计算机控制的粮仓通风系统设计.doc

计算机控制技术计算机控制技术 课课 程程 设设 计计 设计课题设计课题 计算机控制的粮仓通风系统设计计算机控制的粮仓通风系统设计 指导教师意见 成绩 签名 2010 年 1 月 日 目目 录录 1 引言 5 1 1 课题背景 5 1 2 系统功能 5 2 总体方案设计 6 2 1 选定计算机 6 2 2 系统组成框图及工作原理 7 2 3 控制策略设计 7 3 硬件电路设计 8 3 1 系统设备选型 8 3 1 1 键盘 8 3 1 2 温度传感器 8 3 1 3 湿度传感器 8 3 1 4 A D 转换 9 3 1 5 控制器选择 10 3 1 6 LED 显示 12 3 1 7 继电器 12 3 2 部分系统硬件电路设计 12 3 2 1 温差测量电路 12 3 2 2 湿度测量电路 13 3 2 3 串并转换 13 3 2 4 系统原理图 14 4 软件设计 14 4 1 主程序流程图 14 4 2 中断程序流程图 15 5 总结 16 参 考 文 献 17 附录 系统原理图 1 引言引言 1 1 课题背景课题背景 众所周知 粮食的储备是关系到国家危亡 百姓生活的大事 粮食只有在 一定的环境条件下才能长期存放 而保证不发芽不变质 保持粮食的新鲜品质 延缓粮食品质的劣变 减少数量的损失 所以对于贮存粮食的粮仓 除了在结 构形式上有许多要求外 在温度和湿度上都有较高的要求 一般来说 对于不 同的地区 不同的贮存物 粮仓分常温仓 准低温仓和低温仓 准低温仓的温 度要求为 15 t 20 低温仓的要求为 t 15 目前 在我国的北方地区 粮仓主要利用机械通风设备进行粮仓内 外空 Comment 微微微微1 这部分主要叙述 系统具有哪些控制功能 气的交换来达到降低仓内温度 实现粮食的低温保存 以前通风设备的开启和 关停 均是由人手动控制的 即由仓管人员定时查看仓内外的温度 湿度情况 按要求开关通风设备 这样仓管人员的劳动强度大 可靠性差 而且管理人员 多 管理成本高 为此 需要有一种符合机械通风要求的低成本的控制器 在 温差和湿度超过用户设定值范围时 启动通风设备 否则自动关闭通风设备 鉴于目前大多中小型仓库资金缺少的现状 根据粮仓机械通风技术的要求 我 设计了一款用 AT89C51 构成的经济实用型机械通风控制器 1 2 系统功能系统功能 该系统的核心为高性能 低成本的单片机 AT89C51 它与 87C51 完全兼容 内部包含 4KEPROM 它与温度测量电路 湿度测量电路及 LED 显示构成的通 风系统 系统的稳定性好 可靠性高 成本低 还能通过 LED 进行显示 对系 统起到实时控制作用 系统通过控制器 P0 口连接一个 4 4 键盘来实现人工对参数的自由设定 通过串口连接 4 位 LED 显示器 其中 2 位显示仓内外的温差 另外 2 位显示湿 度 系统定时启动通过 P1 口相连的 ADC0809 来完成温差测量电路送来的温差 及湿度测量电路送来的湿度的 A D 转换信号 并与设定值比较 当满足启动条 件时通过 P2 6 控制继电器 J 闭合 进一步利用 J 的触点启动通风设备 2 总体方案总体方案设计设计 2 1 计算机计算机的选择的选择 1 PLC 早期处理顺序逻辑和开关信息量问题时一般采用继电器电路 来实现 但当信号较多 逻辑复杂时 使用继电器数量很大 造成线路设计和 调试都相当困难 可靠性也差 随着 PLC 的出现 他逐渐取代了继电器电路 随着计算机的发展和渗透 PLC 技术也在不断提高和完善 有以下优点 实现 成本低 范围广 高速率 永远在线 便捷 但是当前在国内 PLC 的价格比较 高 也在一部分程度上阻碍了它的发展 2 工业 PC 对于一个任务不算小的系统设计来说 工业 PC 是首选 它是专门考虑了生产现场环境条件差及各种干扰大而设计的 可以长期可靠运 行 可靠性和可维护性都可达到要求 另外 除了有多种模块的主机系统板外 看 还配备有多种接口板 如多路模拟量输入 输出板 开关量输入输出板 图 形板 以及扩展用的 RS 232C RS 422 RS 485 总线接口板和 EPROM 编程 板等 总之 可扩充性不成问题 此外 模拟量输入输出 开关量输入输出的 接口很多 并有大量的软件支持 如汇编 高级语言和中文等 3 单片机 现今的单片机正向着提高工业环境下控制系统的可靠性和灵 活方便地构成应用系统界面的方向发展 并且控制功能越来越丰富 在 CPU 芯 片上 除嵌入 RAM ROM 和 IO 外 还有 A D D A PWM DMA 看门 狗 串行接口和定时器 计数器等 另外还有显示驱动 键盘控制 比较器和函 数发生器等 能构成功能强大的应用系统 单片机比专用处理器最适合应用于 嵌入式系统 因此它得到了最多的应用 特别是它体积小 集成度高 性能稳 定 可靠性高 有较高的性价比 他越来越得到人们的信赖 通过比较论证 从经济因素等考虑 选用单片机 AT89C51 作为粮仓通风系 统设计的控制器 2 2 系统组成框图系统组成框图及工作原理及工作原理 系统的组成框图如图 1 所示 它有以下几部分组成 1 键盘用于设置参 数 设置给定 2 传感器有两种 温差传感器和湿度传感器 分别放于环境 现场 对环境的温差和湿度分别进行测量 3 变换电路将传感器检测到的模 拟信号转换成标准模拟信号 并将其送到 A D 转换芯片 或者将单片机的输出 信号经过变换控制继电器的动作 4 A D 转换电路 将标准模拟信号转换成 数字信号 送入计算机 5 计算机 AT89C51 对数据进行计算和处理 并让其 显示 6 串并转换将串口输出转换成并口形式 便于与 LED 连接 7 显示 对计算机处理的结果进行直观的显示 便于我们进行直观的了解当前情况 8 继电器用于开启和停止通风设备 对结果直接产生影响 Comment 微微微微2 这部分内容以系 统硬件组成框图为根据 每个框是一 个实现某个功能的电路 逐个设计具 体的实现电路 注意 不能只介绍芯 片 主要要有自己设计的电路 电路 用 PROTEL 画 直接复制粘贴到 WORD 文档中 单片机 AT89C51 传感器变换电路 A D 显示 键盘 变换电路继电器 串并 转换 图 1 系统组成框图 工作原理 由键盘设置给定值 再由温差传感器和湿度传感器测量实时参 数 经过转换 通过控制器计算处理 将参数和设定值比较 进行显示 看是 否满足条件 再通过继电器的开关 对通风设备进行操作 保障粮仓环境温度 适宜 2 3 控制控制策略设计策略设计 通过分析控制器和执行器的关系 选用位置式 PID 控制作为控制系统的控 制策略 控制算法如式 2 1 2 1 式中 Ki 积分系数 Kd 微分系数 3 硬件电路硬件电路设计设计 3 1 系统设备选型系统设备选型 3 1 1 键盘键盘 系统选用行列式键盘 该键盘由行线和列线组成 按键设置在行 列结构 0 0 1 u T keke Tie T T keKku s k i d i s c 的交叉点上 行列线分别连在按键开关的两端 行线通过上拉电阻接至正电源 以便无键按下时行线处于高电平状态 3 1 2 温度传感器温度传感器 系统选用A D590L作为温差传感器 A D590L具有线性优良 性能稳定 灵敏度高 无需补偿 热容量小 抗干扰能力强 可远距离测温且使用方便等 优点 可广泛应用于各种粮仓 冰库 工业仪器配套和各种温度的测量和控制 等领域 A D590L的主特性参数如下 工作电压 4 30V 工作温度 55 150摄氏度 正向电压 44V 反向电压 20V 灵敏度 1uA K 3 1 3 湿度传感器湿度传感器 系统选用 HS1101 湿度传感器 HS1101 湿度传感器具有响应时间快 高可 靠性和长期稳定性特点 不需要校准的完全互换性 HS1101 湿度传感器在电路 中等效于一个电容器 Cx 其电容随所测空气的湿度增大而增大 在相对湿度为 0 100 RH 的范围内 电容的容量由 160pF 变化到 200pF 其误差不大于 2 RH 响应时间小于 5s 温度系数为 0 04pF 3 1 4 A D 转换转换 A D 转换选用 ADC0809 芯片实现 ADC0809 是带有 8 位 A D 转换器 8 路多路开关以及微处理机兼容的控制逻辑的 CMOS 组件 它是逐次逼近式 A D 转换器 可以和单片机直接接口 管脚图如图 2 所示 Comment 微微微微3 此图没有意义 不需要画引脚图 关键是要画出你设 计的具体电路 图 2 ADC0809 管脚图 ADC0809 各脚功能如下 D0 D7 8 位数字量输出引脚 IN0 IN7 8 位模 拟量输入引脚 VCC 5V 工作电压 GND 地 REF 参考电压正端 REF 参考电压负端 START A D 转换启动信号输入端 ALE 地址锁 存允许信号输入端 以上两种信号用于启动 A D 转换 EOC 转换结束信号 输出引脚 开始转换时为低电平 当转换结束时为高电平 OE 输出允许控制 端 用以打开三态数据输出锁存器 CLK 时钟信号输入端 一般为 500KHz A B C 地址输入线 3 1 5 控制器选择控制器选择 在此次设计中 选用高性能 低成本的 AT89C51 单片机 管脚及基本连 接电路如图 3 所示 和 8051 指令 管脚完全兼容 而且其片内的 4K 程序存储 器是 FLASH 工艺的 这种工艺的存储器用户可以用电的方式瞬间擦除 改写 写入单片机内的程序还可以进行加密 这又很好地保护了你的劳动成果 再着 AT89C51 目前的售价低 市场供应很充足 Comment 微微微微4 此图没有意义 不需要画引脚图 关键是要画出你设 计的具体电路 图 3 AT89C51 管脚图 参数如下 VCC 供电电压 GND 接地 P0 口 P0 口为一个 8 位漏级开路双向 I O 口 每脚可吸收 8TTL 门电流 P1 口 P1 口是一个内部提供上拉电阻的 8 位双向 I O 口 P1 口缓冲器能 接收输出 4TTL 门电流 P2 口 P2 口为一个内部上拉电阻的 8 位双向 I O 口 P2 口缓冲器可接收 输出 4 个 TTL 门电流 当 P2 口被写 1 时 其管脚被内部上拉电阻拉高 且作 为输入 P3 口 P3 口管脚是 8 个带内部上拉电阻的双向 I O 口 可接收输出 4 个 TTL 门电流 RST 复位输入 当振荡器复位器件时 要保持 RST 脚两个机器周期的高 电平时间 复位电路如图 4 所示 1234 A B C D 4321 D C B A 3 2 1 411 U8A LM324 5 6 7 U8B LM324 10 9 8 U8C LM324 12 13 14 U8D LM324 R5 25 R6 1K R7 1K R8 100K R9 100K T1 8050 Vo 24V 24V Io 1 2 J1 ACTU ATOR 图 4 复位电路 ALE PROG 当访问外部存储器时 地址锁存允许的输出电平用于锁存地 址的地位字节 在 FLASH 编程期间 此引脚用于输入编程脉冲 在平时 ALE 端以不变的频率周期输出正脉冲信号 此频率为振荡器频率的 1 6 因此 它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的 PSEN 外部程序存储器的选通信号 EA VPP 当 EA 保持低电平时 则在此期间外部程序存储器 0000H FFFFH 不管是否有内部程序存储器 在 FLASH 编程期间 此引脚也用于施 加 12V 编程电源 VPP XTAL1 反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入 XTAL2 来自反向振荡器的输出 晶振电路如图 5 所示 图 5 晶振电路 3 1 6 LED 显示显示 系统选用LED对所处理的结果进行显示 其管脚图如图6所示 图6 LED管脚图 3 1 7 继电器继电器 选用电流继电器作为此次设计的继电器 电流继电器的输入电流 x 从零连 续增加达到衔铁开始吸合时的动作值 xx 继电器的输出信号立刻从 y 0 跳跃到 y ym 即常开触点从断到通 一旦触点闭合 输入量 x 继续增大 输出信号 y 将 不再起变化 当输入量 x 从某一大于 xx 值下降到 xf 继电器开始释放 常开触 点断开 3 2 部分系统硬件电路设计部分系统硬件电路设计 3 2 1 温差测量电路温差测量电路 为了简化测量电路 降低成本 本次设计没有采用传统测量库内外温度再 求其差的方法 测量电路如图 7 所示 直接采用一对匹配性能较佳的 AD590L 分别置于库内外 利用图 7 直接测量温差 显然 VT 正比 T1 T2 其中 T1 T2 分别为粮库内 外的温度 图 7 温差测量电路 3 2 2 湿度测量电路湿度测量电路 湿度测量电路由片 7556 构成 如图 8 所示 左边 1 2 7556 组成自激 多谐振荡器 右边 1 2 7556 组成单稳态延时电路 V01 V02 逻辑异或后 滤波得到直流电压 Vd 图 8 湿度测量电路 3 2 3 串并转换串并转换 系统选用ZQL9712S作为串并转换芯片 ZQL9712S 是专门为LED 驱动应 用设计的串并转换芯片 采用了先进的CMOS 工艺 具有低功耗的优点 ZQL9712S 具备通用串并转换控制接口 本地3 位并行驱动输出 特别适合于 多离散点的级连应用 ZQL9712S 串移时钟频率可达15MHz 且提供最大30mA 的驱动电流 ZQL9712S 包括串行移位寄存器和输出锁存器 经串行移位寄存 器 串移输入信号转换为3 位并行输出 并把该输出作为输出寄存器的输入 Comment 微微微微5 分主程序 中断 服务程序 主要子程序的设计等 用 流程图表示 流程图用 Visio 画 直 接复制粘贴到 WORD 文档 串移寄存器和输出寄存器由不同的时钟信号控制 并且都是在时钟信号的上升 沿有效 ZQL9712S 将控制信号驱动后输出 该输出可作为后级电路的输入信 号 3 2 4 系统原理图系统原理图 系统的硬件组成原理如图 9 所示 该控制器能够自动测量粮仓内外的温差 及仓外的湿度 当仓内外的温度差大于设定值且实测仓外湿度低于设定值时自 动给出信号启动通风设备 否则自动停止通风设备的工作 而温差及湿度的设 定值可由用户根据季节气候随时修改 自由调整 AT89C51 ADC0809 温差测量 湿度测量 键 盘 分频 串并转换 P0 1 P0 2 P0 3 P0 5 P0 6 P0 4 P0 7 P0 8 RxD TxD ALE P1 P2 1 P2 6 P2 3 P2 5 P2 2 P2 0 CLK D0 D7 A B C ALE START EOC V 10k IN0 IN1 J 接地 V 图 9 系统原理图 4 软件软件设计设计 4 1 主程序流程图主程序流程图 主程序用于完成系统初始化及键盘管理 程序流程图见图 10 通过键盘我们 设置给定 通过中断处理对系统进行处理 开始 初始化 有键按下吗 数字键 处理 中断处理 启 动 处 理 采样 周期 设定 处理 湿 度 设 定 处 理 温 差 设 定 处 理 N Y Y N 图 10 主程序流程图 4 2 中断程序流程图中断程序流程图 中断服务程序 主要用于判定测量时间是否已到 时间没到 继续等待 时间到了 进行温差及湿度测量 换算 进一步判定是否启动通风设备 满足 启动条件 P2 6 置位 启动通风设备 不满足启动条件 P2 6 清零 关闭通风设 备 程序流程图如图 11 所示 进入中断 测量时间到否 启动A D测温差 结束否 温差计算并显示 启动A D测湿度 结束否 计算湿度并显示 满足启动条件否 P2 6置位P2 6清零 返回 N Y Y N N N Y Y 图 11 中断程序流程图 5 总结总结 作为一名自动化专业即将毕业的学生 我觉得做此次课程设计是十分必要 的 一周的课程设计终于结束了 虽然很忙碌 很疲劳 但是收获很大 这次 我用单片机 AT89C51 作为控制器 来设计一个粮仓通风系统 每天的努力 唤 来了我对课程设计的重新的认识 对 51 单片机和控制系统的深刻理解 实现了 真正实践的目的 在理论学习的过程中 我只是简单地学到了一些理论知识 Comment 微微微微6 缺少附录 系统 总原理图 不完整 但是在实际的设计过程中才发