電源引腳 VCC：芯片工作電源端，接＋ 5V。 VSS：電源接地端。 ② 時鐘振蕩電路引腳 XTAL1：內(nèi)部晶體振蕩電路的反相器輸入端。接法如圖 36。 外設 取指令 程序存儲器 CPU 定時 /計數(shù)器 I/O 口 振蕩器和時鐘電路 外部時鐘源 外部計數(shù)脈沖 全雙工串行口 程序存儲器 4KB ROM 數(shù)據(jù)存儲器 256B RAM/SFR 兩個 16 位 定 時器 /計數(shù)器 并行 I/O端口 AT89C51 CPU 中斷系統(tǒng) 64KB 總線擴展控制