粮仓温湿度检测仪设计.docx
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粮仓温湿度检测仪设计
粮仓温湿度检测仪设计
摘要
随着电子信息时代的发展,温湿度作为一个重要的物理量,是工业生产过程中最普遍、最重要的工艺参数之一,尤其在粮仓保护应用中尤为重要,所以应用于粮仓温湿度检测系统设计是一个重要的课题。
同时单片机技术已经伸入到各个领域,基于单片机的数字式粮仓温湿度检测系统与传统温湿度测试相比,具有读数方便,测温范围广,其输出温湿度采用液晶显示,并且温度报警可调。
本文介绍了一种基于AT89C51单片机控制温湿度传感器SHT11实现的一种数字式温湿度检测仪,并使用在粮仓温湿度检测上。
说明书在分析国内外现状及在粮仓应用基础上,通过方案对比,提出基于SHT11传感器的温湿度检测仪,文中介绍各个关键部件的结构及原理,并结合设计方案,设计出详细的温湿度检测仪电路,电路采用模块化设计思想,这样设计思路更灵活,最后结合温湿度传感器功能要求,给出软件设计,结果表明设计的温湿度检测仪应用于玉米等粮仓,电路设计正确,原理可行,达到预期毕业设计的目的。
关键词:
AT89C51单片机,温湿度传感器SHT11,粮仓检测,
GrainDepotTemperature&HumidityDetectionApparatusDesign
Abstract
Alongwiththeelectronicinformationage,temperatureandhumidityisanimportantphysicalquantity,istheprocessofindustrialproduction,themostpopularoneofthemostimportanttechnicalparameters,especiallyinthegranaryprotectionapplicationisparticularlyimportant,becausethefoodsafetyandhealthrelatedtothehealthofthepeople,soshouldbeusedingrainDepotTemperatureandhumiditymeasuringinstrumentdesignisoneofthemostimportanttopic.Withtheeraofprogressanddevelopment,SCMtechnologyhasbeenextendedtovariousfields,microcontrollerbaseddigitaltemperatureandhumidityofgranarydetectionapparatusandtraditionaltemperatureandhumiditytestercomparedwithreading,convenient,widemeasuringrange,theoutputtemperatureandhumidityusingliquidcrystaldisplay,andadjustabletemperaturealarm.
ThispaperintroducedonekindbasedontheAT89C51single-chipmicrocomputertocontrolthetemperatureandhumiditysensorSHT11torealizeadigitaltemperatureandhumiditymeasuringinstrument,andusedinthegraindepottemperatureandhumiditydetection.Basedontheanalysisofcurrentsituationhomeandabroadandinthegranaryapplicationfoundation,throughschemescomparison,proposesbasedontheSHT11sensortemperatureandhumiditydetector,thispaperintroducedthevariouskeycomponentsofthestructureandprinciple,andcombinedwiththedesignscheme,designadetailedtemperatureandhumiditydetectioncircuit,thecircuitbasedontheideaofmodulardesign,thedesigntrainofthoughtmoreflexible,finallycombinedwiththetemperatureandhumiditysensor,functionalrequirements,softwaredesignaregiven,andgivesthetemperatureandhumiditysensorsimulation.Thesimulationresultsshowthat,thetemperatureandhumiditymeasuringinstrumentusedinthecornbarn,circuitdesigniscorrect,feasibleprinciple,achievethepurposeofgraduationdesign.
Keywords:
AT89C51,SHT11temperatureandhumiditysensor,granarydetection,
第一章引言
1.1课题研究背景及设计意义
粮仓粮食的存储是否得当对国家经济正常合理的运行具有很大的影响。
但是在以前的经济和科技水平有限,所以粮食的存储的环境差,存在不同程度的粮食存储变质问题。
粮库管理的重点之一就是要合理布置测温点,经常检查温度变化,以便及时发现粮食的发热点,减少粮食的损失。
然而,大部分粮仓采用人工测量温湿度,工作人员工作量大而且效率低。
所以,粮食虫蛀、霉变的情况时有发生。
随着单片机和传感技术的迅速发展,自动检测领域发生了巨大变化,温室环境自动监测控制方面的研究有了明显的进展,并且必将以其优异的性能价格比,逐步取代传统的温湿度控制措施.本文参考了一种基于单片机并采用数字化单总线技术的温湿度度测控系统应用于粮库的的设计方案,根据实用者提出的问题进行了改进,提出了一种新的设计方案,在单总线上传输数字信号。
所以说,粮仓温湿度检测仪设计意义重大。
1.2温湿度检测仪的发展及应用
随着电子信息时代的发展,温湿度作为一个重要的物理量,是工业生产过程中最普遍、最重要的工艺参数之一,尤其在粮仓保护应用中尤为重要,因为粮食安全卫生关涉到全民身体健康,所以应用于粮仓温湿度检测仪设计是一个重要的课题。
自18世纪工业革命以来,工业发展与是否能掌握温湿度有着密切的联系。
在冶金、钢铁、石化、水泥、玻璃、医药等行业,可以说几乎80%的工业部门都不得不考虑着温湿度的因素。
温湿度不但对于工业如此重要,在农业中温度湿度的监测与控制也有着十分重要的意义。
我国是一个人口众多的大国,科学储粮是保障人民粮食供应,促进社会安定的大事,粮库温度的监测在科学储粮中占有重要地位。
在大多数粮食存储企业,目前仍主要靠人工检测粮库温度。
国内的粮食温度检测系统与国外同类产品相比较还有很大差距:
系统采用的温度传感器的测量精度和灵敏度较低;温度传感器测得的粮食温度模拟量信号转换成数字量信号时产生的电路误差较大;信号在长距离传输过程中因干扰和衰减导致精度降低。
不可否认,目前国内部分电子元器件的制造工艺的不成熟和国外相应电子器件价格过高共同制约着我国粮库温湿度智能控制系统的发展和应用。
因此,鉴于我国的国情,设计一种适合国内实际情况并满足当前国家粮食储备要求的粮食温湿度智能控制系统,对改善我国粮食储备的落后面貌,加快经济的发展,具有非常重要的现实意义。
今天,我们的生活环境和工作环境有越来越多称之为单片机的小电脑在为我们服务。
单片机在工业控制、尖端武器、通信设备、信息处理、家用电器等各测控领域的应用中独占鳌头。
时下,家用电器和办公设备的智能化、遥控化、模糊控制化已成为世界潮流,而这些高性能无一不是靠单片机来实现的。
采用单片机来对温湿度进行控制,不仅具有控制方便、组态简单和灵活性大等优点,而且可以大幅度提高被控温湿度的技术指标,从而能够大大提高产品的质量和数量。
单片机以其功能强、体积小、可靠性高、造价低和开发周期短等优点,成为自动化和各个测控领域中必不可少且广泛应用的器件,尤其在日常生活中也发挥越来越大的作用。
因此,单片机对温湿度的控制问题是一个工农业生产中经常会遇到的问题。
因此,本课题围绕基于单片机的粮库温湿度智能控制系统展开了应用研究工作。
1.3本文设计目标及章节安排
本文介绍的温湿度测控系统就是基于单总线技术及其器件组建的。
该系统能够对粮仓,尤其对玉米仓的温湿度进行采集,利用温湿度传感器将粮库内温湿度的变化,变换成数字量,其值由单片机处理,最后由单片机去控制液晶显示器,显示粮库内的实际温湿度,同时通过与预设量比较,对大棚内的温度、湿度进行自动调节。
这种设计方案实现了温湿度实时测量、显示和控制。
该系统抗干扰能力强,具有较高的测量精度,不需要任何固定网络的支持,安装简单方便,性价比高,可维护性好。
这种温湿度测控系统可应用于粮食存储的粮库,实现对温度的实时控制,是一种比较智能、经济的方案,适于大力推广,以带来很好的经济效益和社会效益。
本论文根据设计要求,分为几个章节:
1、前言部分说明了粮仓温度检测仪的设计意义,并结合查阅的中外文献,对当前粮仓温度检测仪的应用情况加以分析,最后给出本文的设计要求及章节划分情况。
2、第二部分为粮仓的方案设计及管件器件的选型,在充分弄明白粮仓检测仪的基本原理基础上,结合粮仓温湿度检测仪的应用场合,提出了集中温湿度检测仪的设计方案并选择其优,并对选择设计方案中关键部件加以选型和器件分析。
3、第三章节结合粮仓温湿度检测仪的方案论证,给出硬件电路设计,论文中分别设计了基于单片机的最小系统,温湿度传感器电路设计,液晶显示电路设计,报警电路设计及键盘调整电路。
4、硬件是一个系统的骨架,那么软件就是这个系统的灵魂,第四部分详细介绍了粮仓温度检测系统的实现就软件过程,并对粮仓温湿度检测仪存在的问题加以分析,并得出结论。
5、最后是对全文的总结并对辛苦指导的老师表示由衷的致谢。
第二章粮仓温湿度检测仪设计方案及器件选型
2.1粮仓检测仪实现温湿度检测
根据课题设计要求本课题需要研究的内容主要有以下几方面:
(1)根据系统功能要求并且考虑系统的实用性和可操作性,进行系统的整体方案设计。
该方案采用模块化设计方法,以方便系统调试和用户的使用,并对主要内容包括芯片的选择、芯片的功能介绍等。
(2)系统硬件设计,学会使用电子画图软件,进行电路设计,并结合专业所学,设计基本电路。
(3)系统软件设计。
主要包括系统主程序,液晶显示程序,温度湿度传感器读取程序,并会编写c语言。
(4)锻炼调试分析问题能力。
设计好电路,需要调试和应用,通过实际调试,增加对电路的认识。
本文的设计主要应用于粮仓的温湿度的检测,尤其用于玉米等农作物的粮仓。
本系统可对温湿度值进行实时检测,测温范围可为-10~+85。
C,湿度测量范围是(0-100)%RH,这也足以满足对湿度的测量要求。
整个系统测量精度高、稳定性好,性能上能够达到远距离测量温湿度的要求,适于安置在粮仓内进行检测。
在对各类湿度、温度传感器原理介绍的基础上,根据本毕业设计实际的任务要求,完成湿度、温度传感器芯片的选型,系统芯片的选择,并设计显示接口电路、电源电路、报警电路、部分功能电路的程序。
系统开始工作后,根据初始条件读取湿度值和温度值,测量数据经处理后,将其与设定的湿温度值比较,如果发现当前的温湿度超限,则发出报警信号,未超限时,系统显示正常的湿温度度值。
2.2温湿度检测仪设计方案及原理
温湿度的检测实现方法很多,侧重点也不一样,结合参阅一些文献,确定一种实现温湿度检测出的方案。
这种方案以AT89C51为控制核心,通过采集温湿度数据,并显示出来,根据操作人员的参数调整,实现报警灯功能。
通过分析比较模拟量输出传感器与数字式温度传感器,以及查阅大量资料,发现有一种温湿度集一体的传感器,这种传感器个头不大,精度满足要求,能够同时采集到被测体的温度和湿度。
查阅大量资料表明,这种传感器电路简单,不需要太多外围电路,直接数字量输出,数字准确,编程方便,结构化,模块化明了。
初步分析,并且对比传感器选取市面较流行的SHT1x系列传感器为温湿度采集模块。
整个检测系统的核心器件是单片机,它是整个系统的“心脏”由它来接收温湿信号并控制协调各功能模块的正常工作。
通过对SHT1X温湿度传感器数据的采集、读取和分析,然后通过LCD液晶显示出来,在整个过程中,如果温度或湿度不在设定范围内,可以产生报警功能,对于报警点,可以通过键盘设置。
系统工作原理框图如下图所示:
图2-1温湿度检测仪系统框图
根据设计方案可知,选取AT89C51单片机为控制核心,选取SHT11为温湿度传感器,并选用LCD1602为显示人机界面。
下面分别就这些关键器件使用及其结构介绍。
2.3单片机选型及介绍
89C51是INTEL公司MCS-51系列单片机中最基本的产品,它采用INTEL公司可靠的CHMOS工艺技术制造的高性能8位单片机,属于标准的MCS-51的HCMOS产品。
它结合了HMOS的高速和高密度技术及CHMOS的低功耗特征,它继承和扩展了MCS-51单片机的体系结构和指令系统。
89C51内置中央处理单元、128字节内部数据存储器RAM、32个双向输入/输出(I/O)口、2个16位定时/计数器和5个两级中断结构,一个全双工串行通信口,片内时钟振荡电路。
图2-2AT89C51引脚排列图
各管脚功能如下:
Vss(20脚):
接地
VCC(40脚):
主电源+5V
XTAL1(19脚):
接外部晶体的一端。
在片内它是振荡电路反相放大器的输入端。
在采用外部时钟时,对于HMOS单片机,该端引脚必须接地;对于CHMOS单片机,此引脚作为驱动端。
XTAL2(18脚):
接外部晶体的另一端。
在片内它是一个振荡电路反相放大器的输出端,振荡电路的频率是晶体振荡频率。
若需采用外部时钟电路,对于HMOS单片机,该引脚输入外部时钟脉冲;对于CHMOS单片机,此引脚应悬浮。
RST(9脚):
单片机刚接上电源时,其内部各寄存器处于随机状态,在该脚输入24个时钟周期宽度以上的高电平将使单片机复位(RESET)。
PSEN(29脚):
在访问片外程序存储器时,此端输出负脉冲作为存储器读选通信号。
CPU在向片外存储器取指令期间,PSEN信号在12个时钟周期中两次生效。
不过,在访问片外数据存储器时,这两次有效PSEN信号不出现。
PSEN端同样可驱动8个LSTTL负载。
我们根据PSEN、ALE和XTAL2输出端是否有信号输出,可以判别80C51是否在工作。
ALE/PROG(30脚):
在访问片外程序存储器时,此端输出负脉冲作为存储器读选通信号。
CPU在向片外存储器取指令期间,PSEN信号在12个时钟周期中两次生效。
不过,在访问片外数据存储器时,这两次有效PSEN信号不出现。
PSEN端同样可驱动8个LSTTL负载。
我们根据PSEN、ALE和XTAL2输出端是否有信号输出,可以判别80C51是否在工作。
EA/VPP(31脚):
当EA端输入高电平时,CPU从片内程序存储器地址0000H单元开始执行程序。
当地址超出4KB时,将自动执行片外程序存储器的程序。
当EA输入低电平时,CPU仅访问片外程序存储器。
在对87C51EPROM编程时,此引脚用于施加编程电压VPP。
2.4温湿度传感器选型及特点
2.4.1SHT11结构特点
SHT11是瑞士Scnsirion公司推出的一款数字温湿度传感器芯片。
该芯片广泛应用于暖通空调、汽车、消费电子、自动控制等领域。
共主要特点如下:
◆高度集成,将温度感测、湿度感测、信号变换、A/D转换和加热器等功能集成到一个芯片上;
◆提供二线数字串行接口SCK和DATA,接口简单,支持CRC传输校验,传输可靠性高;
◆测量精度可编程调节,内置A/D转换器(分辨率为8~12位,能通过对芯片内部寄存器编程米选择);
◆测量精确度高,由于同时集成温湿度传感器,能提供温度补偿的湿度测量值和高质量的露点计算功能;
◆封装尺寸超小(7.62mm×5.08mm×2.5mm),测量和通信结束后,自动转入低功耗模式;
2.4.2SHT11结构和工作原理
温湿度传感器SHT11将温度感测、湿度感测、信号变换、A/D转换和加热器等功能集成到一个芯片上,其内部结构如图七所示。
该芯片包括一个电容性聚合体湿度敏感元件和一个用能隙材料制成的温度敏感元件。
这两个敏感元件分别将湿度和温度转换成电信号,该电信号首先进入微弱信号放大器进行放大;然后进入一个14位的A/D转换器;最后经过二线串行数字接口输出数字信号。
SHT11在出厂前,都会在恒湿或恒温环境巾进行校准,校准系数存储在校准寄存器中;在测量过程中,校准系数会自动校准来自传感器的信号。
此外,SHT11内部还集成一个加热元件,加热元件接通后能将SHT11的温度升高5℃左右,同时功耗也会有所增加。
此功能主要为了比较加热前后的温度和湿度值,能综合验证两个传感器元件的性能。
在高湿(>95%RH)环境中,加热传感器可预防传感器结露,同时缩短响应时间,提高精度。
加热后SHT11温度升高、相对湿度降低,较加热前,测量值会略有差异。
图2-3SHT11内部结构
微处理器是通过二线串行数字接口和SHT11进行通信的。
通信协议和通用的I2C总线协议是不兼容的,因此需要用通用微处理器I/O口模拟该通信时序。
微处理器对SHT11的控制是通过5个5位命令代码来实现的,命令代码的含义如表1所列。
表1SHT11控制命令代码
命令代码
含义
00011
测量温度
00101
测量湿度
00111
读内部状态寄存器
00110
写内部状态寄存器
11110
复位命令,使内部寄存器恢复默认值,下一次命令前至少等待11ms
其它
保留
2.4.3SHT11应用设计
微处理器采用二线串行数字接口和温湿度传感器芯片SHT11进行通信,所以硬件接门设计非常简单;然而,通信协议是芯片厂家自己定义的,所以在软件设计中,需要用微处理器通用I/O口模拟通道。
SHT11通过二线数字串行接口来访问,所以硬件接口电路非常简单。
需要注意的地方是:
DATA数据线需要外接上拉电阻,时钟线SCK用于微处理器和SHT11之间通信同步,由于接口包含了完全静态逻辑,所以对SCK最低频率没有需求;当工作电压高于4.5V时,SCK频率最高为10MHz,而当工作电压低于4.5V时,SCK最高频率则为1MHz。
硬件连接如2-4所示。
图2-4SHT11硬件连接
2.5显示界面选型
根据设计要求,选择LCD1602作为显示模块。
1602字符型液晶显示模块是一种专门用于显示字母、数字、符号等点阵式LCD,如图2-5所示,目前常用16×1,16×2,20×2和40×2行等模块。
现在的字符型液晶模块已经是单片机应用设计中最常用的信息显示器件了。
1602型LCD显示模块具有体积小,功耗低,显示内容丰富等特点。
1602型LCD可以显示2行16个字符,有8位数据总线D0-D7和RS,R/W,EN三个控制端口,工作电压为5V,并且具有字符对比度调节和背光功能[4]。
图2-5LCD1602实物图
2.5.1LCD1602参数及引脚
引脚功能如表2所示:
表2-3引脚功能
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
第1脚:
VSS为地电源。
第2脚:
VDD接5V正电源。
第3脚:
VL为液晶显示器对比度调整端,接正电源时对比度最弱,接地时对比度最高,对比度过高时会产生“鬼影”,使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度。
第4脚:
RS为寄存器选择,高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。
第5脚:
R/W为读写信号线,高电平时进行读操作,低电平时进行写操作。
当RS和R/W共同为低电平时可以写入指令或者显示地址,当RS为低电平R/W为高电平时可以读忙信号,当RS为高电平R/W为低电平时可以写入数据。
第6脚:
E端为使能端,当E端由高电平跳变成低电平时液晶模块执行命令。
第7~14脚:
D0~D7为8位双向数据线。
第15脚:
背光源正极。
第16脚:
背光源负极。
2.5.2LCD1602控制字说明
了解控制字是编程的基础。
LCD1602的读写操作,屏幕和光标的操作都是通过指令编程来实现的。
指令1:
清显示,指令码01H,光标复位到地址00H位置。
指令2:
光标复位,光标返回到地址00H。
指令3:
光标和显示模式设置I/D:
光标移动方向,高电平右移,低电平左移S:
屏幕上所有文字是否左移或者右移。
高电平表示有效,低电平则无效。
指令4:
显示开关控制。
D:
控制整体显示的开与关,高电平表示开显示,低电平表示关显示C:
控制光标的开与关,高电平表示有光标,低电平表示无光标B:
控制光标是否闪烁,高电平闪烁,低电平不闪烁。
指令5:
光标或显示移位S/C:
高电平时移动显示的文字低电平时移动光标。
指令6:
功能设置命令DL:
高电平时为4位总线,低电平时为8位总线N:
低电平时为单行显示,高电平时双行显示F:
低电平时显示5x7的点阵字符,高电平时显示5x10的点阵字符。
指令7:
字符发生器RAM地址设置。
指令8:
DDRAM地址设置。
指令9:
读忙信号和光标地址BF:
为忙标志位,高电平表示忙,此时模块不能接收命令或者数据,如果为低电平表示不忙。
指令10:
写数据。
指令11:
读数据。
第三章温湿度检测仪硬件电路设计
3.1粮仓用温湿度检测仪硬件设计构想
根据上述对基于AT89C51和SHT11的温湿度粮仓检测仪设计方案及其原理的论述,并对其关键部件进行选型。
本章节依其原理,设计的温湿度检测仪包括如下电路,设计思想是,以单片机为控制核心,采集处理来自SHT11传感器的数据,并通过LCD1602显示出来,在采集显示过程中,如果温度或湿度不在设定范围内,可以产生报警,报警点可以通过按键设置。
所有电路在单片机最小电路基础上进行的,组合温湿度传感器,液晶显示电路,以及键盘报警电路。
3.2AT89C51单片机最小电路
单片机最小电路包括,复位电路,晶振电路,有了最小电路
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