基于單片機的糧倉溫濕度監控系統的設計本科畢業設計論文(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 、 測量方式是接觸式的還是非接 觸式的、信號的引出方 法 、傳感器的來源，國產還是進口，價格是否能承受。 在考慮上述問題之后就能確定選用何種類型的傳感器 ， 然后再考慮傳感器的具體性 能指標 。 傳感器的具體指標有靈敏度 ， 頻率響應特性 ， 線性范圍 ，穩 定性 ， 精度等 。 這 些參數并不是要求越高越好 ， 因為要求越高不僅會帶來成本的提高 ， 也會帶來信號處理 的難度 ， 噪音等問題 。 在滿足檢測系統要求的前提下我 們 一般選擇價格便宜和簡單的傳 感器。 傳統的現場溫 濕 度檢測大都采用模擬溫濕度傳感器經前端放大 、 信號調理 、 A/D 變 換和數據線性修正等過程來完成 。 放大 、 A/D 電路的性能對測量的精度影響較 大 ， 特別 是當傳感器經較長距離傳輸后與電路相連 時 ，對電路要求更加嚴格。為提高測量精 度 ， 需增加系統成本和花費大量的時間進 行 硬件電路及軟件的調試 。 而數字溫度傳感器其信 號的處理都在芯片內部完 成 ，芯片在生產時進行了數據的線性校正 ， 用戶只需通過一定 的協議從芯片中取出數字信 號 ， 就可完成精度較高的溫度測量 ， 不必考慮模擬信號帶來 的不便，大大降低了 產 品的成本，縮短了開發周期。 本系統中， 我 采用集溫度、濕度測 量 于一體 的 數字傳感 器 DHT21， 溫度傳感器濕 度傳感器合二為一 ， 避免了溫度和濕度在同時測量或讀取時引起的沖突 ， 簡單方便 ， 快 速高效 ， 經濟耐用 。 采用該款傳感 器 避免了模擬傳感器帶來的共地干擾和線路干擾問題， 簡化了系統復雜度 ， 提高了系統測量的準確程度和智能化程度 ， 并在一定程度上降低了 系統成本。 DHT21 輸出數字量已經過校準 ， 傳感器包括電容式感濕元件和 一 個 NTC 測 溫元件 ， 并與一個高性能 8 位單片機相連接 ， 無需額外部件 ， 只有一根信號線 ， 便于擴 展，性能穩定，并 且 比同類產品要便宜的多，所以用在這里是我們理想的選 擇 。 根據設計任務 ， 為了保證系統工作穩定可靠 ， 采用集散控制的方法 ， 每個糧倉配備 一臺現場控 制 器 。現 場 控制器只有 在 接收到 上 位主控計算 機 的指令 時 才進行其相應 操 作，其他時間單獨工作，并不斷向上位機發送測量數據，其特點如下： ? 當計算機系統出現故 障 時，現場控制器可以繼續工作，不會影響控制功能； ? 溫濕度控制器的工作狀態由現場控制器獨立控制； ? 當某一臺現場控制器 出 現故障時，可以立即 利 用備用的現場控制器替 換， 不 會 影響其他糧倉溫濕度的控制，保證控制質量。 本系統的設計包括現場控制器的硬件 、 軟件設計 ， 上位機監控程序設計 。按照目標 要求，現場控制器完成的功能如下： ? 采集現場溫濕度并傳給上位機 ， 根據設定溫濕度進行實時控制 ， 滿足控制要求； ? 通過 CAN 總線與上位機機進行通信； ? 顯示當前的溫濕度測量值、設定值、實時時間； ? 可通過鍵 盤 設定溫濕度理想值； ? 在溫濕度超限時實現聲光報警； ? 能實現對關鍵數據的掉電保 護 。 上位機軟件完成的功能如下： ? 采集、儲 存 溫濕度值，繪制、打印實時曲線； ? 設定溫濕度上下限，并給出報警； ? 控制現場控制器是否發送實時數據； ? 查詢、打印溫濕度數 據 的歷史曲線； ? 與現場控制器進行通信，顯示控制器狀態。 根據糧倉溫 濕 度范圍 和控制精度要 求 ，采用 數 字溫濕 度 復 合 傳感 器 DHT21。由于 使用 CAN 總線實現現場與主控室的通信，傳輸距離可達到 10km， 最高通信速率可達 1Mbps，完全能滿 足 通信距離和通行速率的 要 求 。 由于現場環境有 干 擾，為了保證系統 可靠工作，采用自帶看門狗的單片機 STC89C52，保證有干擾時，程序能夠自動復位并 開始正常工作。 根據系統的目標任務及總體設計方案，繪制系統的總體框圖 如 圖 所示。 圖 系 統 總 體 結 構 原理 圖 本系統以糧倉的溫濕度為監測 對 象，主要由 PC 機、 USB 轉 CAN 總 線模塊和智能 節點三部分組成。 位于主控室的上位監 控 機，可以隨時隨地通 過 界面友好、使用方便 的 監控軟件實現 對各個糧倉中各采集點溫濕度的監控 。 作為信號傳輸層的 USB 轉 CAN 總線模塊是連接 上位監控機和智能節點的橋梁 ， 上位監控機發出的控制信號 ， 以及智能節點的反饋信號 都是通過它 傳 遞的。 糧 倉內的智能 節 點，能獨 立完成溫濕 度 的測量 和 控制，還能通 過 CAN 總 線 與 上 位 監控 機通 信 ， 并根 據 命 令按 照上 位 機 的 設 定 溫 濕度 進行 控 制 以 及決 定 是否向上位機發送實時溫濕度數 據 ，智能節點原理圖如圖 所示。 圖 智 能 節 點 原 理 圖 東 北大學秦皇島分校畢業設計（論文） 第 12 頁 智能節點由 STC89C52 最小系統和 DHT21 溫 濕度測量電路，鍵盤輸入電路 ， LCD 液晶顯示電路 ， 聲光報警電路 ， 掉電保護電路 ， 實時時鐘電路 ， 輸出控制電路以及 CAN 總線通信模塊構成 ， 能完成對一個糧倉內多點溫濕 度 數據采集 ， 溫濕度控制 ， 能輸入所 要控制到的溫濕度值，能顯示 出 溫濕度值和實時時間，能超限報警 ， 有掉電保護功能， 還能通過 CAN 總線接口與 CAN 總線通信。智能節點的原理框圖如圖 所示。 圖 智 能 節 點 的 原 理框 圖 因為固態繼電器的輸入控制屬于兩位控 制 ， 只有開或關兩個狀態 ， 不能進行線性控 制 ， 所以其控制算法采用 PWM 控制 。 為了 達 到很快的控制速度 ，很高的控制精度 ， 取 得令人滿意 的 控制效 果 ， 再結合糧 倉 溫濕度 這 一被控對象 的 特點 ， 系 統中，對傳統 的 PWM 控制又做了一 些 改 進 。系統控制原理框圖如圖 所示。 圖 系 統 控制 原 理 框 圖 系統中，下位 機 通過 程 序控制各外圍器件的 工 作，完成檢測實時溫 濕 度，判斷是否 報警，并控制溫濕度，還能實現與上位機的通信，其主程序流程圖 如 圖 所示。 開始 初始化 讀取溫濕度標值 向 CGRAM 寫字符 設定狀態？ 否 是 清看門狗寄存器 否 上位機允許？ 是 發送到 can 總線 設定并顯示設定值 聲光報警處理 存儲溫濕度設定值 PWM 控制輸出 數字濾波 接收 can 總線數據 顯示前數據處理 否 發向本節點？ 否 顯示溫濕度？ 是 算出溫濕度設定值 是 顯示實時溫濕度 存儲溫濕度設定值 讀取實時時間 讀取實時溫濕度 顯示實時時間 圖 下 位 機 主程 序 流程圖 3 系統硬 件 設計 STC89C52 簡介 STC89C52 是 STC 公 司 推出的 8 位單片機 ， 與 MCS51 單片機產品兼容 ，超強的加 密功能，極高的擦寫次數（大于 100000） 。 STC89C52 最高可支持 80MHz 時鐘頻率，具有 1 個看門狗定時 器（ WDT） ， 4 個中 斷優先級。本系統設計時，采用了 12M 的 時 鐘頻率，用 T0 產生 PWM 脈沖，用 WDT 保證系統穩定運行。 在本系統中 ， 每個糧 倉 設一個智能節點 ， 該節點以 STC89C52 為現 場 控制器 ， 可以 實現一個糧倉內溫濕度的監 控 。 系統中 ， 單片機用到的各引腳與外圍電 路的連接情況為： P07 連接數據采集電路 ， P00、 P01 、 P02 以 及 P03 連接 CAN 總線通信模塊 ， P P1 P12 以及 P2 口連接 LCD， P1 P14 和 P15 連接 DS1302， P0 P0 P0 P32 以及 P33 連接鍵盤電路 ， P34 連接聲光報警電路 ， P35 連接輸出控制電路 ， P36 和 P37 連接掉 電保護電路，STC89C52 的最小系統如圖 所示。 圖 單 片機 最 小 系統 數據采集電路 本設計 中 的數 據 采集 電 路是由 多 路模 擬 開關 和 一系列 的 數字 溫 濕度 傳 感器 DHT21 構成的 ， 每個傳感器都有特 定 的編號 ， 在特定的位置測量 ， 其電源一直供電 ， 通過單片 機控制多路模擬開關的導通 ， 選擇性讀取具體的某一 個DHT21 的測 量 結果 ， 多路模擬開 關逐個導通就實現了循環數據采集。 DHT21 是一款含有 已 校準數字 信 號 輸出的 溫 濕度復合傳 感 器 ， 它 應 用專用的數 字 模塊采集技術和溫濕度傳感技 術 ， 確保產品具有極高的可靠性與卓越的長期穩定性 。 采 用該款傳感器避免了模擬傳感器帶來的共地干擾和線路干擾問題 ， 同時也避免了溫度和 濕度分開測量和處理的復雜和麻煩 ， 簡化了系統復雜度 ， 提高了系統測量的準確程度和 智能化程度，并在一定程度上降低了系統成本。 傳感器包括一個 電 容 式 感濕元件和一 個 NTC 測 溫元件，并與一 個 高 性 能8 位單片機 相連接 ， 無需額外部件 。 每 個 DHT21 傳感器 都 在極為精確的濕度校驗室中進行校 準 ， 校 準系數以程序的形式儲存 在 OTP 內存中 ， 傳感器內部在檢測信號的處理過程中要調用這 些校準系數 。 單線制串行接口 ， 使系統集成變得簡易快 捷 ， 連接方 便 。 該產品具有品質 卓越 、 超快響應 、 抗 干 擾能力強 、 性價比高等優 點 ， 超小的體積 、 極 低的功耗 ， 較遠的 信號傳輸距離 ， 使其成為各類應用甚至最為苛刻的應用場合的最佳選 則 ， 其應用領域有 暖通空調 、 汽車 、 家 電 、 氣象站 、 醫療 、 濕 度 調節 器 、 除濕器 、 數 據 記錄 器 、 測試及檢 測設備等，傳感器的實物 圖 和封裝信息如圖 所示。 圖 DHT21實 物 及 封裝 圖 DHT21 性能 說明 DHT21 的主要性能 指 標如表 所示。 表 傳感器性能說明 （ 響應 時 間 的 測 量 條 件 25℃ ， 1m/s 空氣） 參數 條件 Min Typ Max 單位 供電 電 流 測量 mA 待機 mA 采樣 周 期 1 2 S 濕度 分辨率 %RH 16 Bit 重復性 177。1 %RH 精度 25℃ 177。3 %RH 0－ 50℃ 177。5 %RH 互換性 可完 全 互換 響應 時 間 1/e(63%) 2 S 遲滯 177。 %RH 長期 穩 定性 典型值 177。1 %RH/yr 溫度 分辨率 ℃ 16 Bit 重復性 177。 ℃ 精度 177。 ℃ 量程 范 圍 40 80 ℃ 響應 時 間 1/e(63%) 6 20 S 注 ： 采樣周期不得低于最小值 ， 否則會引起錯 誤 。 建議連 接 線長度短 于 20 米時用 5K 上拉 電 阻 ,大于20 米時根 據實際情況使用合適的上拉電 阻 。 DHT21 的標值供電電 壓 為 5V， 傳感器上電后 ， 要等待 1s 以越 過 不穩定狀態在此期 間無需發送任何指令 。 電源引 腳 VDD 電源正 極 ，供電 ， GND 電源負極，接 地，這兩個引腳之 間 可增加一個 100nF 的電 容 ，用以去耦濾 波 。 DATA 引 腳 是 串 行 數據 接 口，用 于