倉(cāng)庫(kù)溫度多點(diǎn)檢測(cè)器——硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)文獻(xiàn)綜述

1、倉(cāng)庫(kù)多點(diǎn)溫度監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘要本文設(shè)計(jì)和構(gòu)建了倉(cāng)庫(kù)溫度多點(diǎn)檢測(cè)系統(tǒng)，主要用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)倉(cāng)庫(kù)中的溫度，并能有效地對(duì)倉(cāng)庫(kù)的溫度進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)測(cè)調(diào)節(jié)。本設(shè)計(jì)以AT89C51單片機(jī)為核心的溫度控制系統(tǒng)的工作原理和設(shè)計(jì)方法。溫度信號(hào)由溫度芯片DS18B20采集，并以數(shù)字信號(hào)的形式傳送給51單片機(jī)。文中著重介紹了該控制系統(tǒng)的硬件部分其中主要包括：溫度檢測(cè)電路、溫度報(bào)警電路、溫度顯示電路等、溫度調(diào)節(jié)電路以及單片機(jī)的一些相關(guān)電路。單片機(jī)最后通過(guò)對(duì)信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)處理，從而實(shí)現(xiàn)溫度控制的目的。關(guān)鍵詞: 溫度；AT89C51單片機(jī)；DS18B20溫度芯片；溫度檢測(cè)；溫度調(diào)節(jié) Abstract In this pa

2、per, the design and construction of the warehouse temperature multi-point detection system are mainly used for real-time monitoring of the temperature in the warehouse, and can effectively be used for the warehouse temperature automatic monitoring and regulation. The working principle and design met

3、hod of the design AT89C51 microcontroller as the core temperature control system. The temperature signal by the temperature chip DS18B20 acquisition, and transmitted by digital signal to 51 single chip microcomputer. This paper mainly introduces the control system hardware, including: temperature de

4、tection circuit, temperature alarm circuit, temperature display circuit , temperature control circuit and some related circuit of microcon -troller . Microcontroller finally achieves the purpose of temperature control through the corresponding processing to the signal.Keywords: temperature; AT89C51

5、microcontroller; DS18B20 temperature chip; temperature measurement; temperature control一、前言 溫度是一個(gè)和人們生活環(huán)境有著密切關(guān)系的物理量，也是一種在生產(chǎn)、科研、生活中需要測(cè)量和控制的重要物理量，是國(guó)際單位制七個(gè)基本量之一，同時(shí)它也是一種最基本的環(huán)境參數(shù)。人民的生活與環(huán)境溫度息息相關(guān)，物理、化學(xué)、生物等學(xué)科都離不開(kāi)溫度。 我們知道糧食在存儲(chǔ)期間，由于環(huán)境、氣候和通風(fēng)條件等因素的變化，糧倉(cāng)內(nèi)的溫度會(huì)發(fā)生異常，這極易造成糧食的腐爛或發(fā)生蟲害。同時(shí)糧倉(cāng)中糧食儲(chǔ)存質(zhì)量還受到糧倉(cāng)中氣體、微生物以及其他蟲害等因素的影

6、響。為保證糧食倉(cāng)庫(kù)具有一個(gè)正常的溫度環(huán)境，有必要對(duì)倉(cāng)內(nèi)溫度，包括糧食里面的溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)。因此，對(duì)于糧食倉(cāng)庫(kù)防腐、防霉已經(jīng)成為倉(cāng)庫(kù)日常工作的重要內(nèi)容，同時(shí)也是衡量倉(cāng)庫(kù)管理質(zhì)量的重要指標(biāo)。它直接影響到儲(chǔ)備物資的使用壽命和工作的可靠性。溫度對(duì)微生物的生長(zhǎng)、繁殖都有很大的影響，大多數(shù)菌種生長(zhǎng)繁殖的適宜溫度是28-30，要保證糧食的安全，則要求糧倉(cāng)的溫度至少低于25。控溫儲(chǔ)糧是使糧食在儲(chǔ)藏期間保持一定的溫度水平，達(dá)到安全儲(chǔ)藏的目的?？販貎?chǔ)糧能保持糧食較好的品質(zhì)，是目前比較先進(jìn)的一種安全、經(jīng)濟(jì)、綠色的儲(chǔ)糧技術(shù)，已成為當(dāng)今科學(xué)儲(chǔ)糧的技術(shù)發(fā)展的新方向。據(jù)了解，糧食的最佳儲(chǔ)藏溫度與糧食所含水分有關(guān)，一般含水量是

7、14%以上時(shí)則要求溫度不能超過(guò)15度，若含水量為13.5%則要求溫度不能超過(guò)25度，13以下的就問(wèn)題不大了，一般溫度都可以了。根據(jù)重慶的溫濕度狀況，糧倉(cāng)的溫度控制在5-20，此時(shí)糧食是安全的。1、倉(cāng)庫(kù)溫度檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r 在早期時(shí)候，糧情監(jiān)測(cè)主要采用溫度計(jì)測(cè)量法。它是將溫度計(jì)直接放入特制的插桿中，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)插在糧堆的多個(gè)測(cè)溫點(diǎn)，管理人員定期拔出讀數(shù)，確定糧溫的高、低，決定是否倒糧。這種方法對(duì)儲(chǔ)糧有一定的作用，但由于溫度計(jì)精度、人工讀數(shù)的人為因素等原因，溫度檢測(cè)不僅速度慢，而且精度低，抽樣不徹底，局部糧溫過(guò)高不易被及時(shí)發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致因局部糧食發(fā)霉變質(zhì)引起大面積壞糧的情況時(shí)有發(fā)生。隨著科技的發(fā)展，從

8、1978 年開(kāi)始，采用電阻式溫度傳感器、采樣器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、報(bào)警器等組成的儲(chǔ)糧監(jiān)測(cè)系統(tǒng)出現(xiàn)，它可對(duì)各糧庫(kù)的各個(gè)測(cè)溫點(diǎn)進(jìn)行巡回檢測(cè)，檢測(cè)速度、精度大大提高，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，但由于電阻傳感器的靈敏度低，致檢測(cè)精度、系統(tǒng)可靠性還不夠理想。至 1990 年，糧情檢測(cè)系統(tǒng)有了很大的改善和提高，系統(tǒng)在布線上采用矩陣式布線技術(shù)，簡(jiǎn)化了數(shù)據(jù)采集部分的線路，在傳感器方面應(yīng)用了半導(dǎo)體、熱電偶等器件；在線路傳輸上采用了串行傳輸方式，從而減少了傳輸線根數(shù)；采用單板機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并采用各種手段提高數(shù)據(jù)傳輸及檢測(cè)速度，通過(guò)軟硬件技術(shù)的結(jié)合，檢測(cè)精度和可靠性較前有很大提高。但溫度傳感器的線性度差，系統(tǒng)的檢測(cè)精度仍不理想，

9、無(wú)法大面積推廣。近年來(lái)，隨著單片機(jī)功能的日益強(qiáng)大和計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用，糧情檢測(cè)的準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性要求越來(lái)越高。對(duì)于中國(guó)溫度檢測(cè)技術(shù)的研究相對(duì)較晚，大約始于20世紀(jì)80年代。近年來(lái)，我國(guó)引進(jìn)了多達(dá)16個(gè)國(guó)家和地區(qū)的工廠環(huán)境控制系統(tǒng)，在總體上，正從消化吸收、簡(jiǎn)單應(yīng)用階段向?qū)嵱没?、綜合性應(yīng)用階段過(guò)渡和發(fā)展，對(duì)推動(dòng)工廠溫度自動(dòng)檢測(cè)產(chǎn)生了積極的作用。與此同時(shí)，我國(guó)的溫度測(cè)控設(shè)施計(jì)算機(jī)應(yīng)用以單片機(jī)控制的單參數(shù)單回路系統(tǒng)居多，尚無(wú)真正意義上的多參數(shù)綜合控制系統(tǒng)。在生產(chǎn)實(shí)際中仍然有許多問(wèn)題困擾著我們，比如環(huán)境控制水平落后，軟硬件資源不能共享和可靠性差等缺點(diǎn)。與發(fā)達(dá)國(guó)家相比較，還是存在一定的差距的?；谖覈?guó)目前這樣

10、的狀況，更需要我國(guó)更多的人能在這方面做更多更深入的研究。2、研究的意義 糧食是百姓的溫飽之源，物價(jià)平衡之基，經(jīng)濟(jì)發(fā)展之要，社會(huì)穩(wěn)定之本。我國(guó)是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó)，同時(shí)也是一個(gè)儲(chǔ)糧大國(guó)，糧食年產(chǎn)量和常年儲(chǔ)存量均居世界首位，這些糧食的儲(chǔ)藏安全是國(guó)家糧食安全的重要組成部分。因此，只有重視糧食儲(chǔ)藏，改善儲(chǔ)藏條件，提高儲(chǔ)糧技術(shù)水平，才能真正保證整個(gè)國(guó)家的糧食安全。江南地區(qū)，溫度較高、濕度較大，農(nóng)村儲(chǔ)藏條件較差、技術(shù)水平落后、農(nóng)戶儲(chǔ)糧方式簡(jiǎn)陋、面向農(nóng)戶儲(chǔ)糧知識(shí)的普及與宣傳不夠，使得儲(chǔ)存在農(nóng)村的這部分糧食易發(fā)霉、生蟲和被鼠嚙，損失約6，。這不僅影響農(nóng)民的收入，而且直接威脅到我國(guó)糧食儲(chǔ)備安全。因此，搞好農(nóng)戶糧食的安

11、全儲(chǔ)藏、減少儲(chǔ)糧損失，就相當(dāng)于開(kāi)發(fā)了“無(wú)形糧田”，增加了糧食產(chǎn)量，提高農(nóng)民收入，是利國(guó)利民的好事，是保證國(guó)家糧食安全的大事。目前，糧庫(kù)中的溫度的檢測(cè)，基本上是人工檢測(cè)，勞動(dòng)強(qiáng)度大、繁瑣，由于檢測(cè)報(bào)警不夠及時(shí)，造成庫(kù)儲(chǔ)糧食損失的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，于是設(shè)計(jì)并研制性能優(yōu)良的糧庫(kù)溫度自動(dòng)檢測(cè)調(diào)節(jié)系統(tǒng)迫在眉睫。二、系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)1、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)框圖本系統(tǒng)是以AT89C51單片機(jī)為核心且基于數(shù)字溫度傳感器DS18B20的系統(tǒng)。DS18B20利用單總線的特點(diǎn)可以方便的實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)溫度的測(cè)量，輕松的組建傳感器網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)的抗干擾性好、設(shè)計(jì)靈活、方便，而且適合于在惡劣的環(huán)境下進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)溫度測(cè)量。本系統(tǒng)可應(yīng)用在大型工業(yè)及民用常

12、溫多點(diǎn)監(jiān)測(cè)場(chǎng)合之下。如糧食倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)、樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)。具體系統(tǒng)框圖如下：時(shí)鐘電路復(fù)位電路AT89C51多個(gè)DS18B20 溫度芯片數(shù)據(jù)傳輸數(shù)據(jù)顯示超溫報(bào)警電磁繼電器工作電源聲光報(bào)警器器 制冷器固態(tài)繼電器1 N加熱器固態(tài)繼電器2圖2 系統(tǒng)方案框圖2、 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程圖根據(jù)整個(gè)系統(tǒng)的要求，從測(cè)量溫度到對(duì)其進(jìn)行監(jiān)督控制需要經(jīng)過(guò)以下幾個(gè)步驟：?jiǎn)纹瑱C(jī)接受來(lái)自DS18B20的檢測(cè)信號(hào)，通過(guò)UDN2598A控制位選，并通過(guò)UDN2981A驅(qū)動(dòng)LED顯示，比較當(dāng)前溫度是否在5至20攝氏度，若溫度超過(guò)20攝氏度則驅(qū)動(dòng)制冷器和聲光報(bào)警器進(jìn)行處理，直到溫度降至正常復(fù)位，控制電路和報(bào)警電路才會(huì)停止工作。若溫度低于5攝

13、氏度則驅(qū)動(dòng)制熱器的同時(shí)驅(qū)動(dòng)聲光報(bào)警器進(jìn)行報(bào)警。詳細(xì)的主程序流程圖如下：開(kāi)始初始化單片機(jī)初始化DS18B20設(shè)定溫度上、限讀取溫度顯示當(dāng)前溫度是是否否啟動(dòng)制熱器低于下限溫度5超過(guò)上限溫度20判斷當(dāng)前溫度值啟動(dòng)制冷器器啟動(dòng)聲光報(bào)警器啟動(dòng)聲光報(bào)警器圖5.1 主程序流程圖三、AT89C51單片機(jī)功能介紹1、芯片簡(jiǎn)介 ATMEL89系列單片機(jī)是以8031核構(gòu)成的，所以，它和8051系列單片機(jī)是兼容的系列。這個(gè)系列對(duì)于以8051為基礎(chǔ)的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，是十分容易進(jìn)行取代和構(gòu)造的。故而對(duì)于熟悉8051的用戶來(lái)說(shuō)，用ATMEL公司的89系列單片機(jī)進(jìn)行取代8051的系統(tǒng)設(shè)計(jì)是輕而易舉的事。 89系列單片機(jī)對(duì)一般用戶來(lái)

14、說(shuō)，存在下列很明顯的優(yōu)點(diǎn)：(1)含F(xiàn)lash存儲(chǔ)器 因此在系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)過(guò)程中可以十分容易進(jìn)行程序的修改，這就大大縮短了系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)周期。同時(shí)，在系統(tǒng)工作過(guò)程中，能有效地保存一些數(shù)據(jù)信息，即使外界電源損壞也不影響到信息的保存。 (2)靜態(tài)時(shí)鐘方式 89系列單片機(jī)采用靜態(tài)時(shí)鐘方式，所以可以節(jié)省電能，這對(duì)于降低便攜式產(chǎn)品的功耗十分有用。(3)錯(cuò)誤編程亦無(wú)廢品產(chǎn)生 一般的OTP產(chǎn)品，一旦錯(cuò)誤編程就成了廢品。而89系列單片機(jī)內(nèi)部采用了Flash存儲(chǔ)器，所以，錯(cuò)誤編程之后仍可以重新編程，直到正確為止，故不存在廢品。 (4)可進(jìn)行反復(fù)系統(tǒng)試驗(yàn) 用89系列單片機(jī)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)，可以反復(fù)進(jìn)行系統(tǒng)試驗(yàn)；每次試驗(yàn)可以編入不

15、同的程序，這樣可以保證用戶的系統(tǒng)設(shè)計(jì)達(dá)到最優(yōu)。而且隨用戶的需要和發(fā)展，還可以進(jìn)行修改，使系統(tǒng)不斷能追隨用戶的最新要求。2、AT89C51各引腳的功能介紹本設(shè)計(jì)中，單片機(jī)引腳功能定義如下，如下圖所示：圖1 AT89C51的引腳圖89C51管腳說(shuō)明如下：Vcc：電源引腳，接+5V電源。 Vss：接地。XTAL1，XTAL2：時(shí)鐘引腳。兩引腳間外接晶體與片內(nèi)反相放大器構(gòu)成一個(gè)振蕩器，為單片機(jī)提供時(shí)鐘控制信號(hào)。本設(shè)計(jì)根據(jù)需要外接6MHZ晶體。 RST/Vpd：RST是復(fù)位信號(hào)輸入端，高電平有效。Vpd為備用電源輸入端。：外部中斷0的觸發(fā)信號(hào)輸入端，低電平或下跳沿有效；：外部中斷1的觸發(fā)信號(hào)輸入端，低電

16、平或下跳沿有效。T1：定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T1外部輸入。：外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和外部I/O口的寫控制信號(hào)，輸出，低電平有效。：外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和外部I/O口的讀控制信號(hào)，輸出，低電平有效。ALE/：地址鎖存允許信號(hào)輸出端，ALE用于將地址總線的低8位鎖存。該信號(hào)頻率為振蕩器頻率的1/6，可作為外部定時(shí)或時(shí)鐘使用。/Vpp：內(nèi)外程序存儲(chǔ)器選擇控制端，輸入。當(dāng)為低電平時(shí)，CPU對(duì)程序存儲(chǔ)器的操作僅限于單片機(jī)外部程序存儲(chǔ)器。當(dāng)為高電平時(shí)，CPU對(duì)程序存儲(chǔ)器的操作從單片機(jī)內(nèi)部程序存儲(chǔ)器開(kāi)始，并可延伸到單片機(jī)的外部程序存儲(chǔ)器。鑒于單片機(jī)的實(shí)際用處，本端口接的高電平。P0口為雙向I/O口，它的結(jié)構(gòu)與P2口相似，可作輸入

17、/輸出口使用，也可作系統(tǒng)擴(kuò)展的地址/數(shù)據(jù)總線口。P0口作地址/數(shù)據(jù)總線口使用時(shí)，由控制線控制將電子開(kāi)關(guān)接通至地址/數(shù)據(jù)端，分時(shí)輸出擴(kuò)展外存的低8位地址。本系統(tǒng)將P0口用于作為驅(qū)動(dòng)8段LED的段選。P1口是8位準(zhǔn)雙向I/O口，可以驅(qū)動(dòng)4個(gè)TTL負(fù)載，是真正的單純的I/O口。P2口是一個(gè)準(zhǔn)雙向I/O口，它有兩種使用功能：一種是作普通的I/O口使用；另一種是作系統(tǒng)擴(kuò)展的地址總線口，輸出高8位的地址。當(dāng)該電路中的多路開(kāi)關(guān)接通鎖存器的Q端輸出時(shí)，P2口作普通輸入輸出使用，當(dāng)開(kāi)關(guān)接通地址時(shí)，作地址總線口使用，P2口的引腳狀態(tài)由所輸出的地址確定。本系統(tǒng)中用P2.0、P2.1、P2.2、P2.3和P2.4作為

18、控制LED的位選擇端。P3口為多功能口，每一位都可以分別被定義為復(fù)用的輸入功能或復(fù)用的輸出功能。當(dāng)P3口某一位的鎖存器被置1后，輸出端可由復(fù)用的輸出功能信號(hào)控制，作復(fù)用的輸出功能的輸出線使用。而實(shí)際上，如果把復(fù)用輸出功能控制端置1，則P3.x端可實(shí)現(xiàn)復(fù)用的輸入功能。三、DS18B20傳感器原理及介紹DS18B20是DALLAS公司生產(chǎn)的一線式數(shù)字溫度傳感器，它具有微型化、低功耗、高性能抗干擾能力、強(qiáng)易配處理器等優(yōu)點(diǎn)，特別適合用于構(gòu)成多點(diǎn)溫度測(cè)控系統(tǒng)，可直接將溫度轉(zhuǎn)化成串行數(shù)字信號(hào)（按9位二進(jìn)制數(shù)字）給單片機(jī)處理，且在同一總線上可以掛接多個(gè)傳感器芯片，它具有三引腳TO-92小體積封裝形式，溫度測(cè)

19、量范圍55125，可編程為912位A/D轉(zhuǎn)換精度，測(cè)溫分辨率可達(dá)0.0625，被測(cè)溫度用符號(hào)擴(kuò)展的16位數(shù)字量方式串行輸出，其工作電源既可在遠(yuǎn)端引入，業(yè)可采用寄生電源方式產(chǎn)生，多個(gè)DS18B20可以并聯(lián)到三根或者兩根線上，CPU只需一根端口線就能與多個(gè)DS18B20通信，占用微處理器的端口較少，可節(jié)省大量的引線和邏輯電路。從而可以看出DS18B20可以非常方便的被用于遠(yuǎn)距離多點(diǎn)溫度檢測(cè)系統(tǒng)。DS18B20有三個(gè)主要的數(shù)據(jù)部件：1）64為激光ROM，2）溫度靈敏元件，3）非易失性溫度告警觸發(fā)器TH和TL。器件從單線的通信線取得其電源，在信號(hào)線為高電平的時(shí)間周期內(nèi)，把能量貯存在內(nèi)部的電容器中，在單

20、信號(hào)線為低電平的時(shí)間期內(nèi)斷開(kāi)此電源，直到信號(hào)線變?yōu)楦唠娖街匦陆由霞纳娙荩╇娫礊橹?，作為另一種可供選擇的方法，DS18B20也用外部5V電源供電。五、調(diào)試分析在調(diào)試過(guò)程中需要對(duì)軟件和硬件分別作出細(xì)致的“檢測(cè)”，在做完這兩步之后再將軟件導(dǎo)入，觀察其具體的效果。在程序編寫過(guò)程中涉及到一個(gè)溫度的采集，在這一個(gè)模塊當(dāng)中，基于我們的系統(tǒng)是多點(diǎn)溫度檢測(cè)，故需要知道當(dāng)前檢測(cè)到的溫度是來(lái)源于那一個(gè)溫度傳感器，這樣才能針對(duì)某一個(gè)測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行溫度的調(diào)節(jié)。針對(duì)這一問(wèn)題，我們通過(guò)將每一個(gè)DS18B20單獨(dú)與單片機(jī)相連，通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的程序獲得其編碼，由于每一個(gè)DS18B20的編碼是不一樣的，故我們可以通過(guò)比較這個(gè)編碼來(lái)

21、判斷出測(cè)出的溫度是來(lái)自那一個(gè)傳感器。在電路板焊接完成后，我們首先需要對(duì)其進(jìn)行目測(cè)，觀察是否存在有虛焊或漏焊等情況。接著利用萬(wàn)能表，通過(guò)檢測(cè)一些可能發(fā)生短路的點(diǎn)看其是否處于正常狀態(tài)，檢測(cè)無(wú)誤后再接通電源，測(cè)量三極管是否處于正常工作狀態(tài)，各模塊的輸入電壓是否正常，保證無(wú)誤后，再將程序?qū)耄M(jìn)行進(jìn)一步的調(diào)試。調(diào)試中我們發(fā)現(xiàn)DS18B20具有許多優(yōu)點(diǎn)，但仍存在一些缺點(diǎn)，如：雖硬件連接簡(jiǎn)單但編程復(fù)雜，當(dāng)處于溫度快速變化的環(huán)境中時(shí)其靈敏度不夠高。故該系統(tǒng)不適合用于溫度跨度大，對(duì)實(shí)時(shí)性要求高的環(huán)境當(dāng)中?？?結(jié) 在日常的生活中，溫度控制系統(tǒng)的應(yīng)用范圍都比較廣泛，而對(duì)它的要求主要是以下幾個(gè)方面：溫度變化范圍有限，穩(wěn)定性較好，靈敏度較高。在本設(shè)計(jì)說(shuō)明書當(dāng)中簡(jiǎn)單分析了單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程及實(shí)現(xiàn)方法。本系統(tǒng)的測(cè)溫范圍比較大，這主要?dú)w因于DS18B20的性能，溫度檢測(cè)系統(tǒng)再根據(jù)用戶設(shè)定的溫度范圍完成一定范圍的溫度控制。本文利用Protel 99SE進(jìn)行電路設(shè)計(jì)與仿真利用Keil CX 51 V7.0 單片機(jī)高級(jí)