储粮智能通风控制系统设计或家庭温湿度显示及大棚温湿度检测等.docx
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储粮智能通风控制系统设计或家庭温湿度显示及大棚温湿度检测等
天
iion
毕业设计
专业:
机械
班级学号:
机
学生姓名:
王乎
指导教师:
讲师
二〇一年六月
毕业设计
储粮智能通风控制系统设计
Intelligentstoragesystemonriskcontrolsystemdesign
专业班级:
11
学生姓名:
啊啊
指导教师:
讲师
学院:
机械工程学院
2016年6月
摘要
民以食为天,充分说明了粮食的重要性。
但粮食又容易受到温湿度的影响发生霉变等问题,面对大面积的粮食储藏的粮仓,我们有必要采用现代的智能设备对粮仓温湿度的进行实时监测。
随着传感器技术的不断发展,我们可以通过传感器及电子设备对粮食存储有关的物理参数进行监测,这样有利于我们及时对粮仓内的情况进行掌握,由于智能技术的发展传统的人工检测被慢慢所取代。
本设计是针对储粮智能通风控制系统里的采集节点模块进行设计,该节点是基于单片机控制,进行温湿度、压力等数据的采集,本设计从元器件的选型、硬件电路设计以及软件编程等方面进行了详细的阐述。
在本设计中采用的是DHT11温湿度传感器和BMP085气压传感器,它们都是智能的数字传感器,内部都集成了A/D转换,直接把采集信号转换为数字信号传给单片机,从而简化了外围电路,使电路更加简单。
处理器采用AT89S51单片机进行数据的处理,使每个节点运行更加平稳、拥有更高的可靠性。
关键词:
单片机、温湿度传感器、压力传感器、采集节点
ABSTRACT
Hungerbreedsdiscontentment,fullydemonstratestheimportanceoffood.Butthegrainiseasytobeaffectedbythetemperatureandhumidityofmoldandsoon,inthefaceoflargeareaofgrainstoragebarn,itisnecessaryforustousemodernintelligentequipmentforreal-timemonitoringofthetemperatureandhumidityofthebarn.Withthedevelopmentofsensortechnology,wecanmonitorthesensorandelectronicequipmentthroughtherelevantphysicalparametersofthegrainstorage,sohelpusinatimelymannertothegranaryofmaster,becauseintelligenttechnologyforthedevelopmentofthetraditionalartificialdetectionwasslowlyreplaced.
Thisdesignisforgrainstorageintelligentventilationcontrolsystemofacquisitionnodemoduledesign,thenodeisbasedonMCUcontrol,temperature,humidityandpressuredataacquisition,thedesignfromtheaspectsofcomponentselection,hardwarecircuitdesignandsoftwareprogrammingaredescribedindetail.InthisdesignUSESADHT11temperatureandhumiditysensorsandBMP085pressuresensors,theyareallintelligentdigitalsensors,internalintegrationA/Dconversion,theacquisitiondirectlytothesignaltoAdigitalsignaltothemicrocontroller,simplifyingtheperipheralcircuit,thecircuitismoresimple.TheprocessorUSESAT89S51fordataprocessing,makeeachnoderunningmoresmoothlyandwithhigherreliability.
Keywords:
MCU、Temperatureandhumiditysensor、Pressuresensor、collectionnode
目录
1绪论1
1.1选题目的及意义1
1.2国内外发展现状1
1.3本系统主要设计内容2
1.3.1基于单片机系统组成采集2
2元器件选型和硬件电路设计4
2.1单片机的选择4
2.1.1单片机概述4
2.1.2AT89S51芯片的主要性能4
2.1.3AT89S51的内部结构图4
2.1.4AT89S51引脚功能5
2.2复位电路设计6
2.3电源电路7
2.4温湿度传感器选择7
2.4.1DHT11温湿度传感器介绍10
2.4.2DHT11各引脚的功能说明11
2.4.3DHT11的连接电路11
2.5压力传感器的选择12
2.5.1BMP085气压传感器12
2.5.2BMP085气压传感器引脚介绍12
2.5.3BMP085气压传感器内部结构13
2.5.4BMP085与单片机的接口电路14
3.软件设计14
3.1DHT11温湿度采集14
3.2BMP085气压采集16
3.3程序流程图设计19
4.总结20
参考文献21
附录1系统原理图22
附录2系统程序代码23
致谢40
1绪论
1.1选题目的及意义
粮食存储是国家为提防灾害、战争和一些突发性事故而采纳的有用措施。
粮食是人类生存的必不可少的,由此可见对粮食管理和运输等设施的建设有重要意义。
一般来说:
粮食存放在粮库中没有固定统一的时间。
如果不让粮库中的粮食变质腐烂,那就势必把粮库内的温湿度和压力限定在一定的区域内。
要是符合上面的前提,需要我们设立一个具有稳定性好、检测精度高的智能储粮监控系统。
粮食保管好的条件之一温湿度的控制,国内的粮食大多数存储在国家或地方的粮仓中,其中大型的粮仓占地面积约有周遭几公里,粮仓的房间数量多达几十个,数据获取点高达几千个,根据国家对粮食发布的保管政策,需要按期对粮仓里的粮食进行抽样检测。
如果采取人工进行测量,不但工作效率低,速度慢耗费时间长,并且因为抽检不充分,致使某些粮食发生霉变,进而导致大面积的粮食发生变质,故而导致难以预计的经济损失以及产生严重的后果。
从以上来看,粮情的检测是需要的智能化检测系统,并且是急需要的。
伴随着集成电路快速发展,单片机的功能的也在不断提高,其应用也比较普遍,智能粮仓监测系统对其数据的准确度、稳定度也有越来越高的要求,从而使数字式传感器在粮仓检测系统中得到了广泛的应用。
该类型的传感器采取了半导体集成电路与微控制器相结合高科技技术,在一个极其微小的芯片上集成了数据信号转换芯片、半导体温度检测芯片、存储器芯片、计算机接口芯片等。
该芯片不但可以进行温度检测,还可以实现对预置区域温度、报警、多路A/D转换、温度补偿等功能。
因为数字传感器直接输出的为数字量,所以很好的改善了信号远距离输送问题以及信号交换过程中由干扰和衰减从而致使信号的精度降低等问题。
1.2国内外发展现状
跟随传感器技术、计算机应用技术、超大规模集成电路技术和网络通讯技术的成长,监控技术普遍使用于工农业生产等行业,这也使得粮库温湿度检测技术的在软硬件等方面都有了更全面的发展。
刚开始传感器件基本使用热敏电阻、湿敏电阻,经过监控电阻的细微变动来间接反映粮食温湿度的改变,从而粮食的管理有了更好数据依据。
采取人力测量和人力抄写、监管相联合的传统方式,而且通过人力的方法对粮食进行人工晒晾、透风、药剂喷洒,是为了防护因储藏不利而引发的温湿度波动带来的危害和虫害,从而耗费了大量的人工及物力财力,同时人工效率低下以及判断的不准确性再加上监管的不到位,从而整体检测极为不佳,导致粮食变质的现象大为存在。
好在在众多科技爱好者的配合努力下,粮仓检测技术不断的在进步、提高、完善,而且日趋成熟,渐渐的形成了种类繁多的粮仓检测系统,从而使安全、规范、科学储粮起到了推动作用。
最近几年,粮食情况电子检测处理、控制系统在粮仓储粮中的广泛普及、智能化监管的设施,推动了我国在粮情监测技术上有了较大的人提升和进步。
重点在人工智能粮情分析、通风控制等领域的发展,部分系统已具备国际先进水准。
拥有粮情测控系统以后,就能更好的对粮情进行控制和监测。
从而很好的保存了粮食的品质,减缓了粮食的霉变,大大提高了效率,带来了诸多便利,从而给国家在储粮方面带来了很好的应用价值。
粮情监测系统国内外相比还是存在很大差异,现在就从以下三方面进行说明:
(1)不论在传感器的测量精确度还是反应速度以及稳定性等方面,国外相比国内在传感器方面都是比国内成熟。
(2)在组成系统整体的监测技术以及处理方面,不论是从硬件还是软件方面,国外都已广泛采取模块化集成,而且已采取组态组网。
(3)在系统构造方面国外广泛采取网络连接的现场总线技术,对于必要的场合,则采用连接Internet上,以便更好地进行远距离控制、远距离判断。
1.3本系统主要设计内容
1.3.1基于单片机系统组成采集
此设计由CAN总线实现总机与节点之间的数据通信。
系统组成结构如图1-1所示:
图1-1
节点由单片机、温湿度传感器以及压力传感器组成,整个节点是对粮仓里的温度、湿度和压力进行实时的采集以及分析处理,数据通过CAN总线向单片机机进行数据传输。
一般来说粮库面积很大,从而需要布局很多个节点在粮仓中进行全方位的温湿度和压力等数据的实时采集。
原理框图如1-2所示。
图1-2
由以上分析,结合粮仓的要求以及特点,本文对粮仓控制现状进行分析,解决了当前系统中的部分问题。
以研究设计出控制方便、便于操作、价格低廉的智能粮仓检测系统为目的,开发粮仓自动检测系统[]。
主要研究工作如下:
采集节点主要由数字温湿度传感器、压力传感器及51单片机AT89S51组成,由他们组成的节点可以对粮仓内温湿度以及压力数据进行全方位的采集。
该系统电路结构设计简单方便,数据采集方面有精度高,系统稳定性好,抵抗干扰能力强,较为便利的实现多点检测,可以适用于多种场合如粮库、仓库、机房、温室等多种环境,拥有较好的经济推广价值[]。
2元器件选型和硬件电路设计
本设计的任务主要完成各类元器件的选型、温湿度以及压力数据的采集和处理。
2.1单片机的选择
2.1.1单片机概述
在一块小芯片上具有微处理器功能称为单片机,它包含了存储器和各种输入、输出接口,拥有一台计算机的特性。
由于单片机拥有较小的体积、较低的功耗、较高的性价比、很强的抗干扰能力以及较高的可靠性等优点,现如今被广泛的使用[]。
2.1.2AT89S51芯片的主要性能
2.1.3AT89S51的内部结构图
该单片机拥有较高的性价比等特点在众多测控系统被普遍的使用[]。
AT89S5l单片机的内部布局由CPU、定时与中断系统、I/O接口以及存储器等部分构成,如图2-1所示。
图2-1AT89S51内部结构
2.1.4AT89S51引脚功能
AT89S51各个引脚功能,如图2-2所示
图2-2AT89S51引脚图
VCC:
电源电压
GND:
接地
P0口:
该端口可以当做输入口时用作地址总线,作为输出口时用作数据总线,在外围电路使用的该端口在不同时刻分别可以输出低8位的地址也可以输出数据信号。
如果P1口的引脚首次与入1时,则被定义成高阻输入,P0便可以作为数据/地址线中的低八位[]。
在使用闪存编程或检验的时候,P0端口的实现的功能也是不同的,分别对应的是源码的输入/输出,此刻应当把P0外部拉高。
闪存输入的时候该端口外应拉为高电位。
P1口:
该口具有输入输出双向功能,中间的切换可以依靠内部电阻来实现,输出缓冲器在该端口对TTL逻辑门电流实现吸收或输出。
P2口:
该口具有输入输出双向功能,输出缓冲器在该端口对TTL逻辑门电流实现吸收或输出。
如果对外存储器进行访问以及信息交换等传输功能时,该端口在高八位传送出数据地址,比如执行MOVXA,@DPTR指令时。
该端口进行闪存编程及检验时可以对高八位地址信息以及控制信息进行接收。
P3口:
该口具有输入输出双向功能,中间的切换可以依靠内部电阻来实现,输出缓冲器在该端口对TTL逻辑门电流实现吸收或输出。
该端口为高电位时,起输入功能,此高电位由内部的上拉电阻来上拉完成。
当外部把此端口下拉为低电位使该端口的输入口输出电流。
值得注意的是,则该端口口还拥有第二功能,关于该端口定义表2-1所示。
表2-1P3口第二功能表
RST:
该端口为高电位时,对单片机进行复位。
单片机使用复位功能时,需要在该端口保持高电位时间得两个机器周期以上。
ALE/PROG:
该端口可以实现两种功能:
一种为外部存扩展存储器外部寻址时,采取地址锁存允许位来锁存地址的低位字节。
另一种使用编程时,该引脚发挥输入编程脉冲信号的功能[]。
PSEN:
该端口的高低电平控制着外部程序存储器的工作状态,低电位起作用。
EA/VPP:
外置ROM访问使能引脚。
当该引脚为低电平时,内置ROM不会被访问,如果此端口为高电平时,内部ROM允许访问被使能。
特备需要留意,加密方式采用高电位,/EA将内部自动认为它是复位状态。
如果使用FLASH进行存储器编程,则该端口可以和12V的电源进行连接。
XTAL1:
该端口用于输入系统心跳时钟的引脚。
XTAL2:
该端口用于输出系统心跳时钟的引脚。
2.2复位电路设计
系统在上电时都会进行REST,REST期间会使运算处理器和单片机的各个器件初始化,初始化结束后各器件方可正常工作。
AT89S51外设复位电路有2种:
上电自动复位及手动按键复位[]。
(1)上电复位电路相对简单的上电复位电路设计由电阻器与电容器串联而成,如图2-3所示。
图2-3组合复位电路
(2)上电复位与手动按键复位复合电路手动按键复位是由人工在复位引脚连续输入的“1”。
通常是在两端口之间添加人工按钮。
假如此开关被接通时,REST端口的电压变为+5V。
因为人的动作有时间反应误差,即使很快的把按键接通时间通常也会达到几十毫秒,因此必然能达到复位的时间要求。
2.3电源电路
电源电路结构图,如图2-4所示。
AT89S5单片机工作电压在4.0~5.5V之间,该设计使用220V交流电拥有降压、整流滤波、稳压的电源功能。
图2-4中从稳压电源中连接出+5伏电压、传出1.5安培的电流[4]。
本电路的由电源变压器、整流电路、滤波电容、自激电以及三端稳压器构成。
单片机的工作电源来自此稳压电源[]。
2.4温湿度传感器选择
温湿度传感器的选择,应满足下列条件:
要能满足系统的条件,应具备可靠的稳定性;测量范围要满足生物生长对环境的要求;要使系统严格的做到对环境调控以及具备快速反应的工作效率[]。
图2-4滤波稳压电路原理
表2-2几种温度传感器的比较
粮库内的温度变化比较迟缓,另一方面粮食对温度变化的范围要求的不高,由此看来对温度传感器的灵敏度要求没有那么严格。
但是为了系统能够进行较好的推广,温度传感器应该选择价格适中,性能稳定的传感器。
表2-2是部分经常使用的传感器的对比。
该节点使用的是AT89S51单片机用来对数据进行采集处理,若要把复杂电路变的简单,就应该使用能直接把测量信号转成数字信号的传感器,由下表对比和实际需求,选择数字式温度传感器最为符合。
表2-3几种湿度传感器的比较
检测空气中湿度的方法有很多种,而其中的检测原理基本依照特殊介质把空间中的水分吸收后所发生的微秒复杂性质的变化,从而可以间接地算出这种介质的吸收水分的多少以及周围空间的湿度。
电阻式、湿涨式和电容式湿敏元件其工作原理是其内部高分子介质材料吸收水分后的电阻率体积、和介电常数因此发生改变以此进行湿度的测量[]。
简单介绍几种常用的湿度传感器,如表2-3所示。
湿度传感器的工作原理基本都是在基片上涂感湿介质用来形成湿度感应膜,空气中水分子被湿度感应膜吸附后。
其本身的阻抗与介质常数就会产生很大的改变,以此便能够测量出空气中的相对湿度,湿度传感器基本都会对检测精度有要求,而当做计量器具使用测量精度必须要满足±2%-±5%RH的区间要求,不然不能当做量具来使,湿度传感器的精度要满足±2%-±5%RH的也是有些困难的。
在实际环境中易受到油渍、
灰尘和空气杂质的影响,而且使用时,传感器容易产生老化,致使其测量精度降低,因此怎样提高传感器的使用寿命以及保持长期的稳定性是我们所要考虑的[]。
按照粮仓环境的要求,湿度传感器应具有良好的灵敏度与精确度,测量湿度范围要宽,检测寿命要长,可靠性要高得条件,现拟定了如下两种方案。
方案一:
选用DHT11作为温湿度检测模块。
DHT11它由一个NTC式温度检测元件和一个电阻式感湿元件组成,可测0~100%RH湿度,误差±3%RH,-40℃~123℃,误差±0.4摄氏度。
方案二:
此方案是由两个传感器组成:
温度传感器DS18B20以及湿度传感器HS1101。
DS18B20是具有单总线传输模式的温度传感器,单线式接口方式是其特有的,其温度测量范围为-55℃~125℃,温度测量误差在±0.5摄氏度,精度可达到0.0625摄氏度[]。
HS1101是一款电容式湿度传感器,它的相对测量区间为0%至100%RH,湿度测量误差为±2%RH[]。
不足之处它需要555定时器等辅助电路,电路比较复杂。
综上两个方案比较发现,以上方案均能满足系统设计的需要,但是方案一电路更加简単,稳定性和综合性都不错,所以采用方案一来进行设计。
2.4.1DHT11温湿度传感器介绍
DHT11内部含有已实验校准数字数据方便自检的温湿度传感器。
它采用了专业的模块数字化采集技术以及温湿度感控元件,这样可以使得元件拥有稳定可靠的工作机能[]。
此元件包含电阻式感应湿度的部件和感测温度的部件组成,和它进行接在一起是一款八位高性能单片。
所以它的平稳性好、运算速度快、抵抗电磁能力强、性能突出价格低等优点。
DHT11在出厂之前都进行反复的检测试用以保证其工作的准确性。
它的监测自检数据会给它存储在它的分区内存中,这些检测自检数据在传感器内部进行数据采集交换时被调用。
拥有一根线的串行端口,从而使系统电路变的简捷顺速。
结构轻巧、功率小,信息传输距离可达二十米左右的特点,使它被广泛在各类应用场合应用。
DHT11为四针单排引脚封装。
具有焊接方便,它的封装形式多种多样可以满足客户需要。
其外观与引脚如图2-5所示。
图2-5DHT11温湿度传感器
2.4.2DHT11各引脚的功能说明
DHT11的工作电压为3~5.5V。
通电后要用1秒的等待时间用来越过不稳定状态,在这个过程中单片机不需发送相关指令[]。
VDD和GND中间可以选择一个去耦滤波100nF的电容。
串行接口DATA:
单片机和外部传感器DHT11所进行的各种信息交换都离不开总线,信息交换符合单总线信息格式要求,每次传输交换时间大约为4毫秒,所进行的信息交换分为小数和整数部分。
2.4.3DHT11的连接电路
连接电路如图2-6所示。
图2-6
2.5压力传感器的选择
气压传感器目前种类繁多很多公司都推出了此类产品,一类是模拟量的就像摩托罗拉公司的MPX4105以及Intersema公司的MS5534b,另一类就是数字式的就像华普微电子的HP03系列以及BOSCH公司的SMD500和BMP085等等。
该类传感器的多样发展使其数量众多,同时不断的更新使其测量精度也在提高。
压力传感器的重要指标参数如下。
·测量范围
·测量精度
·温度补偿范围
·测量的是否是绝对压力值
经过设计要求和大量比对,最后决定使用BMP085压力传感器它的各方面性能参数均能满足设计需求,它的工作平稳性好以及抵抗电磁干扰强。
而且,数字化的数据传输可以使单片机和传感器通信更加方便,电路设计更加灵活以及把复杂电路变的简单,和传统的气压计相比它的检测精度也有了大幅度的提升,检测的速度也有所提升,同时简单的电路连接,也使得维护及调整更加的方便。
随着技术的发展都是大规模的集成化生产,从而大大降低了成本。
2.5.1BMP085气压传感器
该传感器是由博世公司研发的,BMP085它的工作功率很低具有很好的节能、低功率的工作特性使其被大范围的使用。
该传感器使用的是最新的陶瓷封装技术使它在性能方面有了大幅度的提升,同时在电磁兼容方面也有了质的飞跃以及检测精度和线性比例方面都大大加强,器件内部出厂就带有的补偿校准数据,使测得的数据及时的得到校准它的检测精度可达到0.03hPa,而且它的功耗极低耗仅有3μA。
气压测量区间为300hPa~1100hPa。
2.5.2BMP085气压传感器引脚介绍
BMP085的测压原理是压阻效应的充分使用,该器件有八个引脚,其外观与引脚图如图2-3所示。
图2-3BMP085引脚图
引脚6SCL):
I2C的时钟端
引脚7(SDA):
I2C的数据端
引脚8(XCLR):
该引脚的功用是用来对传感器进行复位并对寄存器控制器进行初始化,该引脚低电位有效。
2.5.3BMP085气压传感器内部结构
BMP085传感器的内部图,如图2-4所示。
从图2-4中很直观的发现,BMP085内部集成了压力采集芯片、模拟数字转换芯片以及由E2PROM和I2C接口构成的控制单元。
从传感器读取的压力值之前先得通过E2PROM内部储存的校准数据为压力值进行校准补偿,经过补偿的压力值才准确。
176位的校准数据在E2PROM内被均分为11个字,每个字16位,就使得11个器件模块都有属于自己的校准系数[]。
单片机进行初始化的时候就会把E2PROM中每个器件模块的校准系数读出来,并在首次得出压力之前,完成之后在进行压力数据的采集。
图2-4BMP085内部结构
2.5.4BMP085与单片机的接口电路
单片机的接口电路如下图(图2-5)所示:
由于单片机的电流很小不能使BMP085传感器进行工作,我们要在外围电路增加两阻个电阻以增大电流使传感器工作。
P1.1
P1.0
图2-5BMP085与单片机的接口电路
3.软件设计
3.1DHT11温湿度采集
单片机发出采集触发信号后,DHT11便从休眠状态切换到工作状态,等候单片机采集触发信号完成后,DHT11对采集触发信号做出应答,输出40比特的信息,同时进行采集信息的触发,使用者可以根据需求进行相应数据的读取。
在工作模式下,每进行的信息采集都由DHT11接收到采集信号来触发发出,假如DHT11并未收到单片机发出采集信号,DHT11是不会自
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- 智能 通风 控制系统 设计 家庭 温湿度 显示 大棚 检测