畢業(yè)設計（論文）煙草倉庫溫度、濕度單片機測控裝置的設計

1、學科分類號： 湖南人文科技學院湖南人文科技學院 本科生畢業(yè)設計 題 目：煙草倉庫溫度、濕度單片機測控 裝置的設計 學生姓名： 學號： 系 部： 通信與控制工程系 專業(yè)年級： 通信工程 2007 級 指導教師： 職 稱： 湖南人文科技學院教務處制 湖南人文科技學院本科畢業(yè)設計誠信聲明 本人鄭重聲明：所呈交的本科畢業(yè)設計，是本人在指導老師的指導下， 獨立進行研究工作所取得的成果，成果不存在知識產(chǎn)權爭議，除文中已經(jīng) 注明引用的內容外，本設計不含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的 作品成果。對本文的研究做出重要貢獻的個人和集體均已在文中以明確方 式標明。本人完全意識到本聲明的法律結果由本人承擔。 作

2、者簽名： 年 月 日 湖南人文科技學院畢業(yè)設計 i 煙草倉庫溫度、濕度單片機測控裝置的設計煙草倉庫溫度、濕度單片機測控裝置的設計 摘 要：現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)離不開環(huán)境控制，本文在對國內外溫室智能控制進行深入分析 的基礎上，針對溫室智能化控制存在的諸多因子，將智傳感器監(jiān)測和單片機控制相結 合，提出了基于單片機的溫濕度檢測系統(tǒng)設計方案。 本系統(tǒng)采用層次化、模塊化設計，整個系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、單片機控制系統(tǒng)、 計算機監(jiān)控系統(tǒng)組成。系統(tǒng)以單片機為核心，以多個溫度、濕度傳感器作為測量元件， 通過單片機與智能傳感器相連，采集并存儲智能傳感器的測量數(shù)據(jù)。在單片機系統(tǒng)中， 還要實現(xiàn)程序的擴展存儲、數(shù)據(jù)的實時顯示、超

3、限語音報警和數(shù)據(jù)輔助存儲功能。單 片機作為監(jiān)控計算機與智能傳感器連接的中心，另一方面通過 rs232 總線與監(jiān)控計算 機通信，將采集到的數(shù)據(jù)傳輸給監(jiān)控計算機。監(jiān)控計算機將單片機傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進行記 錄、存儲、處理和報警，供工作人員瀏覽、記錄和進行相關處理。 本設計主要做了如下幾方面的工作:一是確定系統(tǒng)的總體設計方案。包括系統(tǒng)要完 成的設計功能，達到的技術指標，系統(tǒng)的設計原則，由此簡要介紹系統(tǒng)的整個組成和 系統(tǒng)工作原理;二是進行智能傳感器的硬件電路和軟件系統(tǒng)的設計。包括傳感器的靜動 態(tài)特征介紹，采用單總線技術的 ds1820 數(shù)字溫度傳感器測溫時序、測溫原理、測溫電 路以及測溫系統(tǒng)軟件設計，濕敏電容

4、傳感器 hs1101 的濕度測量電路，為防止模擬傳感 器采集濕度數(shù)據(jù)的失真，采用了線形插值算法:三是單片機及通信接口的硬件電路及軟 件系統(tǒng)設計。內容包括采用的 at89s52 單片機的介紹，i2c 總線的 at24c04 的存儲擴 展，4 數(shù)碼管顯示輸出，超限數(shù)據(jù)的語音報警，模擬 spi 總線輔助數(shù)據(jù)存儲;四是對計 算機軟件系統(tǒng)的設計思路、工作原理和實現(xiàn)方法進行了闡述。首先通過 rs-232c 協(xié)議 實現(xiàn)單片機和計算機的連接，借助 windows 下串行通信編程的 activex 控件通過串行 接口收發(fā)數(shù)據(jù)，然后計算機作為監(jiān)控機實現(xiàn)數(shù)據(jù)的顯示、存儲、查詢、打印和系統(tǒng)設 置功能。 本系統(tǒng)將信息采

5、集、信息傳輸、信息處理等多種信息技術相互融合，采用了多種 總線技術，將溫室環(huán)境多種參數(shù)監(jiān)測和單片機控制理論相結合，提出一種切實可行的 溫室環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，可以全面、實時、自動地對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行自動記錄、存儲和處理， 并將有關信息根據(jù)現(xiàn)場實際情況，采用最有效方式送入計算機進行處理，并可對監(jiān)測 南人文科技學院畢業(yè)設計 iiii 系統(tǒng)進行遠程控制。滿足了對作物生長狀態(tài)實行全面、實時、長期監(jiān)測的要求。實現(xiàn) 了對溫室環(huán)境的溫濕度實時監(jiān)測和控制，實現(xiàn)了溫室環(huán)境溫濕度檢測的自動化和智能 化。 關鍵詞關鍵詞:at89s52;:at89s52; ds1820;ds1820; hs1101;hs1101; mmc;m

6、mc; isd2560isd2560 湖南人文科技學院畢業(yè)設計 iii the design of tobacco warehouse temperature, humidity microcontroller measure-control device abstract: modern agricultural production is inseparable from the environmental control.in the light of the causes of greenhouse intelligent control，based on thorough analy

7、sis about our national and abroad greenhouse intelligent control，combining intelligent sensors test with mcu control.this thesis proposes a design scheme on mcu temperature and humidity testinf system. this system adopts hierarchical，modular design. it consists of data acquisition system, mcu contro

8、l system, computer monitoring system, and centers around the mcu, with many temperature, humidity sensors as measurement components.it collects and stores intelligent sensor measurement data by connecting mcu with intelligent sensors.in mcu system, some functions of the expansion storage of procedur

9、es, real 一 time display of data, overrun auto alarm and auxiliary data storage are realized. as the center of the monitoring computer and intelligent sensor, mcu monitoring computer by the transmits the gathered data the to means of the communication between 232 bus and monitoring computer.the monit

10、oring computer will record, store，process and alarm the data, so that the operators can browse and record it,then take relative measures. this design has mainly done the following several works. first, it establishes the general design of the system, including the design function of the system to be

11、 completed, the technical specifications to be reached, design principles of the system, and introduces the entire system components and work principle of the systems. secondly, it designs the hardware circuit and software design of intelligent sensors,including the introduction of the static and dy

12、namic characteristics of sensors. the software designing of temperature measurement phase, temperature measurement principle, temperature measurement circuit and temperature measurement system of digital temperature sensor ds1820 which adopts one-wire bus technology,humidity sensor circuit of sensor

13、 hs1101，in order to prevent the distortion of humidity data gathered by mock sensor, the linear interpolation algorithm is adopted. thirdly,it designs hardware circuit of communication interface and software system, including the introduction of adopted at89s52 scm, storage expansion of at24c04 of i

14、c bus,display output of 4 digital tubes, audio alarm of overrun data, auxiliary data storage of 南人文科技學院畢業(yè)設計 iviv mock spi bus.the last，it elaborates the working principle，designing thoughts and realizing methods of computer software system. at first, through rs 一 232c protocol scm and computer infer

15、face are connected, and data is received and sent by serial with communication the in help of active x programmed by serial windows environment. computer can display，store, inquire and print the data and setting as a monitor. this system integrates modern signal gathering technology, signal transmit

16、ting technology, information processing technology, combines many parameters in greenhouse environment monitoring and control theory of scm and by many bus technologies，proposes one kind of practical feasible greenhouse environmental monitoring system. which can automatically record, storge and hand

17、le data, completely,real 一 time, and automaticly, and input the relative information into the computer in an effective way according to reality. besides, it can control the monitoring system long 一 distace.it meets the equirement of monitoring on crop growth state completely, real 一 t ime, long 一 te

18、rm. it can monitor and control the greenhouse environment timely and realize automation and intelligentize of temperature and humidity testing in greenhouse. keywords:at89s51; ds1820;hs1101;mmc;isd2560 . 湖南人文科技學院畢業(yè)設計 v 目目 錄錄 第 1 章 緒論.1 1.1 課題的提出和意義.1 1.2 國內外研究現(xiàn)狀.1 1.2.1 國外溫室環(huán)境控制.1 1.2.2 我國溫室控制技術.2 1

19、.2.3 溫室環(huán)境控制技術三個發(fā)展階段.2 1.2.4 溫室控制存在的問題.3 1.3 主要研究內容.3 第二章 方案的比較和論證.5 2.1 溫度傳感器的選擇.5 2.2 濕度傳感器的選擇.5 2.3 信號采集通道的選擇.6 第 3 章 系統(tǒng)總體設計與實現(xiàn).8 3.1 系統(tǒng)功能設計.8 3.2 系統(tǒng)設計原則.8 3.3 系統(tǒng)組成與工作原理.9 第 4 章 傳感器設計.11 4.1 傳感器基本特性.11 4.1.1 傳感器的靜態(tài)特性.11 4.1.2 傳感器的動態(tài)特性.12 4.2 ds1820 溫度傳感器 .12 4.2.1 ds1820 數(shù)字溫度傳感器概述.12 4.2.2 ds1820

20、溫度傳感器.13 4.2.3 ds1820 測溫電路圖.15 4.3 濕度傳感器.16 南人文科技學院畢業(yè)設計 vivi 第 5 章 單片機設計.19 5.1at89s52 單片機.19 5.2 存儲器的設計.21 5.3 數(shù)據(jù)存儲器的掉電保護.22 5.4 系統(tǒng)時鐘的設計.23 5.5 顯示與報警的設計.23 5.5.1 顯示電路.23 5.5.2 報警電路.24 第 6 章 軟件設計.26 第 7 章 總結.31 參考文獻.32 湖南人文科技學院畢業(yè)設計 1 第 1 章 緒論 1.1 課題的提出和意義 抽煙有害健康這已成為不爭的事實，如果抽發(fā)霉的煙，則對人的健康損害更大。 所以煙草倉庫對濕

21、度有較高的要求，目前都是由人工根據(jù)干濕計顯示的濕度決定是否 讓去濕機工作。設計一個單片機測控裝置對煙草倉庫的濕度、溫度進行檢測、顯示并 自動控制去濕機和空調機的工作，是有現(xiàn)實意義的。 防潮、防霉、防腐、防爆是倉庫日常工作的重要內容，是衡量倉庫管理質量的重 要指標。它直接影響到儲備物資的使用壽命和工作可靠性。為保證日常工作的順利進 行，首要問題是加強倉庫內溫度與濕度的監(jiān)測工作。但傳統(tǒng)的方法是用與濕度表、毛 發(fā)濕度表、雙金屬式測量計和濕度試紙等測試器材，通過人工進行檢測，對不符合溫 度和濕度要求的庫房進行通風、去濕和降溫等工作。這種人工測試方法費時費力、效 率低，且測試的溫度及濕度誤差大，隨機性大

22、。因此我們需要一種造價低廉、使用方 便且測量準確的溫濕度測量儀。 1.2 國內外研究現(xiàn)狀 溫室是一種可以改變植物生長環(huán)境、為植物生長創(chuàng)造最佳條件、避免外界四季變 化和惡劣氣候對其影響的場所。它以采光覆蓋材料作為全部或部分結構材料，可在冬 季或其他不適宜露地植物生長的季節(jié)栽培植物。溫室生產(chǎn)以達到調節(jié)產(chǎn)期，促進生長 發(fā)育，防治病蟲害及提高質量、產(chǎn)量等為目的。而溫室設施的關鍵技術是環(huán)境控制， 該技術的最終目標是提高控制與作業(yè)精度。 1.2.1 國外溫室環(huán)境控制 國外對溫室環(huán)境控制技術研究較早，始于 20 世紀 70 年代。先是采用模擬式的組 合儀表，采集現(xiàn)場信息并進行指示、記錄和控制。80 年代末出

23、現(xiàn)了分布式控制系統(tǒng)。 目前正開發(fā)和研制計算機數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)的多因子綜合控制系統(tǒng)?，F(xiàn)在世界各國的 溫室控制技術發(fā)展很快，一些國家在實現(xiàn)自動化的基礎上正向著完全自動化、無人化 的方向發(fā)展。像園藝強國荷蘭，以先進的鮮花生產(chǎn)技術著稱于世，其玻璃溫室全部由 南人文科技學院畢業(yè)設計 22 計算機操作。英國倫敦大學農(nóng)學院研制的溫室計算機遙控技術，可以觀測 50km 以外溫 室內的光、溫、濕、氣和水等環(huán)境狀況，并進行遙控。 1.2.2 我國溫室控制技術 我國對于溫室控制技術的研究較晚，始于 20 世紀 80 年代。我國工程技術人員在 吸收發(fā)達國家溫室控制技術的基礎上，才掌握了人工氣候室內微機控制技術，該技術

24、 僅限于溫度、濕度和 coz 濃度等單項環(huán)境因子的控制。我國溫室設施計算機應用，在 總體上正從消化吸收、簡單應用階段向實用化、綜合性應用階段過渡和發(fā)展。在技術 上，以單片機控制的單參數(shù)單回路系統(tǒng)居多，尚無真正意義上的多參數(shù)綜合控制系統(tǒng)， 與發(fā)達國家相比，存在較大差距。我國溫室現(xiàn)狀還遠遠沒有達到工廠化農(nóng)業(yè)的境地， 生產(chǎn)實際中仍然有許多問題困擾著我們，存在著溫室裝備配套能力差，產(chǎn)業(yè)化程度低， 環(huán)境控制水平落后，軟硬件資源不能共享和可靠性差等缺點。 1.2.3 溫室環(huán)境控制技術三個發(fā)展階段 從國內外溫室控制技術的發(fā)展狀況來看，溫室環(huán)境控制技術大致經(jīng)歷三個發(fā)展階 段: 1、手動控制。這是在溫室技術發(fā)展

25、初期所采取的控制手段，其時并沒有真正意義 上的控制系統(tǒng)及執(zhí)行機構。生產(chǎn)一線的種植者既是溫室環(huán)境的傳感器，又是對溫室作 物進行管理的執(zhí)行機構，他們是溫室環(huán)境控制的核心。通過對溫室內外的氣候狀況和 對作物生長狀況的觀測，憑借長期積累的經(jīng)驗和直覺推測及判斷，手動調節(jié)溫室內環(huán) 境。但這種控制方式的勞動生產(chǎn)率較低，不適合工廠化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的需要。 2、自動控制。利用計算機技術及現(xiàn)代控制理論對溫室內的各種環(huán)境因子如溫度、 光照、濕度、c02 濃度和施肥等，進行自動控制和調節(jié)成為溫室控制的主要方式。人 為創(chuàng)造適宜作物生長最佳環(huán)境的自動控制技術手段成為主流。此時的溫室有比較完整 的控制系統(tǒng)，有各種傳感器采集溫室環(huán)

26、境數(shù)據(jù)，監(jiān)控系統(tǒng)實時監(jiān)測環(huán)境變化及控制執(zhí) 行機構的動作，良好的人機界面使種植者的操作過程形象而且簡便。計算機自動控制 的溫室控制技術實現(xiàn)了生產(chǎn)自動化，適合規(guī)模化生產(chǎn)，勞動生產(chǎn)率得到提高。目前我 國絕大部分自主開發(fā)的大型現(xiàn)代化溫室及引進的國外設備都屬于這種控制方式。 3、智能化控制。智能化的控制技術將農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)與溫室自動控制技術有機結合， 以溫室綜合環(huán)境因子作為采集與分析對象，通過專家系統(tǒng)的咨詢與決策，給出不同時 湖南人文科技學院畢業(yè)設計 3 期作物生長所需要的最佳環(huán)境參數(shù)，并且依據(jù)此最佳參數(shù)對實時測得的數(shù)據(jù)進行模糊 處理，自動選擇合理、優(yōu)化的調整方案，控制執(zhí)行機構的相應動作，實現(xiàn)溫室的智能

27、化管理與生產(chǎn)。能夠根據(jù)溫室環(huán)境條件和作物生長狀況，應用適當?shù)闹R表達和規(guī)則 化，推理決策出最適合作物生長的溫室環(huán)境。這種控制方式既能體現(xiàn)作物生長的內在 規(guī)律，發(fā)揮農(nóng)業(yè)專家在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的指導作用，又可充分利用計算機技術的優(yōu)勢，使 系統(tǒng)的調控非常方便和有效，實現(xiàn)溫室的完全智能化控制。 1.2.4 溫室控制存在的問題 首先是農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)自身的問題，農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)的技術還不十分成熟。各種專家 系統(tǒng)在收集、整理農(nóng)業(yè)專家知識時并沒有把專家是如何學習和獲得這些知識的過程整 理出來，這樣開發(fā)的專家系統(tǒng)并不具有真正的學習能力。其次是采集數(shù)據(jù)的束縛，溫 室控制技術主要停留在對溫室環(huán)境因子的監(jiān)控上，并沒有考慮溫室作物

28、本身的生理過 程。還有就是農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)在溫室實時控制中的應用的局限性，農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)對溫室 環(huán)境因子進行實時監(jiān)控，不同于開發(fā)單純的農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)，其中涉及與控制系統(tǒng)的 “接口”問題。在開發(fā)溫室農(nóng)業(yè)專家控制系統(tǒng)時，對農(nóng)業(yè)知識的表達及推理策略等要 認真考慮。同時，將更多的農(nóng)業(yè)知識用于溫室生產(chǎn)的實時控制中，不僅僅局限于對環(huán) 境因子的專家指導。 總之，隨著計算機技術、農(nóng)業(yè)應用電子技術、傳感器智能化技術、機械電子一體 化技術和計算機網(wǎng)絡技術研究的發(fā)展，溫室技術體系己經(jīng)成為各個國家為合理利用農(nóng) 業(yè)資源、提高農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量、降低生產(chǎn)成本、保護生態(tài)環(huán)境、提高農(nóng)產(chǎn)品在國際市場競 爭力的前沿性研究領域。 1.3主要研究內

29、容主要研究內容 本設計主要做了如下幾方面的工作:一是確定系統(tǒng)的總體功能設計方案;二是進行智 能傳感器的硬件電路和軟件系統(tǒng)的設計;三是單片機及通信接口的硬件電路及軟件系統(tǒng) 設計;四是對連接單片機的上位管理計算機軟件系統(tǒng)的設計思路、工作原理和實現(xiàn)方法 進行了闡述。 本文將信息采集技術、信息傳輸技術、信息存儲技術及信息處理技術等相互融合， 將溫室環(huán)境多種參數(shù)監(jiān)測和單片機控制理論相結合，提出一種切實可行的溫室環(huán)境監(jiān) 南人文科技學院畢業(yè)設計 44 測系統(tǒng)，可以全面、實時、自動地對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行自動記錄、存儲和處理，并將有關 信息根據(jù)現(xiàn)場實際情況，采用最有效方式送入計算機進行處理，并可對監(jiān)測系統(tǒng)進行 遠程控

30、制。滿足了對作物生長狀態(tài)實行全面、實時、長期監(jiān)測的要求。 與傳統(tǒng)監(jiān)測系統(tǒng)相比，本系統(tǒng)具有以下優(yōu)點: 傳感器設計成智能型，可以增加系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集速度，減輕監(jiān) 控計算機的負擔。 增加了輔助存儲功能，在監(jiān)控計算機不工作的時候，采用多 媒體存儲卡存儲采集數(shù)據(jù)。 單片機的設計提高了系統(tǒng)的監(jiān)測速度，系統(tǒng)的可靠性、實時 性都有很大提高 對模擬設備采集到的數(shù)據(jù)，為防止失真，采用了數(shù)據(jù)插值算 法。 利用語音芯片，超限報警，實現(xiàn)了人性化管理。 湖南人文科技學院畢業(yè)設計 5 第第 2 2 章章 方案的比較和論證方案的比較和論證 當將單片機用作測控系統(tǒng)時，系統(tǒng)總要有被測信號懂得輸入通道，由計算機拾取必 要的輸入信息。對

31、于測量系統(tǒng)而言，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，對被控對象狀態(tài)的測試和對控制條件的監(jiān)察也是不可缺少的環(huán)節(jié)。 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)的高效率和高質量。 2.12.1 溫度傳感器的選擇溫度傳感器的選擇 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 成的測溫元件。現(xiàn)應用較多的有鉑、銅、鎳等熱電阻。

32、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，鉑電阻用于工業(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，在還原介質中易被玷污變脆。按 iec 標準測溫范圍- 200650，百度電阻比 w（100）=1.3850 時，r0 為 100 和 10，其允許的測量 誤差 a 級為（0.15+0.002 |t|） ，b 級為（0.3+0.005 |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 腐蝕性介質中使用穩(wěn)定性差。在工業(yè)中用于-50180測

33、溫。 方案二：采用 ds1820，它的測溫范圍在-55+150之間，而且精度高。m 檔在 測溫范圍內非線形誤差為0.3。ds1820 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，借口也很簡單。作為電流輸出型傳感器的一個特點是， 和電壓輸出型相比，它有很強的抗外界干擾能力。ds1820 的測量信號可遠傳百余米。 綜合比較方案一與方案二，方案二更為適合于本設計系統(tǒng)對于溫度傳感器的選擇。 2.22.2 濕度傳感器的選擇濕度傳感器的選擇 測量空氣濕度的方式很多，其原理是根據(jù)某種物質從其周圍的空

34、氣吸收水分后引 起的物理或化學性質的變化，間接地獲得該物質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。 南人文科技學院畢業(yè)設計 66 方案一：采用 hos-201 濕敏傳感器。hos-201 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 50hz1khz，測量濕度范圍為 0100%rh，工作溫 度范圍為 050，阻抗在 75%rh（25）時為 1m。這種傳感器原是用于開關的 傳感器，不能在寬頻帶范圍內檢測濕度，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

35、器只限于一定范圍內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，適宜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；電容量由 16pf 變到 200pf，其誤差不大于 2%rh；響應時間小于 5s；溫

36、度系數(shù)為 0.04 pf/?？梢娋仁禽^高的。 綜合比較方案一與方案二，方案一雖然滿足精度及測量濕度范圍的要求，但其只 限于一定范圍內使用時具有良好的線性，可有效地利用其線性特性。而且還不具備在 本設計系統(tǒng)中對溫度-3050的要求，因此，我們選擇方案二來作為本設計的濕度傳 感器。 2.32.3 信號采集通道的選擇信號采集通道的選擇 在本設計系統(tǒng)中，溫度輸入信號為 8 路的模擬信號，這就需要多通道結構。 方案一、采用多路并行模擬量輸入通道。 這種結構的模擬量通道特點為： （1） 可以根據(jù)各輸入量測量的要求選擇不同性能檔次的器件。總體成本可以作得較 低。 （2） 硬件復雜，故障率高。 （3） 軟件

37、簡單，各通道可以獨立編程。 方案二、采用多路分時的模擬量輸入通道。 這種結構的模擬量通道特點為： （1） 對 adc、s/h 要求高。 （2） 處理速度慢。 （3） 硬件簡單，成本低。 （4） 軟件比較復雜。 綜合比較方案一與方案二，方案二更為適合于本設計系統(tǒng)對于模擬量輸入的要求， 湖南人文科技學院畢業(yè)設計 7 比較其框圖，方案二更具備硬件簡單的突出優(yōu)點，所以選擇方案二作為信號的輸入通 道。 信號調 理電路 信號調 理電路 信號調 理電路 采樣/ 保持器 采樣/ 保持器 采樣/ 保持器 a/d轉換器 a/d轉換器 a/d轉換器 接口 接口 接口 cpu 圖 2-1 多路并行模擬量輸入通道 信號

38、調 理電路 信號調 理電路 信號調 理電路 采樣/ 保持器 a/d轉換器接口cpu 多 路 切 換 器 圖 2-2 多路分時的模擬量輸入通道 南人文科技學院畢業(yè)設計 88 第第 3 章章 系統(tǒng)總體設計系統(tǒng)總體設計與實現(xiàn)與實現(xiàn) 3.1 系統(tǒng)功能設計 系統(tǒng)要完成的設計功能如下: 實現(xiàn)對溫室溫濕度參數(shù)的實時采集，測量空間多點的溫度和濕度:根據(jù)測 量空間或設備的實際需要，由多路溫度、濕度傳感器對關鍵溫、濕度敏感 點進行測量，由單片機對各路數(shù)據(jù)進行循環(huán)檢測、數(shù)據(jù)處理、存儲，實現(xiàn) 溫濕度的智能、多空間點的測量。 實現(xiàn)超限數(shù)據(jù)的及時報警。 現(xiàn)場監(jiān)測設備應具有較高的靈敏度、可靠性、抗干擾能力并具有存儲、遠 程

39、通信功能。 通信系統(tǒng)具有較高的可靠性、較好的實時性和較強的抗干擾能力。與計算 機通訊功能，采用 rs232 串行通訊方式最遠傳輸距離為 20 米。 長時間測量數(shù)據(jù)記錄功能:可以根據(jù)需要設置數(shù)據(jù)記錄時間間隔，數(shù)據(jù)存 入數(shù)據(jù)存儲器。 監(jiān)控計算機軟件設計管理軟件既要具有完成數(shù)據(jù)采集、處理的功能，其軟 件編程應具有功能強大、界面友好、便于操作和執(zhí)行速度快等特點。 要求達到的技術指標： 控制溫度為 28 度 測溫精度為正負 2 度 濕度為百分之五十 濕度的精度為正負三個百分點 3.2 系統(tǒng)設計原則 要求單片機系統(tǒng)應具有可靠性高、操作維護方便、性價比高等特點。 1、可靠性 高可靠性是單片機系統(tǒng)應用的前提，

40、在系統(tǒng)設計的每一個環(huán)節(jié)，都應該將可 靠性作為首要的設計準則。提高系統(tǒng)的可靠性通常從以下幾個方面考慮:使用可靠性高 的元器件;設計電路板時布線和接地要合理;對供電電源采用抗干擾措施;.輸入輸出通道 湖南人文科技學院畢業(yè)設計 9 抗干擾措施;進行軟硬件濾波:系統(tǒng)自診斷功能等。 2、操作維護方便 在系統(tǒng)的軟硬件設計時，應從操作者的角度考慮操作和維護方便，盡量減少對操 作人員專用知識的要求，以利于系統(tǒng)的推廣。因此在設計時，要盡可能減少人機交互 接口，多采用操作內置或簡化的方法。同時系統(tǒng)應配有現(xiàn)場故障診斷程序，一旦發(fā)生 故障能保證有效地對故障進行定位，以便進行維修。 3、性價比 單片機除體積小、功耗低等

41、特點外，最大的優(yōu)勢在于高性能價格比。一個單片機 應用系統(tǒng)能否被廣泛使用，性價比是其中一個關鍵因素。因此，在設計時，除了保持 高性能外，盡可能降低成本，如簡化外圍硬件電路，在系統(tǒng)性能和速度允許的情況下 盡可能用軟件功能取代硬件功能等。 3.3 系統(tǒng)組成與工作原理 以單片機為控制核心，采用溫濕度測量，通信技術，誤差修正等關鍵技術，以溫 濕度傳感器作為測量元件，構成智能溫濕度測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)，可分為溫度測量電路， 濕度測量電路，a/d 轉換及濾波電路，數(shù)據(jù)存儲及顯示電路，語音報警電路，見圖 3.1。選用的主要器件有：溫度傳感器 ds1820，濕度傳感器 hs1101, at89s52, a/d 轉

42、換器 tlc0834，數(shù)據(jù)存儲器 at24c04, mmc 存儲卡，6 數(shù)碼管顯示模塊，語音報警芯 片 isd2560, max232，集成定時器 555 芯片等。 at89s52 單片機 數(shù)據(jù)采集 報警指示 數(shù)據(jù)處理 數(shù)據(jù)顯示 數(shù)據(jù)存儲 圖 3.1 硬件結構圖 南人文科技學院畢業(yè)設計 1010 本系統(tǒng)以單片機 atme189s52 為核心，數(shù)據(jù)采集、存儲、顯示、報警以及上傳至計 算機進行數(shù)據(jù)處理都要通過單片機。數(shù)據(jù)采集通過單總線的智能溫度傳感器 ds 1820 和模擬的濕度傳感器 hs110i 完成；當采集數(shù)據(jù)超出預警值時，有語音報警芯片 isd2560 實時報警，然后進行相應處理;數(shù)據(jù)存儲

43、可以在計算機完成，在計算機不工作 時還設置了輔助的多媒體卡 mmc 存儲;由數(shù)碼管實時顯示接收的數(shù)值:數(shù)據(jù)處理主要是 上位機完成的數(shù)據(jù)曲線顯示、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)打印等功能。 在整個系統(tǒng)中采用了多種總線、協(xié)議技術，如智能溫度傳感器 ds 1820 的單總線 技術，存儲擴展的 i2c 總線技術，mmc 的模擬 spi 總線技術，單片機和計算機連接的 rs232 協(xié)議技術等。為防止模擬傳感器數(shù)據(jù)采集的失真，采用了線形插值算法。在這 個系統(tǒng)中單片機部分采用 c 語言編程。 湖南人文科技學院畢業(yè)設計 11 第 4 章 傳感器設計 4.1 傳感器基本特性 在監(jiān)控系統(tǒng)中有各種不同的物理量需要監(jiān)測和控制，這就要

44、求傳感器 能感受被測非電量并將其轉換成與被測量有一定函數(shù)關系的電量。傳感器 所測量的非電量是處在不斷的變化之中，傳感器能否將這些非電量的變化 不失真地轉換成相應的電量，取決于傳感器的輸入一輸出特性。傳感器這 一基本特性可用靜態(tài)特性和動態(tài)特性來描述。 4.1.1 傳感器的靜態(tài)特性 傳感器的靜態(tài)特性是指當被測量處于穩(wěn)定狀態(tài)下，傳感器的輸入與輸出值之間的 關系。傳感器靜態(tài)特性的主要技術指標有:線性度、靈敏度、遲滯和重復性等。 1、線性度 傳感器的線性度是指傳感器實際輸出一輸入特性曲線與理論直線之間的最大偏差 與輸出滿度值之比。 2、靈敏度 傳感器的靈敏度是指傳感器在穩(wěn)定標準條件下，輸出量的變化量與輸

45、入量的變化 量之比。對于線性傳感器來說，其靈敏度是個常數(shù)。 3、遲滯 傳感器在正(輸入量增大)反(輸入量減小)行程中，輸出輸入特性曲線不重合的 程度稱為遲滯，遲滯誤差一般以滿量程輸出 yfn 的百分數(shù)表示。遲滯特性一般由實驗 方法確定。 4、重復性 傳感器在同一條件下，被測輸入量按同一方向作全量程連續(xù)多次重復測量時，所 得輸出一一輸入曲線的不一致程度，稱重復性。重復性誤差用滿量程輸出的百分數(shù)表 示。重復性特性也用實驗方法確定，常用絕對誤差表示。 5、分辨力 傳感器能檢測到的最小輸入增量稱分辨力，在輸入零點附近的分辨力 南人文科技學院畢業(yè)設計 1212 稱為閡值。 6、零漂 傳感器在零輸入狀態(tài)下

46、，輸出值的變化稱為零漂，零漂可用相對誤差 表示，也可用絕對誤差表示。 4.1.2 傳感器的動態(tài)特性 傳感器測量靜態(tài)信號時，由于被測量不隨時間變化，測量和記錄過程 不受時間限制。而實際中大量的被測量是隨時間變化的動態(tài)信號，傳感器 的輸出不僅需要精確地顯示被測量的大小，還要顯示被測量隨時間變化的 規(guī)律，即被測量的波形。傳感器能測量動態(tài)信號的能力用動態(tài)特性表示。 動態(tài)特性是指傳感器測量動態(tài)信號時，輸出對輸入的響應特性。傳感器動 態(tài)特性的性能指標可以通過時域、頻域以及試驗分析的方法確定，其動態(tài) 特性參數(shù)如:最大超調量、上升時間、調整時間、頻率響應范圍、臨界頻率 等。 動態(tài)特性好的傳感器，其輸出量隨時間

47、的變化規(guī)律將再現(xiàn)輸入量隨時 間的變化規(guī)律，即它們具有同一時間函數(shù)。但是，除了理想情況以外，實 際傳感器的輸出信號與輸入信號不會具有相同的時間函數(shù)，由此引起動態(tài) 誤差。 4.2 ds1820 溫度傳感器 4.2.1 ds1820 數(shù)字溫度傳感器概述 美國 dallas 公司生產(chǎn)的 ds 1820 數(shù)字溫度傳感器，可以直接將被測溫度轉化為 串行數(shù)字信號供微機處理，通過簡單的編程實現(xiàn) 9 位的溫度讀數(shù)。并且多個 ds 1820 可以并接到多個地址線上與單片機實現(xiàn)通信。由于每一個 ds1820 出廠時都刻有唯一的 一個序列號并存入其 rom 中，因此 cpu 可用簡單的通信協(xié)議就可以識別，從而節(jié)省 大

48、量的引線和邏輯電路。與其它溫度傳感器相比，ds 1820 具有以下特性: 湖南人文科技學院畢業(yè)設計 13 獨特的單線接口方式，ds1820 在與微處理器連接時僅需要一 條口線即可實現(xiàn)微處理器與 ds1820 的雙向通訊。 ds1820 支持多點組網(wǎng)功能，多個 ds1820 可以并聯(lián)在唯一的 三線上，實現(xiàn)多點測溫。 ds 1820 在使用中不需要任何外圍元件。 溫范圍一 ss一+12 5 0c，固有測溫分辨率 0 . 5 0c o 測量結果以 9 位數(shù)字量方式串行傳送 ds 1820 采用 3 腳 to-92 封裝或 8 腳 so 封裝，管腳排列如圖 4.1 所示： 圖 4.1 ds1820 的

49、封裝和引腳 對圖 4.1 中 ds1820 的引腳功能說明如下： nc：空引腳，不連接外部信號。 vdd：接電源引腳，電源供電 3.0-5.5v. gnd：接地。 dq：數(shù)據(jù)的輸入和輸出引腳。 dq：引肚口的 1/o 為數(shù)據(jù)輸入/輸出端(即單線總線)，該引腳為漏極開路輸出，常 態(tài)下呈高電平。 4.2.2 ds1820 溫度傳感器 溫度傳感器選用一總線溫度傳感器 ds1820。ds1820 是美國 dallas 半導體公司 生產(chǎn)的可組網(wǎng)數(shù)字式溫度傳感器，與其它溫度傳感器相比，ds1820 具有以下特性：獨 特的單線接口方式，ds1820 在與微處理器連接時僅需要一條口線即可實現(xiàn)微處理器與 ds1

50、820 的雙向通訊。ds1820 支持多點組網(wǎng)功能，多個 ds1820 可以并聯(lián)在唯一的三 線上，實現(xiàn)組網(wǎng)多點測溫。ds1820 在使用中不需要任何外圍元件，全部傳感器元件及 轉換電路集成在形如一只三極管的集成電路內。溫度范圍55125，固有測溫 南人文科技學院畢業(yè)設計 1414 分辨率0.5；測量結果直接輸出數(shù)字溫度信號，以“一線總線”串行傳送給 cpu， 同時可傳送 crc 效驗碼，具有極強的抗干擾糾錯能力；測量結果以 9 位數(shù)字量方式串 行傳送。 ds1820 雖然具有測溫系統(tǒng)簡單、測溫精度高、連接方便、占用口線少等優(yōu)點，但 在實際應用中也應注意以下幾方面的問題： （1）系統(tǒng)的硬件雖然簡

51、單但需要相對復雜的軟件進行補償，由于 ds1820 與微處 理器間采用串行數(shù)據(jù)傳送，因此，在對 ds1820 進行讀寫編程時，必須嚴格的保證讀寫 時序，否則將無法讀取測溫結果。 （2）在 ds1820 的有關資料中均未提及單總線上所掛 ds1820 數(shù)量問題，容易使 人誤認為可以掛任意多個 ds1820，在實際應用中并非如此。當單總線上所掛 ds1820 超過 8 個時，就需要解決微處理器的總線驅動問題，這一點在進行多點測溫系統(tǒng)設計 時要加以注意。 (3)連接 ds1820 的總線電纜有長度限制。由于信號電纜本身存在電阻，距離過長 時將導致信號衰減。試驗中，當采用普通信號電纜傳輸長度超過 50

52、m 時，讀取的測溫 數(shù)據(jù)將發(fā)生錯誤。當將總線電纜改為雙絞線帶屏蔽電纜時，正常通訊距離可達 150m。 ds1820 有 pr-35 和 soic 兩種封裝形式，管腳排列如表 4.1 所示。本系統(tǒng)選用 pr-35 封裝形式。ds1820 返回溫度值雖然只有 9 位，如圖 4.2 所示。 表 4.1 ds1820 管腳排列 管腳管腳定義說明 8 腳 soic 3 腳 pr-35 2 1gnd地 1 2i|o數(shù)據(jù)輸入端 8 3vcc電源 3 4 5 6 7nc空腳 圖 4.2 ds1820 溫度值表示方法 d9 為符號位，0 表示正，1 表示負，高字節(jié)的其他位（d10d15）是以符號位的擴 展位表示

53、的；d0d8 為數(shù)據(jù)位，以二進制補碼表示。溫度是以 1/2lsb 形式表示的。 湖南人文科技學院畢業(yè)設計 15 表 4.2 為數(shù)值和溫度的關系。 表 4.2 ds1820 數(shù)值和溫度的關系 溫度數(shù)據(jù)（二進制）數(shù)據(jù)（十六進制） +1250000 0000 1111 101000fah +250000 0000 0011 00100032h +0.50000 0000 0000 00010001h 00000 0000 0000 00000000h +0.51111 1111 1111 1111ffffh -251111 1111 1100 1110ffceh -551111 1111 1001

54、0010ff92h 因到煙草倉庫內環(huán)境溫度不能出現(xiàn)負溫情況，因此本系統(tǒng)不考慮負溫情況，這樣， 在硬件選取上可以考慮選用商業(yè)級器件，不必要選用工業(yè)級器件，可以大幅度降低成 本。因此單片機讀取溫度信息后，只需將低字節(jié)（d0d8）送入上位機和控制電路即 可。 4.2.3 ds1820 測溫電路圖 ds1820 測量溫度時使用特有的溫度測量技術。ds1820 內部的低溫度系數(shù)振蕩器 能產(chǎn)生穩(wěn)定的頻率信號 f0,高溫度系數(shù)振蕩器則將被測溫度轉換成頻率信號 f。當計數(shù) 門打開時,ds1820 對 f 0 計數(shù),計數(shù)門開通時間由高溫度系數(shù)振蕩器決定。芯片內部還 有斜率累加器,可對頻率的非線性予以補償。測量結

55、果存入溫度寄存器中。 在 64 位 rom 的最高有效字節(jié)中存有循環(huán)冗余校驗碼(crc)。主機根據(jù) rom 的 前 56 位來計算 crc 值,并和存入 ds1820 中的 crc 值作比較,以判斷主機收到的 rom 數(shù)據(jù)是否正確。crc 的函數(shù)表達式為:crc=x8+x5+x3+1（占君等.2006） 。此外， ds1820 尚需依上式為暫存器中的數(shù)據(jù)來產(chǎn)生一個 8 位 crc 送給主機,以確保暫存器數(shù) 據(jù)傳送無誤。 在系統(tǒng)安裝及工作之前應將主機逐個與 ds1820 掛接,以讀出其序列號。其工作過 程為:主機發(fā)出一個脈沖,待“0”電平大于 480s 后,復位 ds1820,在 ds1820

56、所發(fā)響應 脈沖由主機接收后,主機再發(fā)讀 rom 命令代碼 33h,然后發(fā)一個脈沖(15s),并接著讀 取 ds1820 序列號的一位。用同樣方法讀取序列號的 56 位。另外,由于 ds1820 單線通 信功能是分時完成的,遵循嚴格的時隙概念,因此,系統(tǒng)對 ds1820 和各種操作必須按協(xié) 南人文科技學院畢業(yè)設計 1616 議進行,即:初始化 ds1820(發(fā)復位脈沖)，發(fā) rom 功能命令，發(fā)存儲器操作命令，處 理數(shù)據(jù)。 ds1820 單點測溫電路框圖如圖 4.3 所示，其中，網(wǎng)絡定義 p3.4 為 89s52 的 p3.4 引腳。 圖 4.3 ds1820 單點測溫電路圖 4.34.3 濕度

57、傳感器濕度傳感器 測量空氣濕度的方式很多，其原理是根據(jù)某種物質從其周圍的空氣吸收水分后引 起的物理或化學性質的變化，間接地獲得該物質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。下面 介紹 hs1100/hs1101 濕度傳感器及其應用。 1、特點 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，適宜于制造流水線上的自動插件和自動裝配過程 等。 圖 4.4a

58、 為濕敏電容工作的溫、濕度范圍。圖 4.4b 為濕度-電容響應曲線。 100 75 50 25 0 -20020-40406080 100 溫度 / 長期穩(wěn)定 正 常 工 作 區(qū) 區(qū) 非 正 常 區(qū) 02040 6080 170 160 180 190 200 相對濕度 /%rh 圖 4.4a、濕敏電容工作的溫、濕度范圍 圖 4.4b、濕度-電容響應 曲線。 湖南人文科技學院畢業(yè)設計 17 相對濕度在 1%-100%rh 范圍內；電容量由 16pf 變到 200pf，其誤差不大于 2%rh；響應時間小于 5s；溫度系數(shù)為 0.04 pf/。可見精度是較高的。 2、濕度測量電路 hs1100/h

59、s1101 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。如何將電容的變化量準確地轉變?yōu)橛嬎銠C易于接受的信號， 常有兩種方法：一是將該濕敏電容置于運方與租蓉組成的橋式振蕩電路中，所產(chǎn)生的 正弦波電壓信號經(jīng)整流、直流放大、再 a/d 轉換為數(shù)字信號；另一種是將該濕敏電容 置于 555 振蕩電路中，將電容值的變化轉為與之成反比的電壓頻率信號，可直接被計 算機所采集 頻率輸出的 555 測量振蕩電路如圖 4.5 所示。集成定時器 555 芯片外接電阻 r4、r2 與濕敏電容 c，構成了對 c 的充電回路。7 端通過芯片內部的晶體管對地短路又 構成了對 c 的放電

60、回路，并將引腳 2、6 端相連引入到片內比較器，便成為一個典型的 多諧振蕩器，即方波發(fā)生器。另外，r3 是防止輸出短路的保護電阻，r1 用于平衡溫 度系數(shù)。 圖 4.5、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 vs 通過 r4、r2 向 c 充電，經(jīng) t 充電時間后，uc 達到芯片內比較器的高觸發(fā)電平，約 0.67vs，此時輸出引腳 3 端由 高電平突降為低電平，然后通過 r2 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 此時輸出，此時輸出引腳 3 端又由低電平突降為高電平，如此翻來覆去，形成方 波輸出。其中，充放電時間為