【正文】 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)。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。 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。 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。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)。 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。 控制處理 ： 當溫度、濕度越限時報警， 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。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。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。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。其主要的特點為精度高、第 3 頁 共 45 頁 測量范圍大 、便 于 遠距離測量。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。 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 。在工業(yè)中用于 50~+180℃ 測溫。 M 檔在測溫范圍內(nèi)非線性誤差為士 ℃ [5]。使用可靠。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。 方案三： 采用數(shù)字化溫度傳感 器 DS18B20[6]。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。該電路的檢測溫度范圍為 55~125℃ ； 精度為士 0. 5℃ （在 10℃ ~85℃ 范圍 ） ； 可以分別在 ms 和 750 ms 內(nèi)完成 9 位和 12 位的數(shù)字溫度值讀入 [7]。故，采用方案三。 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]。 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 。 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。 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。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/℃ 。 方案 三 ： 采用數(shù)字濕度傳感器 （ 如 SHT11 等 ） 。應用該方案不需外接 A/D 轉換芯片，可以大大簡化硬件電路，并能提高電路的可靠性 [10]。 本系統(tǒng)中，我們選擇方案二來作為本設計的濕度傳感器。系統(tǒng)整體電路框圖如圖 所示。 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]?，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。 ATMEL 89S52 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 第 6 頁 共 45 頁 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。 (3)不需要外部 元 件即可實現(xiàn)測溫。 (5)測量范圍從 55 至 +125℃ ，在 10~+85℃ 圍內(nèi)保證 0. 5℃的精度。 (7)內(nèi)部有溫度上、下限告警設置。 圖 DS18B20 外觀 DS18B20 引腳功能描述如下 ： GND： 地信號。開漏單總線引腳。 VDD： 電源引腳，可選擇使用。 NC： 空引腳。 光刻 ROM 中的 64 位序列號是出廠前被光刻好的，它可以看作是該 DS18B20的地址序列碼。光刻 ROM 的作用是使每一個 DS18B20 都各不相同，這樣就可以實現(xiàn)一根總線上掛接多個 DS18B20 的目的 [14]。第三 個和第四個字節(jié)是 TH， TL 的易失性拷貝，第五個字節(jié)是配置寄存器的易失性拷貝，這三 個字節(jié)的內(nèi)容在每一次上電復位時被刷新。第九個字節(jié)是冗余校驗字節(jié)。在 DS18B20 出廠時該位被設置為 0，用戶不要去改動 [15]。如下表 所示。 根據(jù) DS18B20 的通訊協(xié)議，主機控制 DS18B20 完成溫度轉換必須經(jīng)過三 個步驟 ： 每一次讀寫之前都要對 DS18B20 進行復位，復位成功后發(fā)送一條 ROM 指令，最后發(fā)送 RAM 指令，這樣才能對 DS18B20 進行預定的操作。 DS18B20 依靠一個單線接口通信 [17]。因此，控制器必須首先提供五種 ROM 操作命令之一 ： （ 1） Read ROM（ 讀 ROM） ； （ 2） Match ROM（ 匹配 ROM）；（ 3） Search ROM（ 搜索 ROM） ； （ 4） Skip ROM（ 跳過 ROM） ； （ 5） Alarm Search（ 告警搜索 ） 。如果在單線上有許多器件，第 9 頁 共 45 頁 那么可以挑選出一個特定的器件并給總線上的主機指示存在多少器件及其類型。 一條控制操作命令指示 DS18B20 完成一次溫度測量，測量的結果將放入DS18B20 的高速緩存器中，用一條讀緩存儲器內(nèi)容的存儲器操作命令可以讀出此結果。如果不對 DS18B20使用告警搜索指令，這些寄存器可用作通用用戶存儲器使用。無論任何理由需要暫停某一執(zhí)行過程時，如果還想 恢復 執(zhí)行的話，總線必須停留在空閑狀態(tài)。如果總路線停留在低電平超過 480uS，總線上的所有器件都將被恢復。 圖中， DS18B20 的 I/0 端口 DQ 通過一個 4. 7K 的外部上拉電阻與單片機連接。本設計中DS18B20 采用寄生電源方式，故 GND 與 VDD 端均接地。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 }fu 進行濕度測量的。 圖 濕敏電容工作的溫、濕度范化 圖 溫度 電容相應曲線 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/℃ 。 2） 濕度測量電路設計 ： HS1100/HS1101 電容傳感器，在電路構成中等效 于 一個電容器件，其容量隨著所測空氣濕度的增大 而 增大。 頻率輸出的 555[19]測量振蕩電路如圖 所示。 7 端通過芯片內(nèi)部的晶體管對第 11頁 共 45頁 地短路又構成了對 C 的放電回路，并將引腳 6 端相連引入到片內(nèi)比較器，便成為一個典型的多諧振蕩器 ，即方波發(fā)生器。 圖 頻率輸出的 555 振蕩電路 該振蕩電路兩個暫穩(wěn)態(tài)的交替過程如下 ： 首先電源 Vcc 通過 Rl、 R3 向 HS1100充電，經(jīng) t 充電時間后， Uc 達到芯片內(nèi)比較器的高觸發(fā)電平，約 0. 67Vcc，此時輸出引腳 3 端由高電平突降為低電平，然后通過 R3 放電，經(jīng) t 放電時間后， Uc 下降到比較器的低觸發(fā)電平，約 0. 33Vs。其中，充放電時間為 ： t 充電 =C (R1+R3) Ln2 t 放電 =CR3 Ln2 因 而 ，輸出的方波頻率為 ： f=1/ (t 放電 +t 充電 )=1/[ C (R1+2R3) Ln2] 可見，空氣濕度通過 555 測量電路就轉變?yōu)榕c之呈反比的頻率信號，表 給出了 其中的一組典型測試值。 矩陣測量網(wǎng)絡由濕度一頻率變換電路及 2 片 CD4051 組成，其硬件電路如圖 所示。 U2 的 INH第 13頁 共 45頁 端 直接接地， Ul 的 INH 端通過 單片機端口控制，在進行濕度信號采集的時候該端口置為低電平，允許多路開關選通 [20]。 4） 多路開關介紹 多路開關，又稱“多路模擬轉換器”。反之，當模擬信號有公共輸出端輸入時，作為信號分離器，實現(xiàn)了 1 線到 n 線的分離功能。 在本設計中，選用的是 8 選 1 多路開關 CD4051[21]，它是一種單片、 COMS， 8通道開關。 CD4051 的 管腳圖 如 圖 所示。 通道線， IN/OUT （ 1 1 1 13） ： 該 組 引腳作為輸入時，可實現(xiàn) 8 選 1 功能 ， 作為輸出時，可實現(xiàn) 1 分 8 功能。 XCOM (3)： 該引腳作為輸出時，則為公共輸出端 ； 作為輸入時，則為輸入端。 若 INH 為高電平，則為禁止各通道和輸出端 OUT/IN第 14頁 共 45頁 接至 ； 若 INH 為低電平，則允許各通道按表 關系和輸出段 OUT/IN 接通。 VDD （ 16） 和 Vss （ 8） ： VDD 為正電源輸入端，極限值為 17V； Vss 為負電源輸入端，極限值為 17V。 VGG (7)； 電平轉換器電源，通常接 +5V 或 5V。其它情況下，輸出端 OUT/IN輸出端 OUT/IN 和各通道的接通關系如下表 所示。 AT89S52 單片機是一種低功耗、高性能 CMOS 8 位微控制器，具有8K 在系統(tǒng)可編程 Flash 存儲器。片上 Flash 允許程序存儲器在系統(tǒng)可編程，亦適 于 常規(guī)編程器。 另外， AT89S52 可降至 0Hz 靜態(tài)邏輯操作，支持 2 種軟件可選擇節(jié)電模式。掉電保護方式下， RAM 內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結，單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復位為止。 第 15頁 共 45頁 圖 AT89S52 最小系統(tǒng) 其它外圍接口電路設計 RS232串口電路 AT89C51有一個全雙工的串行通訊口，所以單片機和電腦之間可以方便地進行串口通訊。 采用三線制連接串口，也就是說 單片機 和電腦的 9針串口只連接其中的