【正文】 河北科技師范學(xué)院2012屆本科畢業(yè)設(shè)計1 緒論 課題的背景 為保護(hù)農(nóng)民種糧積極性，進(jìn)一步促進(jìn)糧食生產(chǎn)發(fā)展，經(jīng)國務(wù)院批準(zhǔn)，決定從新糧上市起適當(dāng)提高主產(chǎn)區(qū)2012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2011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(jìn)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(jìn)倉前的質(zhì)量有很大的關(guān)系，所以必須控制進(jìn)倉的糧食質(zhì)量。本文是利用濕度傳感器和單片機(jī)對進(jìn)倉糧食濕度進(jìn)行檢測，并根據(jù)分析結(jié)果報警和控制運(yùn)輸電機(jī)，阻止超過標(biāo)定濕度的糧食進(jìn)倉，避免糧食霉變。 糧食進(jìn)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(jì)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(jìn)倉儲前糧食的濕度，并對濕度進(jìn)行預(yù)測分析和報警以阻止高濕度的糧食進(jìn)倉，對避免霉變有重要意義[2]。 糧食進(jìn)倉濕度自動檢測系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顩r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(dá)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(biāo)。（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(lǐng)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(dāng)復(fù)雜的物理—化學(xué)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(jìn)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(jìn)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(jī)構(gòu)已設(shè)計出了基于電子式傳感器的可對濕度進(jìn)行檢測檢測儀器，主要的有如下幾種：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(jī)為基礎(chǔ)，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(bǔ)償和濕度全量程標(biāo)定，輸出標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字信號，且提供應(yīng)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(diǎn)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(diǎn)溫濕度等特點(diǎn)，但是該儀器只能對倉內(nèi)糧食濕度進(jìn)行監(jiān)測[3]。⑵ 基于 MEMS（MicroElectroMechanical Systems，微機(jī)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(shù)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(jī)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(yīng)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(jī)構(gòu)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(shù)，測試深度可達(dá) 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(xué)研制了一種以變頻技術(shù)為基礎(chǔ),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(biāo)所帶來的不便, 拓展了微波的應(yīng)用范圍[8]。⑶ 基于 AT89C51 的單片機(jī)的濕度檢測與控制的方案。西南石油大學(xué)提出了一種基于 AT89C51 的單片機(jī)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(diǎn)，根據(jù)檢測濕度自動選擇合適的一組 PID 參數(shù)進(jìn)行控制的設(shè)計方案，整個設(shè)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(shè)計的，課題的主要研究內(nèi)容是設(shè)計并實現(xiàn)一個基于單片機(jī)系統(tǒng)的糧食進(jìn)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(shè)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(shè)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(shè)計：主要單片機(jī)芯片的選型、傳感器的選型、單片機(jī)系統(tǒng)與 A/D 及其外圍電路的設(shè)計、單片機(jī)與 LED 顯示模塊接口電路設(shè)計，報警電路的設(shè)計，電機(jī)控制電路的設(shè)計等。⑶ 系統(tǒng)軟件設(shè)計：主要包括單片機(jī)部分的 LED 顯示、數(shù)據(jù)采樣程序設(shè)計和串口通信程序等。2 糧食進(jìn)倉濕度自動檢測系統(tǒng)的總體設(shè)計 糧食進(jìn)倉濕度自動檢測系統(tǒng)的設(shè)計要求 本課題的主要研究內(nèi)容是設(shè)計并實現(xiàn)一個基于單片機(jī)系統(tǒng)的糧食進(jìn)倉濕度自動檢測報警控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)的設(shè)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(dāng)濕度超過設(shè)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(jìn)行檢測，同時控制系統(tǒng)將運(yùn)輸線停止。 設(shè)計思路和方案糧食進(jìn)倉時一般是由工作人員將運(yùn)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(jī)清除雜物后再進(jìn)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(jìn)倉的糧食濕度進(jìn)行實時的檢測，并對濕度進(jìn)行顯示和分析，根據(jù)分析結(jié)果報警提示工作人員并切斷電機(jī)使輸送帶停止，防止高濕度的糧食進(jìn)倉。系統(tǒng)設(shè)計要能夠可靠的檢測進(jìn)倉前時糧食的濕度（測量范圍為 10%～95%RH 的濕度）[10]，并進(jìn)行合理的分析，實時的報警和及時的電機(jī)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(shè)計和研究，整個系統(tǒng)的框圖如圖 21 所示。防止糧食進(jìn)倉濕度檢測系統(tǒng)否是報警并控制電機(jī)濕度是否過高搬到傳送帶上工作人員工作人員車上的糧食輸送到清選機(jī)圖21 系統(tǒng)的流程圖根據(jù)系統(tǒng)框圖，研究內(nèi)容分為下面三個大模塊：⑴ 糧食進(jìn)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(jìn)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(zhuǎn)換成模擬電信號（如電壓，電流等）。⑵ 糧食進(jìn)倉濕度自動檢測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理部分。以 AT89C51 單片機(jī)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(jī)接收 A/D 芯片轉(zhuǎn)換結(jié)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(jī)存儲和處理[11]。⑶ 糧食進(jìn)倉濕度自動檢測系統(tǒng)的軟件設(shè)計。軟件設(shè)計分為單片機(jī)軟件和 PC 機(jī)軟件兩個部分，單片機(jī)軟件主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理，系統(tǒng)外設(shè)控制，數(shù)據(jù)顯示以及與 PC 機(jī)間數(shù)據(jù)通信。其中，數(shù)據(jù)處理是關(guān)鍵，根據(jù)濕度檢測儀器的特點(diǎn)，本文用取最大值再求均方差算法處理數(shù)據(jù)。PC 機(jī)軟件主要實現(xiàn)與單片機(jī)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。報警模塊電機(jī)控制模塊串口通信模塊LED顯示模塊數(shù)據(jù)采集處理模塊數(shù)據(jù)處理模塊串口接收數(shù)據(jù)模塊單片機(jī)程序模塊PC機(jī)程序模塊串口通信電機(jī)控制報警LED顯示A/D轉(zhuǎn)換器變送器軟件系統(tǒng)模塊硬件系統(tǒng)模塊糧食進(jìn)倉濕度自動檢測系統(tǒng)圖 22 系統(tǒng)模塊劃分圖3 糧食進(jìn)倉濕度自動檢測報警控制系統(tǒng)硬件設(shè)計 引言本硬件系統(tǒng)采用的單片機(jī)是 AT89C51，該單片機(jī)具有靈活性高、使用方便、價格低廉等優(yōu)點(diǎn)，圖 31 所示的是基于 AT89C51 的濕度檢測系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖。濕度傳感器將外部濕度轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換芯片的量程范圍內(nèi)，在 AT89C51 的控制下，A/D 轉(zhuǎn)換芯片完成信號的 A/D 轉(zhuǎn)換，然后將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號送入 AT89C51，AT89C51 進(jìn)行數(shù)據(jù)的比較和 BCD 碼轉(zhuǎn)換，最后利用數(shù)碼管對當(dāng)前濕度進(jìn)行 3 位顯示，當(dāng)濕度超過其要求時便報警和切斷控制電機(jī)。系統(tǒng)上電復(fù)位后開始直接運(yùn)行，在運(yùn)行過程中，系統(tǒng)每隔 3 秒檢測一次當(dāng)前濕度并送往數(shù)碼管進(jìn)行顯示。在檢測過程中，當(dāng)濕度超過上限值時系統(tǒng)會自動報警，指示當(dāng)前濕度過高并切斷電機(jī)。同時將顯示清零，以準(zhǔn)備進(jìn)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(jī)控制電路、PC 機(jī)通信電路。LED顯示