基于单片机的粮仓测控系统.docx

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基于单片机的粮仓测控系统

0前言

粮食是一个国家生存的根本，为了防备战争、灾荒及其它突发性事件，粮食的安全储藏具有重要意义。

根据国家粮食保护法规，必须定期抽样检查粮仓各点的粮食温度与湿度，以便及时采取相应的措施，防止粮食的变质。

但大部分粮仓目前还是采取人工测温的方法，这不仅使粮仓工作人员工作量增大，且工作效率低，尤其是大型粮仓的温度检测任务如不能及时彻底完成，则有可能会造成粮食大面积变质。

据有关资料统计，目前，我国各个地方及垦区的各种大型粮仓都还存在着程度不同的粮食储存变质问题。

我国每年因粮食变质而损失的粮食达数亿斤，直接造成的经济损失是惊人的[1]。

对粮仓粮食安全储藏的主要参数是粮仓的温度和湿度，这两者之间又是互相关联的。

粮食在正常储藏过程中，含水量一般在12%以下是安全状态，不会产生温度突变，一旦粮仓进水、结露等使粮食的含水量达到20%以上时，由于粮食受潮，胚芽萌发，新陈代谢加快而产生呼吸热，使局部粮食温度突然升高，必然引起粮食“发烧”和“霉变”，并可能形成连锁反应，从而造成不可挽回的损失[2]。

此次设计的是粮仓温湿度实时检测控制系统，是对一个粮仓的温湿度进行控制，以保证粮仓储粮的安全。

粮仓温湿度控制系统是以AT89S52单片机为核心构成控制系统。

本课题完成了整个系统的硬件设计，提出了一种可以应用于中小型粮仓的温湿度控制系统。

1　单片机粮仓的发展概况

1.1　研究的背景与意义

农业是国民经济的基础，粮食是基础的基础。

近年来，随着农业科学技术的不断进步，农业生产持续而稳定地增产。

农户生产粮食数量也日益增多，绝大部分农民不仅解决了温饱问题，而且有了更多的粮食。

我国粮食年产量和常年储存量均居世界首位。

中央粮食储备有较为完善的仓储设施和技术保障，在保证国家粮食安全方面发挥着重要作用。

但是，我国还有一半以上的粮食储存在农民手中，这些粮食的储藏安全是国家粮食安全的重要组成部分。

长期以来由于种种原因，忽视了农户粮食储藏技术的研究与推广，农户粮食的储藏技术非常落后，给国家和人民造成了巨大的损失。

与此同时粮食产量增长所依赖的资源正在告急，如耕地面积进一步减少，水土流失日益严重，生态平衡遭到破坏，人口仍在增长的状况。

而提高粮食总产量的空间已很小，还有我国到2040年人口将达到16.6亿。

根据我国现有的光、热、水、土和气候资源，中国科学院在《我国土地的人口承载能力研究》中指出：

我国粮食最大可能生产能力为8.3亿吨，按联合国确定的最低标准人均500kg计算，16.6亿人口是我国国土人口承载能力的极限。

这就迫使我们必须将粮食产后的损失降低到最低限度，减少粮食的储藏损失无疑是利国利民的好事，是保证国家粮食安全的大事。

在这样一种大形势下，国家投资兴建了大型现代化粮库，最大粮库方圆几公里，仓库房数为数十个。

由于大型粮库中粮仓的容量和粮库的规模都是前所未有的，这些因素对原有小粮库的正常运行带来了一些新问题。

主要存在问题有如何随时掌握每个仓内粮食的质量变化情况，保证入库的粮食在较长时间的保存期内不变质。

21世纪，人类社会发展有三个不可能逆转的趋势：

第一是人口的增长，现今世界人口已突破60亿，2050年可能达到100亿；第二是耕地逐年减少，人均占有耕地将会更少；第三是人类对社会物质生活的需求越来越高。

这三个趋势必然导致粮食危机，必然会提出怎么养活100亿人口的问题。

据联合国世界粮农组织统计，每年粮食因储存不善造成霉烂损失占世界粮食总产量20亿吨的1.5％，可达3000万吨。

按人均每年250kg口粮计算，相当于1.2亿人一年的口粮（世界目前有8亿人处于饥饿或半饥饿状态）；我国粮食总产量5亿吨，按这个百分比计算，霉烂粮食为750万吨，如果不霉烂，可解决3000万人一年的口粮。

因此，人类必须千方百计地杜绝粮食的任何损失浪费，决不允许粮食在储存期间出现像现在这样的每年霉烂3000万吨的严重损失。

做好粮食储备工作，对促进经济稳定发展和社会安定具有重要的意义。

粮仓测控系统包括：

粮食检测、分析与通风控制。

“粮食检测”在粮食储藏过程中所起的作用就像“人工”保管时期保管人员的“眼睛”和“鼻子”，对粮食储藏过程中各种粮情进行实时观察，并密切关注着粮情的实时变化；“粮食情况分析”就像保管人员的“大脑”，对通过“眼睛”和“鼻子”观察到各种粮情及变化情况，并根据粮食储藏技术的特点和粮食储藏的各种环境条件进行综合分析与判断，给出相应的结论及处理建议；“通风控制”就像保管人员的“手”和“足”，根据“大脑”的结论和处理建议来采取相应的处理措施，以确保粮食处在适宜的储藏状态，保证粮食储藏的安全。

粮食检测是对粮食储藏过程中粮堆温度、仓内温、湿度、大气温、湿度等基本检测参数变化的记录。

粮情检测系统是通过电源电缆、通讯电缆将计算机、检测主机、检测分机、分线器和测温电缆等连结起来构成的系统。

粮食检测过程是把埋在粮堆内的温度传感器所感应到粮堆内的温度变化情况，通过分线器、检测分机、检测主机而反映到主控机房的计算机上，使库房保管人员可以随时观察粮堆内的温度变化情况，并采取相应的处理措施，以确保粮食储藏过程的安全。

建立粮食监测产品技术应用新体系，应本着一切从国情出发，从实际需要出发，从目前国内的技术水平出发，面向遍布全国各产区和销区粮库的不同仓房类型和功能的粮情检测成套系列化产品，经济实用地满足粮食储藏的不同需求。

1.2　国内外粮仓技术现状

粮仓测控技术的研究始于20世纪70年代，它是科学保粮的重要技术之一。

随着国家农业产业政策的不断完善，以及现代科学技术在农业生产中的应用和推广，国家粮食总产量不断突破历史新高。

但国家的粮食储备状况自建国以来却没有得到明显改善，全国80％左右的粮食仍采用原始的存储方式。

初期，以铜电阻，热敏电阻作为传感器件，通过检测电阻的变化来反映粮食温度的变化，为粮食保管提供参考依据。

但此工作靠人工一点一点测量，效率低，准确性差。

在粮食部门各级领导的关怀和粮食行业科技主管部门的人力支持下，在粮食行业内、外广大科技工作者近30年的共同努力下，粮食检测技术不断完善、提高、并日趋成熟，逐步形成了样式繁多的粮情检测系统，为安全、科学储粮起到了积极的作用。

法国储粮专家Je．Lasseran，D．Berhant采用温度调节器来控制温度。

实验在一个500吨、高16米的中型仓中进行。

研究表明，在低温气候下，从夏季到秋季经2～3次通风每次要持续几个晚上，每天4～10小时，可将温度从300C降到SC（在英国气候条件下），在冬天粮温可保持不变，并在春天有所上升，经过一年的实践表明：

不仅卫生状况良好，而且粮食的品质没有变化。

澳大利亚Gib等专家最近研究了一种以PC机为基础的可遥控和监侧通风系统的通风控制器，该控制器包括一台PC机和相关的软件、气象预报台和粮堆中的灵敏元件。

它能灵活地、有效地控制通风系统，减少通风费用，并可以实行联网，从而不必依靠仓库管理人员收集的情况。

就能得到通风系统的有关数据和系统的运行情况。

目前，他们正进一步完善该通风控制系统并建立通风过程中热量和物质水分转换的数学模型。

1987年我国吴子丹等报道了储粮机械通风的计算机控制系统。

根据在仓房内通风试验得到的数据，建立一个数学模型表示粮食平衡水分的关系。

用该模型编制电算程序，观察粮食的通风效果，并根据物理参数的变化，确定控制通风的有效方式；2004年汤庆设计了粮库温度监控系统，该系统从温度传感器、数据传输方式、上位机监控软件三个方面入手对粮库系统加以改进；2005年施伟祥研究了基于CAN总线的粮食监控系统，该系统完成了对各仓房的温湿度的实时巡检，并对采集数据进行处理分析来掌握粮食的储存情况。

1.3　粮仓测控系统的发展趋势

对比国内外温室环境控制研究及应用情况我们可以看出，温室环境控制系统正向着分布式、网络化、智能化方向发展。

1）分布式

目前工业控制的发展我们可以分为五个阶段：

人工控制阶段、以模拟表为主的控制阶段、计算机参与的控制阶段、分散控制DCS（DistributedControlSystem）阶段、现场总线控制FCS（FieldBusControlSystem）阶段。

2）网络化

网络通讯技术是目前最有活力，发展最快的高科技领域。

网络技术的应用使得信息的交换速度、范围、信息量得到了极大的提高。

随着网络在生产中的应用，使得在线远程服务成为可能。

我们可以利用远在千里之外的专家，来解决现场问题，它改变了传统的信息传播方式，对人类的生活方式造成了重大影响。

3）智能化

利用计算机强大的数据运算能力，巨大的存储空间，从而能够将种植者的经验通过管理软件固化起来。

指导非专业人员或技术不熟练人员代替专家进行工作。

目前神经网络、遗传算法、模糊推理等人工智能技术在设施农业中得到重视并逐步发展。

2　系统总体方案设计

储粮的主要物理参数是粮食的温度以及粮库内、外的温度、湿度，这些参数的快速、准确、自动监测对于减少粮食损耗具有重要意义。

粮情检测系统是能够对粮食进行自动测温、测湿，实现粮情的自动监测，完成粮食状态的分析与评估的智能系统。

该系统利用计算机构成整个粮食仓储区管理系统，系统设计成主从工作作方式，主机应具备通讯、数据显示、数据存储、数据分析等主要管理功能。

下位机系统应该具备通讯、控制及参数输入等基本功能。

2.1　系统总体结构及方案

2.1.1　系统结构

该系统充分利用多点分布式控制系统的优点，是一个多变量的输入输出测控系统，PC机和转换模块放在微机房内，测控分机和传感器安装在粮仓内部。

粮情测控系统主机结构图见图2-1。

上位机（PC）

检测主机

检测

分机

1

检测

分机

2

检测

分机

3

检测

分机

4

检测

分机

5

图2-1系统主机结构图

Fig.2-lMainframechart

上位机选用PC机作为主机，与多台下位机通过转换模块实现主从通讯，对多个粮仓进行网络化的检测、管理、和控制。

由于PC机的串口是RS-232标准，传输距离短，容易受外界干扰，所以采用RS-485总线与测控分机连接。

构成上位主机和若干分机的串行通信。

它支持多点通信，传输距离长，可根据情况随时进行系统的调整和扩展。

为避免通讯中可能出现的信息冲突与竞争，首先是对各从机进行编址，通讯时，主机先发送地址帧，各从机收到地址帧后，与自身地址相比较，如果相同则发送数据，不同则继续等待主机访问，主机收到数据后。

发确认信号给从机，从机收到确认信号后一次通讯即告结束；若主机未收到数据，则从机重复发送，直到接收到主机的确认信号为止。

图2-2系统分机结构图

Fig.2-2Systemextensionschart

下位机采用单片机最小系统设计，作为从机，不用外扩其他硬件电路，成本低，体积小。

为避免通讯中可能出现的信息冲突与竞争，每个从机都有一个固定的地址，通讯时主机先发送地址帧，各从机收到地址帧后，与自身地址相比较，如果相同则发送数据，否则等待。

主要功能是完成巡回检测和传送。

从机定时采集数据，并保存在内部的RAM中，通过本身带有的RS-485接口实现与主机的远距离通讯。

控制系统的设计，上位机经过一定程序运行后向单片机发出启动信号，启动单片机及被控机构。

同时，准备接收下位机即单片机送来的信号和数据。

被启动的下位机，一方面启动传感器来测量粮仓环境，并将采集到的信号送入单片机进行预处理，另一方面把采集到的数据存储并向中心上位机发送。

同时，上位机发出控制信号，去控制执行机构以达到粮食所需的环境。

2.1.2　总体设计方案

根据设计功能要求，系统可分如下部分：

温度监控：

对粮仓温度进行测量，并通过升温或降温达到储粮最佳温度。

湿度监控：

对粮仓湿度进行测量，并通过喷雾或去湿达到储粮最佳湿度。

控制处理：

当温度、湿度越限时报警，并根据报警信号提示采取一定手段控制。

显示：

LED就地显示输入值和相应的温湿度。

2.1.3　实施措施

实际环境温度与给定界限比较，执行加热/制冷措施。

实际环境湿度与给定界限比较，执行加湿/去湿措施。

越限报警：

当温度越限时声音报警。

键盘与显示：

负责用户的输入及相关数据的显示。

2.2　系统方案论证与选择

当将单片机用作测控系统时，系统总要有被测信号通过输入通道，由单片机拾取必要的输入信息对于测量系统而言[3]，如何准确获得被测信号是其核心任务，而对测控系统来讲除对被控对象状态的信号测试外，还要将测试数据与控制条件对比并实施控制相应执行设备。

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，如果没有传感器对原始被测信号进行准确可靠的捕捉和转换，一切准确的测量和控制都将无法实现。

工业生产过程的自动化测量和控制，主要依靠各种传感器来检测和控制生产过程中的各种参数，使设备和系统正常运行在最佳状态，从而保证生产的高效率和高质量。

2.2.1　温度传感器的选择

方案一：

采用热电阻温度传感器。

热电阻是利用导体的电阻随温度变化的特性制成的温度元件。

现应用较多的有铂、铜、镍等热电阻。

其主要特点为精度高、测量范围大、便于远距离测量。

铂的物理、化学性能极稳定，耐氧化能力强，易提纯，复制性好，工业性好，电阻率较高，因此，铂电阻用于工业检测中高精密测温的温度标准。

缺点是价格高，温度系数小，受到磁场影响大，在原介质中易被沾污变脆。

按IEC标准测温范围-200~650℃，每XX电阻比WC（100）=1.3850时R0为100Ω和10Ω[4]其允许的测量误差A级为±（0.15℃+0.002〡t〡），B级为±（0.30℃+0.005〡t〡）。

铜电阻的温度系数比铂电阻大，价格低也易于提纯和加工，但其电阻率小，在腐蚀性介质中使用稳定性差，在工业中用于-50~+180测温。

方案二：

采用模拟集成温度传感器AD590，它的测温范围在-55℃~+155℃之间，而且精度高。

M档在测温范围内非线性误差为±0.3℃[5]。

AD590可以承受44V正向电压和20V反向电压，因而器件反接也不会损坏，使用可靠。

它只需直流电源就能工作，而且，无需进行线性校正，所以使用也非常方便，接口也很简单。

作为电流输出型传感器和电压输出型相比，他有很强的抗外界干扰能力。

AD590的测量信号可远传百余米。

方案三：

采用数字化温度传感器DS18B20[6]。

DS18B20是Dallas半导体公司研制的一款数字化温度传感器，支持“一线总线”接口，即只通过一根信号线完成数据、地址和控制信息的传输。

该器件只有3个引脚（即电源VDD、地线GND、数据线DQ），且不需要外部元件，内部有64位光刻ROM，64位器件序列号出厂前就被刻于ROM中，作为器件地址序列码，便于实现多点测量。

全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内，现场温度直接以“一线总线”的数字传输方式，不仅大大提高了系统的抗干扰性，而且适合恶劣环境的现场温度测量。

如：

环境控制、设备过程控制、一些测温类电子产品。

该电路的温度检测范围是-55℃~125℃，精度是±0.5℃（-10℃~85℃），可以分别在93.75ms和750ms完成9位和12位的数字温度值读入[7]。

根据设计要求：

使用挂接在单总线上的多个数字温度传感器元件，考虑到性价比等一些问题，本文选用的是方案三。

2.2.2　湿度传感器的选择

测量空气湿度的方式很多，其原理是根据某种物质从其周围的空气吸收水分后引起的物理或化学性质的变化，间接的获得该物质的吸水量和周围空气湿度。

电容式、电阻式和湿涨式湿敏元件分别是根据其高分子材料吸湿后的介电常数、电阻率和体积随之发生变化而完成的湿度测量[8]。

方案一：

采用HOS-201湿敏传感器。

HOS-201湿敏传感器为高湿度开关传感器，它的工作电压为交流1V以下，频率为50HZ~1KHZ，测量的湿度范围是0RH~100%RH，工作的温度范围是0℃~50℃[9]，阻抗在75%RH（25℃）为1MΩ。

这种传感器是用于开关的传感器，不能在宽频带范围内检测湿度，因此主要用于判断规定值以上或以下的湿度电平。

然而，这种传感器只限于一定范围内使用时具有良好的线性，可以有效地利用其线性。

方案二：

采用HS1100/HS1101湿度传感器。

HS1100/HS1101电容式传感器，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。

不需校准的完全互换性，高可靠性和长期稳定性，快速响应时间，专利设计的固态聚合物结构，由顶端接触（HS1100）和侧面接触（HS1101）两种封装产品，适用于线性电压输出和频率输出两种电路，适用于制造流水线上的自动插件和自动装配过程等。

相对湿度在1%~100%RH范围内；电容量由16pF变到200pF，其误差不大于±2%RH；响应时间小于5S；温度系数为0.04pF/℃，可见精度是较高的。

方案三：

采用数字湿度传感器（如SHT11等）。

数字湿度传感器将传感器、信号放大调理、A/D转换、I2C总线接口全部集成于一个芯片中。

应用该方案不需外接A/D转换芯片，可以大大简化硬件电路，并能提高电路的可靠性[10]。

综合比较三个方案，方案一，虽然满足精度及测量湿度范围的要求，但其只限于一定范围内使用时才具有良好的线性，而且还不具备在本设计系统中对温度-40℃~+60℃的要求；方案二，虽然不是数字式传感器，与单片机的接口需要外接A/D转换器件，但其性能较优，使用简单，只要合理选择转换电路也可以有较高的性价比。

本系统中，我们选择方案二来作为本设计的湿度传感器。

2.3　主要技术参数

系统平台：

1）硬件平台：

PC机，单片机；

2）软件操作平台：

Windows7；

3）应用软件平台：

C程序设计语言。

检测范围：

1）温度范围：

-55℃~+125℃；

2）湿度范围：

1%RH~100%RH；

3）工作温度：

-40℃~+60℃。

2.4　检测数据处理

1）数据分析：

通过对传感器测量的数据进行分析，判断粮仓是否处于安全状态；

2）数据打印：

对温度、湿度数据打印；

3）数据管理：

对数据进行计算、统计、汇总及打印。

2.5　检测方式

1）实时检测：

不间断对粮食进行检测；

2）定时检测：

在指定的时间或日期对粮食进行检测。

2.6　报警系统

对采集到的温度、湿度数据进行分析，达到报警点的具体位置时系统报警。

3系统硬件设计与实现

本粮仓测控系统采用的就是主从分布式，分布式控制具有很多优点：

（1）减少了系统接线的复杂程度和接线费用，同时也降低了信号的干扰；

（2）使系统具有很高的可靠性；（3）使系统配置灵活，易于扩充和修改。

3.1　AT89S52的介绍

本系统中，我们采用美国ATMEL（爱特梅尔）公司生产的AT89S52单片机作为主控芯片。

AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。

使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。

片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。

在单芯片上，拥有灵巧8位CPU和在系统可编程Flash[11]，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。

3.1.1　AT89S52主要性能

1）与MCS-51单片机产品兼容；

2）256字节RAM；

3）8K字节在系统可编程Flash存储器；

4）1000次擦写周期；

5）全静态操作0Hz-33MHz；

6）三级加密程序存储器；

7）32个可编程I/O口线；

8）3个16位定时器/计数器；

9）8个中断源；

10）全双工UART串行通道；

11）低功耗空闲和掉电模式；

12）掉电后中断可唤醒；

13）看门狗定时器；

14）双数据指针；

15）片内晶振及时钟电路；

16）掉电标识符。

另外，AT89S52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。

空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。

掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。

图3-1所示为AT89S52单片机最小系统原理图。

3.1.2　AT89S52硬件结构

图3-1AT89S52最小系统

Fig.3-1AT89S52minimumsystem

3.2　温度检测电路设计

温度检测是粮情监控系统的重要组成部分，它直接关系到整个监控系统的质量。

本系统采用的数字式温度传感器是美国DALLAS公司生产的数字式温度传感器DSl8B20是世界上第一片支持“一线总线”接口的温度传感器[11]。

一线总线独特而且经济的特点，使用户可轻松地组建传感器网络，为测量系统的构建引入全新概念。

现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性，适合于恶劣环境的现场温度检测，如环境控制、设备或过程控制、测温类消费电子产品等。

支持3-5.5V的电压范围。

3.2.1　DSl8B20功能特性

1）独特的1-Wire接口，不需要外部元件，只要一个接口引脚即可完成通信；

2）每个DSl8B20都有一个独特的64位单一代码储存在ROM中；

3）多点分布式温度传感能力使检测应用得以简化；

4）电压范围3V～5.5V；

5）温度测量范围-55℃～+125℃，在-l0℃～+85℃时测量精度为±0.5℃；

6）实现9～12位的数字值读数方式，在750ms内可将温度转化为12位数字量；

7）用户可以自己设定非易失性温度报警（TH和TL）；

8）应用在恒温控制、工业系统、消费产品、温度计或任何热敏感系统。

图3-2DS18B20封装外部结构图

Fig.3-2DS18B20externalpackagingstructurediagram

DS18B20引脚功能描述如下：

1）DQ：

数据输入/输出引脚。

开漏单总线引脚。

当被用在寄生电源下，可向器件供电；

2）VDD：

电源引脚，可选择使用。

当工作于寄生电源时，此引脚必须接地；

3）GND：

地信号；

4）NC：

空引脚。

3.2.2　DS18B20结构特性

DS18B20内部结构主要由六部分组成：

电源电路、64位光刻ROM及1-wire接口、温度传感器、非易失性温度报警触发器TH和TL、配置寄存器和CRC校验码产生器。

其内部结构如图3-3所示。

图3-3DSl8B20的方框图

Fig.3-3TheblockdiagramDSl8820

64位光刻ROM的排列是：

开始8位（28H）是产品类型标号，接着的48位是该DS18B20自身的序列号，最后8位是前面56位的循环冗余校验码（CRC=X8+X5+X4+1）。

光刻ROM的作用是使每一个DS18B20都各不相同，这样就可以实现一根总线上挂接多个DS18B20的目的[14]。

DS18B20高速存储器包含了9个连续字节，前两个字节是测得的温度信息，第一个字节的内容是温度的低八位，第二个字节是温度的高八位。

第三个和第四个字节是TH、TL的易失性拷贝，第五个字节是配置寄存器的易失性拷贝，这三个字节的内容在每一次上电复位时被刷新。

第六、七、八个字节用于内部计算。

第九个字节是冗余校验字节。

其中，配置寄存器的内容如下：

“TMR1R011111”低5位一直都是1，TM是测试模式位，用于设置DS18B20在工作模式还是在测试模式。

在DS18B20出厂时该位被设置为0，用户不要去改动。

R1和R0用来设置分辨率，如表3-1所示：

（DS18B20出厂时被设置为12位）。

表3-1分辨率设置表

Tab.3-1resolutionsettingtable

R1R0分辨率温度最大转换时间

009位93.75ms

0110位187.5ms

1011位375ms

1112位750ms

DS18B20中的温度传感器可完成对温度的测量，以12位转化为例：

用16位符号扩展的二进制补码读数形式提供，以0.0625℃/LSB[16]形