粮仓多点温度控制系统的设计与实现毕业设计论文.docx

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粮仓多点温度控制系统的设计与实现毕业设计论文

毕业设计论文

粮仓多点温度控制系统的设计与实现

毕业设计任务书

一、课题名称：

粮仓多点温度控制系统的设计与实现

二、指导老师：

蒋小军

三、设计内容与要求

1、课题概述

粮食是人类生存的必需品，我国的公粮现均集中存放在国家或地方的粮库中。

温度是保存好粮食的先决条件之一。

为了保证存放在粮仓中的粮食不致腐烂变质，必须定期抽样检查各点的粮食温度，并使粮仓内的温度、湿度保持在一定的范围内。

可是，我国最大的粮库方圆几公里，仓库房数为数十个，测量点可达数千个。

若采用人工测温，不仅效率低，劳动时间长，而且由于抽样不彻底，导致部分粮食变质，从而引起大面积的粮食变质，造成重大的经济损失和严重的后果。

因此，粮仓管理的智能化必不可少。

本课题意在设计一个粮仓多点温度控制系统，以实现粮仓温度的精确测量与稳定控制。

2、设计要求与内容

1、功能要求：

1）定时对粮仓内多点温度和环境温度自动巡检或人为选测，定时间隔可调。

2）8路输入信号，可检测7点仓库温度和环境温度,自动比较检测点温度与环境温度，各点与环境温差超标则闪光响铃报警,温差处于安全范围保持正常状态不变。

3）检测电路24小时工作，各检测点编号和温度可显示或记录。

2、设计内容：

1）确定系统的设计方案，绘制系统组成框图；

2）使用protel软件绘制各模块电路原理图，并分析其工作原理；

3）使用protel软件绘制整机电路原理图和PCB板图；

4）制作实物并进行系统的软硬件调试；

5）编写毕业设计说明书。

3、主要技术指标

（1）温度检测范围为-40℃～+60℃；

（2）温度误差≤±1.0℃；

（3）超过规定的温度范围时报警；

（4）工作电源：

3~6V；

四、设计参考书

《模拟电子技术》、《数字电子技术》、《单片机原理及应用》等。

五、设计说明书要求

1、封面：

包括设计题目，班级，姓名，指导老师，完成时间；

2、目录：

根据说明书的内容决定，一般采用2～3级；

3、设计任务书：

包括课题名称、目的、用途、主要技术性能指标（参照教材目录编排）；

4、中文题目、摘要、关键词、英文题目、摘要、关键词；

5、正文：

设计方案框图及电路工作原理：

包括系统方框图，电气原理图，各单元电路的设计，简述主要部件（包括主要集成电路）的工作原理、工作条件、给定参数、理论公式及详细的计算步骤、计算结果。

这是说明书的主要部分；

6、元件参数表：

包括所选用的元器件名称、参数、型号；

7、调试方案：

包括调试的条件、方法、使用仪器设备的型号，并对测试数据进行分析；

8、设计心得：

包括对本课程设计的客观评价、设计特点、存在的问题以及改进意见等；

9、参考文献：

包括作者、署名、出版地、出版年等。

六、设计进程安排

第1周：

资料准备与借阅，了解课题思路；

第2-3周：

设计要求说明及课题内容辅导，完成图纸初稿；

第4-6周：

进行毕业设计，完成说明书初稿；

第7周：

第二次检查设计完成情况，并作好毕业答辩准备；

第8周：

毕业答辩与综合成绩评定。

七、毕业设计答辩及论文要求

1、毕业设计答辩要求

答辩前三天，每个学生应按时将毕业设计说明书或毕业论文、专题报告等必要资料交指导教师审阅，由指导教师写出审阅意见。

学生答辩时对自述部分应写出书面提纲，内容包括课题的任务、目的和意义，所采用的原始资料或参考文献、设计的基本内容和主要方法、成果结论和评价。

答辩小组质询课题的关键问题，质询与课题密切相关的基本理论、知识、设计与计算方法实验方法、测试方法，鉴别学生独立工作能力、创新能力。

2、毕业设计论文要求

文字要求：

说明书要求打印（除图纸外），不能手写。

文字通顺，语言流畅，排版合理，无错别字，不允许抄袭。

图纸要求：

按工程制图标准制图，图面整洁，布局合理，线条粗细均匀，圆弧连接光滑，尺寸标注规范，文字注释必须使用工程字书写。

曲线图表要求：

所有曲线、图表、线路图、程序框图、示意图等不准用徒手画，必须按国家规定的标准或工程要求绘制。

摘要

粮食是人类赖以生存的基本物质，是关系国民生计的重要物资,随着人们生活水平的提高，全社会对粮食质量问题提出了新的要求,目前我国地方各大型粮库都存在着不同程度的粮食储存变质的问题。

据统计，我国每年因粮食储存不当而发霉变质的粮食就达上亿斤，造成无法估量的的经济损失。

因此对粮食的温度监控技术在农业上的应用是十分重要的。

本设计是一个粮仓多点温度控制系统，是以实现粮仓温度的精确测量与稳定控制为目的。

它主要是由STC89C51单片机控制模块、DS18B20温度采集模块、报警模块、按键模块、数码显示模块等几部分组成。

整个系统由单片机通过温度传感器控制采集温度信息，并将温度信息送入控制电路进行计算和处理，让其在数码显示管上显示出环境温度与粮仓内各点温度的当前温度差的测量值，当温度差超过规定范围时就发出警报。

它的优势是抗干扰能力强，功耗低，操作简单，功能齐全。

关键词：

STC89C51单片机；DS18B20温度传感器；数码显示；报警器

Abstract

Foodisthebasicmaterialofhumansurvival,isanimportantmaterialrelatedtothelivelihoodofthepeople,withtheimprovementofpeople'slivingstandard,thewholesocietyputsforwardnewrequirementsforthefoodqualityproblems,atpresentourcountrylocallargegraindepottherearedifferentlevelsofgrainstoragedeteriorationoftheproblem.Accordingtostatistics,everyyearinChinabecauseoftheimproperstorageofgrainmoldygrainamountedtobillionsofpounds,incalculableeconomiclosses.Sotheapplicationoftemperaturemonitoringtechnologyforgraininagricultureisveryimportant.

Thisdesignisagranarymulti-pointtemperaturecontrolsystem,istoachieveaccuratemeasurementandstabletemperaturecontrolforthepurposeof.ItismainlybytheSTC89C51controlmodule,DS18B20temperaturegatheringmodule,alarmmodule,keyboardmodule,displaymodule.ThewholesystemiscomposedofMCUthroughthetemperaturesensorcollectstemperatureinformation,andthetemperatureinformationtothecontrolcircuittocalculateandprocess,inwhichthedigitaldisplayshowsthecurrentmeasurementoftheambienttemperatureandthetemperaturedifferenceofeachpointinthegranarytemperaturevalue,whenthetemperatureexceedstherangewillsoundthealarm.Itistheadvantageofstronganti-interferenceability,lowpowerconsumption,simpleoperation,completefunction

Keyword：

STC89C51MCU;DS18B20temperaturesensor;digitaldisplay;alarm

第1章绪论

1.1课题背景

粮食存储是国家为了防止战争、灾难及其他突发性事件而采取的有效措施，因此，粮食的安全储藏具有重要的意义。

目前，我国很多地方的各种大型粮库都还存在着程度不同的粮食储存变质的问题。

根据国家粮食保护法规，必须抽样检查粮库各点的粮食温度，以便及时采取相应的措施，早期粮情信息的检测都是采用手工作业，存在着效率低、劳动强度大等问题，而目前运用的一些粮情测控系统也存在着结构复杂、测量精度低、维护困难、系统缺乏标准化、系列化等问题。

尤其是大型粮库的温度检测系统任务不能及时彻底完成，则有可能会造成粮食大面积变质。

据有关资料统计，我国每年因粮食变质儿损失的粮食达到100亿斤，直接造成的经济损失是惊人的。

粮食的保存至关重要，为了实现粮食的大量储存，本课题设计了一个粮仓多点温度控制系统，以实现粮仓温度的精确测量与稳定控制。

其应用范围甚广。

1.1.1课题设计的意义和目的

当代科学技术日益向高速化、智能化、信息化、网络化发展，不管是生活还是生产，都离不开自动化。

信息社会对工业和农业生产提出了更高、更新的要求，不仅要节约成本，而且要高效化。

温湿度的测量是工业和农业生产中重要的一个环节，尤其对于农业发展，比如大棚种植、粮仓管理等等，都必须保证精确的温湿度控制。

防潮、防霉、防腐、防爆是粮仓日常工作的重要内容，也是衡量粮仓管理工作的重要指标。

为了保证日常工作的顺利进行，必须加强粮仓内温湿度的监测工作，但传统的监测方法既费时又费力，而且误差较大，因此需要造价低廉、使用方便、测量精确的监测系统。

为了满足粮仓温湿度的精确控制要求，满足测温湿度过程信号易处理要求，设计一种可远程无线传输的多点监测数字显示的温湿度测量系统，可以完成多点粮仓温湿度的测量和显示功能。

该系统操作简单，功能齐全，是单片机智能化的一种应用。

1.1.2粮情测控系统现状及其发展

建国以来,我国粮食储藏工作一直认真贯彻“以防为主,综合防治”的保粮方针,本着“安全、经济、有效”的原则,广泛开展以清洁卫生为主的物理机械、化学药剂等方面的综合防治及储粮害虫的调查研究工作,学习国内外科学保粮方法,推广应用科研成果,从而使粮油储藏从最初采用的土法保粮逐步发展到20世纪80年代的气控、温控、“三低”（低温、低氧、低剂量）、害虫科学防治、机械通风和电子测温等科学保粮。

到20世纪90年代初，我国科学保粮数达到储粮总数的65%左右,将储粮损失控制在国家规定的标准之内。

进入21世纪，伴随绿色食品的快速发展和人民生活水平的不断提高，《国家中长期科技发展规划战略———农业拓展战略研究》中确定了“粮食绿色一条龙”和“农产品绿色储运”战略，粮食绿色储藏在我国掀开了新的篇章，并得到高度重视、关注和长足的发展。

1.2国内外温度检测技术的动向与趋势

温度检测的动向与趋势随着工业生产效率不断提高，自动的水平与范围也不断扩大，因而对温度检测技术的要求也愈来愈高，一般可以归纳一下几方面：

1）扩展检测范围：

现在工业上通用的检测温度范围为—200～300摄氏度，而今后要求能测量超高温与超低温，尤其是液化气体的极低温度检测更为迫切，如10K以下的温度检测是当前重点研究课题。

2）扩大测温对象温度检测技术将会由点测量发展到线、面、甚至是立的测量。

应用范围将同工业领域延伸到环境保护，家用电器，汽车工业及航天工业领域。

3）发展新型产品利用老的检测技术生产出适合于不同场合、不同工况要求的新型产品，以满足于用户需要。

4）适应特殊环境下测温在工业生产中，对许多场合的温度检测器有特殊要求，如防硫、防爆、耐磨等性能要求。

5）显示数字化：

温度仪表向数字化方向发展。

其最大优点是直观、无读数误差、分辨率高、测量误差小，因而有广阔的销售市场。

6）标定自动化应用计算机技术，快速，准确，自动地标定温度检测器。

根据上述要求，国内外温度仪表制造商将向以下几方面发展。

a.继续生产量大面广的传统温度检测元件，如：

热电偶、热电阻|热敏电阻等。

b.加强新原理、新材料、新加工工艺的开发。

如近年来已开发的碳化硅薄膜热敏电阻温度检测器。

c.向智能化、集成化、实用化、机电一体化方向发展。

1.3课题的任务要求

1.3.1设计要求与内容

（1）功能要求：

1）定时对粮仓内多点温度和环境温度自动巡检或人为选测，定时间隔可调。

2）8路输入信号，可检测7点仓库温度和环境温度,自动比较检测点温度与环境温度，各点与环境温差超标则闪光响铃报警,温差处于安全范围保持正常状态不变。

3）检测电路24小时工作，各检测点编号和温度可显示或记录。

（2）设计内容：

1）确定系统的设计方案，绘制系统组成框图；

2）使用protel软件绘制各模块电路原理图，并分析其工作原理；

3）使用protel软件绘制整机电路原理图和PCB板图；

4）制作实物并进行系统的软硬件调试；

5）编写毕业设计说明书。

1.3.2主要技术指标

（1）温度检测范围为-40℃～+60℃；

（2）温度误差≤±1.0℃；

（3）超过规定的温度范围时报警；

（4）工作电源：

3~6V；

第2章系统方案设计

确定了课题的目的和意义，根据本课题的研究内容和任务要求，设计出本课题的研究方案，并将方案进行比较论证，选择较优的方案，阐述方案各个模块的功能。

2.1方案的选择与论证

2.1.1系统总体设计

温度检测系统有共同的特点：

测量点多、环境复杂、布线分散、现场离监控室远等。

若采用一般温度传感器采集温度信号，则需要设计信号调理电路、A/D转换及相应的接口电路，才能把传感器输出的模拟信号转换成数字信号送到计算机去处理。

这样，由于各种因素会造成检测系统较大的偏差；又因为检测环境复杂、测量点多、信号传输距离远及各种干扰的影响，会使检测系统的稳定性和可靠性下降。

所以多点温度检测系统的设计的关键在于两部分：

温度传感器的选择和主控单元的设计。

温度传感器应用范围广泛、使用数量庞大，也高居各类传感器之首。

2.1.2方案的比较与论证

（一）传感器部分

方案一

采用热敏电阻，可满足40摄氏度至90摄氏度测量范围，但热敏电阻精度、重复性、可靠性较差，对于检测1摄氏度的信号是不适用的。

而且在温度测量系统中,采用单片温度传感器,比如AD590,LM35等.但这些芯片输出的都是模拟信号,必须经过A/D转换后才能送给计算机,这样就使得测温装置的结构较复杂.另外,这种测温装置的一根线上只能挂一个传感器,不能进行多点测量.即使能实现，也要用到复杂的算法，一定程度上也增加了软件实现的难度。

方案二

AD590是一种单片集成的两端式温度敏感电流源，它具有线性优良、性能稳定、灵敏的高、无需补偿、热容量小、抗干扰能力强、可远距离测温且使用方便的优点。

首先要通过温度传感器将温度转换成电量，把它的电流信号转换成电信号，然后放大，输入到A/D转换电路，在输入到数码管显示出来。

方案三

进而考虑到用温度传感器，在单片机电路设计中，大多都使用传感器，所以可以采用一只温度传感器DS18B20，此传感器可以很容易直接读取被测温度值，进行转换就可以满足设计要求。

采用数字温度芯片DS18B20测量温度，输出信号全数字化。

便于单片机处理及控制，省去传统的测温方法的很多外围电路。

且该芯片的物理化学性很稳定，它能用做工业测温元件，此元件线形较好。

在0—100℃时，最大线形偏差小于1℃。

DS18B20的最大特点之一采用了单总线的数据传输，由数字温度计DS1820和微控制器AT89C51构成的温度测量装置,它直接输出温度的数字信号,可直接与计算机连接。

这样,测温系统的结构就比较简单,体积也不大,且由于AT89C51可以带多个DSB1820,因此可以非常容易实现多点测量.轻松的组建传感器网络。

方案论证

从以上三种方案，很容易看出，方案一、方案二需要对温度信号进行放大、转换，十分麻烦，电路复杂，且工作量大，稳定性差。

方案三，电路比较简单，软件设计也比较简单，故采用方案三。

采用温度芯片DSB1820测量温度，可以体现系统芯片化这个趋势。

部分功能电路的集成，使总体电路更简洁，搭建电路和焊接电路时更块。

而且，集成块的使用，有效地避免外界的干扰，提高测量电路的精确度。

所以集成芯片的使用将成为电路发展的一种趋势。

本方案应用这一温度芯片，也是顺应这一趋势。

（二）单片机控制部分

方案一

此方案采用PC机实现。

它可在线编程，可在线仿真的功能，这让调试变得方便。

且人机交互友好。

但是PC机输出信号不能直接与DS18B20通信。

需要通过RS232电平转换兼容，硬件的合成在线调试，较为繁琐，很不简便。

而且在一些环境比较恶劣的场合，PC机的体积大，携带安装不方便，性能不稳定，给工程带来很多麻烦。

方案二

此方案采用STC89C51八位单片机实现。

单片机软件编程的自由度大，可通过编程实现各种各样的算术算法和逻辑控制。

而且体积小，硬件实现简单，安装方便。

既可以单独对多DS18B20控制工作，还可以与PC机通信.运用主从分布式思想，由一台上位机（PC微型计算机），单片机多点温度数据采集，组成两级分布式多点温度测量的巡回检测系统,实现远程控制。

另外STC89C51在工业控制上也有着广泛的应用，编程技术及外围功能电路的配合使用都很成熟。

方案论证

从以上两个方案可以看出，方案二更适合本设计，因为它而且体积小，硬件实现简单，安装方便。

故本设计采用方案二

（三）系统方案

综上所述，传感器部分采用温度传感器DS18B20，主控部分采用AT89C51单片机。

总体结构方框图如图2.1-1所示。

图2.1-1总体结构方框图

第3章系统的硬件设计

3.1单片机技术的发展及应用

3.1.1单片机技术的发展

单片机，又称微控制器（Microcontroller），是把中央处理器、存储器、定时/计数器（Timer/Counter）、各种输入输出接口等都集成在一块集成电路芯片上的微型计算机。

与应用在个人电脑中的通用型微处理器相比，它更强调自供应（不用外接硬件）和节约成本。

它的最大优点是体积小，可放在仪表内部，但存储量小，输入输出接口简单，功能较低。

由于其发展非常迅速，旧的单片机的定义已不能满足，所以在很多应用场合被称为范围更广的微控制器。

自单片机出现至今，单片机技术已走过了近20年的发展路程。

纵观20年来单片机发展历程可以看出，单片机技术的发展以微处理器（MPU）技术及超大规模集成电路技术的发展为先导，以广泛的应用领域拉动，表现出较微处理器更具个性的发展趋势。

其发展速度大约每两三年就要更新一代、集成度增加一倍、功能翻一番。

其发展速度之快、应用范围之广，已经达到了惊人的地步，它已渗透到生产和生活的各个领域。

目前单片机的品种很多，但其中最典型的是MCS-51单片机,它是美国INTE公司于1980年推出的产品，与MCS-48单片机相比，它的结构更先进，功能更强，在原来的基础上增加了更多的电路单元和指令,指令数达111条，MCS-51单片机可以算是相当成功的产品，一直到现在，MCS-51系列或其兼容的单片机仍是应用的主流产品

3.1.2技术的应用

目前单片机渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。

导弹的导航装置，飞机上各种仪表的控制，计算机的网络通讯与数据传输，工业自动化过程的实时控制和数据处理，广泛使用的各种智能IC卡，民用豪华轿车的安全保障系统，录像机、摄像机、全自动洗衣机的控制，以及程控玩具、电子宠物等等，这些都离不开单片机。

更不用说自动控制领域的机器人、智能仪表、医疗器械以及各种智能机械。

单片机广泛应用于仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管理及过程控制等领域，大致可分如下几个范畴：

智能仪器：

单片机具有体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活、微型化和使用方便等优点，广泛应用于仪器仪表中，结合不同类型的传感器，可实现诸如电压、电流、功率、频率、湿度、温度、流量、速度、厚度、角度、长度、硬度、元素、压力等物理量的测量。

采用单片机控制使得仪器仪表，数字化、智能化、微型化，且功能比起采用电子或数字电路更加强大。

例如精密的测量设备（电压表、功率计，示波器，各种分析仪）。

工业控制:

单片机具有体积小、控制功能强、功耗低、环境适应能力强、扩展灵活和使用方便等优点，用单片机可以构成形式多样的控制系统、数据采集系统、通信系统、信号检测系统、无线感知系统、测控系统、机器人等应用控制系统。

例如工厂流水线的智能化管理，电梯智能化控制、各种报警系统，与计算机联网构成二级控制系统等。

家用电器:

现在的家用电器广泛采用了单片机控制技术，从电饭煲、洗衣机、电冰箱、空调机、彩电、其他音响视频器材、再到电子秤量设备和白色家电等。

网络和通信:

现代的单片机普遍具备通信接口，可以很方便地与计算机进行数据通信，为在计算机网络和通信设备间的应用提供了极好的物质条件，现在的通信设备基本上都实现了单片机智能控制，从手机，电话机、小型程控交换机、楼宇自动通信呼叫系统、列车无线通信、再到日常工作中随处可见的移动电话，集群移动通信，无线电对讲机等。

医用设备领域:

单片机在医用设备中的用途亦相当广泛，例如医用呼吸机，各种分析仪，监护仪，超声诊断设备及病床呼叫系统等等。

汽车电子:

单片机在汽车电子中的应用非常广泛，例如汽车中的发动机控制器，基于CAN总线的汽车发动机智能电子控制器、GPS导航系统、abs防抱死系统、制动系统、胎压检测等。

此外，单片机在工商、金融、科研、教育、电力、通信、物流和国防航空航天等领域都有着十分广泛的用途。

3.2系统温度传感器

本设计系统选用的是增强型单总线数字温度传感器DS18B20。

它在测温精度、转换时间、传输距离、分辨率等方面有很大的优点。

DS18B20有三只引脚，GND，DQ，VDD。

如图3.2-1

1、GND为电源地

2、DQ为数字信号输入/输出端

3、VDD为外接供电电源输入端（在寄生电源接线方式时接地）。

图3.2-1DS18B20引脚图

3.2.1DS18B20工作原理：

DS18B20的温度检测与数字数据输出全集成于一个芯片之上，从而抗干扰力更强。

其一个工作周期可分为两个部分，即温度检测和数据处理。

18B20共有三种形态的存储器资源，它们分别是：

1）ROM只读存储器，用于存放DS18B20ID编码，其前8位是单线系列编码（DS18B20的编码是19H），后面48位是芯片唯一的序列号，最后8位是以上56的位的CRC码（冗余校验）。

数据在出产时设置不由用户更改。

DS18B20共64位ROM。

2）RAM数据暂存器，用于内部计算和数据存取，数据在掉电后丢失，DS18B20共9个字节RAM，每个字节为8位。

第1、2个字节是温度转换后的数据值信息，第3、4个字节是用户EEPROM（常用于温度报警值储存）的镜像。

在上电复位时其值将被刷新。

第5个字节则是用户第3个EEPROM的镜像。

第6、7、8个字节为计数寄存器，是为了让用户得到更高的温度分辨率而设计的，同样也是内部温度转换、计算的暂存单元。

第9个字节为前8个字节的CRC码。

3）