基于51单片机的粮情监控系统设计毕业论文.doc

基于51单片机的粮情监控系统设计毕业论文目 录摘 要IAbstractII第1章 绪论11.1 选题目的与意义11.2 目前粮食储备的问题11.3 国外储粮技术研究状况2第2章 系统设计方案32.1 系统性能指标32.2 初步设计思想32.3 设计方案32.4 系统方框图4第3章 系统硬件设计53.1 单片机的选择53.1.1 AT89S52单片机53.1.2 单片机引脚介绍53.1.3 复位电路63.1.4 晶振电路73.2 温度传感器的选择83.2.1 DS18B20 介绍83.2.2 DS18B20的主要特征93.2.3 DS18B20引脚定义93.2.4 DS18B20的测温原理93.3湿度检测系统的设计113.3.1湿度传感器介绍113.3.2湿度测量电路123.4 烟雾检测电路173.5热释电防盗系统193.5.1热释电介绍193.5.2放大电路的设计203.6增温降温除湿系统设计233.7 外扩IO接口273.7.1器件的选择273.7.2 8155介绍283.8 电源模块结构293.9上位机通讯303.10 按键及显示电路的设计313.10.2 液晶显示的设计333.11 声光报警电路设计343.11.1 炫目灯报警电路设计343.11.2 高音报警电路设计34第4章 软件设计354. 1系统需求分析354.2 测温环节工作流程374.3 测湿环节工作流程394.4 显示程序流程41第5章 仿真43结 论47致 谢48参考文献49附 录51ContentsAbstract（Chinese) IAbstractII1 Inrtoduction11.1Selected topic goal and significance11.2 The current problem of grain reserves11.3Grain storage technology research status abroad22 System design scheme32.1 Index of system performance32.2 Preliminary design thought32.3 Design scheme32.4 The system block diagram43 Design of hardware53.1 The choice of MCU53.1.1 AT89S52 single chip microcomputer53.1.2 MCU pin53.1.3 Reset circuit63.1.4 Crystal resonance circuit73.2 The choice of the temperature sensor 83.2.1 DS18B20 introduce83.2.2 The main characteristic of DS18B20 93.2.3 DS18B20 pin definition93.2.4 DS18B20 temperature measuring 93.3 The humidity detection system design113.3.1 Humidity sensor is introduced113.3.2 Rainfall distribution on 10-12 humidity measurement circuit133.3.3 ADC0809 analog-to-digital converter153.4 Smoke detection circuit173.5 Pyroelectric anti-theft system193.5.1 Track of pyroelectric is introduced193.5.2 Amplifying circuit design213.6 Temperature cooling dehumidification systems design243.7 Enlarge the IO interface283.7.1 Device of choice283.7.2 8155 is introduced283.8 The power supply module structure303.9 PC communications313.10 Buttons and the display circuit design333.11 Sound and light alarm circuit design343.11.1 Dazzling light alarm circuit design343.11.2 High-pitched alarm circuit design344 Design of software354. 1 System requirements analysis354.2 Temperature measuring link workflow374.3 Moisture link workflow394.4 Display program process415 The simulation43Conclusions47Acknowledgements48Bibliography49Appendix51V第1章 绪论1.1 选题目的与意义人们总是说“人是铁饭是钢一顿不吃饿得慌”、“民以食为天”，这些都证明了食物对人类的重要性。为战争做储备、 保证人民的饮食健康、保证国内粮食供求平衡稳定、减少粮食市场价格波动、解决自然灾害和一些突发性大事都需要有充足的粮食储备，所以，保质保量的存储粮食有很重要的战略价值和经济意义。并且中国是世界上人口最多的国家，温饱问题是人们生活中的头等大事。粮食的数量、粮食质量以及粮食的安全都直接影响国家的长期发展和社会和平安定。为了保障人民大众的吃饭问题，我国每年都会收购大量的粮食为了保证充足的粮食储备。设计大中型粮库粮情的温湿度监测与控制系统，直接关系到粮食储存的存放的时间和质量。粮情测控技术对于国家的长期发展尤为重要。1.2 目前粮食储备的问题目前，根据国家粮食保护法规定，必须定期抽样检查粮仓各点的粮食温度和湿度，以便及时采取相应的措施，防止粮食的变质。但因为技术和资金等各方面的原因，大多数的粮库仍采用最原始的存储方式，只是限于对湿度、温度人工地进行现场检测，这不仅使粮仓工作人员工作量增大，且工作效率低，尤其是大型粮仓的温度和湿度检测任务如不能及时彻底完成，并且当温度、湿度超标时，如果不能及时发现险情立刻采取处理就会造成大量损失粮食7。我国地方及垦区的各种大型粮仓都还存在着不同程度的粮食储存变质问题。影响储粮安全的最主要因素是粮堆内的大气条件，即温度和相对湿度的日变和季节变化，而温度和湿度两者之间又是相互关联的。为了保证存放在粮仓中的粮食不致腐烂变质，就必须使粮仓内的温度和湿度保持在一定范围以内。伴随着国家农业惠农等政策的普及，和现代化科学技术不断地应用并推广在农业生产中，我国的粮食总产量在不断突破历史新高。在这样一种大形势下，需要有一个完善的粮情监控系统随时掌握每个仓内粮食的温湿度变化情况，保证入库的粮食在较长保质期内不会变质2-3。1.3 国外储粮技术研究状况粮食安全是关系到国计民生的大事，是各国政府非常重视的问题。为了使粮食在储存中保持新鲜、减缓粮食变质速度，不用或少用化学熏蒸药剂，给人们提供无公害、安全可靠、新鲜的绿色粮食，气调储藏技术、低温储藏技术被广泛的应用4-6。在俄罗斯、澳大利亚、美国等国气调储粮技术已经得到了广泛地使用。在意大利、德国等国，储粮化学药剂在粮食中的应用有严格的登记制度，而生物防治技术则不需要登记，已经有寄生蜂等生物天敌得到了商业应用。产粮大国加拿大的科研人员在储粮生态方面进行了深入的研究。科研人员的研究包括粮堆生态系统和自然生态系统，甚至还研究了多个传统的储粮生态系统，北欧储粮生态系统、埃塞俄比亚的地下储粮生态系统，研究了不同生态系统中各相关因子的关系，提出了不同生态系统的储粮特点。实现科学储粮、绿色储粮、生态储粮的核心基础是粮库中粮情的检测。以美国、加拿大等产粮大国为代表西方国家，粮情测控技术应用发展已经比较成熟。高科技数字温湿度传感器广泛应用到粮情测控系统中。温湿度传感器除了完成温湿度检测功能以外，还可同时完成预置范围报警，温湿度补偿等功能。粮情监控系统的结构简单，安装维护方便，检测数据精度高、稳定性好7。53第2章 系统设计方案2.1 系统性能指标粮情监控系统需满足以下要求:1) 粮库为立筒仓，直径为14m，高度为21m，各项设计需满足立筒仓尺寸要求。2) 实时监测粮库温湿度。3) 温度监测的精度小于1，湿度监测的精度小于5%RH。4) 用户可以设置系统温湿度范围值。5) 温度超出设定范围时采取有效措施，保证粮库温度在理想范围内。6) 夜间防盗。7) 实时监测是否有火灾发生。8) 当发生火灾或粮食被盗时发出声光报警。9) 检测到的温湿度数据可以通过显示模块显示。10) 将检测到的温湿度发送给上位机。11) 满足国家粮库粮食储备管理规则的各项条例 。12) 适宜粮食存储的温度范围是8-18 ，相对湿度要低于15%RH。2.2 初步设计思想本系统是利用现代电子技术、计算机技术和通信技术来实现对粮库的温度湿度的集中、实时检测，对检测数据进行分析并传送给计算机管理，当有异常温湿度时采取控制措施，如湿度大可开启通风设施进行降湿，温度过高可启动压缩机制冷，温度过低可启动暖风机。始终让仓库温湿度恒定，最大限度地提高粮食的存放时间。提高粮库规范化、标准化、现代化管理水平和粮库的经济效益，并有热释电防盗系统和火灾报警系统有力地保障粮库的安全，大大地促进国民经济的发展、国家的长治久安提供强有力的保障。2.3 设计方案粮情监控系统的主要控制量就是温湿度，必须及时的采集仓库内的温湿度数据，当温湿度不在预设范围内时，应立即采取措施。火灾对粮食存放造成的损失是巨大的，必须及时发现及时处理。为了防止粮食被盗，同时节省人力资源，热释电防盗系统也是必不可少的。粮情监控系统设计分为：1）温度、湿度检测原件的选择；2）增温、降温、去湿设备的设计；3）火灾报警电路，热释电防盗电路的设计；4）显示、按键、声光报警电路设计。2.4 系统方框图根据系统的性能指标要求，选择AT89S52作为主控芯片，选用集成的温度传感器DS18B20测量仓库的温度，湿敏元件SH0011、NE555和ADC0809共同构成湿度检测模块，火灾报警系统则是选择MQ-2型烟雾传感器检测，还有液晶实时显示温湿度变化、矩阵键盘输入温湿度理想值、声光报警系统对火灾的发生及时警告，检测温湿度的同时还有暖风机、压缩机、电风扇动态调节温湿度，使其满足理想范围值。系统方框图如2-1所示图2-1 系统方框图第3章 系统硬件设计3.1 单片机的选择单片机AT89S51是对所有兼容Intel8031指令系统的单片机的统称。该系列单片机的始祖是Intel的8031单片机，后来随着Flash rom技术的发展，8031单片机取得了长足的进展，成为应用最广泛的8位单片机之一，其代表型号是ATMEL公司的AT89系列，它广泛应用于工业测控系统之中。3.1.1 AT89S52单片机AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，具有8K 在系统可编程Flash 存储器。使用Atmel 公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51 产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash，使得AT89S52在众多嵌入式控制应用系统中得到广泛应用8-9。主要特性：1) 与MCS-51单片机产品兼容；2) 8K字节在系统可编程Flash存储器；3) 1000次擦写周期；4) 全静态操作：0Hz-33MHz；5) 三级加密程序存储器；6) 32个可编程I/O口线；7) 三个16位定时器/计数器；8) 8个中断源；9) 全双工UART串行通道；10) 低功耗空闲和掉电模式；11) 掉电后中断可唤醒；12) 看门狗定时器；13)双数据指针；14) 掉电标识符。3.1.2 单片机引脚介绍P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。作为输出口，每位能驱动8个TTL逻 辑电平。P1口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口，p1 输出缓冲器能驱动4 个 TTL 逻辑电平。P2口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口，P2 输出缓冲器能驱动 4 个 TTL 逻辑电平。P3口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口，p3 输出缓冲器能驱动4 个 TTL 逻辑电平。RST复位输入。当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将是单片机复位。 ALE/PROG当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。PSEN程序储存允许输出是外部程序存储器的读选通信号。EA/VPP外部访问允许，欲使CPU仅访问外部程序存储器，EA端必须保持低电平（接地）。XTAL1 振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。XTAL2振荡器反相放大器的输出端17（如图3-1所示）。图3-1 AT89S52引脚图3.1.3 复位电路1、基本的复位方式单片机在启动时都需要复位，以使CPU及系统各部件处于确定的初始状态，并从初态开始工作。51系列单片机的复位信号是从RST引脚输入到芯片内的施密特触发器中的。当系统处于正常工作状态时，且振荡器稳定后，如果RST引脚上有一个高电平并维持2个机器周期以上，则CPU就可以响应并将系统复位。单片机系统的复位方式有：手动按钮复位和上电复位。2、手动按钮复位手动按钮复位需要人为在复位输入端RST上加入高电平。一般采用的办法是在RST端和正电源Vcc之间接一个按钮。当人为按下按钮时，则Vcc的+5V电平就会直接加到RST端。手动按钮复位的电路如图3-2所示。由于人的动作再快也会使按钮保持接通达数十毫秒，所以，完全能够满足复位的时间要求（如图3-2）。图3-2 单片机复位电路3.1.4 晶振电路单片机晶振的作用是为系统提供基本的时钟信号。通常一个系统共用一个晶振，便于各部分保持同步。通讯系统的基频和射频使用不同的晶振，而通过电子调整频率的方法保持同步（如图3-3所示）。图3-3 单片机晶振电路图3.2 温度传感器的选择3.2.1 DS18B20 介绍DS18B20是美国DALLAS半导体公司推出的一种改进后的智能的温度传感器。与传统的热敏电阻相比，他能够直接读出被测温度并且可根据实际要求通过简单的编程实现912位的数字值读数方式。可以分别在93.75ms和750ms内完成9位和12位的数字量，并且从DS18B20读出的信息或写入DS18B20的信息仅需要一根口线（单线接口）读写，温度变换的功率来自于数据总线，不需要额外的电源。因而使用DS18B20可使系统结构更加简单，可靠性更可靠10-13。DS18B20的内部结构图如图3-4所示。图3-4 DS18B20内部结构图DS18B20是世界上第一片支持“一线总线”接口的温度传感器，在其内部使用了在板（ON-BOARD）专利技术。 DS18B20的一线总线具有方便、经济、灵活的特点，可使用户非常轻松地组建传感器的网络。与传统的远距离温度模拟信号测量系统比较， DS18B20较好地解决了多点测量切换的误差问题、引线误差的补偿问题和放大电路的零点漂移误差问题等，满足较高测量精度的要求。因为待测地点存在很多较强的干扰信号，受到干扰的温度模拟信号很容易存在测量误差，减小测量的精度。所以，在测量温度时，选择具有较强抗干扰能力的数字式DS18B20可行性高14-16。3.2.2 DS18B20的主要特征（1）温度检测范围是55+125；（2）精度0.5，最高可达到12位分辨率；（3）使用单总线数据通信；（4）最大的工作周期为750毫秒；（5）全数字温度转换及输出；（6）可使用寄生工作方式；（7）内置产品序列号，64位光刻ROM，方便多机挂接。3.2.3 DS18B20引脚定义1.DATE为数字信号输入/输出端；2.GND为电源地；3.VDD为外接供电电源输入端。 图3-5 DS18B20引脚图 图3-6 DS18B20连接图3.2.4 DS18B20的测温原理DS18B20的测温原理如图3-7所示，图中低温度系数晶振的振荡频率受温度的影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给减法计数器1，高温度系数晶振随温度变化其震荡频率明显改变，所产生的信号作为减法计数器2的脉冲输入，图3-7中还隐含着计数门，当计数门打开时，DS18B20就对低温度系数振荡器产生的时钟脉冲后进行计数，进而完成温度测量。计数门的开启时间由高温度系数振荡器来决定，每次测量前，首先将-55所对应的基数分别置入减法计数器1和温度寄存器中，减法计数器1和温度寄存器被预置在-55所对应的一个基数值。减法计数器1对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当减法计数器1的预置值减到0时温度寄存器的值将加1，减法计数器1的预置将重新被装入，减法计数器1重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数，如此循环直到减法计数器2计数到0时，停止温度寄存器值的累加，此时温度寄存器中的数值即为所测温度。图3-7中的斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线性，其输出用于修正减法计数器的预置值，只要计数门仍未关闭就重复上述过程，直至温度寄存器值达到被测温度值，就是DS18B20的测温原理。图3-7 DS18B20的测温原理图因为DS18B20单线通信功能是分时完成的，他有严格的时隙概念，因此读写时序很重要。系统对DS18B20的各种操作必须按协议进行。操作协议为：初始化DS18B20（发复位脉冲）发ROM功能命令发存储器操作命令处理数据。各种操作的时序图与DS1820相同。温度转换计算方法举例：例1：当DS18B20采集到+125的实际温度后，输出为07D0H温度用T表示，则： T=07D0H0.0625=20000.0625=125 （2-1） 例2：当DS18B20采集到-55的实际温度后，输出为FC90H，则应先将11位数据位取反加1得370H（符号位不变，也不作为计算），实际温度用Ts表示，则： Ts=370H0.0625=8800.0625=55 （2-2）3.3湿度检测系统的设计 湿度检测系统方框图如图3-8所示图3-8 测湿方框图3.3.1湿度传感器介绍1. 湿度及其表示方法在自然界中，凡是有水和生物的地方，在其周围的大气里总是含有或多或少的水汽。大气中含有水汽的多少，表示大气中的干、湿程度，用湿度来表示，也就是说，湿度表示大气干湿程度的物理量17。大气湿度有两种表示方法：绝对湿度与相对湿度。绝对湿度绝对湿度表示单位体积空气里所含水汽的质量，其表示为 （3-3） 式中：rp被测空气的绝对（g/3m，mg/3m）； VM被测空气中水汽的质量（g，mg）； V被测空气的体积（3m）。相对湿度(Ps)：相对湿度是气体的绝对湿度与同一温度下，水蒸汽已达到饱和的气体的绝对湿度（pw）之比，常用%RH来表示。即 （3-4) 式中：Pv待测气体的水汽分压；2. 湿度传感器HS1101是基于独特工艺设计湿度传感器的电容元件，它有以下几个显著的特点：1)全互换性，在标准环境下不需校正；2)长时间饱和下快速脱湿；3)高可靠性与长时间稳定性；4)快速反应时间,响应时间小于5s；5)精度较高,误差不大于2%RH；6)可用于线性电压或频率输出回路。3. HS1101的相对湿度在0%100%RH范围内，电容量由162pF变到200pF，它的误差小于2%RH，温度系统为0.04pF/。HS1101的常用参数如表3-1：表3-1 HS1100常用参数表参数符号参数值单位工作温度Ts-40100储存温度T-40125供电电压Vs10V湿度范围RH0100RH焊接时间t10S3.3.2湿度测量电路1.NE555介绍HS1101电容传感器，在电路构成中与电容器件等效，它的电容值随着所测空气湿度增大而增大。这就需要将电容的变化量准确地转变为单片机易于接受的信号，常用的两种方法是：将HS1101置于运放与阻容组成的桥式振荡电路中，所产生的正弦波电压信号经整流、直流放大、再A/D转换为数字信号或者是将HS1101置于555振荡电路中，将电容值的变化转为与之呈反比的电压频率信号，经A/D转换可直接被单片机所采集。2.NE555时基电路NE555为8脚时基集成电路，由Signetics Corporation发布，现在被普遍使用，并且延伸出了许多的应用电路。NE555是属于555系列的计时IC的其中的一种型号，555系列IC的接脚功能及运用都是相容的，只是型号不同的因其价格不同其稳定度、省电、可产生的振荡频率也不大相同；而555是一个用途很广且相当普遍的计时IC，只需少数的电阻和电容，便可产生数位电路所需的各种不同频率之脉波讯号。3. NE555主要特点1）只需简单的电阻器、电容器，即可完成特定的振荡延时作用。其延时范围极广，可由几微秒至几小时之久。2）它的操作电源范围极大，可与TTL，CMOS等逻辑电路配合，也就是它的输出电平及输入触发电平，均能与这些系列逻辑电路的高、低电平匹配。3）其输出端的供给电流大，可直接推动多种自动控制的负载。4）它的计时精确度高、温度稳定度佳，且价格便宜。NE555引脚图如图3-9所示。图3-9 NE555引脚图4.参数功能1）供应电压4.518V ；2）供应电流10-15mA；3）输出电流225mA (max)；4）上升/下降时间100 ns。5. NE555的引脚介绍Pin 1 (接地)：地线(或共同接地) ，通常被连接到电路共同接地。Pin 2 (触发点)：这个脚位是触发NE555使其启动它的时间周期。触发信号上缘电压须大于2/3 VCC，下缘须低于1/3 VCC 。Pin 3 (输出) ：当时间周期开始555的输出脚位，移至比电源电压少1.7伏的高电位。周期的结束输出回到0伏左右的低电位。于高电位时的最大输出电流大约200 mA 。Pin 4 (重置) ：一个低逻辑电位送至这个脚位时会重置定时器和使输出回到一个低电位。它通常被接到正电源或忽略不用。Pin 5 (控制)：这个接脚准许由外部电压改变触发和闸限电压。当计时器经营在稳定或振荡的运作方式下，这输入能用来改变或调整输出频率。Pin 6 (重置锁定)：Pin 6重置锁定并使输出呈低态。当这个接脚的电压从1/3 VCC电压以下移至2/3 VCC以上时启动这个动作。Pin 7 (放电)：这个接脚和主要的输出接脚有相同的电流输出能力，当输出为ON时为LOW，对地为低阻抗，当输出为OFF时为HIGH，对地为高阻抗。Pin 8 (V +) ：这是555个计时器IC的正电源电压端。供应电压的范围是+4.5伏特(最小值)至+16伏特(最大值)。6. HS1101和NE555连接把HS1101和NE555同时接入电路中的电路设计原理图如图3-12所示。NE555电路功能的简单概括为：当6端和2端同时输入为“1”时，3端输出为“0”；当6端和2端同时输入为“0”时，3端输出为“1”。在此电路中，555定时器正是根据这一功能用作多稳态触发器输出频率信号的。图3-10 SH1101与NE555连接图频率输出的555测量振荡电路如图2-12所示。集成定时器555芯片外接电阻R14，R24与湿敏电容C构成了对C的充放电回路。7端通过芯片内部的晶体管对地短路又构成了对C的放电回路，并将引脚2、6端相连引入到片内比较器，便成为一个典型的多谐振荡器，即方波发生器。另外，R19是防止输出短路的保护电阻，R25是用于平衡温度系数。该振荡电路两个暂稳态的交替过程如下：首先电源（Vs）通过R14，R24向C充电，经T充电时间后，Uc达到芯片内比较器的高触发电平，约0.67Vs，此时输出引脚3端由高电平突降为低电平，然后通过R24放电，经T放电时间后，Uc下降到比较器的低触发电平。如此翻来翻去，形成方波输出。其中，充电放电时间为 T充电=C(R24+R14)ln2 （3-5） T放电=CR24ln2 （3-6）因而，输出的方波频率为 F =1/（T充电+T放电）=1/C(R24+2R14)ln2 （3-7） 可见，空气湿度通过555测量振荡电路就转变为与之成反比的频率信号，表3-2给出了其中的一组典型测试值。表3-2 空气湿度与电压频率的典型值湿度(RH)频率(Hz)湿度(RH)频率(Hz)073516066001072447064682071008063303069769061864068531006033506728-3.3.3 ADC0809模数转换器在单片机应用中，特别是在实时控制系统中，常常需要把外界连续变化的物理量（如湿度、湿度、压力、流量），变成数字量送入计算机内进行加工处理。反之，也需要将计算机输出的数字量转为连续变化的模拟量，为了控制调节一些执行机构，实现对被控对象的控制。本系统采用ADC0809模数转换器，内部带有输出锁存器，可以与AT89S51 单片机直接相连。1. ADC0809应用简介ADC0809具有8路模拟量输入，可在程序控制下对任意通道进行A/D转换，输出8位二进制数字量。其主要性能有：逐次比较型；CMOS工艺制造；单电源供电；无需外部进行零点和满量度调整；可锁存三态输出，输出与TTL兼容；易与各种微控制器接口；具有锁存控制的8路模拟开关；分辨率为8位；功耗为15mW；转换时间为128ms；转换精度不大于4.0。2. AD0809 的逻辑结构ADC0809是8位逐次逼近型A/D转换器。它由一个8路模拟开关、一个地址锁存译码器、一个A/D 转换器和一个三态输出锁存器组成。多路开关可选通8个模拟通道，允许8 路模拟量分时输入，共用A/D 转换器进行转换。三态输出锁存器用于锁存A/D 转换完的数字量，当OE 端为高电平时，才可以从三态输出锁存器取走转换完的数据。ADC0809对输入模拟量要求：信号单极性，电压范围是05V，若信号太小，必须进行放大；输入的模拟量在转换过程中应该保持不变，如若模拟量变化太快，则需在输入前增加采样保持电路。地址输入和控制线：4条。ALE 为地址锁存允许输入线，高电平有效。当ALE线为高电平时，地址锁存与译码器将A， B，C 三条地址线的地址信号进行锁存，经译码后被选中的通道的模拟量进转换器进行转换。A，B 和C 为地址输入线，用于选通IN0IN7 上的一路模拟量输入。数字量输出及控制线：11 条。ST 为转换启动信号。当ST 上升沿时，所有内部寄存器清零；下降沿时，开始进行A/D 转换；在转换期间，ST 应保持低电平。EOC 为转换结束信号。当EOC 为高电平时，表明转换结束否则，表明正在进行A/D 转换。OE为输出允许信号，用于控制三条输出锁存器向单片机输出转换得到的数据。OE=1，输出转换得到的数据；OE=0，输出数据线呈高阻状态。D7D0 为数字量输出线。CLK为时钟输入信号线。 ADC0809的引脚图如图3-11所示。图3-11 ADC0809引脚图3 . ADC0809应用说明1）ADC0809 内部带有输出锁存器，可以与AT89S51 单片机直接相连。2）初始化时，使ST 和OE信号全为低电平。3）送要转换的哪一通道的地址到A、B、C 端口上。4）在ST 端给出一个至少有100ns 宽的正脉冲信号。5）是否转换完毕，我们根据EOC 信号来判断。6）当EOC变为高电平时，这时给OE 为高电平，转换的数据就输出给单片机了。4. 测湿电路与单片机连接NE555的输出端跟ADC0809的IN0通道相接，则ADC0809芯片的地址选通为ADDR0、ADDR1、ADDR2都接地。ADC0809的转换时钟由单片机的ALE提供。ADC0809的典型转换频率为640kHz，ALE信号频率与晶振频率有关，如果晶振频率取12MHz，则ALE的频率为2MHz，所以ADC0809的时钟端CLK与单片机的ALE端相接时，要考虑分频。8051通过地址线P2.0和读写控制线RD、WR来控制模拟输入通常地址锁存、启动和输出允许。测湿电路与单片机的连接图如图3-12所示。图3-12 ADC0809与单片机的连接图3.4 烟雾检测电路1. MQ-2传感器介绍本设计采用了MQ-2型天然气传感器，该传感器能够检测出多种可燃气体，是一个多应用的、低成本的气体传感器，其使用了低导电率的气敏材料二氧化锡。MQ-2型普通气敏烟雾传感器，它的工作原理简单，性能可靠，其对天然气中主要含量甲烷有较高的灵敏度。MQ-2在较宽的范围内对可燃气体有良好的灵敏度，随着空气中可燃气体浓度的不断地增加，传感器的电导率也随之不断增大。按照其使用手册的介绍可以将电导率的变化转化为模拟电压的变化，经过单片机的AD转化输出具体的气体浓度值。其工作电压也是+5V，可以采用单片机的电源即可18-19。2. MQ-2的引脚介绍MQ-2的引脚共有6个，接线简单方便，4、5、6引脚接电源，3引脚接地，1、2脚作为信号输出，接入ADC0809进行AD转换（如图3-13所示）。图3-13 MQ-2的引脚图3. MQ-2的特点MQ-2具有广泛的探测范围高灵敏度，快速响应恢复优异的稳定性，寿命长简单的驱动电路应用可用于家庭和工厂的气体泄漏监测装置，适宜于液化气、丁烷、丙烷、甲烷、酒精、氢气、烟雾等的探测。MQ-2的电路连接图如图3-14所示。图3-14 MQ-2的电路连接图4. MQ-2内部结构介绍气敏元件的结构和外形如图3-15所示，由微型Al2O3陶瓷管、SnO2敏感层，测量电极和加热器构成的敏感元件固定在塑料或不锈钢制成的腔体内，加热器为气敏元件提供必要的工作条件。封装好的气敏元件有只针状管脚，其中个用于信号取出，个用于提供加热电流。图3-15 MQ-2的结构和外形图3.5热释电防盗系统3.5.1热释电介绍1. 热释电原理热释电主要是由一种高热电系数的材料，如锆钛酸铅系陶瓷、钽酸锂、硫酸三甘钛等制成尺寸为21mm的探测元件。在每个探测器内装入一个或两个探测元件，并将两个探测元件以反极性串联，以抑制由于自身温度升高而产生的干扰。由探测元件将探测并接收到的红外辐射转变成微弱的电压信号，经装在探头内的场效应管放大后向外输出。为了提高探测器的探测灵敏度从而增大探测距离，一般在探测器的前方装设一个菲涅尔透镜，该透镜用透明塑料制成，将透镜的上、下两部分各分成若干等份，制成一种具有特殊光学系统的透镜，它和放大电路相配合，可将信号放大70分贝以上，这样就可以测出1020米范围内人的行动。人体辐射的红外线中心波长为910m，而探测元件的波长灵敏度在0.220m范围内几乎稳定不变。在传感器顶端开设了一个装有滤光镜片的窗口，这个滤光片可通过光的波长范围为710m，正好适合于人体红外辐射的探测，而对其它波长的红外线由滤光片予以吸收，这样便形成了一种专门用作探测人体辐射的红外线传感器20-22。2. 热释电结构热释电红外传感器由传感探测元、干涉滤光片和场效应管匹配器三部分组成。将高热电材料制成一定厚度的薄片，并在它的两面镀上金属电极，然后加电对其进行极化，这就制成了热释电探测元。由于加电极化的电压是有极性的，因此极化后的探测元也是有正、负极性的。该传感器将两个极性相反、特性一致的探测元串接在一起，目的是消除因环境和自身变化引起的干扰。它利用两个极性相反、大小相等的干扰信号在内部相互抵消的原理来使传感器得到补偿。对于辐射至传感器的红外辐射，热释电传感器通过安装在传感器前面的菲涅尔透镜将其聚焦后加至两个探测元上，从而使传感器输出电压信号。3. 热释电优缺点优点：本身不发任何类型的辐射，器件功耗很小，隐蔽性好。价格低廉。缺点：1)容易受各种热源、光源干扰。2)被动红外穿透力差，人体的红外辐射容易被遮挡，不易被探头接收。3)环境温度和人体温度接近时，探测和灵敏度明显下降，有时造成短时失灵。4. 热释电传感器选型传感器采用双元热释电红外检测元件RE200B。该传感器翻用热释电材料极化随温度变化的特殊探测红外辐射，并采用双灵敏元互补方法抑制干扰，以提高传感器的工作温度。其内部电路如图3-16所示：1脚接工作电压，其工作电压低且范围宽（2.215V）；2脚为输出源极电压；3脚为公共地。使用时，一般在2脚与3脚之间加47k的源极电阻。图3-16 RE200B红外检测元件内部电路图3.5.2放大电路的设计1.基本的放大电路如图3-19所示为最基本的放大电路，运放芯片采用低电压、单电源、低功耗LMV324芯片，如图3-17所示。LMV324功耗是比同类产品低120A；在5V时，其典型工作电流为100A。该运放芯片工作电压为2.55.5V，采用轨到轨的输出。LMV324的引脚和NS、TI和Maxim的LMV3XX系列兼容，因此可直接替换。当LMV324工作在5V时，带宽为1.4MHz,转换速率为1.5V/s。图3-17 基本的放大电路 2.红外探测信号输入电路红外探测信号输入部分由红外线传感器、信号放大电路、电压比较器、数字信号输入电路组成。当工作中的红外线传感器J1探测到前方人体辐射出的红外线信号时，由J1的S端引脚输出微弱的电信号（110Hz），经三极管Q1等组成第一级放大电路放大（见图3-18），再通过C2输入到运算放大器U1A中进行高增益、低噪声放大，此时由U1A输出的信号已足够强。如图3-20所示，U1B是电压比较器，二级放大信号OUT2由运放芯片U1B中5脚输入，R6、R7、R9、D1组成基准电压电路，输入信号与反向输入端基准电压比较，一旦有盗贼闯入监控的范围内，热释红外线传感器监测到信号后，发出一个微弱的交变信号，经两级交流放大后，与基准电压进行比较，此时，经过放大的信号大于基准电压。通过U1B的比较，其输出电平为运放工作电压高电平5V，三极管Q2导通，J2输出为低电平；当OUT2端输入没有信号时，输出为0V，所以三极管Q2截止，J2引脚输出为高电平。图3-18中，R1是源极电阻，其阻值可以根据实际情况进行调整；产生的微弱信号由S9014进行放大。S9014是NPN型三极管，其IC静态工作电流达100mA，放大倍数最大可达1000倍。R3给S9014提供静态基极电压。放大后的信号由C2耦合到下一级12-14。（如图3-18、图3-19、图3-20、图3-21所示）图3-18 第一级放大电路图 3-19 第二级放大电路图 3-20 信号转换电路在图3-21中，用三极管S9013把OUT3的信号转换成单片机的入口电平信号。其主要原因是，当产生报警信号后，OUT3输出约为5V的工作电压，需要用三极管将其转换成低电平。这样，当有报警信号时，J2引脚输出低电平，将给单片机一个低电平，而这样一个低电平信号将使单片机退出低功耗状态，同时唤醒整个电路；而没有报警时，将输出持续的高电平。图3-21 数字信号输入部分热释电感应电路如图3-22所示。图3-22 热释电感应电路图3.6增温降温除湿系统设计本环节选用电暖风机、压缩机控制整个粮库温度，使粮库温度处于恒定值。并采用电风扇为粮仓除湿。被控对象是强电设备，负载功率较大，所以用光电晶体管和固态继电器进行开关量的控制，以便用低电压、小电流来控制高电压、大电流的暖风机、压缩机、电风扇。暖风机控制电路如图3-23所示，电风扇、压缩机的控制电路图和暖风机一致23。本系统选择的风扇的各项参数如表3-3所示。型号TUHE-A型功率15kW外形尺寸1.71.70.4m额定电压380V噪音68dB空气流量67000/h表3-3 风扇参数表暖风机的各项参数如表3-4所示。如表3-4 暖风机参数型号NTD-10型风量10000m/h功率10kW噪音60dB额定电压380V外形尺寸10.80.6 m出风温度48安装位置顶部冷风机的各项参数如表3-5所示。表3-5 冷风机参数型号LN-800A入口温度60额定电压380V环境温度40额定功率20kW压力露点2-10工作压力0.7-1.0 MPa空气出入口径DN150空气处理量80 N/min外形尺寸2.41.52.1 m图3-23 暖风机控制电路1. 光耦隔离的原理及作用光电隔离是通过光电藕合器实现的，光电耦合器不但能实现信号的传递，而且能实现电气的隔离。由于光电藕合器件的输入端和输出端在电气上是绝缘的，因而具有较强的电气隔离和抗干扰能力。光电隔离元件里面包含两个基本元件：光发射元件（发光管）和光接收元件（一般采用光敏二极管或光敏三极管），光发射管通电后能发出较强的光束，这光束照射到光接收元件时，其电阻会急剧下降，利用光接收元件的这个特性可以用来控制或调整下一级（一般为三极管）的导通程度或形状开关状态，因光电隔离元件中的光发射元件和光接收元件中间是以光的形式相互联系的，在电气上没有直接相连，从而达到了在电气上的隔离作用（如图3-24所示）。 图3-24 光耦隔离引脚图2.固态继电器原理及作用固态继电器也就是固态开关。它是一种新型的电子开关器件，它含有大功率的双向晶闸管，光电藕合，阻容吸收回路和触发电路。被用做替换传统电磁式的继电器。能够控制三相电动机的正反转。无触点无动作噪音。开关速度快无火花干扰和可靠性高等优点。按负载电源的类型不同固态继电器分交流和直流两种，按触发类型又分为过零触发型固态继电器与传统的电磁继电器。本系统选用JG-T系列的三相交流固态继电器（如图3-25所示），JG-T系列三相交流固态继电器是三刀单掷常开式的结构，并且有三只单相交流固态继电器，而且是单一输入控制端对三相负载进行开或关的切换，方便地控制三相交流电机、加热器等三相负载。继电器工作电压36-430VAC，负载输出端电流等级及型号如表3-3所示：表3-3 固态继电器型号电流普通型16A普通型25A普通型40A增强型15A增强型35A增强型70A增强型90A型号JG-T3Z16D3T3Z25D3T3Z40D3TH3Z15D3TH3Z35D3TH3Z70D3TH3Z90D3JG-T3Z16D2T3Z25D2T3Z40D2TH3Z15D2TH3Z35D2TH3Z70D2TH3Z90D2JG-T3Z16A3T3Z25A3T3Z40A3TH3Z15A3TH3Z35A3TH3Z70A3TH3Z90A3图3-25 固态继电器引脚图3.固态继电器型号选择三相异步电机功率公式： （3-8）所以额定电流的计算公式为： （3-9）公式（3-8）中， P电机额定功率(W)； U为额定电压(V)； I额定电流(A)； 功率因数。1） 风扇的额定电压为380V，额定功率为15kW，电风扇功率因数为0.85，则风扇的额定电流为： （3-10） 风扇的额定电流是26.81A，因为是三个风扇并联，所以总电流是80.43A，根据固态继电器的型号，选择90A增强型的固态继电器TH3Z90D3。2） 暖风机的额定电压为380V，额定功率为10kW，功率因数为0.9，则暖风机的额定电流为： （3-11）因为暖