【文章內(nèi)容簡介】 條件。實際情況中的糧食溫度變化就是熱狀態(tài)變化的表現(xiàn)，所以糧堆的導(dǎo)熱性對糧堆溫度變化規(guī)律的形成有極其重要的影響，是糧倉溫度場的重要因素和參數(shù)對于導(dǎo)熱量的大小，取決于系列的因素，除了導(dǎo)熱系數(shù)外，還有溫差、傳熱面積、厚度和傳熱時間等，這些因素與導(dǎo)熱量的關(guān)系決定了導(dǎo)熱量的基本方程式（如式31）： 式31( 式中 Q—熱量, T1 高溫下表面溫度, T2 低溫下表面溫度, T 時間hD 傳熱溫度的厚度, F 傳熱表面面積, R 導(dǎo)熱系數(shù))這個方程式是付立葉定律的數(shù)學(xué)表達式，其理論基礎(chǔ)對導(dǎo)熱過程有普遍意義。糧堆導(dǎo)熱的特點也可以運用這個定律來進行分析。第一，溫差（t1t2）不僅影響導(dǎo)熱量的因素，也是傳熱的必要條件。熱傳遞只有在物體之間存在溫差時，才能發(fā)生。糧堆各層各點之間的溫度、糧堆內(nèi)部和外部的溫度都不一致，這就使溫度高處的熱傳往溫度低處，而發(fā)生熱傳遞的一切過程。第二，熱傳遞總是在一定的空間進行的。糧堆體積所占有空間，包括面積和溫度兩個因素，根據(jù)付立葉方程，它們對熱傳遞過程的影響是不同的。第三，糧堆熱傳遞現(xiàn)象和規(guī)律是復(fù)雜的過程。糧粒直接接觸導(dǎo)熱是普通方式，由于糧食的導(dǎo)熱系數(shù)很小，所以糧粒接觸導(dǎo)熱，對糧食的熱狀態(tài)的影響較小。還有一種普遍方式是糧堆內(nèi)部與糧堆內(nèi)外的對流換熱。對流換熱是山于糧堆氣體在溫差影響下，各部分的氣體密度發(fā)生不同的變化。冷而重的氣體，因重力作用而下沉，熱而輕的氣體，因內(nèi)能較大而擴散卜升。這種相對運動，在糧食孔隙中形成冷熱空氣對流同時在糧堆的整個界面上，也因溫差而與環(huán)境隨時進行著熱交換，傳入傳出熱量。糧堆與外界的熱交換，使糧堆層和靠近倉壁四周容易受到影響，而逐漸擴及內(nèi)部。這就決定了糧食熱狀態(tài)隨外界熱狀態(tài)變化的。由于糧堆內(nèi)對流的阻力較大，直接接觸熱量又較小。所以糧堆內(nèi)的熱狀態(tài)變化速度較小。這說明糧溫的變化速度遲于外溫和變化幅度小于外溫的規(guī)律。（2）糧食的熱容量熱量的傳入或傳出結(jié)果，也就是熱交換的結(jié)果，會導(dǎo)致糧溫的升降。如在某熱交換過程中，使1kg的糧食從傳入熱量Q，其溫度從t1，升高1℃所需要的熱量C為（如式3412）： 式32C的單位為大卡/kg，℃。顯然，C就是糧食的比熱，糧食的熱容量是糧食千物質(zhì)的熱容量與水分的熱容量之和。（3） 導(dǎo)熱性、熱容量與糧食溫度場的關(guān)系糧食的導(dǎo)熱性、熱容量是糧倉溫度場的依據(jù)，其導(dǎo)熱性和熱容量規(guī)律和分布，是溫度場分析的數(shù)理基礎(chǔ)。糧食的導(dǎo)熱系數(shù)低，有利于保溫，但又不利于散熱，在需要保持糧倉溫度的情況下，是保持糧食穩(wěn)定性的因素。糧堆中的熱傳遞與溫度變化還受到熱容量的影響，熱容量增加，則熱量通過糧倉的糧層溫度變化減小：熱容量減小，則溫度變化增大，熱容量在存貯介質(zhì)中的變化，影響著溫度場一定區(qū)域狀態(tài)的變化。分析糧倉溫度場問題，是一個復(fù)雜的、綜合性問題。如：糧食的干濕度、雜質(zhì)、種類、形狀，以及糧堆的氣隙和虛實程度，都可對糧倉溫度場的變化規(guī)律產(chǎn)生影響，本文僅給出糧倉的一般溫度場模型，以便于分析其規(guī)律。溫度 T 在糧倉中的分布，可以看作空間坐標(biāo)(Xi,Yi,Zi)和時間T的函數(shù)，即 式33在特定的環(huán)境與條件下，以及在不同的存貯介質(zhì)（糧食的品種）場合，把這樣溫度分布稱為糧倉溫度場?；谏鲜龅姆治?，糧倉中糧食的存貯及溫度變化規(guī)律，構(gòu)成組成溫度場的全部條件。在特定的條件下，當(dāng)溫度T僅與空間坐標(biāo)（X, Y, Z）有關(guān)，而與時間T無關(guān)時。稱為穩(wěn)定溫度場，而隨時間變化的溫度場則稱為非穩(wěn)定溫度場。我們首先分析糧食的熱量傳輸?shù)幕疽?guī)律，然后建立糧倉溫度場的數(shù)學(xué)模型。糧倉中糧堆的傳熱方式有兩種基本方式：熱傳導(dǎo)和熱對流。熱傳導(dǎo)方式，糧倉的熱傳導(dǎo)方式是指溫度不同的各部分糧粒僅僅是因為接觸的關(guān)系，而沒有相對運動所發(fā)生的能量傳遞現(xiàn)象。導(dǎo)熱是物體的本能，根據(jù)分子運動學(xué)說:溫度是物質(zhì)運動激烈程度的量度，只要物體內(nèi)部溫度分布不均勻，不同位置的微觀粒子的動能就不相等。熱對流方式，糧倉內(nèi)部的熱傳遞過程往往不能單用熱傳導(dǎo)描述。溫度介質(zhì)在運動中不斷與周圍的產(chǎn)生熱量交換，而且流動空氣的各部位又在不斷發(fā)生位移而引起熱量傳遞。因而，熱對流傳遞是由空氣對流所引起的熱傳遞過程，是糧倉所特有的一種熱傳遞現(xiàn)象。 溫度場梯度在發(fā)生熱量傳輸時，物體各點溫度一般來講是不同的，而且隨時間變化，物體溫度隨空間和時間的變化規(guī)律稱溫度場。在溫度場中。同一時刻，山溫度相同的點所構(gòu)成的平面為等溫度面，一平面和系列等溫線相交行一簇等溫線。溫面的傳遞方向的方向?qū)?shù)，稱作梯度。梯度是熱量傳輸?shù)耐苿恿Α? 糧倉溫度場的數(shù)學(xué)模型熱傳遞微分方程和特定的邊界條件及初始條件一起構(gòu)成為描述糧倉溫度場問題的數(shù)學(xué)模型描述如下： 式 34求解上述模型，可求得糧倉溫度場分布規(guī)律，依據(jù)數(shù)學(xué)模型，可進行有限元對糧倉溫度場的計算和分析。 結(jié)論在糧倉溫濕度計算機監(jiān)控過程中，我們建立合理的準(zhǔn)確的糧倉溫度場數(shù)學(xué)模型，了解糧倉溫度場變化規(guī)律。采用有限元分析方法，可分析溫度的變化趨勢，“有的放矢”，達到了節(jié)省傳感器，精確測試的目的。第4章 系統(tǒng)硬件設(shè)計第4章 系統(tǒng)硬件設(shè)計 總體方案設(shè)計硬件電路主要由電源與復(fù)位電路、外部數(shù)據(jù)設(shè)備接口電路、單片機系統(tǒng)和nRF905應(yīng)用電路等幾部分組成。硬件電路如圖41所示。溫度傳感器DS18B20單片機（下位機）ATmega16射頻芯片nRF905鍵盤操作單片機（上位機）ATmega16射頻芯片nRF905報警電路顯示電路PC 圖41 硬件框圖 單片機系統(tǒng)電路AVR單片機的最小化系統(tǒng)電路設(shè)計較為簡單，重點是復(fù)位和時鐘電路設(shè)計。~。模擬地和數(shù)字地最好采用電感隔離。與傳統(tǒng)的51單片機相比，AVR單片機內(nèi)置RC振蕩電路。出廠時，未進行時鐘源設(shè)置的AVR，其時鐘源使用的是內(nèi)部RC振蕩，一般情況使用的是1M頻率。通過對熔絲位的設(shè)置，可以設(shè)置MCU的內(nèi)部RC振蕩頻率。例如：4M、8M等。不過，內(nèi)置RC振蕩，在一致性方面存在差異，它因生產(chǎn)的批次有所差異，亦與溫度等因素有較大的相關(guān)性。所以，在一些對時鐘要求較高的場合，一般使用外部的晶振線路。如圖45為單片機復(fù)位電路。圖42 AVR單片機復(fù)位電路圖 單片機與nRF905接口電路nRF905是一塊集成度較高的無線數(shù)據(jù)收發(fā)芯片，片內(nèi)包含電源管理、晶體振蕩器、低噪聲放大器、頻率合成器功率放大器等模塊，可實現(xiàn)自動處理字頭、CRC校驗和曼徹斯特編、解碼等功能，使用非常方便。其引腳如圖42所示。作為從機工作時,nRF905與主機進行數(shù)據(jù)傳遞主要通過SPI接口進行的。SPI(SerialPerpheralInterface)是一種串行同步通信協(xié)議，由一個主設(shè)備和一個或多個從設(shè)備組成，主設(shè)備啟動一個與從設(shè)備的同步通訊，從而完成數(shù)據(jù)的交換。SPI接口由MISO(主入從出)、MOSI(主出從入)、SCK(串行移位時鐘)、CSN(從使能信號)四種信號構(gòu)成：CSN決定唯一從設(shè)備與主設(shè)備進行讀寫操作的開始信號，如果沒有CSN，主機僅能與一個從機進行通訊；主設(shè)備通過產(chǎn)生SCK(移位時鐘來)發(fā)起通訊；通訊時，數(shù)據(jù)在時鐘上升沿由MISO輸出,在緊接著的下降沿由MOSI輸入，這樣經(jīng)過8/16次時鐘的改變，完成8位數(shù)據(jù)的傳輸。SPI接口可以進行多種形式的操作，主要包括讀寫射頻配置、讀寫收、發(fā)地址和數(shù)據(jù)等，為了區(qū)分SPI端口對nRF905進行不同的操作形式，nRF905設(shè)置了7種不同指令。當(dāng)CSN為低電平時，SPI端口開始等待一條指令，在指令的引導(dǎo)下，可以對nRF905進行不同的操作，滿足主機的需要。nRF905和AVR單片機的接口電路如圖43所示：圖43 nRF905與單片機接口 單片機與傳感器的接口電路 圖44 sht10與單片機的接口電路SHT10溫濕度傳感器與ATmega16單片機通過雙線串口IIC進行通訊，但具體接口不同于標(biāo)準(zhǔn)的IIC。因而需要用單片機的IO口模仿通訊時序。單片機與傳感器的芯片的接口如圖44： 按鍵掃描與顯示電路鍵盤的按鍵只設(shè)置4個，而且4個I/O口工作在強上拉模式。第一個按鍵為設(shè)定鍵，后三個按鍵分別百位鍵，十位鍵，個位鍵。三個按鍵的的功能就是當(dāng)按鍵按下時，相應(yīng)位上的溫度值加1，比如當(dāng)按下十位鍵，預(yù)定溫度值的十位數(shù)就會加1，如連續(xù)按該鍵，十位數(shù)就會在0～9之間循環(huán)，從而實現(xiàn)置數(shù)功能，如圖 45所示。圖45 按鍵電路BS和1602LCD連接如圖46所示，7腳至14腳為并行數(shù)據(jù)管腳，直接和單片機I/O相連，6腳為使能端，和單片機I/O口相接控制其使能，單片機通過4腳（RS）和5腳(RW)的狀態(tài)可以選擇不同的讀寫模式。RS為寄存器選擇，高電平時選擇數(shù)據(jù)寄存器、低電平時選擇指令寄存器。第5腳：RW為讀寫信號線，高電平時進行讀操作，低電平時進行寫操作。當(dāng)RS和RW共同為低電平時可以寫入指令或者顯示地址，當(dāng)RS為低電平RW為高電平時可以讀忙信號，當(dāng)RS為高電平RW為低電平時可以寫入數(shù)據(jù)。3腳為背光調(diào)節(jié)，為使電路簡單，我直接使其接地。1602液晶顯示模塊是一個慢顯示器件，所以在執(zhí)行每條指令之前一定要確認(rèn)模塊的忙標(biāo)志為低電平，表示不忙，否則此指令失效。要顯示字符時要先輸入顯示字符地址，也就是告訴模塊在哪里顯示字符。 最后通過液晶顯示屏和數(shù)碼管的溫度數(shù)據(jù)對比，判斷是否可以進行無線的溫度傳輸數(shù)據(jù)是否正確。圖46 1602LCD和單片機連接圖 報警電路報警電路采用I/O口輸出驅(qū)動蜂鳴器。其電路如圖44所示。其中1K電阻另一端接到單片機I/O口上，PNP三極管用以驅(qū)動蜂鳴器。當(dāng)溫度超出設(shè)定范圍時，鳴叫報警，如圖47所示。圖47 蜂鳴器和單片機連接圖第5章 軟件設(shè)計第5章 軟件設(shè)計 程序結(jié)構(gòu)規(guī)劃系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計，最后通過主程序?qū)⑺鼈兟?lián)系起來。這是問題的關(guān)鍵。在程序結(jié)構(gòu)上都使用了流水型結(jié)構(gòu)，以避免代碼的交叉調(diào)用，多層嵌套。在規(guī)劃上以模塊為目標(biāo)，盡可能地減少代碼的交叉。模塊之間僅通過少量的全局變量作為數(shù)據(jù)交換通道，建立一個強內(nèi)聚、松耦合的程序框架，達到便于維護、便于閱讀、便于調(diào)試的目的。對整個系統(tǒng)而言，軟件又分為兩部分：BS部分和SS部分。SS部分負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集、數(shù)據(jù)的無線發(fā)送，軟件包括：數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)的無線發(fā)送模塊；BS負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的無線接受、處理鍵盤的操作、數(shù)據(jù)的顯示以及報警功能，軟件包括：數(shù)據(jù)的接受模塊、數(shù)據(jù)的顯示模塊、鍵盤處理程序。具體流程圖如圖所示： 51 BS端流程圖 52 BS端流程圖根據(jù)系統(tǒng)的硬件設(shè)計方案，分為發(fā)送端和接收端兩個部分，軟件系統(tǒng)的整體數(shù)據(jù)處理流程如圖3所示。軟件系統(tǒng)分為5個模塊：溫濕度采集模塊、外部設(shè)備模塊、RF發(fā)送模塊、RF接收模塊、中央監(jiān)控系統(tǒng)報表統(tǒng)計分析模塊。nRF905在正常工作前應(yīng)由AVR先根據(jù)需要寫好配置寄存器，其后的工作主要是兩個：發(fā)送數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)。發(fā)送數(shù)據(jù)時，AVR先把nRF905置于待機模式(PWR_UP引腳為高、TRX_CE引腳為低)，然后通過SPI總線把發(fā)送地址和待發(fā)送的數(shù)據(jù)都寫入相應(yīng)的寄存器中，之后把nRF905置于發(fā)送模式(PWR_UP、TRX_CE和TX_EN全置高)，數(shù)據(jù)就會自動通過天線發(fā)送出去。為了數(shù)據(jù)可靠地傳輸，將射頻配置寄存器中的自動重發(fā)位(AUTO_RETRAN)設(shè)為有效，數(shù)據(jù)包重復(fù)不斷地一直向外發(fā)，直到P89LPC916把TRX_CE拉低，退出發(fā)送模式為止。 接收數(shù)據(jù)時，AVR把nRF905的TRX_CE引腳置為高電平，TX_EN引腳拉為低電平后，就開始接收數(shù)據(jù)。本設(shè)計中P89LPC916設(shè)定的40s內(nèi)一直判斷nRF905的DR引腳是否變高，若為高，則證明接收到了有效數(shù)