毕业设计粮食进仓湿度自动检测系统设计.docx
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毕业设计粮食进仓湿度自动检测系统设计
1绪论
1.1课题的背景
为保护农民种粮积极性,进一步促进粮食生产发展,经国务院批准,决定从新粮上市起适当提高主产区2012年生产的稻谷最低收购价格。
每50公斤早籼稻(三等,下同)、中晚籼稻、粳稻最低收购价格分别提高到120元、125元、140元,比2011年分别提高18元、18元、12元。
早籼稻播种在即,各地要做好宣传工作,以调动农民种粮积极性,促进粮食生产稳定发展。
粮食的增产增收,给粮食的收购部门带来了压力,也给粮食的储存带来挑战。
粮食储存质量的高低和进仓前的质量有很大的关系,所以必须控制进仓的粮食质量。
本文是利用湿度传感器和单片机对进仓粮食湿度进行检测,并根据分析结果报警和控制运输电机,阻止超过标定湿度的粮食进仓,避免粮食霉变。
1.2粮食进仓湿度自动检测系统研究的意义
我国目前有数千座不同类型的粮食仓库,它们分布在不同的气候区内,不同湿度的粮食,在多变的气候条件和温湿度变化会受到不同程度的霉变[1]。
以前的经济和科技水平有限,所以我国粮食的存储环境很差,管理落后。
因此研制能够可靠的检测进仓储前粮食的湿度,并对湿度进行预测分析和报警以阻止高湿度的粮食进仓,对避免霉变有重要意义[2]。
1.3粮食进仓湿度自动检测系统的发展状况
湿度就是指空气中湿气的含量。
有绝对湿度和相对湿度之分,空气湿度是用来表示空气中的水汽含量多少或空气潮湿程度的物理量。
通常指的是相对湿度,它是指实际空气的湿度与在同一温度下达到饱和状况时的湿度之比值,绝对湿度是指每单位容积的气体所含水分的重量,一般用mg/L作指标。
(本文所指的湿度均为相对湿度)湿度测量从原理上划分有二、三十种之多。
但湿度测量始终是世界计量领域中著名的难题之一。
一个看似简单的量值,深究起来,涉及相当复杂的物理—化学理论分析和计算,初涉者可能会忽略在湿度测量中必需注意的许多因素,从而影响传感器的合理使用。
粮食是国家发展的命脉,粮食进仓时的湿度对粮食的长期存储是否可行起着决定性的作用。
近年来,粮食进仓时湿度越来越受到人们的重视。
1.3.1国外研究概况
国外研究机构已设计出了基于电子式传感器的可对湿度进行检测检测仪器,主要的有如下几种:
⑴一种新型多通道温湿度检测仪。
多通道智能温湿度检测仪是以51单片机为基础,选用瑞士盛世瑞恩的SHT11数字温湿度传感器,该传感器内部经过温度补偿和湿度全量程标定,输出标准数字信号,且提供应用程序,使用非常方便,缩短开发时间,降低成本,通过485总线可实现对粮食湿度的多点测量。
这种仪器具有测量精度高、硬件电路简单、显示界面友好、可巡回测试多点温湿度等特点,但是该仪器只能对仓内粮食湿度进行监测[3]。
⑵基于MEMS(Micro-Electro-MechanicalSystems,微机电系统)的湿度检测仪。
该仪器是一种基于多传感头集成的MEMS系统,用于测量湿度。
同时由于MEMS技术的使用,使得该仪器整体电路简单可靠,而且体积小,携带方便[4]。
目前该仪器未用于粮食的湿度检测。
⑶一种用微波来监测田间粮食作物子粒湿度的仪器系统。
美国新泽西立贝农业机械公司开发了一种用微波来监测田间粮食作物子粒湿度的仪器系统[5],该仪器的发射无线可以将微波传入田间的粮食、玉米、小麦、大豆、大麦等作物的果实子粒部分,通过观测发生的相应变化来测其果实子粒的潮湿度和含水量。
1.3.2国内研究概况
国内也有一些研究机构提出湿度检测方案,主要有如下几种:
⑴手持式微波粮食测试仪。
广州建科测试仪器科技有限公司研发的MOIST200手持式微波测试仪[6]。
它采用了微波技术,测试深度可达30cm,可测试建筑材料的湿度,快速轻便。
另外MOIST200与MOISTANALYZE多维湿度分布成像软件综合使用,可获得所测建筑材料内部及表面湿度情况的分布图[7]。
⑵用于检测粮食内部相对含水量的理论模型。
黑龙江八一农垦大学研制了一种以变频技术为基础,采用了空间波法中反射波法,提出了如何利用纯净水对微波的衰减特性测量粮食内相对含水量分布的方法,建立了检测粮食内部相对含水量的理论模型。
该方法克服了以往测量前需对待测物采样定标所带来的不便,拓展了微波的应用范围[8]。
⑶基于AT89C51的单片机的湿度检测与控制的方案。
西南石油大学提出了一种基于AT89C51的单片机的湿度检测与控制的方案,对被测对象湿度在不同变化范围需要不同的PID参数的特点,根据检测湿度自动选择合适的一组PID参数进行控制的设计方案,整个设计简明清晰[9]。
1.4本课题的主要研究内容
本课题是为实现粮食湿度检测的要求而设计的,课题的主要研究内容是设计并实现一个基于单片机系统的粮食进仓湿度自动检测报警控制系统,该系统具有实时显示检测数据和实时上传检测数据的功能。
因此本课题的研究内容有以下几个方面:
⑴系统整体方案设计:
根据系统功能要求并且考虑产品的性价比,采用湿度传感器,并采用模块化设计方法,以方便系统的调试和后期开发。
⑵系统硬件设计:
主要单片机芯片的选型、传感器的选型、单片机系统与A/D及其外围电路的设计、单片机与LED显示模块接口电路设计,报警电路的设计,电机控制电路的设计等。
⑶系统软件设计:
主要包括单片机部分的LED显示、数据采样程序设计和串口通信程序等。
2粮食进仓湿度自动检测系统的总体设计
2.1粮食进仓湿度自动检测系统的设计要求
本课题的主要研究内容是设计并实现一个基于单片机系统的粮食进仓湿度自动检测报警控制系统。
该系统的设计要求具有实时显示检测的数据和实时上传检测数据的功能,同时当湿度超过设定的75%以上时,系统将会启动报警系统报警通知检测人员对粮食进行检测,同时控制系统将运输线停止。
2.2设计思路和方案
粮食进仓时一般是由工作人员将运粮车上成袋的粮食打开放到传送带上,通过传送带传送到清选机清除杂物后再进入到仓库里。
本系统是通过安装在输送安装架上的湿度检测系统对通过传送带进仓的粮食湿度进行实时的检测,并对湿度进行显示和分析,根据分析结果报警提示工作人员并切断电机使输送带停止,防止高湿度的粮食进仓。
系统设计要能够可靠的检测进仓前时粮食的湿度(测量范围为10%~95%RH的湿度)[10],并进行合理的分析,实时的报警和及时的电机切断。
本文的主要研究内容将集中在该仪器电子部分的设计和研究,整个系统的框图如图2-1所示。
防止粮
食进仓
湿度检测系统
否
是
报警并控制电机
湿度是
否过高
搬到传
送带上
工作
人员
工作
人员
车上的
粮食
输送到
清选机
图2-1系统的流程图
根据系统框图,研究内容分为下面三个大模块:
⑴粮食进仓湿度自动检测系统信号采集部分。
通过调查与研究目前各种粮食进仓湿度自动检测系统的评价方法及现有的检测手段及检测方法,选择合适的湿度传感器,把非电信号(湿度)转换成模拟电信号(如电压,电流等)。
⑵粮食进仓湿度自动检测系统的数据处理部分。
以AT89C51单片机为中心的数据处理,数据显示,数据通讯部分。
AT89C51单片机接收A/D芯片转换结果数据,通过一定的软件算法求得能表征粮食湿度的数据,并送至3位八段LED显示和PC机存储和处理[11]。
⑶粮食进仓湿度自动检测系统的软件设计。
软件设计分为单片机软件和PC机软件两个部分,单片机软件主要实现数据处理,系统外设控制,数据显示以及与PC机间数据通信。
其中,数据处理是关键,根据湿度检测仪器的特点,本文用取最大值再求均方差算法处理数据。
PC机软件主要实现与单片机的数据通讯以及数据处理两大功能。
各个模块的划分如图2-2所示。
报警模块
电机控制模块
串口通信模块
LED显示模块
数据采集处理模块
数据处理模块
串口接收数据模块
单片机程序模块
PC机程序模块
串口通信
电机控制
报警
LED显示
A/D转换器
变送器
软件系统模块
硬件系统模块
粮食进仓湿度自动检测系统
图2-2系统模块划分图
3粮食进仓湿度自动检测报警控制系统硬件设计
3.1引言
本硬件系统采用的单片机是AT89C51,该单片机具有灵活性高、使用方便、价格低廉等优点,图3-1所示的是基于AT89C51的湿度检测系统硬件结构图。
湿度传感器将外部湿度转换为模拟电压信号,并接着将信号放大和线性化使得信号在A/D转换芯片的量程范围内,在AT89C51的控制下,A/D转换芯片完成信号的A/D转换,然后将转换后的数字信号送入AT89C51,AT89C51进行数据的比较和BCD码转换,最后利用数码管对当前湿度进行3位显示,当湿度超过其要求时便报警和切断控制电机。
系统上电复位后开始直接运行,在运行过程中,系统每隔3秒检测一次当前湿度并送往数码管进行显示。
在检测过程中,当湿度超过上限值时系统会自动报警,指示当前湿度过高并切断电机。
同时将显示清零,以准备进行下一次的数据采集、检测及显示[12]。
该系统硬件组成主要包括湿度检测电路、显示接口电路、报警电路、电机控制电路、PC机通信电路。
LED显示
AT89C51
声光报警
A/D转换器
湿度变送器
电机控制
PC机通信
图3-1系统硬件结构图
3.2单片机模块
单片机又称单片微控制器,它是将CPU、存储器、输入/输出接口、定时/计数器等集成在一块芯片上,是目前销量最大、应用面最广、价格最便宜的微型计算机。
单片机的结构框图如图3-2所示。
AT89C51结构简单,应用范围广,技术成熟,价格便宜。
因此本系统所采用的单片机为AT89C51。
程序存储器
外设
取指令
CPU
定时/计数器
I/O口
图3-2单片机结构框图
3.2.1AT89C51单片机的内部的硬件结构及引脚
⑴AT89C51单片机内部的总体硬件结构:
AT89C51单片机的内部基本结构,如图3-3所示。
中断系统
AT89C51
CPU
并行I/O端口
两个16位
定时器/计数器
数据存储器
256BRAM/SFR
程序存储器
4KBROM
全双工串行口
外部计数脉冲
振荡器和时钟电路
64KB总线扩展控制
外部时钟源
图3-3AT89C51单片机的内部基本结构
⑵AT89C51单片机的引脚:
AT89C51单片机是HMOS工艺制造,外形为40条引脚,如图3-4所示。
因为受芯片引脚数量的限制,有很多引脚具有双功能。
①主电源引脚
VCC:
芯片工作电源端,接+5V。
VSS:
电源接地端。
②时钟振荡电路引脚
XTAL1:
内部晶体振荡电路的反相器输入端。
接法如图3-6。
图3-4AT89C51单片机的引脚
XTAL2:
内部晶体振荡电路的反相器输出端。
接法如图3-6。
③控制信号引脚
RST—为复位信号输入端。
外部接复位电路。
接法如图3-5。
ALE—为地址锁存允许信号。
在不访问外部存储器时,ALE以时钟振荡频率的1/6的固定频率输出,用示波器观察ALE引脚上的脉冲信号是判断单片机芯片是否正常工作的一种简便方法。
④并行I/O端口引脚
P0口(P0.0~P0.7);P1口(P1.0~P1.7);P2口(P2.0~P2.7);P3口(P3.0~P3.7)。
⑶复位电路与时钟电路
①复位电路
单片机的RST引脚是复位信号输入端,RST引脚上保持两个机器周期(24个时钟周期)以上的高电平时,可使单片机内部可靠复位。
单片机常用的外部复位电路如图3-5。
图3-5AT89C51单片机的复位电路
复位后,单
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