毕业设计__粮食进仓湿度自动检测系统设计.doc

河北科技师范学院2012届本科毕业设计1 绪论1.1 课题的背景 为保护农民种粮积极性，进一步促进粮食生产发展，经国务院批准，决定从新粮上市起适当提高主产区2012年生产的稻谷最低收购价格。每50公斤早籼稻（三等，下同）、中晚籼稻、粳稻最低收购价格分别提高到120元、125元、140元，比2011年分别提高18元、18元、12元。早籼稻播种在即，各地要做好宣传工作，以调动农民种粮积极性，促进粮食生产稳定发展。粮食的增产增收，给粮食的收购部门带来了压力，也给粮食的储存带来挑战。粮食储存质量的高低和进仓前的质量有很大的关系，所以必须控制进仓的粮食质量。本文是利用湿度传感器和单片机对进仓粮食湿度进行检测，并根据分析结果报警和控制运输电机，阻止超过标定湿度的粮食进仓，避免粮食霉变。1.2 粮食进仓湿度自动检测系统研究的意义 我国目前有数千座不同类型的粮食仓库, 它们分布在不同的气候区内，不同湿度的粮食，在多变的气候条件和温湿度变化会受到不同程度的霉变1。以前的经济和科技水平有限，所以我国粮食的存储环境很差，管理落后。因此研制能够可靠的检测进仓储前粮食的湿度，并对湿度进行预测分析和报警以阻止高湿度的粮食进仓，对避免霉变有重要意义2。1.3 粮食进仓湿度自动检测系统的发展状况湿度就是指空气中湿气的含量。有绝对湿度和相对湿度之分，空气湿度是用来表示空气中的水汽含量多少或空气潮湿程度的物理量。通常指的是相对湿度，它是指实际空气的湿度与在同一温度下达到饱和状况时的湿度之比值，绝对湿度是指每单位容积的气体所含水分的重量，一般用 mg/l 作指标。（本文所指的湿度均为相对湿度）湿度测量从原理上划分有二、三十种之多。但湿度测量始终是世界计量领域中著名的难题之一。一个看似简单的量值，深究起来，涉及相当复杂的物理化学理论分析和计算，初涉者可能会忽略在湿度测量中必需注意的许多因素，从而影响传感器的合理使用。粮食是国家发展的命脉，粮食进仓时的湿度对粮食的长期存储是否可行起着决定性的作用。近年来，粮食进仓时湿度越来越受到人们的重视。1.3.1 国外研究概况国外研究机构已设计出了基于电子式传感器的可对湿度进行检测检测仪器，主要的有如下几种： 一种新型多通道温湿度检测仪。多通道智能温湿度检测仪是以 51 单片机为基础，选用瑞士盛世瑞恩的sht11 数字温湿度传感器，该传感器内部经过温度补偿和湿度全量程标定，输出标准数字信号，且提供应用程序，使用非常方便，缩短开发时间，降低成本，通过 485 总线可实现对粮食湿度的多点测量。这种仪器具有测量精度高、硬件电路简单、显示界面友好、可巡回测试多点温湿度等特点，但是该仪器只能对仓内粮食湿度进行监测3。 基于 mems（micro-electro-mechanical systems，微机电系统）的湿度检测仪。该仪器是一种基于多传感头集成的 mems 系统，用于测量湿度。同时由于mems 技术的使用，使得该仪器整体电路简单可靠，而且体积小，携带方便4。目前该仪器未用于粮食的湿度检测。 一种用微波来监测田间粮食作物子粒湿度的仪器系统。美国新泽西立贝农业机械公司开发了一种用微波来监测田间粮食作物子粒湿度的仪器系统5，该仪器的发射无线可以将微波传入田间的粮食、玉米、小麦、大豆、大麦等作物的果实子粒部分，通过观测发生的相应变化来测其果实子粒的潮湿度和含水量。1.3.2 国内研究概况国内也有一些研究机构提出湿度检测方案，主要有如下几种： 手持式微波粮食测试仪。广州建科测试仪器科技有限公司研发的 moist200 手持式微波测试仪6。它采用了微波技术，测试深度可达 30cm，可测试建筑材料的湿度，快速轻便。另外 moist200 与 moistanalyze 多维湿度分布成像软件综合使用，可获得所测建筑材料内部及表面湿度情况的分布图7。 用于检测粮食内部相对含水量的理论模型。黑龙江八一农垦大学研制了一种以变频技术为基础,采用了空间波法中反射波法，提出了如何利用纯净水对微波的衰减特性测量粮食内相对含水量分布的方法，建立了检测粮食内部相对含水量的理论模型。该方法克服了以往测量前需对待测物采样定标所带来的不便, 拓展了微波的应用范围8。 基于 at89c51 的单片机的湿度检测与控制的方案。西南石油大学提出了一种基于 at89c51 的单片机的湿度检测与控制的方案，对被测对象湿度在不同变化范围需要不同的 pid 参数的特点，根据检测湿度自动选择合适的一组 pid 参数进行控制的设计方案，整个设计简明清晰9。1.4 本课题的主要研究内容 本课题是为实现粮食湿度检测的要求而设计的，课题的主要研究内容是设计并实现一个基于单片机系统的粮食进仓湿度自动检测报警控制系统，该系统具有实时显示检测数据和实时上传检测数据的功能。因此本课题的研究内容有以下几个方面： 系统整体方案设计：根据系统功能要求并且考虑产品的性价比，采用湿度传感器，并采用模块化设计方法，以方便系统的调试和后期开发。 系统硬件设计：主要单片机芯片的选型、传感器的选型、单片机系统与 a/d 及其外围电路的设计、单片机与 led 显示模块接口电路设计，报警电路的设计，电机控制电路的设计等。 系统软件设计：主要包括单片机部分的 led 显示、数据采样程序设计和串口通信程序等。2 粮食进仓湿度自动检测系统的总体设计2.1 粮食进仓湿度自动检测系统的设计要求 本课题的主要研究内容是设计并实现一个基于单片机系统的粮食进仓湿度自动检测报警控制系统。该系统的设计要求具有实时显示检测的数据和实时上传检测数据的功能，同时当湿度超过设定的 75%以上时，系统将会启动报警系统报警通知检测人员对粮食进行检测，同时控制系统将运输线停止。2.2 设计思路和方案粮食进仓时一般是由工作人员将运粮车上成袋的粮食打开放到传送带上，通过传送带传送到清选机清除杂物后再进入到仓库里。本系统是通过安装在输送安装架上的湿度检测系统对通过传送带进仓的粮食湿度进行实时的检测，并对湿度进行显示和分析，根据分析结果报警提示工作人员并切断电机使输送带停止，防止高湿度的粮食进仓。系统设计要能够可靠的检测进仓前时粮食的湿度（测量范围为 10%95%rh 的湿度）10，并进行合理的分析，实时的报警和及时的电机切断。本文的主要研究内容将集中在该仪器电子部分的设计和研究，整个系统的框图如图 2-1 所示。防止粮食进仓湿度检测系统否是报警并控制电机湿度是否过高搬到传送带上工作人员工作人员车上的粮食输送到清选机图2-1 系统的流程图根据系统框图，研究内容分为下面三个大模块： 粮食进仓湿度自动检测系统信号采集部分。通过调查与研究目前各种粮食进仓湿度自动检测系统的评价方法及现有的检测手段及检测方法，选择合适的湿度传感器，把非电信号（湿度）转换成模拟电信号（如电压，电流等）。 粮食进仓湿度自动检测系统的数据处理部分。以 at89c51 单片机为中心的数据处理，数据显示，数据通讯部分。at89c51 单片机接收 a/d 芯片转换结果数据，通过一定的软件算法求得能表征粮食湿度的数据，并送至 3 位八段 led 显示和pc 机存储和处理11。 粮食进仓湿度自动检测系统的软件设计。软件设计分为单片机软件和 pc 机软件两个部分，单片机软件主要实现数据处理，系统外设控制，数据显示以及与 pc 机间数据通信。其中，数据处理是关键，根据湿度检测仪器的特点，本文用取最大值再求均方差算法处理数据。pc 机软件主要实现与单片机的数据通讯以及数据处理两大功能。各个模块的划分如图 2-2 所示。报警模块电机控制模块串口通信模块led显示模块数据采集处理模块数据处理模块串口接收数据模块单片机程序模块pc机程序模块串口通信电机控制报警led显示a/d转换器变送器软件系统模块硬件系统模块粮食进仓湿度自动检测系统图 2-2 系统模块划分图3 粮食进仓湿度自动检测报警控制系统硬件设计3.1 引言本硬件系统采用的单片机是 at89c51，该单片机具有灵活性高、使用方便、价格低廉等优点，图 3-1 所示的是基于 at89c51 的湿度检测系统硬件结构图。湿度传感器将外部湿度转换为模拟电压信号，并接着将信号放大和线性化使得信号在 a/d 转换芯片的量程范围内，在 at89c51 的控制下，a/d 转换芯片完成信号的 a/d 转换，然后将转换后的数字信号送入 at89c51，at89c51 进行数据的比较和 bcd 码转换，最后利用数码管对当前湿度进行 3 位显示，当湿度超过其要求时便报警和切断控制电机。系统上电复位后开始直接运行，在运行过程中，系统每隔 3 秒检测一次当前湿度并送往数码管进行显示。在检测过程中，当湿度超过上限值时系统会自动报警，指示当前湿度过高并切断电机。同时将显示清零，以准备进行下一次的数据采集、检测及显示12。该系统硬件组成主要包括湿度检测电路、显示接口电路、报警电路、电机控制电路、pc 机通信电路。led显示at89c51声光报警a/d转换器湿度变送器电机控制pc机通信图 3-1 系统硬件结构图3.2 单片机模块单片机又称单片微控制器，它是将 cpu、存储器、输入/输出接口、定时/计数器等集成在一块芯片上，是目前销量最大、应用面最广、价格最便宜的微型计算机。单片机的结构框图如图 3-2 所示。at89c51 结构简单，应用范围广，技术成熟，价格便宜。因此本系统所采用的单片机为 at89c51。程序存储器外设取指令cpu定时/计数器i/o口 图3-2 单片机结构框图3.2.1 at89c51单片机的内部的硬件结构及引脚 at89c51单片机内部的总体硬件结构：at89c51 单片机的内部基本结构，如图 3-3 所示。中断系统at89c51cpu并行i/o端口两个16位定时器/计数器数据存储器256b ram/sfr程序存储器4kb rom全双工串行口外部计数脉冲振荡器和时钟电路64kb总线扩展控制外部时钟源图3-3 at89c51 单片机的内部基本结构 at89c51单片机的引脚：at89c51 单片机是 hmos 工艺制造，外形为 40 条引脚，如图 3-4 所示。因为受芯片引脚数量的限制，有很多引脚具有双功能。 主电源引脚vcc：芯片工作电源端，接5v。vss：电源接地端。 时钟振荡电路引脚xtal1：内部晶体振荡电路的反相器输入端。接法如图 3-6。 图3-4 at89c51单片机的引脚xtal2：内部晶体振荡电路的反相器输出端。接法如图 3-6。 控制信号引脚rst为复位信号输入端。外部接复位电路。接法如图 3-5。ale为地址锁存允许信号。在不访问外部存储器时，ale 以时钟振荡频率的 1/6 的固定频率输出，用示波器观察 ale 引脚上的脉冲信号是判断单片机芯片是否正常工作的一种简便方法。 并行i/o端口引脚p0口（p0.0 p0.7）；p1口（p1.0 p1.7）；p2口（p2.0 p2.7）；p3口（p3.0 p3.7）。 复位电路与时钟电路 复位电路单片机的rst引脚是复位信号输入端，rst引脚上保持两个机器周期（24个时钟周期）以上的高电平时，可使单片机内部可靠复位。单片机常用的外部复位电路如图3-5。 图3-5 at89c51单片机的复位电路复位后，单片机内部的各寄存器的内容将被初始化，包括程序计数器pc和特殊功能寄存器，其中（pc）=0000h。复位不影响片内ram和片外ram中的内容。 时钟电路时钟电路用于产生时钟信号，时钟信号是单片机内部各种微操作的时间基准，在此基础上，控制器按照指令的功能产生一系列在时间上有一定次序的信号，控制相关的逻辑电路工作，实现指令的功能。图3-6 at89c51的外接石英晶体的时钟电路 时序单位时钟周期（是时钟信号频率fosc的倒数）：时钟周期=1/fosc机器周期：机器周期=12时钟周期指令周期：一条指令从被读取到被执行的整个过程所需的时间称为指令周期。当采用片内时钟振荡方式时，需要在这两个脚外接石英晶振和振荡电容，石英晶振的频率在0-24mhz之间，典型值为11.0592mhz或12mhz，振荡电容的值一般取10pf-30pf，典型值为30pf。这里石英晶振频率采用12mhz，振荡电容采用30pf13。3.2.2 at89c51单片机的内部硬件的主要功能 中央处理单元cpu：它由运算器和控制器两部分组成。运算器是进行各种算术运算和逻辑运算的部件。与运算器有关的寄存器包括累加器acc（8位寄存器）、b寄存器（8位）、程序状态字寄存器psw（8位）。其格式如下：d7 d6 d5 d4 d3 d2 d1 d0cyacf0rs1rs0ov_ pcy进位标志位。ac辅助进位标志位、f0用户标志位rs1、rs0工作寄存器区选择控制位、ov溢出标志位、p奇偶标志位控制器是由程序计数器pc、指令寄存器、译码器、定时与控制电路等组成的。 存储器8051的存储器分为两大存储空间：程序存储器（rom）空间：片内4kb的程序存储器，其地址为0000h0fffh；片外64kb的程序存储器，其地址为0000hffffh。数据存储器（ram）空间：片内256b的数据存储器，00h7fh为通用的数据存储区，80hffh为专用的特殊功能寄存器区；片外64kb的数据存储器，其地址为0000hffffh。at89c51的存储器结构，如图3-8。64kb外部rom1000hffffh0fffh0000h0fffh0000hffh特殊功能寄存器80h7fh00hffffh0000h64kb外部ram外部数据存储器内部数据存储器程序存储器4kb外部rom() 4kb 内部 rom(=1） 图 3-8 at89c51的存储器结构图 数据存储器主要用于存放各种数据：低 128b 的内部数据存储器按其功能不同划分为三个区域；工作寄存器区（00h1fh），位寻址区（20h2fh），用户区（ 30h7fh）。如图3-9。工作寄存器区1(r0-r7）工作寄存器区2(r0-r7）工作寄存器区3（r0-r7）位寻址区（位地址00-7f）00h1fh20h2fh30h7fh用户区工作寄存器区0(r0-r7） 图 3-9 内部数据存储器的结构3.3 湿度检测模块在工业控制和智能化仪器仪表中，需要控制或测量湿度，温度、压力、流量、速度等模拟量，这些模拟量要先经传感器转换为与此对应的模拟电信号，再通过a/d 转换器将此对应的模拟电信号转换成数字信号，转换后的数信号才能被单片机处理。本系统的湿度检测模块包含湿度传感器与 a/d 转换器。湿度信号是通过湿度传感器转换为与湿度成线性关系的电压信号，此电压信号再经由 a/d 转换器转换为数字信号。3.3.1 湿度传感器湿度传感器用于将湿度信号转换为电信号，由于空气中的水分和灰尘都有可能会影响到湿度传感器的转换精度，因此本系统的湿度传感器选择的是直插式湿度变送器 jcj100d。jcj100d 直插式湿度变送器采用 jucsan 湿敏电阻元件，以网格的外型封装，以直流（05）vdc 电压形式输出，采用螺纹固定安装，可在一定程度上减弱空气中的水分和灰尘对传感器的影响。其工作电源为 12vdc10%，有效测量范围是 10%95% rh ，响应时间小于 5s ，长期稳定性典型值为 0.5%rh/年，基本满足了系统的设计要求。实物图如图 3-10 所示。它通过螺旋安装在传送带一侧的固定部分，并使进仓的粮食通过传感器的感应部分。 图 3-10 jcj100d 湿度传感器3.3.2 a/d 转换器现阶段生产的 adc 具有模块化、与微机总线兼容等特点，在选择 adc 芯片时，考虑到 a/d 转换后数字输出的方式、a/d 转换启动信号的要求和转换精度和转换时间的因素，本文选用了 8 位逐次比较型 a/d 转换器 adc0809。adc0809 主要特性：adc0809 为 8 路模拟量输入的芯片，转换电压为-5v+5v，分辨率为 8 位，转换时间为 100us，转换绝对误差为 1lsb，单电源+5v供电，28 引脚 dip 结构封装，功耗 15mw。adc0809 的内部结构及管脚功能：adc0809 是采用逐次逼近法的 8 位 a/d转换芯片，其引脚和结构逻辑如图 3-11 所示，它内部除 a/d 转换部分外，还带有锁存功能的八通道多路模拟开关和 8 位三态输出锁存器14。管脚功能如下: in0in7：八个模拟量输入端，允许 8 路模拟量分时输入，共用一个 a/d转换器； adda、addb、addc：通道端口选择线，addc 为高位。 ale：地址锁存允许，当 ale 为上升沿时，可将地址选择信号 c、b、a 锁入地址寄存器内。 start：启动 a/d 转换，当 start 为上升沿时，开始 a/d 转换。 eoc：转换结束信号，当 a/d 转换完毕之后，该端由低电平跳转为高电平， oe：输出允许信号，高电平有效。此信号用以打开三态输出锁存器，将a/d 转换后的 8 位数字量输出至单片机的数据总线上。 clock：定时时钟输入端，最高允许频率为 640khz，转换一次最短时间为 100us。 d7d0：数字量输出端。 vref（+）和 vref（-）：参考电压端，一般 vref（+）=5v，vref（-）=0v。 vcc、gnd：+5v 电源及地。adc0809 转换结果可依据公式计算：d=255 * vi/vref。公式中，vi 为模拟输入量，d 为十进制数字量输出。(+)(-)12 167edcmsbd7d0vccgnd1113 6 10 9start clk oeadc08098位模拟开关三态输出锁存缓冲器8位a/d转换器212019188151417地址锁存与译码2627281234525242322addaaddbaddc alein0in1in2in3in4in5in6in7 图3-11 adc0809 的内部结构及管脚图该芯片内部集成有 8 位模拟开关，地址锁存与译码器，8 位 a/d 转换器和三态输出锁存缓冲器，最大不可调误差为1lsb，每一通道的转换时间约为 100s。可直接与单片机接口，不需要外接时钟电路。具有低噪声、低功耗、高精度、高分辨率和高采样率的优点。3.3.3 a/d 转换器与单片机的接口电路a/d 转换器与单片机的接口电路如图 3-12 所示。传感器输出的 0 到 5v 的电压信号通过 jp0 连接口引入到 adc0809，at89c51 的 ale 端经 74hc74 分频后作为 adc0809 的时钟信号，考虑时序关系，at89c51 的 wr，rd，和 p2.7 通过两个与非门 74ls02 a/d转换器后分别被接入 adc0809 的 start，ale和 oe 端，adc0809 的数据输出端与 p0 口相连，eoc 端通过反相器 74ls04 接入 at89c51的 int1。转换时首先要首先输入 3 位地址，并使 ale=1。此地址经译码选通 8 路模拟输入之一到比较器（由于本系统只有一路模拟输入，故不需输入 3 位地址，直接默认第一路模拟输入），start 上升沿将逐次逼近寄存器复位，下降沿启动 a/d 转换，之后 eoc 输出信号变低，指示转换正在进行。直到 a/d 转换完成，eoc 变为高电平，指示 a/d 转换结束，结果数据已存入锁存器，这个信号可用作中断申请。当 oe 输入高电平时，输出三态门打开，转换结果的数字量输出到数据总线上。图 3-12 adc0809与单片机接口电路3.4 显示模块显示模块是用来显示当前湿度值，而粮食湿度一般在 099%之间。因此至少需要用两个 led 来显示。同时考虑精度的问题，保留了一位小数点，所以本系统用三个 led 进行显示。由于 at89c51 的 i/o 端口有限，系统使用 74ls164移位寄存器从 at89c51 串行移出待显示的数据，经 74ls164 转换成并行数据后送至 led 显示。所以显示模块包含三个 led 和三个 74ls164 移位寄存器。74ls164 芯片引脚连接图如图 3-13 所示15。outputsserial inputsoutputs a b qa qb qc qd gnd 1 2 3 4 5 6 7vcc qh qg qf qe clear clock 14 13 12 11 10 9 8图3-13 74ls164 芯片引脚连接图根据 74ls164 移位寄存器的特性，设计其硬件连接图如图 3-14 所示。在图中，p1.6 与三个 74ls164（u2，u3，u4）的 clk 端相连，用于产生时钟信号，p1.7,p1.5,p0.0 分别接 u9，u10，u11 的数据端，用于传送数据信号。u2 的 qa，qb，qc，qd，qe，qf，qg，qh 端分别接 dso的 a,b,c,d,e,f,g,h 端，用于显示湿度的十位数，u3 的 qa，qb，qc，qd，qe，qf，qg，qh 端分别接ds1 的 a,b,c,d,e,f,g,h 端，用于显示湿度的个位数，u4 的 qa，qb，qc，qd，qe，qf，qg，qh 端分别接 ds2 的 a,b,c,d,e,f,g,h 端，用于显示湿度的小数位数。在 led 每个发光二极管前加了一个限流电阻，避免 led 发光二极管因电流太大而烧坏或寿命减少。 图 3-14 led 与单片机的接口电路3.5 报警模块当湿度过高时，系统必须报警提示。因此本系统设计了报警模块，报警模块是由单片机对采集到的数据进行分析处理，根据结果分析判断，当判断当前湿度超过预先设定的值时，就会声光报警。在用声音或灯光报警时，连续的声响或常亮的灯光往往不易引起人们的警觉，只有断续的声音或闪烁的灯光才能取得最佳报警效果。因此本系统采用由四个 cd4011 所组成的两极门振荡电路，以便用断续的声音和闪烁的灯光进行报警。cd4011 是四 2 输入与非门，逻辑表达式为：y = a.b。cd4011的引脚图如图3-15所示。管脚功能：1a 为数据输入端；2a 为数据输入端；3a 为数据输入端；4a 为数据输入端；1b 为数据输入端；2b 为数据输入端；3b 为数据输入端；4b 为数据输入端；vdd 为正电源，电压范围：0.5v18v；vss 为地；1y 为数据输出端；2y 为数据输出端；3y 为数据输出端；4y 为数据输出端；功耗：双列普通封装700mw；小型封装 500mw。工作温度范围：cd4011bm：-55+125；cd4011bc：-40+85。1413121110981234567vdd4b4a4y3y3b3a1a1b1y2y2a2bvss 图3-15 cd4011引脚图根据 cd4011 的参数，设计出由门控振荡器组成的声光报警电路如图 3-16所示。该报警电路由与非门 cd4011 构成两极门控振荡器16。其中，u1a 和 u1c组成低频振荡器，振荡频率 f 1=0.455/(r2c1)1hz ，周期约 1s。r3为下拉电阻，常态下使 p1.4=0v。仅当 p1.4 端接高电平信号时电路才起振，u1c 的 3 引脚端交替输出的高、低电平经过 q3，使发光二极管 led 闪烁发光，闪光周期也是1s。u1b 和 u1d 组成音频振荡器， f 11khz。仅当 u1c 的 3 引脚为高电平时，第二级振荡器才起振，通过三极管 q1，q2 及输出变压器 t，驱动扬声器 bl发出断续的“嘀、嘀、”报警声16。 图 3-16 声光报警电路3.6 电机控制模块传送带上的电机多数使用的是三相异步电动机， 三相异步电动机的种类很多，但各类三相异步电动机的基本结构是相同的，它们都由定子和转子这两大基本部分组成，在定子和转子之间具有一定的气隙。此外，还有端盖、轴承、接线盒、吊环等其他附件。本系统的使用的三相异步电动机是 y 系列，y 系列（1p44）三相异步电动机是全国统一设计的全封闭自扇冷式鼠笼型交流异步电动机，具有高效、节能、性能好、可靠性高等优点。适用于不含易燃、易爆或腐蚀性气体的场所，如机床、水泵、运输机械、食品机械、搅拌机等，这款电动机的绝缘等级采用 b 级绝缘、外壳防护等级为 ip44，冷却防方式为 ico141。该电动机在环境温度不超过+40 ，海拔不超过 1000m 时，定子绕组用电阻法测量温升不超过85。电动机以连续工作制（s1）为基准的连续定额，额定电压为 380v，额定电流 28.6a，额定功率 15kw，额定频率为 50hz。本系统的电动机是通过固态继电器进行控制的。固态继电器基本原理是：控制端输入的直流电压使继电器内部的发光二极管工作，通过光耦合使处于输出回路中的双向可控硅组成的开关电路导通，即完成对输出端的控制。 输入回路仅需要对发光管的控制，所以仅需低电压，小电流；光耦合保证了输入、输出间的隔离；输出回路中可控硅元件大小的选用，决定了继电器输出的工作电压及电流。直流固态继电器的控制电压范围通常为 3.67v，其输入电流典型值为 7ma左右。 固态继电器的输出电压通常是指加至继电器输出端的稳态电压。而瞬态电压则是指继电器输出端可以承受的最大电压。在使用中，一定要保证加至继电器输出端的最大电压峰值低于继电器的瞬态电压值。在切换交流感性负载、单相电机和三相电机负载，或这些负载电路上电时，继电器输出端可能出现两倍于电源电压峰值的电压。对于此类负载，选型时应给固态继电器的输出电压留出一定余量。对于感性负载和容性负载，当交流固态继电器在关断时，有较大的 dv/dt(电压指数上升率)加至继电器输出端，为此应选用 dv/dt 较高的固态继电器。固态继电器的输出电流通常是指流经继电器输出端的稳态电流。但是由于感性负载、容性负载引起的浪涌电流问题以及电源自身的浪涌电流问题，在选型时应当给固态继电器的输出电流留出一定余量。根据以上参数，本系统选用sap4830d 型号的固态继电器，其输入电压 3-24v，输入电流 6-25ma，输出可达 480v，输出电流可达 30a，基本满足本系统的设计要求。 根据电机和固态继电器设计的电机控制电路如图 3-16，当 p1.0 为高电平时，三极管 q1 处于导通状态，固态继电器线圈通电，常开触点闭合，三相异步电动机的 u,v,w 相通电，电动机启动。当 p1.0 为低电平时，三极管 q1 处于截止状态，固态继电器线圈没有通电，常开触点断开，三相异步电动机的 u,v,w 相电断开，电动机停转17。图 3-17 电机控制电路 3.7 pc 机通信模块 单片机由于其 ram 有限，不适合于存储和处理大量的数据，因此本系统设计了 pc 机通信模块，以便将单片机的数据及时的上传给 pc 机，由 pc 机进行大量数据的处理，分析和保存。单片机输入输出的信号均为 ttl 电平信号，单片机与 pc 机串行通信的串行发送和串行接收也是 ttl 电平信号。ttl 电平信号用+5v 表示逻辑1，0v 表示逻辑0，这是处理器控制的设备内部各部分之间通信的标准技术。ttl 电平信号对于处理器控制的设备内部的数据传输是很理想的，首先处理器控制的设备内部的数据传输对于电源的要求不高以及热损耗也较低，另外 ttl 电平信号直接与集成电路连接而不需要价格昂贵的线路驱动器以及接收器电路；再者，处理器控制的设备内部的数据传输是在高速下进行的，而 ttl 接口的操作恰能满足这个要求18。可见，单片机的串行接口与 pc 机的串口之间的电气特性并不一样，如果要使单片机和 pc 机成功通信，两种接口电气必须能够相互转换。本系统中选用由德州仪器公司（ti）推出的一款兼容 rs232 标准的芯片 max232 来执行此转换功能。该器件包含 2 驱动器、2 接收器和一个电压发生器电路提供 tia/eia-232-f电平。该器件符合 tia/eia-232-f 标准，每一个接收器将 tia/eia-232-f 电平转换成 5-v ttl/cmos 电平。每一个发送器将 ttl/cmos 电平转换成tia/eia-232-f 电平。max232 的引脚分布如图 3-18 所示19。max232的主要特点： 单 5v 电源工作 linbicmostm 工艺技术 两个驱动器及两个接收器 30v 输入电平 低电源电流：典型值是 8ma 符合甚至优于 ansi 标准 eia/tia-232-e 及 itu 推荐标准 v. esd 保护大于 mil-std-883（方 法 3015）标准的 2000v图 3-18 为串口通信的连接图，在图中，max232 的 11 引脚（网络标号为cputxd）接单片机的 11 引脚 txd，max232 的 12 引脚（网络标号为 cpurxd）接单片机的 10 引脚 rxd，max232 将有单片机的 11 引脚 txd 输出的 0 到+5v的电压信号转换为电脑对应的-10v 到+10v 的电压信号经由 max232 的 14 引脚输入到电脑，同时将电脑输出到 max232 的 13 引脚的-10v 到+10v 的电压信号转换为 0 到+5v 的电压信号再经 max232 的 12 引脚输入到单片机。系统通过一个 db9 连接口与电脑的串口相连。此连接可以实现单片机的与 pc 机的串行通信20。 pctxdd connector 91110162738495 图3-18 串口通信电路4 粮食进仓湿度自动检测系统软件设计4.1 粮食进仓湿度自动检测系统软件设计要求良好的软件设计方案可以减轻软件设计的工作量，可以提高软件的通用性，扩展性和可读性。本系统涉及到单片机和 pc 机两部分程序设计。本系统软件的设计思路和要求为： 按照系统功能要求，逐级划分模块，以便后续调试。 明确各模块之间的数据流传递关系，力求数据传递少，以增强各模块的独立性，便于软件编制和复用。 确定软件开发环境，选择设计语言，完成模块化设计，并分别调试通过。 将各模块有机的结合起来形成一个完善的系统。4.2 单片机程序设计单片机程序主要实现数据的采集，数据的处理，led 显示和上传数据到 pc机。而在具体的单片机程序开发中，经常用到的是汇编语言和 c 语言。汇编语言是一种用文字助记符来表示机器指令的符号语言，是最接近机器码的一种语言。其主要优点是占用资源少，程序执行效率高。但编程难度大，程序代码可读性差，且对于不同的 cpu，其汇编语言有点差异，所以不易移植。 c 语言是一种结构化的高级语言。其优点是可读性好，移植容易，应用广泛。因此，单片机的程序最好选用 c 语言作为程序设计语言。4.3 单片机主程序流程图单片机主程序是单片机程序的入口，需要合理地设置单片机的特殊功能寄存器，合理地初始化外围芯片以实现正确的数据采集，需要设置固定的波特率以实现与 pc 机的串口通信。同时，由于本系统的单片机处理部分相对简单，数据的采集，数据的处理，数据的显示以及数据的串口发送均在主程序中调用子程序完成。主程序的流程图如图4-1所示：粮食入库切断电机报警湿度值大于阈值?a/d值处理成湿度值led显示湿度值湿度值送串口读a/d值启动a/d转换串口，a/d，中断初始化开始图 4-1 单片机主程序流程图结束开定时器1设置中断的工作模式设置串口工作模式开始图 4-2 单片机初始化子程序流程图4.4 单片机子程序4.4.1 初始化子程序在本系统中，初始化子程序主要是对串口和中断的初始化，串口初始化流程图如图 4-2 所示。其主要通过合理地设置单片机串口的特殊功能寄存器，使串口和 pc 机之间正常通信。其主要通过合理地设置单片机中断的特殊功能寄存器，使单片机能使用中断对外围设备做出合理而实时的处理。nynnyy最小值变送量min读取的数据累加到sum已读取10个数据sum=sum-max-min返回（sum/8）的值最大值送变量max为最小值?为最大值?读取a/d 8位转换结果数据图4-3 单片机数据处理子程序流程图4.4.2 数据采集子程序数据采集主要是指单片机采集经 a/d 转换后的数据，此值也即是经传感器转换后的湿度值。数据采集子程序其实就是用软件读取 a/d 的转换结果，根据a/d 转换器 adc0809 与 at89c51 的连接图及转换时序，设计出数据采集子程序21。4.4.3 数据处理子程序数据处理主要是将从 a/d 采集来的数据经过一定的软件算法处理后，得到与实际情况最相符的数据，即误差最小。这个过程其实就是软件滤波。数据处理是读取 10 个 a/d 转换数据后，剔除最大值和最小值然后求平均值。这个平均值就是 led 实时显示和上传给 pc 机的数据。数据处理的流程图见图 4-3 所示。4.4.4 数据显示子程序y结束已移出8位？移位时钟变低等待移位完成移位时钟变高（上升沿开始移出数据）待显数据左移一位开始待显数据最高位为1？ yn移出数据为0移出数据置1 图 4-4 单片机数据显示子程序流程图at89c51 可以直接驱动 led，但为了节约 at89c51 有限的 i/o 资源，显示数据通过串行的方式移出单片机，经过移位寄存器 74ls164 将串行数据变成并行数据送至 led 显示。数据显示子程序主要完成将待显示的数据串行移出单片机，送至移位寄存器 74ls164。根据移位寄存器 74ls164 的时序图可设计其流程如图 4-4 所示22。系统使用 3 个 8 段共阴极 led 来显示数据，显示数据范围为 0.0-99.0。在 led上每显示一个数据，单片机需输出与之对应的一个字节的显示代码。4.4.5 串口通信子程序为了能将大量的实时检测数据存储，以便于后续分析处理，仅靠单片机的存储器是不够的。所以，这些数据可以传输到 pc 机这个资源丰富的平台上。考虑数据的流量，数据的传输速率以及设计的简单易行，本系统采用 at89c51 的异步通信串行接口与 pc 机的串口进行通讯。在使用 at89c51 的异步通信串行接口进行通讯前，必须对串口进行初始化。首先，设置通信方式为 8 位异步通信，一帧信息由 9 位组成，波特率由定时器/计数器 1 的溢出速率以及 smo（pcon.7）决定。其计算公式为23：公式（4-1）本系统中串口通讯速率设为 2400kbps。单片机向 pc 机传输数据是以字节为单位的，发送时只需将待发送的一个字节数据送入发送缓冲 sbuf 中，数据将从37txd 上逐位输出一帧信号。一帧信号发送完毕后，硬件置发送中断标志 ti=1，软件通过此标志可以判断一帧信号发送与否。因为所测数据有时会大于一个字节所能表示的最大值 255，所以一个检测数据需用两个字节来表示，发送时需对数据先拆解成一个字节一个字节的数据，然后再发送，接收时需先接收，然后将两个字节拼凑成一个数据。4.4.6 电机控制子程序三相异步电动机采用星形连接，电动机的 u，v，w 分别通过固态继电器的常开触点接入三相电，当 p1.0 为高电平时，固态继电器的线圈通电，常开触点闭合，三相异步电动机启动。当 p1.0 为低电平时，固态继电器的线圈失电，常开触点断开，三相异步电动机停转。在程序中，通过 bool 型变量 state 来反映电机的当前状态。4.5 pc 机程序流程图pc 机程序主要实现接收单片机数据并进行数据存储，数据分析并将得到的分析结果反应给用户，同时要实现软件的图形界面设计。本系统中，pc 机主要负责数据的收集，处理，保存。因此，pc 机程序核心部分是通过串口采集数据模块以及随后的数据处理模块。同时，因为 pc 机程序是基于 windows 操作系统的，所以需设计具有 windows 风格的程序界面。pc 机端程序的基本实现流程图如图 4-5 所示。ny对接收数据按用户要求进行显示对接收数据进行处理接收到数据？等待数据接收消息初始化串口程序界面设计图 4-5 pc 机端程序实现流程图软件界面设计具体包括软件启动界面设计，软件架构设计，按钮设计，面板设计，菜单设计，标签设计，图标设计，滚动条设计及状态栏设计，安装进度过程设计，包装及商品化。5 结论与展望5.1 结论本设计基本达到了预期的设计要求，对不同湿度粮食的检测，来评价其测量效果，并通过电动机和报警装置的反应情况来评断其控制的精度。本设计将总体方案进行了细化，划分了各个功能模块，便于后续设计。软件部分单片机的主程序初始化，子程序的初始化，数据采集程序的实现，数据处理程序的实现，数据显示程序的实现，串口通讯和外设控制程序的实现等模块介绍了单片机程序的模块化设计。从 pc 机的软件界面设计，串口通讯，数据处理，数据保存计，数据分析等方面介绍了 pc 机的模块化设计。实现了粮食湿度信号的实时采集，led 数据实时显示，电机的控制和报警，数据可实时上传 pc 机储存和分析处理。5.2 展望本课题主要是针对粮食进仓时的湿度检测而设计的，样机也基本满足了设计的基本要求，但是也还存在着需要进一步改进和完善的地方。影响粮食的湿度的因素复杂多样，特别对于粮食进仓的检测，需对进一步提高系统的反应速度。led 显示有些简单，可以进一步做成液晶显示的多界面形式。使用户的操作和使用更加简单。随着粮食对人们越来越重要，粮食进仓时的湿度的客观评价必不可少，同时随着电子技术在各行各业应用的不断发展，用电子技术解决粮食湿度评价将进入一个新的发展阶段。总体来说，粮食进仓时的湿度检测控制系统的发展趋势是：单片机检测系统与 pc 机评价系统相结合，改进系统检测精度和准确度，向着高可靠，低成本，便携式和智能化的方向发展。参考文献1 曹崇文,汪喜波. 我国粮食干燥的现状及发展前景j. 农机科技推广,2002