基于can的糧倉溫濕度監控系統的設計(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 任務如不能及時徹底完成，則有可能會造成糧食大面積變質。據 有關資料統計，我國每年因糧食變質而損失的糧食達數億千克，直接造成的經濟損失是 驚人的。影響儲糧安全的最主要因素是糧堆內的大氣條件，即溫度和相對濕度的日變化和季 節變化，而溫度和濕度兩者之間又是相互關聯的。為了保證存放在糧倉中的糧食不致腐 爛變質，就必須使糧倉內的溫度和濕度保持在一定的范圍以內。利用制冷機產生的冷量對自然空氣進行冷卻降溫、除濕，再通過風機及糧倉內的通 風管道使冷卻后的空氣穿過糧堆，使糧食溫度降到 15℃以下進行低溫儲藏的一項科學、 先進的糧食儲藏技術。運用該技術可使糧食的低溫儲藏不受氣候條件的影響，即使在炎 熱的夏季或雨季都可實現。目前在發達國家特別是西歐國家已獲得了廣泛的應用，對于 保證糧食品質，安全儲藏糧食起著重要的作用。利用機械制冷方法將糧溫降到5～15℃進行低溫儲藏是一種科學、先進的儲糧方式， 具有以下特點：（1）與常溫儲藏相比，低溫儲藏使糧食的呼吸活動大大減弱，可延緩糧食的陳化， 保持糧食的新鮮度并降低儲糧自然減量損失。糧食在10℃時儲藏，由于呼吸產生的干物質損失要比在20℃和30℃ 時儲藏分別少4倍和15倍。（2）當糧溫達到13℃時，害蟲的繁殖和活動就基本停止，糧溫降至10℃時完全停 止，因此低溫儲藏可以避免糧食遭受蟲害而造成的損失。在一些西歐國家，低溫儲糧已 不需要進行化學藥劑熏蒸殺蟲，從而改善了糧倉工人的工作環境，避免殘留藥劑對人們 身體健康的危害。（3）因為霉菌等微生物喜溫，所以低溫儲糧使霉菌的活動基本停止，可有效地防 止糧食發生霉變。（4）糧食在通常儲藏過程中，含水量一般在12%以下為安全狀態，不會產生溫度 突變，一旦糧倉進水、結露等使糧食的含水量達到20%以上時，由于糧粒受潮，胚芽萌 發，新陳代謝加快而產生呼吸熱，使局部糧食溫度突然升高，必然引起糧食“發燒”和 霉變，并可能形成連鎖反應，從而造成不可挽回的損失。而對糧食利用機械制冷方法進 行降溫，使得糧食在高于安全水分時儲藏成為可能，因此可以提高儲糧和加工單位的效 益。對于稻谷，最適合的碾磨水分是15 %左右，～14 %，加工前需進行人工增濕， 使稻谷易于產生爆腰，碾磨的整米率下降。若采用人 工冷卻降溫方法， 稻谷可在15 %水分下安全儲藏()，從而提高稻谷碾磨的整米 率，同時減少儲糧水分減量損失。在西班牙的一個碾米廠，采用機械制冷低溫儲藏稻谷 后提高整米率20 %。對于10000 噸的糧食儲量，在15 %的水分下儲藏，可減少儲糧單位 水分減量損失116～173 噸。 糧溫為10℃時糧食水分與安全儲藏期的關系糧食水分(%)糧食安全儲藏期(月)12. 0 15. 58 1215. 5 17. 56 1017. 5 18. 54 618. 5 20. 01 420. 0 23. 00. 5 223. 0 25. 00. 25 0. 5 國內外研究現狀與發展趨勢隨著傳感器技術、計算機應用技術、超大規模集成電路技術和網絡通信技術的發展， 監控系統廣泛應用于工農業生產等領域，在此同時，糧倉溫濕度監控技術的研究在軟、 硬件等方面都有了一定的進展。初期，以熱敏電阻，濕敏電阻作為傳感器件，通過檢測電阻的變化來反映糧食溫濕 度的變化，為糧食保管提供參考依據。采用人工測量與人工抄錄、管理相結合的傳統方 法，并且用人工的辦法對糧食進行晾曬，通風，噴灑藥劑防止因存儲不當引起的溫濕度 異常及蟲害，消耗了大量的人力和財力，效率較低，然而往往由于判斷失誤和管理不力， 效果不佳，發霉變質等現象大量存在。廣大科技工作者近 30 年的共同努力下，糧情檢 測技術不斷完善、提高、并日趨成熟，逐步形成了樣式繁多的糧情檢測系統，為安全、 科學儲糧起到了積極作用。目前，國內生產的糧倉溫濕度監控系統品種繁多，系統結構各異，在糧倉內外溫濕 度檢測、糧食內部溫濕度檢測及分析、通風機械的控制等方面，比之前有了不少進步但 仍有進步空間?，F場檢測電路和上位機的通訊大多采用RS485，使整個系統抗干擾能力 差，實時性和糾錯能力不強，增加了節點困難。當某一通信節點出現故障時，還會影響 整個系統。國外的溫濕度監控系統相對比較先進，主要體現在以下三個方面：（1）無論是傳感器的測量精度、反應速度、穩定性、功能多樣性還是使用環境方 面，國外的傳感器都比較先進。（2）構成系統整體的測控技術和管理，無論是硬件還是軟件，都已普遍采用相應 的標準模塊集成，并且早已實現組態。（3）系統結構已經普遍采用網絡連接的現場總線技術(FCS)，有些需要的場合，則 連接到Internet上，實現遠程控制、遠程診斷。溫濕度監控系統主要應用于控制環境空間的溫度和相對濕度，從系統控制的角度來 看，屬于純滯后控制，而這一技術已經相當成熟。目前研制高精度，高性能，多功能的 溫濕度監控系統是主流，提高可靠性、靈活性和降低成本也是其考慮的重點，并且系統 在報警、記錄、控制、通信等方面的自動化和智能化也將逐步完善。東北大學秦皇島分校畢業設計（論文）第 9 頁 設計的目的及意義科學儲糧是糧食生產的一個重要環節，若管理不當，糧食發霉或生蟲會造成極大浪 費，而糧倉管理中最重要的問題是監測糧堆中溫度和濕度的變化。糧倉一般由幾十個甚 至上百個由水泥或鋼板構成的圓型倉組成，倉高 2030m?，F在，我國在糧倉建設上己 經實現了規范化，但是監測手段一直未能實現同步現代化。我國許多儲備糧倉每年都因 測控設備的不完善而導致部分糧食霉變，許多大型儲備糧倉的測控設備仍需高價進口， 因此國家準備在未來的幾年內對全國所有的糧倉進行翻新和改造工作，要求規范糧倉管 理，實現糧倉管理現代化。影響儲糧安全的最主要因素是糧堆內的溫度和濕度，因此這就要求有一種經濟實用 的糧倉溫濕度監控系統能夠及時監測糧倉溫度和濕度分布，準確分析糧倉溫濕度變化， 并及時采取相應控制措施，使得管理人員能夠方便有效地進行監控操作。本文只闡述了對溫濕度的檢測和控制，以下所說糧情僅指溫度和濕度，但涉及到的 一些方法也適合其他糧情檢測情況。在綜合研究國內糧倉管理現狀和發展的前提下，吸 收了國內多種糧倉溫濕度監控系統的成功經驗后，我們設計了自己的糧倉溫濕度監控系 統。該糧倉溫濕度監控系統，用單片機作為前沿機（或叫下位機）對現場進行數據采集、 分析和控制，用 PC 機作為監控機（或叫上位機）對糧倉進行監控，通過 CAN 總線實 現下位機與上位機聯網通信，從而實現即時遙測遙控功能。該系統具有可靠性和高性價 比，而且操作維修簡便，具有檢測、數顯、控制等諸多功能。糧倉溫濕度監控系統是利用現場的前沿機檢測糧食儲備庫中糧食的基本溫濕度情 況，并結合其他糧情信息（如入倉時間、品種、倉型、天氣狀況等）進行綜合分析（溫 濕度設定，實時溫濕度顯示，報警電路），然后通過控制電機啟停，達到對溫濕度的控 制。利用監控室的上位機對糧倉進行監控，用戶可方便地構造自己需要的數據采集系統， 在任何時候把糧倉現場的信息實時地傳到控制室，管理人員不需要深入現場，就可以按 照所需的溫濕度要求對糧倉內的溫濕度情況進行控制，還可以查看歷史數據，優化現場 作業，提高了生產效率，增強了國家糧食儲備安全水平，以獲得實時糧倉管理，實現自 動化、智能化，為實現我國糧倉管理現代化更近了一步。 設計的主要工作該課題主要利用單片機來測量并控制糧倉中的溫度和濕度，為了完成這個測量監控 系統的任務需要做以下設計：(1) 根據糧倉溫度、濕度的測量范圍及要求，選擇溫濕度傳感器。 (2) 設計溫濕度測量系統，使之具有多點測量及實時顯示的功能。 (3) 設計現場控制單元，使之能快速、準確、穩定地控制溫濕度。 (4) 設計基于 CAN 總線的遠程通訊系統及基于 VB 的人機界面。 本文的研究內容本文對所設計的系統進行了介紹和總結，具體安排如下： 第一章為緒論，主要介紹了本系統的研究意義，研究現狀，發展方向以及本設計主要內容； 第二章為方案選擇和總體設計，主要介紹了溫濕度的基本概念和測量方法，及由此確定的本系統方案，并對系統總體設計進行了簡要介紹； 第三章為系統硬件設計，主要對系統中各模塊的硬件電路結構，主要功能及相關性能進行了介紹； 第四章為系統軟件設計，主要對系統運行時，對應功能實現所用程序進行了介紹，并對軟件設計中應當注意的問題進行了總結； 第五章為系統抗干擾技術，主要對系統運行時所受的主要干擾，以及在硬件和軟件方面的抗干擾措施進行了介紹； 第六章為總結，則是對本次畢業設計的設計和仿真及畢業論文的撰寫過程進行了總結，并對系統完成的功能和存在的問題進行了分析，還對下一步（如果繼續做下去）的 工作內容進行了陳述。第七、八、九章，分別為致謝，參考文獻和附錄。2 方案選擇與總體設計 溫濕度的相關概念u 溫度（Temperature） 溫度是表示物體冷熱程度的物理量，從分子運動論觀點看，溫度是物體分子熱運動的劇烈程度。分子運動愈快，物體愈熱，即溫度愈高；分子運動愈慢，物 體愈冷，即溫度愈低。溫度是大量分子熱運動的集體表現，含有統計意義，對于 個別分子來說，溫度是沒有意義的。溫度只能通過物體隨溫度變化的某些特性來間接測量，而用來量度物體溫度 數值的標尺叫溫標。它規定了溫度的讀數起點（零點）和測量溫度的基本單位。 目前國際上用得較多的溫標有華氏溫標(℉)、攝氏溫標（176。C）、熱力學溫標(K)和 國際實用溫標。溫度是分子平均動能的標志，它決定一個系統是否與其它系統處于熱平衡狀 態，它的基本特征在于一切互為熱平衡的系統都具有相同的溫度。隨著物體溫度 的變化，物體的狀態會在固態、液體和氣態之間變化。整個世界這么精彩就是因 為這些不同的分子、原子在不同的溫度下變化而來的。u 濕度（Humidity） 濕度是表示大氣干燥程度的物理量，在一定的溫度下在一定體積的空氣里含有的水汽越少，則空氣越干燥；水汽越多，則空氣越潮濕?？諝獾母蓾癯潭冉凶觥皾穸取?，在 此意義下，常用絕對濕度、相對濕度、比較濕度、混合比、飽和差以及露點等物理量來 表示。絕對濕度是一定體積的空氣中含有的水蒸氣的質量，一般其單位是克/立方米， 其計算見公式（）。絕對濕度的最大限度是飽和狀態下的最高濕度。絕對濕度 只有與溫度一起才有意義，因為空氣中能夠含有的水蒸氣的量隨溫度的變化而變 化。高度不同絕對濕度也不同，因為隨著高度的變化空氣的體積變化。rw =Rwe = mT V（）其中的符號分別是：rw –絕對濕度，單位是克/立方米 e – 蒸汽壓，單位是帕斯卡 R249。 –水的氣體常數=(kg K) T – 溫度，單位是開爾文 m – 在空氣中溶解的水的質量，單位是克 V – 空氣的體積，單位是立方米 相對濕度（RH）是絕對濕度與最高濕度之間的比，它的值顯示水蒸氣的飽和度有多高，其計算的見公式（）。相對濕度是 0%的空氣不含水蒸氣，相對濕度 為 100%的空氣是飽和的空氣，相對濕度超過 100%的空氣中的水蒸氣一般凝結出 來。隨著溫度的增高空氣中可以含的水就越多，也就是說，在同樣多的水蒸氣的情況下溫度升高相對濕度就會降低。j = rwrM100% =e 100%E（）其中的符號分別是： j –表示相對濕度，單位是 1rM –最高濕度，單位是克/立方米 E – 飽和蒸汽壓，單位是帕斯卡隨著糧倉中濕度的變化，糧倉中的糧食會因為濕度大而加速發芽或發霉，也會因濕 度小變得干燥。但是，糧食的水分到底有多少則與相對濕度的大小直接有關，相對濕度 小，說明空氣所含水蒸汽量還遠沒有接近飽和量，也就是說還能容納更多的水分，相對 濕度大，說明空氣所含水蒸汽量己接近飽和量不能再容納更多的水分，反而會吸收空氣 中的水分。若用絕對濕度來表示庫房濕度時，很難準確反映糧食中水分的變化，故糧倉 中濕度都用相對濕度來表示。所以，通常我們說的糧倉濕度大小，都是指糧食的相對濕 度大小。而濕度與溫度息息相關，所以我們也要關心糧倉的溫度高低。 溫濕度的測量方法u 溫度的測量方法 溫度不能直接測定，它的測定是采用間接的手段，通過觀察另一種物質，即所謂測溫介質的物理特性變化的方法來確定。按照測量體是否與被測介質接觸，可分為接 觸式測溫法和非接觸式測溫法兩大類。接觸式測溫法的特點是測溫元件直接與被測對象接觸，兩者之間進行充分的 熱交換，最后達到熱平衡，這時感溫元件的某一物理參數的量值就代表了被測對 象的溫度值。這種方法優點是直觀可靠，缺點是感溫元件影響被測溫度場的分布， 接觸不良等都會帶來測量誤差，另外溫度太高和腐蝕性介質對感溫元件的性能和 壽命會產生不利影響。非接觸式測溫法的特點是感溫元件不與被測對象相接觸，而是通過輻射進行 熱交換，故可以避免接觸式測溫法的缺點，具有較高的測溫上限。此外，非接觸 式測溫法熱慣性小，可達 1/1000 秒，故便于測量運動物體的溫度和快速變化的溫 度。由于受物體的發射率、被測對象到儀表之間的距離以及煙塵、水汽等其他的 介質的影響，這種方法一般測溫誤差較大。u 濕度的測量方法 濕度測量技術中最準確的方法是絕對濕度測量的稱重法，國際上普遍使用該法作為濕度基準，其次是作為二級檢定標準的阿斯曼通風干濕計。但是這兩種方法都難以用于 自動化測控系統的現場傳感測量，工程技術中常采用絕對濕度、相對濕度和露點溫度表 示法和相應的測量技術。相對濕度測量：空氣的相對濕度所表達的是其中水氣接近飽和的程度，是指標準狀 況下，空氣中水氣的摩爾分數與相同條件下純水表面的飽和水氣的摩爾分數之比表示 為%RH。相對濕度測量主要用于要求保持一定濕度氣氛的紡織、薄膜生產等行業，武器 裝備封存、倉儲等場所，防止材料的腐蝕、霉變主要依賴于相對濕度控制。相對濕