基于单片机的智能仓库温湿度控制系统

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1、第一章 引言1.1 课题背景 在现代工业现场，随着科技的进步和自动化发展，温、湿度监测系统在某些行业中 要求越来越高，特别是在大中型仓库管理系统中，由于温湿度过高或过低引起的仓库储 藏物本身的水分过高或连续的高湿天气将导致储藏物新陈代谢加快而放出热量，放热引 起的温升又是代谢进一步加剧以至发霉变质，因此仓库必须重视对空气温湿度精确的而 又方便的实时监测，长期以来，由于受经济条件限制，我国仓库环境较差，而且管理落 后。仓库管理的重点之一就是要合理布置测温点，经常检查温度变化，以便及时发现储藏 物发热点，减少损失。然而，堆积物的热传递又是那样的缓慢，使人感知极差，需要管 理人员经常进入闷热、呛人的

2、仓库内观察温、湿度，不断进行翻仓、加湿、通风和降温 设备来控制温湿度，这样不但控制精度低、实时性差，而且操作人员的劳动强度大。这 种繁重的体力劳动，不仅对人体有极大的伤害，而且不科学、不及时。所以，仓库储藏 物虫蛀、霉变的情况时有发生。我国的储藏物现均集中存放在地方或国家的仓库中。按照国家储藏物保护法，必须定 期抽样检查粮食的温、湿度，以确保储藏质量。这就迫切需要温湿度监控系统来控制仓 库。本课题即以上述问题为出发点，设计仓库温、湿度监控系统，该系统不仅能采集仓库 内的温、湿度值，而且能够迅速做出相应的处理，并将数据及处理结果显示给用户，并 储存数据以方便以后的对比研究。1.2 仓库温、湿度控

3、制技术的国内外研究状况 近年来，由于超大规模集成电路技术、网络通信技术和计算机技术的发展，是监控系 统在工农业生产等领域得到广泛引用，因此，仓库温、湿度监控技术的研究在软、硬件 等方面都得到了一定的发展。1.2.1 硬件技术 早期仓库温湿度检测主要采用温度计量算法，它是将温度计放入特定的插杆中，根据 经验插入仓库的多个测温点，工作人员定期拔出读数，决定采取相应的措施。这种方法 由于温度计精度、人工读数的人为因素等原因，温度检测不仅速度慢而且精度低，抽样 不彻底，局部粮食温度过高不易被及时发现，局部粮食发霉变质引起大面积坏掉的情况 时有发生。随着科技的发展，温、湿度检测系统有了很大的改善和提高，

4、系统在布线上采用矩阵 式布线技术，简化了数据采集部分的线路；在传感器方面应用了热电偶、半导体等器件； 在数据传输方面减少了传输线的根数，采用串行传输方式，他可对仓库的各个测试点进 行巡回检测，检测的速度、精度大大提高，但由于电阻传感器灵敏度低，使检测精度不 够理想。然后仓库使用单板机进行温、湿度监控，并采用各种手段提高数据传输及检测速度， 通过软硬件技术的结合，检测的精度和可靠性有较大提高，能满足一般中小型仓库的需 要。近年来，随着网络通信技术和微处理器芯片的发展，为了简化仓库温、湿度监控系统 的设计并降低成本，各公司的科研机构开始致力于相关领域的探索，是的仓库温湿度监 控系统数字化，网络化成

5、为可能。其中，美国达拉斯公司推出的单总线接口协议采用单 根信号线，既可传输数据又可传输时钟，而且数据传输是双向的，因此单总线技术具有 线路简单，硬件开销小，便于总线扩展和维护等优点。该公司所生产的单总线器件具有 无需另附电源、在测试点直接将模拟信号数字化等特点，一方面减少了系统环节，另一 方面也保证了系统的精度。同时各公司开发的可视化软件开发工具，更是向着效率高、 功能强大的方向努力，从而为获得良好的用户界面奠定了基础。国外仓库的监控技术已经发展的很成熟，高科技的数字传感器广泛应用于仓库温、湿 度监控系统。这种传感器采用微控制器与半导体集成电路的最新技术，在一个芯片上集 成了温度检测芯片、数据

6、信号转换芯片、计算机接口芯片，存储芯片等，除完成温度检 测功能外，还可完成预置范围温度、报警、多路 A/D 转换、温度补偿等功能。由于数字 温度传感器直接输出数字量，从而解决了温度信号长距离传输问题及传输过程中因干扰 和衰减而导致的精度降低等问题。目前，国内出现了丰富的数字传感器配套产品，如中继器、分线器、插接器、远程控 制模块等。数字传感器技术、通信技术、计算机已成为当今计算机技术的三大基础，计 算机监控技术已成为人们关注的热点。1.2.2 软件技术近年来，各种计算机软件开发平台有了很大发展，特别是基于 Windows 环境下的 Delphi 、 Power Builder 、Visual

7、Basic 、Visual C+ 的不断升级，数据功能增强，能够 使用ODBCS动程序访问各种数据系统，并可使用 ADO DAO等各种应用程序开发接口， 操纵数据库中的数据，管理数据库，数据库对象与结构方便地对监测系统进行显示、打 印、查询、自动控制等操作，为高性能的测控软件设计提供了基础。1.3 课题设计目标仓库温湿度控制系统是以AT89C52系列单片机为核心构成的监控系统。本课题提出了 一种可以应用于中小型粮仓的温湿度控制系统的设计方案。系统主要包括输入和输出两个大的模块，每个模块有包括几个小的功能模块。其中， 输入模块主要包括电源模块、键盘设定模块、温湿度检测模块；输出模块主要包括LCD

8、显示模块、报警模块、控制模块及串口通信模块。第二章 系统总体方案设计2.1 系统功能、组成及工作原理2.1.1 总体方案 根据设计功能要求，系统可分为以下几个部分：1) 键盘设定模块：设置温度的上限及下限，湿度的上限及下限来调整仓库温湿度 控制范围。2) 温湿度检测模块：检测仓库内的温、湿度。3) 报警模块：当温度或湿度越限时报警。4) 控制处理模块：当温度或湿度越限时，采取一定的手段控制。5) 显示模块：LCD显示设定的温度的上限及下限、 湿度的上限及下限、测得的温湿 度值及各种调整信息。6) 串口通信：将测得的温湿度上传给 PC机保存。7) 电源模块：给系统供电。2.1.2 实施措施1)

9、键盘设定模块：因为键盘要有输入温湿度的范围、小数点、百分号，复位等功 能，所以用4X4矩阵键盘。2 ) 温湿度检测模块：温湿度传感器的选择见下面的方案论证。3) 报警模块：当温度或湿度越限时声音报警，用蜂鸣器实现。4) 控制处理模块：实际环境温度超过设定的最高温度时，继电器控制空调的加热 设备工作；实际环境温度低于设定的最低温度时，继电器控制空调的制冷设备工作；实 际环境湿度超过设定的最高温湿度时，继电器控制风机工作降湿；实际环境湿度低于设 定的最低湿度时，继电器控制加湿器工作；5) 显示模块：用户输入温湿度的上下限，测得的温湿度值及各种调整信息的显示 编程实现。6) 串口通信：用电平转换芯片

10、 MAX23实现。7) 电源模块：采用线性直流稳压电源的设计方法。2.2 温湿度传感器的方案论证和选择 当单片机用作测控系统时，系统总要有被测信号进入输入通道，由单片机拾取必要 的输入信息。对于测量系统而言，如何准确获得被测信号是其核心任务；而对测控系统来讲，除对被控对象状态的信号测试外，还要将测试数据与控制 条件对比并实时控制相应执行设备。传感器是实现测量与控制的首要环节，是测控系统的关键部件，如果没有传感器对 原始被测信号进行准确可靠的捕捉和转换，一切准确的测量和控制都将无法实现。工业 生产过程中的自动化测量和控制，几乎主要依靠各种传感器来检测和控制生产过程中的 各种参量，使设备和系统正常

11、运行在最佳状态，从而保证生产的高效率和高质量。2.2.1 数字式温度传感器的类型随着温度传感器集成化、智能化技术的进步，世界上很多公司推出了新型的数字温 度传感器，并得到广泛应用。对器件的选择应把握以下几点：测温的精度、分辨率要合 适，以便减少不必要的电路和软件开发成本；外围电路应尽量简单；温度传感器的总线 负载能力如何，能否满足多点测温的需要；占用单片机引脚情况如何，因为MCI引脚资源有限，多点测温时，如果测量的点数超过输入通道的个数，就要添加多路复用电路， 这将增加成本；与单片机的通信协议应尽量简单，成本、温度测量的软件开发难度要尽 量小。目前在数字温度传感器中采用的串行总线主要有 Mot

12、orola公司的SPI总线,Dallas 公司的1-wire总线，Phillips 公司的12C总线等。常用的数字温度传感器主要有：1）数字温度传感器AD7418是件ADI公司推出的单片温度测量与控制用集成电路。 其内部包含有带隙温度传感器和 10 位模数转换器，可将感应温度转换为 0.25 C 量化 间隔的数字信号，测温范围为-55C+125 C,具有10位数字输出温度值，分辨率0.25 C,精度为土 2 C，转换时间为1530ms，工作电压范围为+2.7V+5.5V，具有 低功耗模式（典型值为1卩A）o AD7418片内寄存器可以进行高/低温度门限的设置。当温 度超过设置门限时，过温漏极开

13、路指示器（OTI ）将输出有效信号。可与单片机（微控制 器）接口，通过 I2C 接口对 AD7418 的内部寄存器进行读 /写操作。该温度传感器可广泛 应用于数据采集系统中的环境温度监测、工业过程控制、电池充电以及个人计算机等系 统。2） LM74是美国国家半导体公司推出的集成了带隙式温度传感器、Delta-Sigma型模 / 数转换器、并具有 SPI/Microwire 兼容总线接口的数字温度传感器。在传感器通电工作 后，自动按一定速率对温度进行检测 , 并在片内寄存器中存储转换的温度值，主机可以 在任意时刻读出传感器温度值。LM74具有休眠模式，在休眠时消耗的电流不超过10mA, 适用于对

14、功耗有严格限制的系统。LM74的模/数转换器为12位外加符号位，有效工作范 围为-55C+155C，分辨率可达0.0625 C的分辨率。由于采用了 SPI/ Microwire兼容总 线接口 , 可以将多个传感器挂接在总线上 , 通过片选信号对特定器件进行读写操作。LM74采用3.0V5.5V的供电电压。3）DS18b20是Dallas公司推出的新一代数字温度传感器。通过一个单线接口发送 或接收信息，因此在中央微处理器和 DS1820 之间仅需一条连接线（加上地线） 。用于读 写和温度转换的电源可以从数据线本身获得，无需外部电源。因为每个 DS1820 都有一 个独特的片序列号，所以多只 DS

15、1820 可以同时连在一根单线总线上，这样就可以把温 度传感器放在许多不同的地方。这一特性在 HVAC 环境控制、探测建筑物、仪器或机器 的温度以及过程监测和控制等方面非常有用2.2.2 数字湿度传感器的类型近年来，国内外在湿度传感器研发领域取得了较大发。湿敏传感器正向集成化、智 能化、多参数监测的方向迅速发展。集成湿度传感器的选择应考虑以下几点：感湿性能 好、响应速度快、灵敏度高、测量范围宽，线性度要好，要有较好的一致性、可重复性， 湿滞小，有较强的抗污染能力，较高的稳定性和可靠性，使用寿命长。目前，国外生产湿度传感器的主要厂家及典型产品主要有：Honeywell 公司（HIT3602、HI

16、T3605、HIT3610 型），Humeral 公司（HM150Q HM1520 HF3223 HTF3223型）, Sensirion 公司（SHT11 SHT15型）。常用的集成湿度传感器主要有：1 ） HIH-3610 是 Honeywell 公司生产的具有信号处理功能的热固聚酯电容式相对湿 度传感器，线性放大输出、工厂标定，独特的多层结构能非常有效地抵抗环境的侵蚀。工作范围：温度-40+85C,相对湿度0100%R,精度达到土 2%RH激光修正互换性至 5%RH低功耗驱动电流设计为200卩A,反应时间为15s,稳定性好，较低的飘移、抗化 学腐蚀性能强。2）HM1500是法国Humeral公司采用Humeral专利湿敏电容HS1101设计制造的相对湿度传感器。带防护棒式封装，5VDC恒压供电，14VDC放大线性电