仓库温度与湿度综合参数显示器综述

上海电机学院毕业设计（论文）开题报告课题名称 仓库温度、湿度综合参数显示器_ 学 院 专 业 班 级 学 号 姓 名 指导教师 定稿日期： 2010 年 12月25 日仓库温度、湿度综合参数显示器摘要：目前，仓储式物流企业快速发展、迅速崛起。实际应用中，温度、湿度等环境条件对该类企业可以说是严格监控的目标，通过人工进行检测，对不符合温度和湿度要求的库房进行通风、去湿和降温等工作。这种人工测试方法费时费力、效率低，且测试的温度及湿度误差大，随机性大，需要一种造价低廉、使用方便且测量准确的温湿度测量仪，因此，该课题对仓储式企业来说，具有实际应用价值，可以有效保证企业的服务品质和正常运转。关键词：单片机，LED显示，温度传感器，温度传感器1 文献综述防潮、防霉、防腐、防爆是仓库日常工作的重要内容，是衡量仓库管理质量的重要指标。为保证日常工作的顺利进行，首要问题是加强仓库内温度与湿度的监测工作1。传统测量温度和湿度的方法是通过干湿度表、双金属式测量计和温度试纸等测试仪器，通过人工进行检测，对不符合温度和湿度要求的仓库进行通风、去湿和降温等工作。这种人工测试方法费时费力，效率低且测量的温度及湿度的误差大，随机性大2。利用单片机的仓库温度和湿度自动测试仪的组成和原理能解决这个问题2。可以使用传感器把测得的数据给单片机，人们通常将能把被测物理量或化学量转化为与之有确定对应关系的电学量输出的装置称为传感器 7,8,9。随着微电子技术的不断发展，可以容易地将计算机技术与测量控制技术结合在一起，组成新一代的所谓“智能化测量控制系统”10,11,12。利用LED显示技术，能把传感器测得的数据通过单片机的处理传输到显示器上，基于单片机的LED显示屏控制电路，可实现一行任意多个文字图形符号的水平平滑移动显示，可广泛应用于工矿企业、学校、商场、店铺、公共场所等进行文字广告宣传，信息发布等13,14。MCS-51系列单片机的应用很广泛，是学习单片机技术较好的系统平台，同时也是开发单片微型计算机应用系统的一个重要系列。一片MCS-51系列芯片内部包含有1个8位CPU、振荡器和时钟电路，4K/8K字节的程序存储器（ROM或EPROM），128字节的数据存储器，可寻址外部程序存储器和数据存储器（各64K字节）,2个16位定时器/计数器，5/6个中断源，提供2个终端优先级，可实现二级中断服务程序嵌套。具有位寻址功能，有较强的布尔处理能力 4,5,6。2 选题背景及其意义目前，仓储式物流企业快速发展、迅速崛起。在进行仓库管理时，对库房的环境控制，有时候是非常有必要的，不管是对货品，还是对货架，温度和湿度的有效控制，都有着至关重要的作用，为了维护仓储商品的质量完好，创造适宜商品存储的环境，当库房内的湿度和温度适宜商品存储时，就要设法防止库外气候对库内的不利影响；当库内湿度和温度不适宜商品储存时，就要及时采取有效措施调节库内的温湿度。传统的方法是人工进行检测，对不符合温度和湿度要求的库房进行通风、去湿和降温等工作。这种人工测试方法费时费力、效率低，且测试的温度及湿度误差大，随机性大。实际应用中，温度、湿度等环境条件对该类企业可以说是严格监控的目标，所以利用传统的方法很不利于商品的存储，以为它无法有效的监控当前的温度湿度的实时数据，所以利用传感器测量仓库内的温度和湿度，通过单片机的处理，利用LED电子显示屏的显示可以直观的看到当前仓库内的温度和湿度的具体情况，便于能及时处理和解决库房内一些不利于商品储存的因素本课题中仓库温度湿度参数显示系统主要是，利用传感器搜集数据，利用单片机的处理和分析，显示到LED电子显示屏上。3 研究内容3.1 温度传感器的基本工作原理温度是反映了物体冷暖的程度，与自然界中的各种物理量和化学过程相联系。温度传感器分两种大类：接触式传感器，非接触式传感器。接触式传感器有膨胀式温度计热电阻温度计热电偶温度计其他原理的温度计，原理是使用温度敏感元件与被测对象接触，经过换热后两者温度相等的方法。而非接触式的温度计有辐射式温度计光纤式温度计，它的原理是温度元件不与被测对象发生接触，而是通过辐射能量进行热交换，由辐射能的大小来推算被测物体的温度3.2 湿度传感器的基本工作原理湿度传感器，基本形式都是利用湿敏传感材料对水分子的吸附能力或对水分子产生物理效应的方法测量湿度。湿敏元件是最简单的湿度传感器。湿敏元件主要有电阻式、电容式两大类。湿敏电阻的特点是在基片上覆盖一层用感湿材料制成的膜，当空气中的水蒸气吸附在感湿膜上时，元件的电阻率和电阻值都发生变化，利用这一特性即可测量湿度。湿敏电容一般是用高分子薄膜电容制成的，常用的高分子材料有聚苯乙烯、聚酰亚胺、酪酸醋酸纤维等。当环境湿度发生改变时，湿敏电容的介电常数发生变化，使其电容量也发生变化，其电容变化量与相对湿度成正比。主要的几种湿度传感器是：1、氯化锂湿度传感器2、碳湿敏元件3、氧化铝湿度计4、陶瓷湿度传感器等等3.3 89S51单片机的工作原理单片机是一种集成在电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能，有些还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。AT89S51/LS51单片机是低功耗的、具有4KB在线课编程Flash存储器的单片机。它与通用80C51系列单片机的指令系统和引脚兼容。片内的Flash可允许在线重新编程，也可使用非易失性存储器编程。他将通用CPU和在线可编程Flash集成在一个芯片上，形成了功能强大、使用灵活和具有较高性能性价比的微控制器。AT89S51/LS51具有如下特性：-片内程序存储器含有4KB的Flash存储器，允许在线编程，檫写周期可达1000次；-片内数据存储器内含128字节的RAM；-I/O口具有32根可编程I/O线；-具有两个16位I/O线；-中断系统具有6个中断源、5个终端矢量、2个中断优先级的中断结构；-串行口是一个全双工的串行通信口；-具有两个数据指针DPTR0和DPTR1；-低功耗节电模式有节电模式和掉电模式；-包含3级程序锁定位；-AT89S51的电源电压为4.0-5.5V，AT89LS51的电源电压为2.7-4.0V；-振荡器频率0-33MHz（AT89S51），0-16MHz(AT89LS51);-具有片内看门狗定时器；-灵活的在线片内编程模式（字节和页编程模式）；-具有断电标志模式POF；3.4 LED电子显示器 LED电子显示屏简介LED显示屏（LED display）：又叫电子显示屏或者飘字屏幕。是由LED点阵组成，通过红色或绿色灯珠的亮灭来显示文字、图片、动画、视频，内容可以随时更换，各部分组件都是模块化结构的显示器件。通常由显示模块、控制系统及电源系统组成。显示模块由LED灯组成的点阵构成，负责发光显示；控制系统通过控制相应区域的亮灭，可以让屏幕显示文字、图片、视频等内容，恒舞动卡主要是播放动画的；电源系统负责将输入电压电流转为显示屏需要的电压电流。LED显示屏可以显示变化的数字、文字、图形图像；不仅可以用于室内环境还可以用于室外环境，具有投影仪、电视墙、液晶显示屏无法比拟的优点。LED之所以受到广泛重视而得到迅速发展，是与它本身所具有的优点分不开的。这些优点概括起来是：亮度高、工作电压低、功耗小、小型化、寿命长、耐冲击和性能稳定。LED的发展前景极为广阔，目前正朝着更高亮度、更高耐气候性、更高的发光密度、更高的发光均匀性，可靠性、全色化方向发展LED显示屏的性能和功用发光亮度强 在可视距离内阳光直射屏幕表面时,显示内容清晰可见。超级灰度控制 具有1024-4096级灰度控制,显示颜色16.7M以上,色彩清晰逼真,立体感强。 静态扫描技术 采用静态锁存扫描方式,大功率驱动,充分保证发光亮度。自动亮度调节 具有自动亮度调节功能,可在不同亮度环境下获得最佳播放效果. 全面采用进口大规模集成电路,可靠性大大提高,便于调试维护。全天候工作 完全适应户外各种恶劣性环境,防腐,防水,防潮,防雷，抗震整体性能强、性价比高、显示性能好,像素筒可采用P10mm、P16mm等多种规格。先进的数字化视频处理，技术分布式扫描，模块化设计/恒流静态驱动，亮度自动调节， 超高亮纯色象素。影像画面清晰、无抖动和重影，杜绝失真。视频、动画、图表、文字、图片等各种信息显示、联网显示、远程控制.LED的色彩与工艺LED的缺点和优点常见的方案的比较：1 点阵模块方案：最早的设计方案，由室内伪彩点阵屏发展而来优势： 原材料成本最有优势，且生产加工工艺简单，质量稳定。 缺点： 色彩一致性差，马赛克现象较严重，显示效果较差。2单灯方案： 为解决点阵屏色彩问题，借鉴户外显示屏技术的一种方案，同时将户外的像素复用技术（又叫像素共享技术，虚拟像素技术）移植到了室内显示屏。优势： 色彩一致性比点阵模块方式的好。 缺点： 混色效果不佳，视角不大，水平方向左右观看有色差。加工较复杂，抗静电要求高。实际像素分辨率做到10000点以上较难。3贴片方案： 采用贴片发光管为显示元件的方案。优势：色彩一致性，视角等重要显示指标是现有方案里最好的一种，特别是三合一表贴的混色效果非常好。 缺点：加工工艺麻烦，成本太高。4。亚表贴方案：实际上是单灯方案的一种改进，现在还在完善之中。优势：在显示色彩一致性，视角等首要指标和标贴方案差别不大了，但成本较低，显示效果很好，分辨率理论上可以做到17200以上。 缺点：加工还是较复杂，抗静电要求高。3.5 信号的处理和分析（A/D转换）AD转换就是把模拟量转换成数字量，以便pc等进行处理，一般用来作为数据采集。所谓多少位就是一个转换精度的问题，比如说12bit，如果你的量程为a，那么代表它能实现对最小值为a除以2的12次方进行转化，也即是所能读出的最小刻度；通道数就是就是能同时转换多少路模拟量，16通道代表16路下面简要介绍常用的几种类型的基本原理及特点：积分型、逐次逼近型、并行比较型/串并行型、-调制型、电容阵列逐次比较型及压频变换型。 1）积分型（如TLC7135） 积分型AD工作原理是将输入电压转换成时间(脉冲宽度信号)或频率(脉冲频率)，然后由定时器/计数器获得数字值。其优点是用简单电路就能获得高分辨率， 但缺点是由于转换精度依赖于积分时间，因此转换速率极低。 2）逐次比较型（如TLC0831） 逐次比较型AD由一个比较器和DA转换器通过逐次比较逻辑构成，从MSB开始，顺序地对每一位将输入电压与内置DA转换器输出进行比较，经n次比较而输出 数字值。其电路规模属于中等。 3）并行比较型/串并行比较型（如TLC5510） 并行比较型AD采用多个比较器，仅作一次比较而实行转换，又称FLash(快速)型。由于转换速率极高，n位的转换需要2n-1个比较器，因此电路规模也极大，价格也高，只适用于视频AD转换器等速度特别高的领域。 串并行比较型AD结构上介于并行型和逐次比较型之间，最典型的是由2个n/2位的并行型AD转换器配合DA转换器组成，用两次比较实行转换，所以称为 Half flash(半快速)型。还有分成三步或多步实现AD转换的叫做分级（Multistep/Subrangling）型AD，而从转换时序角度 又可称为流水线（Pipelined）型AD，现代的分级型AD中还加入了对多次转换结果作数字运算而修正特性等功能。这类AD速度比逐次比较型高，电路 规模比并行型小。 4）-(Sigma?/FONTdelta)调制型（如AD7705） -型AD由积分器、比较器、1位DA转换器和数字滤波器等组成。原理上近似于积分型，将输入电压转换成时间(脉冲宽度)信号，用数字滤波器处理后得到数字值。 5）电容阵列逐次比较型 电容阵列逐次比较型AD在内置DA转换器中采用电容矩阵方式，也可称为电荷再分配型。一般的电阻阵列DA转换器中多数电阻的值必须一致，在单芯片上生成高 精度的电阻并不容易。如果用电容阵列取代电阻阵列，可以用低廉成本制成高精度单片AD转换器。最近的逐次比较型AD转换器大多为电容阵列式的。 6）压频变换型（如AD650） 压频变换型（Voltage-Frequency Converter）是通过间接转换方式实现模数转换的。其原理是首先将输入的模拟信号转换成频率，然 后用计数器将频率转换成数字量。从理论上讲这种AD的分辨率几乎可以无限增加，只要采样的时间能够满足输出频率分辨率要求的累积脉冲个数的宽度。其优点是 分辩率高、功耗低、价格低，但是需要外部计数电路共同完成AD转换。4 工作特色及其难点，拟采取的解决措施4.1 工作特色及其难点实际应用中，温度、湿度等环境条件对该类企业可以说是严格监控的目标，通过人工进行检测，对不符合温度和湿度要求的库房进行通风、去湿和降温等工作。该课题对仓储式企业来说，具有实际应用价值，可以有效保证企业的服务品质和正常运转。所以设计的这个系统就能很好的解决上述问题，能使仓储物流的货品保存安全性得到很大的提升，方便管理人员管理但是这个系统也存在许多难点需要克服（1） 温度湿度采集的准确性和周围客观情况对传感器的影响。（2） A/D转换器的与单片机和传感器的的数据转换和传输（3） 数据存储的的数据掉电保护（4） 系统时钟的设定（5） 温度湿度过高或者过低时的报警设置及其准确性4.2 拟采取的解决措施使用精度高的温湿度传感器解决周围客观情况对传感器的影响。选择合适的A/D转换器，完善编程和连接，消除存在的隐患。单片机系统内的RAM数据是非常容易丢失的，特别是一些珍贵的科研数据，一旦丢失后果不堪设想，因此掉电保护是必须要做的，一旦电源发生掉电现象，在掉电的瞬间系统能自动保护RAM中的数据和系统的运行状态，当电源恢复正常供电后能恢复到掉电前的工作状态。采用内部时钟方式来为系统提供时钟信号。59S51单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反向放大器，该放大器的输入输出引脚为XTAL1和XTAL2，它们跨接在晶体振荡器和用于微调的电容，便构成了一个自激励振荡器。使用压电式蜂鸣器然后通过单片机的1根口线经驱动器驱动蜂鸣音发声。5 论文工作量及预期进度2010年11月-2010年12月：收集资料，确定设计系统总体方案，翻译有关外文资料及阅读技术文献，书写开题报告。2011年2月- 2011年3月：学习89S51单片机系统开发工具进行设计。2011年3月- 2011年3月：进行方案论证。2011年3月- 2011年4月：进行系统总体编程及调试。2011年4月- 2011年4月：与硬件部分的整合。2010年4月- 2011年5月：编写毕业论文。2010年5月- 2011年6月：毕业答辩准备和答辩。6 预期成果及其可能的创新点预期成果：完成一个基于89S51单片机的系统，能够实现自动测量当前室内的温度和湿度，把测得的数据通过A/D转换输送给单片机。经过处理和分析把测得数据显示在液晶显示器上。然后设计一个报警电路，当温度和湿度高于或者低于一个限定值时，自动鸣响蜂鸣器报警通知。 参考文献：1 左现刚. 贾蒙. 基于微控制器的仓库温度湿度控制系统的设计J. 内江科技, Neijiang Science & Technology, 2010，（2）:61.2 吴炜. 基于8031单片机的仓库温度与湿度自动测试仪设计J. 南通航运职业技术学院学报, Journal of Nantong Vocational & Technical Shipping College, 2009，（4）:66-68. 3 沈德金，陈粤初. MCS-51系列单片机接口电路与应用程序实例M. 北京航空航天大学出版社,1990. 4 李江华. 基于MCS_51单片机安防系统监控主机的设计与实现M.国防科学技术大学硕士学位论文,2007.5主编.主编. 单片机原理与应用及C51程序设计. 北京市：北京大学出版社, 2008.08.6 曹卫芳. 基于MCS-51系列单片机的通用控制模块的研究M. 山东科技大学,2005.7 李志全等. 智能仪表设计原理及应用M.国防工业出版社,1998.6 8，编著. 传感器应用接口电路M. 北京市：机械工业出版社, 1997.9 张琳娜，刘武发. 传感检测技术及应用M. 中国计量出版社,199910等著. 模拟集成电路的自动综合方法M. 北京市：科学出版社, 1999.11等编著. 智能仪器与数据采集系统中的新器件及应用M. 西安市：西安电子科技大学出版社, 2001.12 黄凌云. 低成本多位LED动态扫描方法J. 电脑开发与应用, Computer Development & Applications, 2010,（8）:77.1