【正文】 1 前言糧食是一個國家生存的根本，為了防備戰(zhàn)爭、災荒及其它突發(fā)性事件，糧食的安全儲藏具有重要意義。根據(jù)國家糧食保護法規(guī)，必須定期抽樣檢查糧倉各點的糧食溫度與濕度，以便及時采取相應的措施，防止糧食的變質(zhì)。但大部分糧倉目前還是采取人工測溫的方法，這不僅使糧倉工作人員工作量增大，且工作效率低，尤其是大型糧倉的溫度檢測任務如不能及時徹底完成，則有可能會造成糧食大面積變質(zhì)。據(jù)有關資料統(tǒng)計，目前，我國各個地方及墾區(qū)的各種大型糧倉都還存在著程度不同的糧食儲存變質(zhì)問題。我國每年因糧食變質(zhì)而損失的糧食達數(shù)億斤，直接造成的經(jīng)濟損失是驚人的[1]。對糧倉糧食安全儲藏的主要參數(shù)是糧倉的溫度和濕度，這兩者之間又是互相關聯(lián)的。糧食在正常儲藏過程中，含水量一般在12%以下是安全狀態(tài)，不會產(chǎn)生溫度突變，一旦糧倉進水、結露等使糧食的含水量達到20%以上時，由于糧粒受潮，胚芽萌發(fā)，新陳代謝加快而產(chǎn)生呼吸熱，使局部糧食溫度突然升高，必然引起糧食“發(fā)燒”和霉變，并可能形成連鎖反應，從而造成不可挽回的損失[2]。此次設計的是糧倉溫濕度實時檢測系統(tǒng)，是對一個糧倉的溫濕度進行控制，以保證糧倉儲糧的安全。糧倉溫濕度控制系統(tǒng)是以MCS51系列單片機為核心構成控制系統(tǒng)。本課題完成了整個系統(tǒng)的硬件設計，提出了一種可以應用于中小型糧倉的溫濕度控制系統(tǒng)。2 系統(tǒng)總體分析與設計 系統(tǒng)功能及系統(tǒng)的組成和工作原理 總體方案根據(jù)設計功能要求，系統(tǒng)可分如下部分：溫度監(jiān)控：對糧倉溫度進行測量，并通過升溫或降溫達到儲糧的最佳溫度。濕度監(jiān)控：對糧倉濕度進行測量，并通過噴霧或去濕達到儲糧的最佳濕度?？刂铺幚恚寒敎囟取穸仍较迺r報警，并根據(jù)報警信號提示采取一定手段控制。顯示： LED就地顯示輸入值和相應的溫濕度。 實施措施實際環(huán)境溫度與給定界限比較， 執(zhí)行加熱/制冷措施。實際環(huán)境濕度與給定界限比較， 執(zhí)行加濕/去濕措施。越限報警：當溫濕度越限時聲音報警。鍵盤與顯示：負責用戶的輸入及相關數(shù)據(jù)的顯示。 系統(tǒng)方案論證和選擇 當將單片機用作測控系統(tǒng)時，系統(tǒng)總要有被測信號通過輸入通道，由單片機拾取必要的輸入信息。對于測量系統(tǒng)而言[3]，如何準確獲得被測信號是其核心任務；而對測控系統(tǒng)來講，除對被控對象狀態(tài)的信號測試外，還要將測試數(shù)據(jù)與控制條件對比并實時控制相應執(zhí)行設備。傳感器是實現(xiàn)測量與控制的首要環(huán)節(jié)，是測控系統(tǒng)的關鍵部件，如果沒有傳感器對原始被測信號進行準確可靠的捕捉和轉(zhuǎn)換，一切準確的測量和控制都將無法實現(xiàn)。工業(yè)生產(chǎn)過程的自動化測量和控制，幾乎主要依靠各種傳感器來檢測和控制生產(chǎn)過程中的各種參量，使設備和系統(tǒng)正常運行在最佳狀態(tài)，從而保證生產(chǎn)的高效率和高質(zhì)量。 溫度傳感器的選擇 方案一：采用熱電阻溫度傳感器。熱電阻是利用導體的電阻隨溫度變化的特性制成的測溫兀件?，F(xiàn)應用較多的有鉑、銅、鎳等熱電阻。其主要的特點為精度高、測量范圍大、便于遠距離測量。 鉑的物理、化學性能極穩(wěn)定，耐氧化能力強，易提純，復制性好，工業(yè)性好，電阻率較高，因此，鉑電阻用十工業(yè)檢測中高精密測溫和溫度標準。缺點是價格貴，溫度系數(shù)小，受到磁場影響大，在還原介質(zhì)中易被站污變脆。按IEC標準測溫范圍200~650℃ ，百度電阻比WC (100) =，R0為100Ω和10Ω[4]，其允許的測量誤差A級為士(0. 15℃+|t| )，B級為士(0. 30℃+|t|)。銅電阻的溫度系數(shù)比鉑電阻大，價格低，也易于提純和加工。但其電阻率小，在腐蝕性介質(zhì)中使用穩(wěn)定性差。在工業(yè)中用于50~+180℃測溫。 方案二：采用模擬集成溫度傳感器AD590，它的測溫范圍在55℃~+150℃之間，而且精度高?！鎇5]。AD590可以承受44V正向電壓和20V反向電壓，因而器件反接也不會損壞。使用可靠。它只需直流電源就能工作，而且，無需進行線性校正，所以使用也非常方便，接口也很簡單。作為電流輸出型傳感器和電壓輸出型相比，它有很強的抗外界干擾能力。AD590的測量信號可遠傳百余米。方案三：采用數(shù)字化溫度傳感器DS18B20[6]。DS18B20是Dallas半導體公司研制的一款數(shù)字化溫度傳感器，支持“一線總線”接口，即只通過一根信號線完成數(shù)據(jù)、地址和控制信息的傳輸。該器件只有3個引腳（即電源VDD、地線GND、數(shù)據(jù)線DQ） ，且不需要外部元件，內(nèi)部有64位光刻ROM， 64位器件序列號出廠前就被光刻于ROM中，可作為器件地址序列碼，便于實現(xiàn)多點測量。全部傳感元件及轉(zhuǎn)換電路集成在形如一只三極管的集成電路內(nèi)；現(xiàn)場溫度直接以“一線總線”的數(shù)字方式傳輸，大大提高了系統(tǒng)的抗干擾性，適合于惡劣環(huán)境的現(xiàn)場溫度測量，如：環(huán)境控制、設備或過程控制、測溫類消費電子產(chǎn)品等。該電路的檢測溫度范圍為55~125℃ ；精度為士0. 5℃（在10℃~85℃范圍）； ms和750 ms內(nèi)完成9位和12位的數(shù)字溫度值讀入[7]。 根據(jù)設計要求：使用掛接在單總線上的多個單線數(shù)字溫度傳感器為檢測元件，且考慮到硬件設計的性價比。故，采用方案三。 濕度傳感器的選擇 測量空氣濕度的方式很多，其原理是根據(jù)某種物質(zhì)從其周圍的空氣吸收水分后引起的物理或化學性質(zhì)的變化，間接地獲得該物質(zhì)的吸水量及周圍空氣的濕度。電容式、電阻式和濕漲式濕敏原件分別是根據(jù)其高分子材料吸濕后的介電常數(shù)、電阻率和體積隨之發(fā)生變化而進行濕度測量的[8]。 方案一：采用HOS201濕敏傳感器。HOS201濕敏傳感器為高濕度開關傳感器，它的工作電壓為交流1V以下，頻率為50Hz~1KHz，測量濕度范圍為0~100%RH，工作溫度范圍為0~50℃[9] ，阻抗在75%RH（25℃）時為1M Ω。這種傳感器原是用于開關的傳感器，不能在寬頻帶范圍內(nèi)檢測濕度，因此，主要用于判斷規(guī)定值以上或以下的濕度電平。然而，這種傳感器只限于一定范圍內(nèi)使用時具有良好的線性，可有效地利用其線性特性。 方案二：采用HS1100/HS1101濕度傳感器。HS1100/HS1101電容傳感器，在電路構成中等效于一個電容器件，其電容量隨著所測空氣濕度的增大而增大。不需校準的完全互換性，高可靠性和長期穩(wěn)定性，快速響應時間，專利設計的固態(tài)聚合物結構，由頂端接觸（HS1100）和側(cè)面接觸（HS1101）兩種封裝產(chǎn)品，適用于線性電壓輸出和頻率輸出兩種電路，適用于制造流水線上的自動插件和自動裝配過程等。相對濕度在1%100%RH范圍內(nèi)；電容量由16pF變到200pF，其誤差不大于士2%RH；響應時間小于5S；溫度系數(shù)為0. 04 pF/℃?？梢娋仁禽^高的。 方案三：采用數(shù)字濕度傳感器（如SHT11等）。數(shù)字濕度傳感器將傳感器、信號放大調(diào)理、A/D轉(zhuǎn)換、I2C總線接口全部集成于一個芯片中。應用該方案不需外接A/D轉(zhuǎn)換芯片，可以大大簡化硬件電路，并能提高電路的可靠性[10]。 綜合比較三個方案，方案一雖然滿足精度及測量濕度范圍的要求，但其只限于一定范圍內(nèi)使用時才具有良好的線性，而且還不具備在本設計系統(tǒng)中對溫度40℃~+60℃的要求；方案二，雖然不是數(shù)字式傳感器，與單片機的接口需要外接A/D轉(zhuǎn)換器件，但其性能較優(yōu)，使用簡單，只要合理選擇轉(zhuǎn)換電路等也可以有較高的性價比。本系統(tǒng)中，我們選擇方案二來作為本設計的濕度傳感器。3 系統(tǒng)硬件設計本系統(tǒng)硬件包括：溫度檢測、濕度檢測、A/D轉(zhuǎn)換、單片機及附屬電路、控制接口(空調(diào)、風機、加濕機)、鍵盤及顯示、報警電路、通信串口等部分的設計。ATMEL89S52單片機溫度采集裝換模塊濕度采集裝換模塊鍵盤接口電路報警電路風機接口電路加濕機接口電路空調(diào)機接口電路電源與顯示電路RS232通信接口 系統(tǒng)整體電路框圖 數(shù)據(jù)采集電路設計 溫度采集電路1）DS 18B20介紹： DALLAS最新單線數(shù)字溫度傳感器DS18B20簡介新的“一線器件”體積更小、適用電壓更寬、更經(jīng)濟。Dallas半導體公司的數(shù)字化溫度傳感器DS1820是世界上第一片支持“一線總線”接口的溫度傳感器[11]。一線總線獨特而且經(jīng)濟的特點，使用戶可輕松地組建傳感器網(wǎng)絡，為測量系統(tǒng)的構建引入全新概念?，F(xiàn)場溫度直接以“一線總線”的數(shù)字方式傳輸，大大提高了系統(tǒng)的抗干擾性，適合于惡劣環(huán)境的現(xiàn)場溫度測控，如環(huán)境控制、設備或過程控制、測溫類消費電子產(chǎn)品等。 DS18B20具有如下特點：(1)獨特的單線接口只需1個接口引腳即可通信。(2)在DS18B20中的每一個器件上都有獨一無二的序列號，可實現(xiàn)多點測量。(3)不需要外部元件即可實現(xiàn)測溫。(4)由數(shù)據(jù)線供電，不需外接電源。(5)測量范圍從55至+125℃，在10~+85℃圍內(nèi)保證0. 5℃的精度。(6)用戶可以從9位到12位選擇數(shù)字溫度計的分辨率。(7)內(nèi)部有溫度上、下限告警設置。(8)用戶可定義的非易失性的溫度告警設置：是TO92封裝和SSOP封裝的DS18B20的外部結構圖[12]。 DS18B20外觀DS18B20引腳功能描述如下：GND：地信號。DQ： 數(shù)據(jù)輸入/輸出引腳。開漏單總線引腳。當被用在寄生電源下，可向器件供電。VDD：電源引腳，可選擇使用。當工作于寄生電源時，此引腳必須接地。NC： 空引腳。： DS18B20內(nèi)部結構圖 DS18B20內(nèi)部結構主要由