粮仓温、湿度控制系统设计

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1、课程设计粮仓温、湿度控制系统设计设计人：肖志洋辅导教师：陈建国指标要求：1、温度控制在20以下；2、湿度控制在30%RH 以下；3、有温、湿度显示。设计要求：1、 择合适的传感器，要说明选择理由。2、 叙述传感器的工作原理。3、 选择信号处理电路，并说明其工作原理。4、 选择控制元件，并说明怎样达到控制目的。课程设计背景及目的在技术飞速发展的今天，人们对各个方面的自动化的要求越来越高。自动化的控制与友好的人机交换界面已慢慢进入寻常百姓家，并以其高性价比和简单的操作深受人们的欢迎。本课程设计，通过微控制器采集粮仓的温湿度数据，通过闭环控制的原理尽量避免人为干预实现对粮仓温湿度的自动化控制与调节，

2、且把温湿度数据实时显示在数码管上。其应用范围远大于粮仓的温湿度控制，可以用于存放精密仪器的实验室，生产制造等需要严格的温湿度要求的条件下。摘要本系统通过微控制芯片AT89C2051 接收温度，湿度传感器采集的信号。对信号进行处理判断，按要求控制制冷器，抽湿机启动来保持粮仓温度在20以下，湿度在30%RH 以下。一，方案比较与选择为了达到设计要求，提出了以下三种设计方案。方案一 ， 温度传感器选择NTC 热敏电阻 （KC104G410G ： R25=10K ） ；湿度传感器用KSC-6V集成相对湿度传感器，其相对湿度0100%RH 对应的输出为0100mV 。把温度传感器接在电桥的一个桥臂上，调

3、节电桥使电桥处于平衡，随温度的变化电桥上输出电压信号，通过放大，经A/D 转换，送单片机处理，显示且判断来控制相应的继电器动作使粮仓内温度维持在20以下；湿度传感器输出的电压信号同样经放大器放大到05V，经 A/D 转换，送单片机处理，显示且判断来控制相应的继电器动作使抽湿机启，停止，从而保持粮仓内湿度在30%RH 以下，同时单片机把当前的温湿度数据送数码管显示。其方框图如图1。图 1 方案二， 测量温度选择DALLAS公司生产的数字温度传感器DS18B20，其为单总线器件，具有线路简单，体积小等特点，测量温度十分方便。DS18B20 产品的特点如下。（1） ，只要求一个端口即可实现通信。（2

4、） ，在 DS18B20 中的每个器件上都有独一无二的序列号。（3） ，实际应用不需要外部任何元器件即可实现测温。（4） ，测量温度范围在-55到 +125之间。（5） ，其分辨率拥户可以从9 位到 12 位选择。（6） ，内部有温度上下限告警设置。其引脚介绍如表1。TO-92 封装的 DS18B20 如下。湿度传感器。信号放大与调整。电 压 放大电路。A/D转换A/D转换部分。MCU（ AT89C2051）显示模块继电器执行机构温度采集电桥电路，调节，补偿电路表 1 湿度传感器采用NONEYWELL公司的集成湿度传感器IH3605 ，其测量范围0100%RH ，固有精度 2%RH，它输出电压

5、是供电电压，湿度及温度的函数，电源电压升高，输出电压将成比例升高，由于 IH3605 的输出电压较高， 线性度较好， 电路无需进行信号放大及调整，可将 IH3605输出的信号直接加在A/D转换器上， A/D 转换器也用DALLAS公司的适于单总线协议的器件DS2450。温湿度的信号通过单总线时序送到单片机，经处理后依据要求控制固态继电器动作，同时送六位数码管实时显示温湿度。整个系统框图如图2。图 2 方案三， 传感器采用温湿度测量集成在一起的数字温湿度传感器SHT15。SHT15 直接输出数字信号，且内部集成了工业标准的IIC 接口，可以很方便地与单片机连接。本方案通过SHT15 采集温湿度数

6、据由IIC 接口送AT89C2051 处理后送三位数码管分时显示，同时判断温度值， 按要求通过固态继电器动作来控制冷器，抽湿机工作， 维持粮仓内温湿度分别在20以下， 30%RH 以下。其方框图如图3。MCU AT89C2051 数 码 管显示器固态继电器具体执行机构集成数字温度 传 感 器DS18B20 单 总 线A/D转换器DS2450 集成湿度传感器IH3605 微 控 制器AT89C2051 集成温湿度传感器 SHT15 显示电路三位数码管固态继电器制冷器抽湿机图 3 方案比较： 方案一采用模拟式传感器须设计调理电路并通过复杂的校准定标过程，硬件电路庞大繁杂， 抗感扰能力较差，测量精度

7、难以保证，且线性度， 重复性， 互换性往往不尽人意；方案二硬件电路相对来说比较简单，但单总线时序复杂造成软件编程比较棘手，且湿度测量精度也不太高，硬件电路造价较高，使人望而却步；方案三温湿度采集过程集成在一起，传感器内部自带A/D 转换器， 直接输出数字信号，抗干扰能力强， 性价比及高并且很好地解决了以上两种方案存在的问题，电路采用非常成熟的IIC 接口，软件实现也简单。通过以上比较与论证，从电路复杂程度，抗干扰能力，性价比，软件实现难易，我选择方案三。本系统由硬件和软件两大部分协调完成，硬件主要完成信号的采集，转换，显示；软件主要完成信息的处理与控制功能等。二，硬件电路的设计该系统的硬件部分

8、包含以下几个模块，电源模块，AT89C2051 主控制器模块，传感器模块，数码管显示模块，执行机构，其中AT89C2051 主要完成外围的控制及一些运算功能，传感器完成信号的采样功能，数码管主要完成数字的显示，执行机构完成温湿度的调节。整个硬件电路如图 4。图 4 1，电源模块电源采用市电经变压器降压到10V 后整流滤波， 用集成稳压器7809，7809 稳压后得到+9V，+5V 稳定电压，为AT89C2051，固态继电器提供稳定直流电压。其电路图如图5。电路中 C2 为消除输入线路的自激振荡，K1 为电源开关， PWLED 为电源信号灯， C3，C6消除电路的高频噪声。图 5 2，主控制器（

9、 AT89C2051 ）模块电路主控制单元选择美国ATMEL 公司生产的低电压，高性能CMOS 8 位单片机 AT89C2051，它片内含 2K bytes 的可反复擦写的只读存储器（PEROM ）和 128bytes 的随机存取数据存储器（RAM ） ，器件采用ATMEL公司的高密度，非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51 指令系统，其PDIP/SOIC 的 20 个引脚封装图如图6。图 6 引脚功能说明（1）VCC：电源电压（2）GND：地（3）P1 口： P1 口是一组8 位双向 I/O 口， P1.2P1.7 提供内部上拉电阻，P1.0 和 P1.1 内部无上拉电阻， 主要是考虑他

10、们是内部精密同向比较器的同向输入端（AIN0 ） ，和反向输入端（ ANI1 ） 。如果需要应在外部接上拉电阻。P1 口输出缓冲器可吸收20MA电流并可直接驱动LED 。当 P1 口引脚写入“1”时可做输入端，当引脚P1.2P1.7用作输入并被外部拉低时，它们将因内部的上拉电阻而输出电流（I1L ） 。P1 口还在FLASH 闪速编程及程序较验时接收代码数据。（4）P3 口： P3 口的 P3.0P3.5，P3.7 是带有内部上拉电阻的7 个双向 I/O 口。 P3.6 没有引出，它作为一个通用I/O 口不可访问，但可作为固定输入片内比较器的输出信号，P3 缓冲器可吸收 20MA 电流。 当

11、P3 口写入 “1”时，它们被内部上拉电阻拉高可作为输入端口。作为输入时，被外部拉低的P3 口将用上拉电阻输出电流（I3L） 。如下表2 所示。表 2 （4）RST：复位输入。 RST 引脚一旦变成两个机器周期以上高电平，所有的I/O 口都将复位到“ 1” （高电平）状态，当震荡器正在工作时，持续两个机器周期以上的高电平便完成复位，每个机器周期为12 个震荡周期。（5）XTAL1 ：震荡器反向放大器以及内部时钟发生器的输入端。（6）XTAL2 ；振荡器反向放大器的输出端。（7）振荡器特征： XTAL1 ，XTAL2 为片内振荡器的反向放大器的输入和输出端。可采用石英晶体振荡器组成时钟振荡器，如

12、需从外部输入时钟驱动AT89C2051，时钟信号从 XTAL1输入， XTAL2应悬空。由于输入到内部电路是经过一个二分频触发器，所以输入的外部时钟信号无需特殊要求，但他必须符合电平的最大和最小值及时序规范。AT89C2051 构建的最小系统如图8。图 8 3，传感器采集电路模块的设计传感器用集成数字温湿度传感器SHT15，它是瑞士SENSIRON 公司生产的是新一代基于CMOSENS （TM ）技术的单片免校准温湿度传感器，该传感器将CMOS 芯片与传感器技术结合在一起构成了高集成度，小体积的数字式温湿度传感器。基于CMOSENS（TM ）技术的传感器的另一优点是有IIC 二线接口， 这可以

13、使其方便地与任何微处理器连接，为温湿度的测量带来了及大的便利，不仅减少了温湿度测量的开发时间，还可以节约数字化接口的软硬件成本。其内部结构如图9。由于采用了工业化的CMOS 技术，它具有及高的可靠性和卓越的长稳定性，芯片内包含标准的相对湿度传感器，它们与一个14 位的 A/D转换器相连，每个传感器都是在精确的温室中进行校准的，校准系数在OTP 中，在测量校准过程中要用到这些数。其内部结构如图9，表贴四脚封装如图10。图 9 图 10 SHT15 传感器特点如下：（1） ，全校准数字输出相对湿度，温度；（2） ，温度分辨率为14 位，湿度为12 位，可编程降至12 位和 8 位；（3） ，具有露

14、点计算输出功能；（4） ，无需外围元件；（5） ，小体积（ 7*5*3mm ） ，可表面贴；（6） ，卓越的长稳定性；（7） ，自动断电功能；（8） ，工业标准I2C 总线接口；（9） ，可靠的CRC 传输较验。SHT15 的命令如表3。放大器温度 CGG 温度 CGQ 标定存储器14 位 ADC I2C总线接口表 3 SHT15 与 AT89C2051 的接口构成的测量路如图 11。图 11 由于 AT 9C2051 不是 IIC 总线接口，故使用它的I/O 口 来虚拟 IIC 总线， P3.0 来虚拟数据线 DATA ， P3.1 来虚拟时钟线。并在两线的端口加一10K 上拉电阻，同时在V

15、CC 和 GND 之间加一只 0.1U 的去耦电容。相应的软件编程应遵循IIC 总线的时序。4，显示模块的设计显示采用了三位共阳极数码管，从P0 口输出码段，列扫描用P3.4,P3.5,P3.7 来实现，数码管驱动用 74HC244，列驱动用三极管9013，三位数码管分时显示温湿度。如图12 所示。图 12 5，执行机构的设计微控制器通过对传感器采集的外界的温度，湿度处理判断温湿度是否超出设定值。当超出设定值温度大于20，或湿度大于30%RH 时，通过 P3.2,P3.3 输出低电平， 通过光电耦合器4N25，由三极管8050 驱动固态继电器闭合，从而使制冷器，或抽湿机工作，直到粮仓内温湿度回

16、到设定值制冷器，或抽湿机停止工作。其电路图如图13。图 13 三，系统软件的设计系统程序主要包括主程序，读出温度子程序，读出湿度子程序，温度处理子程序，湿度处理子程序，显示数据子程序等。主程序是整个软件设计的主干线，主程序流程图如图14。开始系统初始化是否复位？读出温度值温度数据处理显示温度是 否 超 过设定值？与设定温度比较驱动控制输出读出湿度值湿度数据处理与 设 定 湿 度 值 比是 否 超 过设定值？驱动控制输出显示湿度延时一段时间延时一段时间图 14 读出温度子程序流程图如图15。图 15 读出湿度子程序流程图如图16。启动操作写入芯片地址和测温命令等待ACK信号延时等待数据大约 250MS 读入测温数据高字节等待ACK信号读入测温数据低字节等待 NACK 停止操作图 16 后附粮仓温湿度控制系统C 语言程序。/*粮仓温湿度控制系统c 语言程序 */ #include #include #define uchar unsigned char #define uint unsigned int uchar code duxu=0xc0,0x