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仓库温湿度的检测技术
仓库温湿度检测系统的设计
摘要:
采用单片机对温度、湿度等环境参数进行监测是一个农业生产中经常遇到的监测问题,它不仅具有监测方便、操作简单等优点,而且可以在节约成本的同时大幅度的提高监测质量。
本设计以单片机AT89S52为控制核心,采用独特的单总线数字式温度传感器DS18B20进行温度采集,采用湿敏电容HS1101对湿度参数进行采集,利用LCD液晶显示屏对于当前的温度值和湿度值进行实时的显示,直观的了解所测得的仓库的温湿度的参数值。
另外,还具有报警装置,对超过温湿度上下限的情况进行报警。
设计后的系统具有造价低廉、操作方便、测量准确、控制灵活、体积小等优点。
关键词:
温度传感器湿度传感器单片机AT89S52LCD显示
AbstractSingle-chiptemperature,humidityandotherenvironmentalparametersmonitoringisafrequentlyencounteredinagriculturalproductionmonitoringissues,itnotonlyhastomonitor,easytooperate,etc.,andcansavecostswhilegreatlyimprovingthequalityofmonitoring.ThedesignofamicrocontrollerAT89S52asthecontrolcore,usingauniquesingle-busdigitaltemperaturesensorDS18B20temperatureacquisition,usingcapacitivehumidityHS1101humidityparametersforthecollection,useLCDdisplayforthecurrenttemperatureandhumidityvaluesinrealtimedisplay,intuitiveunderstandingofthemeasuredtemperatureandhumiditystorageparameters.Inaddition,italsohasanalarmsystem,upperandlowerlimitsoftemperatureandhumidityonoverthecasetothepolice.Afterdesigningasystemwithlowcost,easyoperation,accuratemeasurement,flexiblecontrol,smallsize,etc..
Keywords:
TemperaturesensorHumiditysensorMCUAT89S52LCDdisplay
1前言
防潮、防腐、防霉是仓库日常工作的重要内容,是衡量仓库管理质量的重要指标。
它直接影响到储备物资的使用寿命和工作的可靠性。
为了保证日常工作的顺利进行,首要问题是加强仓库内温度和湿度的监测工作。
但传统的方法是用湿度表、毛发湿度表、双金属式测量计和湿度试纸等测试器材,通过人工进行检测,对不符合温度和湿度要求的库房进行通风、去湿和降温等工作。
这种人工测试方法费时费力、效率低,且测试的温度和湿度误差大,随机性大。
因此我们需要一种造价低廉、使用方便且测量准确的温湿度测量仪。
2设计要求与设计方案的选择
2.1系统的设计方案
本课题设计的是一个能够提供环境的温度、湿度并具有对温度、湿度超限报警功能的装置。
本系统由AT89S52单片机、温度传感器、湿度传感器、报警电路和显示电路组成,完成对仓库内温、湿度数据的采集、监测、显示和超限报警。
当采集外界温度和湿度信号后,送单片机处理,并用LCD显示,报警电路对外界温、湿度进行监控。
2.2设计要求
(1)仓库温湿度检测系统的基本功能:
检测温湿度;显示温湿度;过限报警。
(2)主要技术参数:
温度检测范围:
测量精度:
湿度检测范围:
检测精度:
2.3传感器的选择
传感器是实现测量与控制的首要环节,是测控系统的关键部件,如果没有传感器对被测信号进行准确可靠的捕捉和转换,那么一切准确的测量和控制都将无法实现。
方案一:
采用DS18B20数字式温度传感器和HS1101湿度传感器
DS18B20是单总线数字式温度传感器,可直接将其测得的温度值传入单片机,再通过LCD进行显示。
而HS1101湿敏电容是将空气的湿度值转化为该湿敏电容的电容值,电容值随湿度值的增大而增大,将该湿敏电容置于555振荡电路中,电容值的变化可转为与之成反比的电压频率信号的变化,并可以直接送入单片机。
方案二:
采用SHT71数字温湿度传感器
SHT71是瑞士Sensirion公司推出的基于CMOSens技术的新型温湿度传感器。
该传感器将CMOS芯片技术与传感器技术结合起来,发挥出强大的优势互补作用。
包括一个电容性聚合体测湿敏感元件、一个用能隙材料制成的测温元件,并在同一芯片上,与14位的A/D转换器以及串行接口电路实现无缝连接。
2.4方案比较
以上两种方案主要差别在于是否运用数字传感器以及是否考虑将温度、湿度两个传感器合二为一。
从性价比方面考虑,方案一中采用两个传感器,看似有些资源浪费,但方案二的SHT71传感器的单价已胜过方案一中两个传感器售价之和。
另一方面,电容式湿敏传感器实用化程度高,工艺成熟,性能稳定,通过555振荡电路将湿度变化对应的湿敏电容值转化为脉冲频率送入单片机。
而DS18B20温度传感器具有结构简单、体积小、分辨率高、转换快等优点。
从应用程度上来说,方案一的可操作性更强。
通过上述方案比较,最后选取方案一作为温湿度传感器的设计方案。
3硬件系统的设计
3.1温度传感器DS18B20的设计
DS18B20的工作原理如图3.1所示。
低温系数振荡器输出的时钟脉冲信号通过高温系数振荡器产生的门开通周期而被计数,通过该计数值来测量温度。
计数器被预置为与-55℃对应的一个基数值,如果计数器在高温系数振荡器输出的门周期结束前计数到零,表示测量的温度高于-55℃,预置在-55℃的温度寄存器的值就增加一个增量,同时为了补偿温度振荡器的抛物线特性,计数器被斜率累加器所决定的值进行预置,时钟再次使计数器计数直至零,如果开门通时间仍未结束,则重复此过程,直到高温度系数振荡器的门周期结束为止。
这时温度寄存器中的值就是被测的温度值。
图3.1DS18B20的测温原理图
DS18B20电路图如图3.4所示。
图3.4DS18B20电路图
3.2湿度传感器的设计
HS1100/HS1101电容传感器,在电路构成中等效于一个电容器件,其电容量随着所测空气湿度的增大而增大。
将该湿敏电容置于555振荡电路中,将电容值的变化转为与之呈反比的电压频率信号,可直接被计算机所采集。
频率输出的555测量振荡电路如图3.2所示。
集成定时器555芯片外接电阻R4、R2与湿敏电容C,构成了对C的充电回路。
7端通过芯片内部的晶体管对地短路又构成了对C的放电回路,并将引脚2、6端相连引入到片内比较器,便成为一个典型的多谐振荡器,即方波发生器。
另外,R3是防止输出短路的保护电阻,R1用于平衡温度系数。
图3.2555测量振荡电路
该振荡电路两个暂稳态的交替过程如下:
首先电源Vs通过R4、R2向HS1101充电,经充电时间后,Uc达到芯片内比较器的高触发电平,此时输出引脚3端由高电平突降为低电平,然后通过R2放电,经t放电时间后,Uc下降到比较器的低触发电平,此时输出引脚3端又由低电平跃升为高电平。
如此翻来覆去,形成方波输出。
其中,充放电时间为:
t充电=C(R4+R2)ln2t放电=CR2ln2
因而,输出的方波频率为:
f=1/(t充电+t放电)=1/[C(R4+2R2)ln2]
可见,空气湿度通过555测量振荡电路就转变为与之呈反比的频率信号。
表3.1输出频率与相对湿度的对应关系
湿度
频率
湿度
频率
(%RH)
(HZ)
(%RH)
(HZ)
0
7351
60
6600
10
7224
70
6428
20
7100
80
6330
30
6976
90
6186
40
6853
100
6033
50
6728
-
-
3.3MCU单元的设计
单片机AT89S52介绍
AT89S52是一个低功耗,高性能CMOS8位单片机,片内含8kBytesISP(In-systemprogrammable)的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器,器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造,兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构,芯片内集成了通用8位中央处理器和ISPFlash存储单元,功能强大的微型计算机的AT89S52可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。
AT89S52具有下列主要性能:
兼容MCS-51单片机;
8K字节的可编程Flash存储器;
可进行1000次擦写周期;
32个可编程I/O口线;
三个16位定时器/计数器;
8个中断源;
全双工UART串行通道;
看门狗定时器;
AT89S52的管脚如图3.3所示。
图3.3AT89S52的管脚
3.4显示电路的设计
本系统利用LCD1602液晶显示屏显示所测得的温度、湿度参数。
1602字符型LCD简介
(1)1602LCD的基本参数及引脚功能
1602LCD分为带背光和不带背光两种,基控制器大部分为HD44780,带背光的比不带背光的厚,是否带背光在应用中并无差别,两者尺寸差别如下图3.4所示。
图3.41602LCD尺寸图
1602LCD主要技术参数:
显示容量:
16×2个字符
芯片工作电压:
4.5—5.5V
工作电流:
2.0mA(5.0V)
模块最佳工作电压:
5.0V
字符尺寸:
2.95×4.35(W×H)mm
引脚功能说明
1602LCD采用标准的14脚(无背光)或16脚(带背光)接口,各引脚接口说明如表3.2所示。
表3.2引脚接口说明表
编号
符号
引脚说明
编号
符号
引脚说明
1
VSS
电源地
9
D2
数据
2
VDD
电源正极
10
D3
数据
3
VL
液晶显示偏压
11
D4
数据
4
RS
数据/命令选择
12
D5
数据
5
R/W
读/写选择
13
D6
数据
6
E
使能信号
14
D7
数据
7
D0
数据
15
BLA
背光源正极
8
D1
数据
16
BLK
背光源负极
1602LCD的指令说明
1602液晶模块内部的控制器共有11条控制指令,如表3.3所示。
表3.3控制命令表
序号
指令
RS
R/W
D7
D6
D5
D4
D3
D2
D1
D0
1
清显示
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1
2
光标返回
0
0
0
0
0
0
0
0
1
*
3
置输入模式
0
0
0
0
0
0
0
1
I/D
S
4
显示开/关控制
0
0
0
0
0
0
1
D
C
B
5
光标或字符移位
0
0
0
0
0
1
S/C
R/L
*
*
6
置功能
0
0
0
0
1
DL
N
F
*
*
7
置字符发生存贮器地址
0
0
0
1
字符发生存贮器地址
8
置数据存贮器地址
0
0
1
显示数据存贮器地址
9
读忙标志或地址
0
1
BF
计数器地址
10
写数到CGRAM或DDRAM)
1
0
要写的数据内容
11
从CGRAM或DDRAM读数
1
1
读出的数据内容
3.5报警单元的设计
在监测系统中,对于重要的参数一般都设有紧急状态报警系统,以便提醒操作人员注意,或采取紧急措施。
其方法就是把计算机采集的数据与该参数上下限设定值进行比较,如果高于上限值或低于下限值则进行报警,否则就正常显示。
本设计的报警装置采用的是压电式蜂鸣器。
通过单片机的1根口线经晶体管就可以驱动蜂鸣器发声。
当单片机输出高电平“1”时,晶体管导通,蜂鸣器发声;当单片机输出低电平“0”时,晶体管截止,蜂鸣器停止发声。
三极管驱动的蜂鸣器报警电路如图3.5所示。
图3.5三极管驱动的蜂鸣音报警电路
4软件设计
主程序由温度采集子程序、湿度采集子程序、显示子程序和报警子程序组成,本章将列出主程序清单。
4.1主程序设计
系统主程序流程图如图4.1所示。
图4.1主程序流程图
4.2子程序设计
4.2.1温度传感器子程序设计
DS18B20温度采集子程序流程图如图4.2所示。
图4.2DS18B20温度子程序设计流程图
4.2.2湿度传感器子程序设计
湿度采集子程序如图4.3所示。
图4.3湿度采集子程序
4.2.3报警子程序设计
报警子程序流程图如图4.4所示。
图4.4报警子程序流程图
4.2.4显示子程序设计
显示子程序流程图如图4.5所示。
图4.5显示子程序流程图
5系统分析
本设计需要硬件与软件的结合才能实现其功能,软件方面就是编写程序(程序见附录2),硬件就是把各个元器件组合到一起,形成实现本设计的电路(电路原理图见附录1)。
硬件和软件互相依存,硬件是软件赖以工作的物质基础,软件的正常工作是硬件发挥作用的唯一途径。
系统必须要配备完善的软件系统才能正常工作,且充分发挥其硬件的各种功能。
本设计用的程序是通过Keil软件用C语言编写的。
程序的编写是个难点,稍微有点差错,编译就不可能通过,还需要把硬件联系起来且发挥出它们的特性。
软件程序(见附录2)。
编译通过之后,形成.hex文件。
硬件电路通过Proteus软件设计,在软件库里把所需要的器件调出来,按照电路原理把它们连接起来,按照要求改变器件值的大小,最后把Keil中的.hex文件调入硬件中就可以了。
按下Proteus软件中的仿真按钮,LCD1602显示器显示电路DS18B20温度传感器的温度值和HS1101湿度传感器的湿度值,调节温湿度传感器的大小,显示器中相应值也随之改变,当超过所设置的温湿度上下限时,报警电路启动,发出警报声。
通过仿真,本文设计的系统达到了一开始预设的目标,实现了对仓库温湿度的检测和显示,并具有报警功能。
结论
通过这段时间的不断努力,本文基本上完成了一开始预定的目标,实现了LCD液晶显示屏对于当前的温度值和湿度值进行实时的显示;报警装置实现了可依据用户的设定针对温湿度超限情况进行报警。
同时着重分析了各单元硬件电路的设计;给出了系统的软件的设计过程。
本系统的试制成功,克服了以前粮库靠管理人员手工检查、测量和手工计算粮仓的温度值和湿度值、用人工方法进行粮仓温度和湿度控制的缺点,提高了粮仓温度和湿度的检测速度和检测精度,同时也提高了粮仓温度和湿度的控制速度和控制精度。
基本消灭了粮食霉变事故,同时也节省了大量人力和物力,减轻了粮仓管理的工作强度,提高了粮库管理效率,使粮食管理得到了安全可靠的保障。
由于时间仓促和本人知识有限,该系统可以进一步加入温湿度自动调节电路,在当前温湿度超出上下限时,启动温湿度调节装置,就可以真正的实现温湿度的自动控制。
还可以加入按键电路实现温湿度上下限的自动加减。
参考文献
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附录1
电路原理图
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