糧倉的濕度監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計.doc

1、糧倉的濕度控制系統(tǒng)設(shè)計 學(xué)校 燕山大學(xué)里仁學(xué)院 專業(yè) 自動化 姓名 申亞輝學(xué)號101610041073 指導(dǎo)教師 劉爽 、李海濱 摘要隨著單片機(jī)技術(shù)和工業(yè)生產(chǎn)自動化程度的不斷提高，單片機(jī)測控技術(shù)已得到了廣泛的推廣和應(yīng)用。這種單片機(jī)的測試技術(shù)為工業(yè)控制、家用電器和儀器儀表智能化的應(yīng)用提供了一種全新的、有效的測試方法，并具有很大的實用意義和前景。本文根據(jù)糧倉環(huán)境測試的特點，應(yīng)用現(xiàn)代檢測理論，對溫室的溫度、濕度等環(huán)境因子進(jìn)行自動檢測，完成了整個監(jiān)測檢測系統(tǒng)的軟、硬件設(shè)計.第一章對糧倉自動監(jiān)測系統(tǒng)的發(fā)展背景及現(xiàn)狀作一簡單介紹，并確定了本論文的設(shè)計方向；第二章介紹了系統(tǒng)的硬件設(shè)計；第三章介紹了系統(tǒng)軟件的

2、模塊化設(shè)計；最后對整個系統(tǒng)的改進(jìn)提出幾點建議。關(guān)鍵詞: 糧倉；現(xiàn)代檢測技術(shù);單片機(jī)；微處理器 ；濕度傳感器 目錄 摘要2目錄3緒論4 1.1研究的背景和意義4 1。2濕度傳感器技術(shù)的國內(nèi)外研究動態(tài)。.。.。.。.41.3本課題的主要研究目標(biāo)及內(nèi)容.。.62系統(tǒng)的硬件設(shè)計。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.7 2.1總體設(shè)計7 2。2信號采樣電路設(shè)計8 2.2.2濕度采樣電路設(shè)計.8 2.2。2.1濕度傳感器的選擇9 2.2.2.2濕度檢測電路9 2。3單片機(jī)最小系統(tǒng)的設(shè)計。9 2.3。1單片機(jī)復(fù)位電路的設(shè)計。10 2。3.2單片機(jī)時鐘電路的設(shè)計。

3、10 2.3.3 8031單片機(jī)系統(tǒng).。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.11 2。4 A/D轉(zhuǎn)換電路.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.11 2.4.1 A/D轉(zhuǎn)換的常用方法。.112.4。2 A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)。11 2.4.3 ADC0809的主要特性和內(nèi)部結(jié)構(gòu)。12 2。4.4 ADC0809管腳功能及定義.13 2.4.5 ADC0809與8031的接口電路.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。14 3.0系統(tǒng)的軟件設(shè)計.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.14

4、 3.1 軟件系統(tǒng)框圖及地址分配。15 3。2主程序設(shè)計.。.。.。.。.。.。.。.16 3。3濾波程序設(shè)計。.17 總結(jié).19參考文獻(xiàn).。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.19 1緒論1.1研究的背景和意義 糧食儲藏是國家為防備戰(zhàn)爭、災(zāi)荒及其它突發(fā)性事件而采取的有效措施，因此,糧食的安全儲藏具有重要意義。目前，我國地方及墾區(qū)的各種大型糧庫都還存在著程度不同的糧食儲存變質(zhì)問題。根據(jù)國家糧食保護(hù)法規(guī)定，必須定期抽樣檢查糧庫各點的糧食溫度和濕度，以便及時采取相應(yīng)的措施.但大部分糧庫目前還是采取人工測量溫度和濕度的方法，這不僅

5、使糧庫工作人員工作量增大，且工作效率低，尤其是大型糧庫的溫度和濕度檢測任務(wù)如不能及時徹底完成，則有可能會造成糧食大面積變質(zhì)。據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計,我國每年因糧食變質(zhì)而損失的糧食達(dá)數(shù)億斤，直接造成的經(jīng)濟(jì)損失是驚人的。 影響糧食安全儲藏的主要參數(shù)是糧食的溫度和濕度，這兩者之間又是互相關(guān)聯(lián)的。糧食在正常儲藏過程中，含水量一般在12以下(為安全狀態(tài))，不會產(chǎn)生溫度突變,一旦糧庫進(jìn)水、結(jié)露等使糧食的含水量達(dá)到20以上時,由于糧粒受潮，胚芽萌發(fā)，新陳代謝加快而產(chǎn)生呼吸熱，使局部糧食溫度突然升高，必然引起糧食“發(fā)燒”和霉變，并可能形成連鎖反應(yīng)，從而造成不可挽回的損失.因此設(shè)計出一種經(jīng)濟(jì)實用的糧庫糧情濕度智能檢測系

6、統(tǒng)是非常有必要的。1.2 濕度傳感器技術(shù)的國內(nèi)外研究動態(tài) 近年來，國內(nèi)外在濕度傳感器研發(fā)領(lǐng)域取得了長足進(jìn)步.濕敏傳感器正從簡單的濕敏元件向集成化、智能化、多參數(shù)檢測的方向迅速發(fā)展，為開發(fā)新一代濕度崛度測控系統(tǒng)創(chuàng)造了有利條件，也將濕度測量技術(shù)提高到新的水平。一、濕敏元件 濕敏元件是最簡單的濕度傳感器。濕敏元件主要有電阻式、電容式兩大類.濕敏電阻的特點是在基片上覆蓋一層用感濕材料制成的膜，當(dāng)空氣中的水蒸氣吸附在感濕膜上時，元件的電阻率和電阻值都發(fā)生變化，利用這一特性即可測量濕度。濕敏電阻的種類很多，例如金屬氧化物濕敏電阻、硅濕敏電阻、陶瓷濕敏電阻等.濕敏電阻的優(yōu)點是靈敏度高，主要缺點是線性度和產(chǎn)品

7、的互換性差. 濕敏電容一般是用高分子薄膜電容制成的，常用的高分子材料有聚苯乙烯、聚酞亞胺、酪酸醋酸纖維等。當(dāng)環(huán)境濕度發(fā)生改變時,濕敏電容的介電常數(shù)發(fā)生變化,使其電容量也發(fā)生變化,其電容變化量與相對濕度成正比。濕敏電容的主要優(yōu)點是靈敏度高、產(chǎn)品互換性好、響應(yīng)速度快、濕度的滯后量小、便于制造、容易實現(xiàn)小型化和集成化，其精度一般比濕敏電阻要低一些.國外生產(chǎn)濕敏電容的主要廠家有Humirel公司、Philip公司、Siemens公司等.以Humirel公司生產(chǎn)的HS1100型濕敏電容為例，其測量范圍是(1 %99 ) RH，在55% RH時的電容量為180pF(典型值）.當(dāng)相對濕度從0變化到100%時

8、，電容量的變化范圍是163pF202pF。溫度系數(shù)為0.04 pF/ C，濕度滯后量為士1.5,響應(yīng)時間為5s。除電阻式、電容式濕敏元件之外，還有電解質(zhì)離子型濕敏元件、重量型濕敏元件（利用感濕膜重量的變化來改變振蕩頻率）、光強(qiáng)型濕敏元件、聲表面波濕敏元件等.濕敏元件的線性度及抗污染性差，在檢測環(huán)境濕度時,濕敏元件要長期暴露在待測環(huán)境中，很容易被污染而影響其測量精度及長期穩(wěn)定性。二、集成濕度傳感器 目前，國外生產(chǎn)集成濕度傳感器的主要廠家及典型產(chǎn)品分別為Honeywe”公司（H1H3602， HIH3605, HIH3610型)，Humirel公司(HM 1500， HM 1520, HF3223

9、 , HTF3223型),Sensiron公司（SHT11,SHT15型）。這些產(chǎn)品可分成以下三種類型：1、線性電壓輸出式集成濕度傳感器 典型產(chǎn)品有HIH3605/3610， HM1500/ 1520。其主要特點是采用恒壓供電，內(nèi)置放大電路,能輸出與相對濕度成比例關(guān)系的伏特級電壓信號，響應(yīng)速度快，重復(fù)性好，抗污染能力強(qiáng)。2、線性頻率輸出式集成濕度傳感器 典型產(chǎn)品為HF3223型，它采用模塊式結(jié)構(gòu),屬于頻率輸出式集成濕度傳感器，在55 RH時的輸出頻率為8750Hz(典型值），當(dāng)相對濕度從10變化到95時，輸出頻率就從9560Hz減小到8030Hze這種傳感器具有線性度好、抗干擾能力強(qiáng)、便于配數(shù)

10、字電路或單片機(jī)、價格低等優(yōu)點。3、頻率/溫度輸出式集成濕度傳感器 典型產(chǎn)品為HTF3223型。它除具有HF3223的功能以外，還增加了溫度信號輸出端，利用負(fù)溫度系數(shù)（NTC）熱敏電阻作為溫度傳感器。當(dāng)環(huán)境溫度變化時,其電阻值也相應(yīng)改變并且從NTC端引出,配上二次儀表即可測量出溫度值fl01。3 本課題的主要研究目標(biāo)及內(nèi)容1.3。1 設(shè)計目標(biāo)實現(xiàn)濕度的控制系統(tǒng)。1。3.2 設(shè)計內(nèi)容1.設(shè)計相應(yīng)的信號采集電路、執(zhí)行電路等硬件電路;2。實現(xiàn)各環(huán)境要素的自動監(jiān)測；3.通過單片機(jī)匯編語言編制數(shù)據(jù)采集、分析處理、顯示、修改、參數(shù)設(shè)置、控制等程序功能模塊;4.研究裝置的軟硬件抗干擾措施，提高系統(tǒng)工作的可靠性

11、和穩(wěn)定性。 2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計2。1總體設(shè)計總的設(shè)計思想是通過濕度傳感器將濕度值轉(zhuǎn)換為電量輸出，由A/D轉(zhuǎn)換器對模擬信號進(jìn)行數(shù)字化,被數(shù)字化的信號送達(dá)單片機(jī)處理總體設(shè)計框圖如圖所示。本系統(tǒng)完成以下功能：可對濕度進(jìn)行多點自動檢.為實現(xiàn)以上功能需安排以下4個部分組成整個控制系統(tǒng)如圖32所示.系統(tǒng)的硬件組成: (1）信號采樣電路 （2)單片機(jī)基本系統(tǒng)(8031) （3）單片機(jī)的擴(kuò)展 （4) A/D轉(zhuǎn)換電路   2.2信號采樣電路設(shè)計 采樣電路在整個控制裝置中占據(jù)著十分重要的地位，采樣值是8031主要處理的數(shù)據(jù)，是實施控制的依據(jù)，所以保證采樣電路的準(zhǔn)確是進(jìn)行良好控制的基礎(chǔ).2.2.

12、2濕度采樣電路設(shè)計2。2.2.1濕度傳感器的選擇在非電物理量的檢測中，濕度的測量是比較困難的。濕度信號的傳遞必須靠水對濕敏元件直接接觸來完成，因此濕敏元件只能直接暴露于待測環(huán)境中，而不能密封，這些都導(dǎo)致濕度傳感器的壽命較短。目前已有幾十種濕敏器件,按感濕材料來分,大致有四類：電解質(zhì)、半導(dǎo)體陶瓷、高分子和其它。本系統(tǒng)需要檢測溫室內(nèi)空氣的相對濕度，它是絕對濕度和飽和濕度之比。根據(jù)溫室濕度控制的特點，本系統(tǒng)中濕度傳感器選用型濕度傳感器。型濕度傳感器屬于電容型的高分子材料制成的濕敏元件，它的傳感功能是通過高分子聚合物在吸濕后而引起介電常數(shù)的變化來完成的.它具有線形度好、滯后性小、響應(yīng)快以及能在較寒冷的

13、環(huán)境中使用等優(yōu)點，其主要的特性參數(shù)為: 工作環(huán)境溫度：-30+80 ; 相對濕度測量范圍：0100%RH ； 測濕精度：士4RH。2.2.2。2濕度檢測電路濕度檢測電路由濕度傳感器型濕度傳感器、振蕩電路、整流電路、輸出放大電路等組成。濕度檢測電路如圖3-4所示。振蕩電路為RC橋式振蕩電路，傳感器特性的線形補(bǔ)償由R1, R2完成，D1， D2， D3用于輸入保護(hù)，A1, A2為運(yùn)算放大器，A2接成電壓跟隨器.當(dāng)環(huán)境濕度發(fā)生變化時，傳感器的電容量也隨著變化，這種變化反應(yīng)到由振蕩電路提供的正弦波信號，通過電壓跟隨器輸出電壓值.2.3單片機(jī)最小系統(tǒng)的設(shè)計2.3。1單片機(jī)復(fù)位電路的設(shè)計復(fù)位電路是單片機(jī)應(yīng)

14、用中重要的一環(huán),它對單片機(jī)抗干擾有重要作用。在振蕩運(yùn)行的情況下，要實現(xiàn)復(fù)位操作，必須使RST引腳至少保持兩個機(jī)器周期的高電平。復(fù)位期間不產(chǎn)生ALE及PSEN信號.復(fù)位后,各內(nèi)部寄存器狀態(tài)如表3-2所示.8031單片機(jī)的復(fù)位電路如圖3-5所示。2。3。2單片機(jī)時鐘電路的設(shè)計單片機(jī)的時鐘產(chǎn)生方法有兩種：內(nèi)部時鐘方式和外部時鐘方式。本系統(tǒng)中8031單片機(jī)采用內(nèi)部時鐘方式。最常用的內(nèi)部時鐘方式是采用外接晶體和電容組成的并聯(lián)諧振回路。振蕩晶體可在1。2MHz12MHz之間.電容值無嚴(yán)格要求,但電容取值對振蕩頻率輸出的穩(wěn)定性、大小和振蕩電路起振速度有少許影響，一般可在20pF-100pF之間取值。8031

15、單片機(jī)的時鐘電路如圖3-6所示。2.3.3 0831單片機(jī)系統(tǒng)一個最小8031單片機(jī)系統(tǒng)有CPU（8031) ， 8位3態(tài)D鎖存器74LS373,ROM或RAM，時鐘電路和復(fù)位電路等基本電路組成。2.4 A/D轉(zhuǎn)換電路由信號處理電路輸出的信號為模擬信號，而單片機(jī)只能處理數(shù)字量，所以必須首先將模擬量經(jīng)過一定電路轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號,單片機(jī)才能處理，這種電路被稱為A/D轉(zhuǎn)換電路，是模擬系統(tǒng)與計算機(jī)之間的接口部件.2。4.1 A/D轉(zhuǎn)換的常用方法 A/D轉(zhuǎn)換的常用方法有：雙積分式A/D轉(zhuǎn)換、逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換、計數(shù)型A/D轉(zhuǎn)換等。 雙積分式A/D轉(zhuǎn)換的工作原理是將對輸入電壓的測量,轉(zhuǎn)換成對基準(zhǔn)源積分時間

16、的測量，再測量時間（脈沖寬度信號)或頻率（脈沖頻率），然后由定時器/計數(shù)器獲得數(shù)字值。這種方法的主要優(yōu)點是分辯率高、精度高、抗干擾性好；主要缺點是轉(zhuǎn)換速度慢. 逐次逼近型A/D由一個比較器和D/A轉(zhuǎn)換器通過逐次比較邏輯構(gòu)成,川頁序地增加內(nèi)部D/A的輸入值，并將其輸出電壓與A/D測量輸入電壓比較,當(dāng)二者相等時，內(nèi)部D/A的輸入值就是A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果。這種方法的主要優(yōu)點是速度快、功耗低；主要缺點是抗干擾性差.2.4.2 A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)有:分辨率、精度、量程、轉(zhuǎn)換時間等。分辨率(Resolution)分辨率反映轉(zhuǎn)換器所能分辨的被測量的最小值。通常用輸出二進(jìn)制代碼

17、的位數(shù)來表示。8位A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率為8位. 精度(Precision )精度指的是轉(zhuǎn)換的結(jié)果相對于實際的偏差，精度有兩種表示方法:絕對精度和相對精度。絕對精度用最低位(LSB）的倍數(shù)來表示，如： 如1LSB ;相對精度用絕對精度除以滿量程值的百分?jǐn)?shù)來表示，如:士0。05%。同樣分辨率的轉(zhuǎn)換器其精度可能不同。量程(滿刻度范圍一Full Scale Range）量程是指輸入模擬電壓的變化范圍。如：某轉(zhuǎn)換器具有10V的單極性范圍或一5一+5V的雙極性范圍，它們的量程都為10V.實際的A/D ， D/A轉(zhuǎn)換器的最大輸入/輸出值總是比滿刻度值小。轉(zhuǎn)換時間(Conversion Time ） A/D轉(zhuǎn)

18、換器的轉(zhuǎn)換時間是指:從啟動轉(zhuǎn)換開始，直至取得穩(wěn)定的數(shù)字量或模擬量所需的時間稱為轉(zhuǎn)換時間.轉(zhuǎn)換時間與轉(zhuǎn)換器工作原理及其位數(shù)有關(guān)。同種工作原理的轉(zhuǎn)換器,通常位數(shù)越多，轉(zhuǎn)換時間越長.2。4.3 ADC0809的主要特征和內(nèi)部結(jié)構(gòu)本系統(tǒng)采用ADC0809大規(guī)模集成電路芯片，它是逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器，輸出的數(shù)字信號有二態(tài)緩沖器，可以和單片機(jī)直接接口。ADC0809的主要技術(shù)指標(biāo)為：分辨率：8位;單電源供電：+5V;最大不可調(diào)誤差小于 士1LSB ; 轉(zhuǎn)換時間為100s （時鐘頻率為640KHz);模擬輸入范圍：單極性。05V;不必進(jìn)行零點和滿刻度調(diào)整；功耗為15Mw;ADC0809由一個8路模擬開關(guān)、

19、一個地址鎖存與譯碼器、一個8位A/D轉(zhuǎn)換器和一個二態(tài)輸出鎖存器組成。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖 37所示。2.4.4 ADC0809管腳功能及定義 ADC0809模數(shù)轉(zhuǎn)換器的管腳定義如圖3-8所示。IN0IN7 : 8通道模擬量輸入。ADDA， ADDB, ADDC: A， B, C為地址輸入線，用于選通IN0IN7上的一路模擬量輸入.通道選擇表如表3-3所示。ALE：地址鎖存允許輸入線，高電平有效。當(dāng)ALE線為高電平時,地址鎖 存與譯碼器將A, B, C二條地址線的地址信號進(jìn)行鎖存，經(jīng)譯碼后被選中通道的模擬量進(jìn)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。D0一D7: 8位輸出數(shù)據(jù)線(二態(tài)），A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果由這8根線傳送給單片機(jī)

20、。OE：允許輸出信號。當(dāng)OE = 1時，輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)；當(dāng)OE=0時，輸出數(shù)據(jù)線呈高阻狀態(tài)。START:轉(zhuǎn)換啟動信號。START為正脈沖，其上跳沿所有內(nèi)部寄存器清零;下跳沿時，開始進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換；在轉(zhuǎn)換期間，START應(yīng)保持低電平。EOC:轉(zhuǎn)換結(jié)束信號。當(dāng)EOC為高電平時，表明轉(zhuǎn)換結(jié)束;否則，表明正在進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換.CLK:時鐘輸入信號。因ADC0809的內(nèi)部沒有時鐘電路，所需時鐘信號必須由外界提供，頻率范圍為10KHz1。2MHz，典型值為640KHz。2.4。5 ADC0809與8031的接口電路ADC0809有8個通道的模擬量輸入，在程序控制下，可令任意通道進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換并可得到相應(yīng)

21、的8位二進(jìn)制數(shù)字量. ADC0809與8031單片機(jī)的連接如附圖所示。 3系統(tǒng)的軟件設(shè)計本章在硬件電路設(shè)計的基礎(chǔ)上,全面闡述各部分軟件的設(shè)計思想和具體實現(xiàn)方法.整個軟件采用模塊化設(shè)計結(jié)構(gòu)，并利用匯編語言編制。整個程序由主程序、A/D轉(zhuǎn)換、模糊控制、采樣濾波等子程序模塊組成.3.1軟件系統(tǒng)本系統(tǒng)選用8031單片機(jī)為主機(jī)，由于其片內(nèi)無程序存儲器，所以擴(kuò)展4KB ROM 2732作為程序存儲器,74LS373作為地址鎖存器,8位輸入A/D轉(zhuǎn)換器（ADC0809)。 3.2主程序設(shè)計主程序框圖如圖42所示。程序初始化包括寄存器設(shè)置、堆棧設(shè)置和相關(guān)單元清零設(shè)置等。主程序存放于ROM中，啟動后循環(huán)執(zhí)行，不

22、停地進(jìn)行采樣計算，得出實際濕度值。主程序： ORG 0000HAJMP MAINORG 0100HADO EQU12HPORT EQU 41HPORTA EQU 54HPORT B EQU 69HPORTC EQU 82HMAIN: MOV SP， 60H ;設(shè)置堆棧 MOV 51H,46H；濕度設(shè)定值存于51H單元，設(shè)定值70RH%MOV R0，30H;顯示緩沖區(qū)30H到37H清0MOV A,#00HML0： MOV R0，AINC R0CJNE R0,38H，ML0ML1： ACALL KEY CJNE 52H，#0EH,ML2；如果是A/D轉(zhuǎn)換鍵，則進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換 ACALL AD AC

23、ALL FILTACALL FUZZYACALL DIRML2： ACALL T10 ；等待采樣時間AJMP ML1PR1： CJNE A,0BH，PR2 AJMP LINE0 MOV 51H,52H;修改濕度設(shè)定值PR2: CJNE A，#0DH，BACK ACALL DIR ；顯示濕度BACK: RET3。5濾波程序設(shè)計在溫室抓制系統(tǒng)中，由于被控對象的環(huán)境比較惡劣，干擾源比較多,為了減少對采樣值的干擾，提高系統(tǒng)的可靠性，常常采用數(shù)字濾波的方法。所謂數(shù)字濾波，即通過一定的計算程序,對采樣信號進(jìn)行平滑加工，提高其有用信號，消除或減少各種干擾和噪音，以保證計算機(jī)系統(tǒng)的可靠性。本系統(tǒng)中采用平均值濾波的方法，其算法原理如下：連續(xù)采樣幾次，將其累加求和，同時找出其中的最大值和最小值，再從累加和中減去最大值和最小值,按N2個采樣值求平均，即得有效采樣值。平均值濾波程序流程圖如圖44所示。平均值濾波子程序： FILT： MOV R1，OH MOV A， R1;先采樣X1 MOV R3，A；SUM=X1 MOV R2,#00H MOV R4，A ;MAX=X1 MOV R5, A ;MIN=X1 MOV R7，#07H FILT0： INC R1MOV A，R1