基于嵌入式处理器的粮仓温湿度检测系统.doc

本科毕业设计(论文)题目名称： 基于嵌入式处理器的粮仓温湿度检测系统 学 院： 计算机科学技术学院 专业年级： 计算机科学与技术（工）12级 学生姓名： 王晓飞 班级学号： 1班 26 号 指导教师： 孙 海 二一六 年 六月 六 日摘要基于嵌入式处理器的粮仓温湿度检测系统，是一个以嵌入式处理器STM32ZET6为主控核心的创新型粮仓温湿度检测系统。该系统设计的主要目的是实现粮仓的温湿度检测、光照度检测、火光检测、仓外雨滴检测以及实现对粮仓进行智能化管理。该系统具有自动的进行通风、晾晒、天气预警和火灾预警等功能，对新型粮仓进行保护和管理。本系统通过设计一款PCB主板提供一个USB接口，两个RS232接口分别作为上位机接口和7寸触摸液晶连接接口。系统使用高精度SHT10温湿度传感器进行温湿度采集，高精度GY-30光照传感器进行光强检测、雨滴传感器模块进行雨滴检测、W25Q64作为系统的8MB数据内存、系统还使用高精度传感器信号采集芯片HX711做AD型数据采集、电源部分包括LM2576开关电源芯片提供15W的大功率电源输出，以及ASM117输出3.3V作为主控芯片及其它低压芯片电源。关键字：嵌入式处理器；粮仓温湿度检测系统；智能化管理；STM32ZET6AbstractSilotemperatureandhumiditymeasurementsystembased onembeddedprocessor,Is aSTM32ZET6embeddedprocessorcoreofmastera new typeof granary temperatureand humiditymeasurementsystem.Thissystemmainlydealswith thedetection,temperatureand humidityofthegranaryofilluminationdetection,firedetection,housewares outsidetheraindetectionandintelligentmanagementof thegranary.Thesystem featuresautomaticdrying,drying,weather-alerts,andfireearly,warningcapabilities inordertoprotectandmanagea new typeofgranary. Thissystemmainlythroughthedesign o f amotherboardwithaUSBinterface,twoRS232interfacesarethePC interfaceanda7-inchtouch screeninterface.Systemsusinghigh-precisiontemperatureandhumiditysensorSHT10temperatureandhumiditycollection,GY-30high-precisionlightsensorthelightintensitydetection,rainraindetection sensormodule,W25Q64as8MBmemory,thesystemalsouseshigh-precisionsensorsignalcollectionHX711AS data acquisition,powersectionincludesLM2576switchingpower supply15WpowersupplyoutputandASM1173.3Vthe maincontrolchipandotherlow-voltagechipsupply.Keyword : Embedded processors;The granary temperature andhumidity detection system;Intelligent management; stm32zet6II目 录摘要IAbstractII第1章 概述11.1 课题来源11.2 课题目的11.3 课题意义11.4 功能和参数指标21.5 拟解决关键问题31.5.1 ARM的多机通信31.5.2 ARM与上位机的通信协议31.5.3 高精度数据采集41.6 国内外动态4第2章 方案论证62.1 方案概述62.2 硬件选型方案62.2.1 处理器选型62.2.2 电源芯片的选择82.2.3 串口转usb通信82.2.4 串口转RS23292.2.5 AD芯片的选择92.2.6 LCD的选型102.3 软件设计方案102.3.2 基于C+编程语言的上位机112.3.3 软件方案选择11第3章 设计论述123.1 系统原理框图123.2 硬件系统设计。133.2.1 系统设计指导思想133.2.2 硬件原理图143.2.3 温湿度模块的设计143.2.4 光照强度模块的设计153.2.5 雨滴检测模块的设计163.2.6 电源电路图173.2.7 USB以及调试接口电路183.3 上位机软件系统设计。183.3.1 概要设计183.3.2 详细设计23第4章 结果分析：284.1 硬件设计的结果分析284.1.1 温湿度模块的分析284.1.2 光照、雨量模块的分析284.1.3 火光检测294.1.4 硬件综合测试294.2 软件设计的结果分析294.2.1 液晶显示部分的分析294.2.2 PC上位机的分析30结论31致 谢32参考文献33I第1章 概述粮食问题自古以来都是人们最为关注的问题，手中有粮，心中不慌。而粮食的存储则是关系到民生的重要问题。我国自从2003年粮食总产量达到了8614亿斤后，2015年粮食总产量增加到了12429亿斤的粮食产量，也就是说总体粮食年产量在12年之间的时间中提高了高达3815亿斤的粮食，数据上看来粮食产量增多了。但是在去年的12429亿斤国内的粮食产量来看，它还不能满足人民对粮食的需求。目前测算去年粮食总需求12800亿斤以上。所以总量上虽然12年连续增产但是大约还有400亿斤的缺口不能满足需求，还需要进口来弥补这个缺口，所以这又是供不应求的少了。在这样多粮食需求量的多，少粮食供应量的少之间反应出我国巨大粮食存储问题的食品，所以粮食保存是一个重要的问题。虽然市场上应用型的粮仓温湿度管理系统种类繁多，但是实际应用系统涉及到智能化管理的粮仓管理系统屈指可数。并且由于最近的储量动态中爆出很多的储量问题，比如粮耗子把戏、陈粮顶新粮、仓库存粮质量低劣问题等国家禁忌问题的发生。所以可见智能化的粮食管理系统的应用是十分迫切需要的。1.1 课题来源本课题来源于2016年本科毕业生毕业设计。由孙老师根据课题的易于实现以及当前粮仓管理系统的现状拟定的题目。该题目有易于我们对嵌入式应用系统的认识和应用价值。而且课题来源于客观的中国粮食现状，具有一定的研究价值和应用前景。因此决定以此问题，制作一个基于嵌入式处理器的粮仓温湿度检测系统。1.2 课题目的本系统设计的主要目的通过对一个课题的研究，学会活学活用大学期间的应用课程，以及学会科学的分析问题、解决问题。了解工程应用设计的基础。通过科学的培养方法使自的个人分析能力，自学能力，技术实践应用能力得到提升。从而达到教学培养目的和目标。其次，通过一定的基础技术的应用可以了解应用技术在实际工作中如何部署到设备上进行运用。进行客观性的认识教学。提升个人对应用技术的认知能力。1.3 课题意义粮仓温湿度检测系统是一个传统且重要的粮仓环境检测系统。结合目前国内外的温湿度检测系统的设计主要以实现控制风机、空调、除湿机、加湿器等调温调湿设备来调节粮仓的温湿度从而达到控制粮仓环境；而且支持温湿度超过设定的报警值时还能自动通知管理人员进行及时的处理，也可将温湿度数据发送至监管电脑进行数据记录，实时查看温湿度数据；达到自动监管粮仓温湿度的目的。减少因为管理比较落后，停留在人工的管理状况。而且粮堆的热传递是十分缓慢，使人感知极差，需要管理人员经常进入闷热、呛人的仓房内检查粮堆的温湿度，不断进行翻仓、通风这种繁重的体力劳动不科学也不及时。所以粮食虫蛀、霉变的情况时常发生。1.4 功能和参数指标1. 系统包括如下功能（1）温度监测（2）湿度监测（3）光照强度监测（4）雨滴监测（5）火光检测（6）数据视图（7）分布式的报警上下限设置（8）自动通风，晾晒（9）支持USB，232通信2. 技术指标与参数分析:（1）温度检测温度范围:-25+95温度显示位数：小数后4位温度采集精度：1.5（2）湿度检测湿度范围:10 RH%90 RH%湿度显示位数：小数后4位湿度精度：5 RH%（3）光照度监测光照度测试范围：0-65535 LX光照强度显示位数：整数光照强度精度：5Lx(5勒克斯)（4）交流AC电源供电AC:110V220V 50HZ（5）直流DC电源输出 DC : 12V 3A DC: 5V 3A DC: 3.3V 1A1.5 拟解决关键问题1.5.1 ARM的多机通信单片机在多机通信领域应用很广。但研究最多的是上位机与下位机之间的通信及多单片机构成的主从式多机通信系统，课题重点研究了单片机的优先级多机通信，使连接单片机的IO设备有不相同的权限。从而达到数据采集和传输分布式的执行。10本课题拟使用7寸液晶和配备PC软件进行数据的显示和数据输入，以及软件设置等功能。所以需要协调通信方式以达到消除数据冲突，实现数据高效的，稳定的在系统总线上传输。USB为目前便携式可移动设备使用最为广泛的数据连接方式。也是PC支持接口较多的连接方式，所以结合实际应用环境以USB为上位机连接接口设计。RS232是目前大量嵌入式设备的通信接口，其传输距离和抗干扰能力在应用系统中的到了认可。为了实现简便的和液晶屏幕的连接和数据通信，以此来设计通信接口连接液晶屏幕实现数据交互。通过以上对通信方式的选择，确定了主板与输入输出设备的连接方式后确定其优先顺序即可实现优先级多级通信。所以需要在主板的内存中初始化连接表如表1-1所示。表1-1 设备连接优先级液晶屏幕PC优先级系统默认000.USB011RS232100.生成8位寄存器连接标识 0x00 表示系统初始化为默认数据0x00不占用总线。 0x03表示优先级为1选取连接方式为USB通信。 0x04表示优先级为0最高优先级，选取连接方式为RS232通信。1.5.2 ARM与上位机的通信协议 为了对系统硬件部分进行控制，利用MFC自带的函数库（API）serial port消息响应函数,对PC的串行控制口（COM）进行数据打包收发和设备连接。系统硬件负责接收数据包并进行数据包分析和破解，提取数据和指令。系统硬件对控制指令进行匹配后，执行对应指令操作然后进行数据传输。串行通信格式和寄存器数据格式如图1-1，1-2起始位数据位奇偶校停止位图1-1串行通信格式SYNSYNS0H标题STX数据ETETX块校验图1-2寄存器数据格式注：如图1-2寄存器中syn位为建立连接握手信号 S0H端口位 STX数据帧同步标志位 ETETX输入输出数据使能1.5.3 高精度数据采集 本系统为了实现高精度的数据采集，需要解决实际数据传输和采集过程中的抗干扰，数据采集分辨率，电源纹波等等问题。抗干扰部分，数据的抗干扰最简单的方法就是采用屏蔽，隔离等方法。所以在电路中采用四层PCB设计可以有效的隔离电磁干扰，并且对于数字高频电路采用多点接地，模拟电路单点接地等等的方法可以实现简单环境下的抗干扰设计。对于外接的线路，使用带屏蔽线的数据线进行连接。7数据分辨率部分，主要的方法还是选用高精度的传感器，只有传感器的精度能达到要求，那么可以根据具体的硬件电路实现在传感器精度以下的高精度数据采集。例如选用误差为1%的高精度传感器，那么我们最高精度能达到理论的1%实际我们可以把采样精度控制在5%左右即可。对于电源纹波部分，我采用的是开关电源加线性电源。并且配备多组滤波，使得在采用高精度ADHX711采集数据时可以把分辨率提高到16位及以上的效果。并且根据采样定律设置了保证数据采集正确性及可靠性的高速采样频率。在程序里，采用基本的数据滤波算法，分辨率误差低于10点的高精度AD数据采集。并且具有异常数据丢失，在一段连续的数据采样中对于外来的短暂强干扰数据可以丢弃进入下一次采样。1.6 国内外动态为了帮助系统的设计和课题的研究通过收集国类外相关系统设计的参数指标进行分析。目前国内能到做到的大部分温湿度系统精度大概为：（1）温度测量范围：-40100,精度0.5（2）湿度测量范围：0100%RH, 精度3%RH（3）控制参数：温度、湿度（4）通讯方式：RS485（5）电源规格：9V 2A（6）仪器尺寸：11.9cm11.7cm3.0cm（7）主机适用环境：-2060。国外性能指标：（1）监测温度：40100，精度0.4。（2）监测湿度：0%100% RH，精度3% RH。（3）监测分辨率：0.1。（4）采样周期：0.5秒。（5）通讯类型：RS485，Modbus协议。 通过国内外系统参数数据的对比，可以知道目前国类外的高精度的温湿度采集以及粮仓温湿度检测系统性能差别不是很大。也说明我国对粮仓温湿度系统的研究具有国际化的研究水平。第2章 方案论证2.1 方案概述当前来说集成电路开发技术是目前的嵌入式技术发展最快的技术之一，总类繁多的高度集成化嵌入式产品也越来越受市场接受和欢迎。为了实现系统的开发，本系统也采用集成硬件电路来设计系统的硬件电路。集成电路的设计需要制定硬件实现方案以及对芯片进行选型。对硬件电路确认后进行硬件电路的进行打样和调试。同时本系统也许要有一个完整的配套软件。所以软件系统的开发方案上也需要对开发语言环境以及功能实现难易程度进行方案设计和选择。2.2 硬件选型方案2.2.1 处理器选型1. 以51内核为核心51作为比较早期的应用型单片机，在应用开发上具有相当成熟的开发体系与结构。并且其内部结构简单，主要由片内含可反复擦写1000次的8K Bytes Flash只读程序存储器，兼容标准C51精简指令集系统及80C51标准的引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器CPU和ISP Flash存储单元，具有系统可编程(ISP)特性，配合PC端的单片机烧录程序即可实现程序代码的烧录，省去了购买通用编程器的麻烦，而且速度更快。STC89C51RC系列单片机是单时钟/机器周期(1T)的兼容80C51单片机内核，是高速/ 低功耗的新一代80C51 单片机，全新的流水线/精简指令集结构,内部集成MAX810 专用复位电路等硬件结构。11为了实现粮仓温湿度检测系统的设计，结合应用型粮仓温湿度检测系统的开发难度。如果继续沿用80C51为处理器选择。可以使用该单片机拥有足够多的网络资源提供参考。并且基于80C51与sht11这样的温湿度数据采集系统网络资源繁多可以提供参考和也可快速建立硬件结构体系、原理图设计等等。这样来可以把大量的时间集中在实现上位机之间的通信上。从而实现更优质的系统设计将是一个不错的应用型系统开发方案。2. 以ARM控制系列（Cortex-M）为核心 ARM支持三种不同程度和要求的控制系列，Cortex-R实时型核心，Cortex-A高级应用型核心，Cortex-M控制型核心。全方位支持应用系统的开发，并且提升了应用型系统的档次，以及其优越性能，硬件资源丰富等等特点。受到不少应用开发者的青睐。根据分析本系统不适合选用实时性要求较高的Cortex-R系列的实时型核心芯片，并且Cortex-R系列核心的芯片价格因其面对强实时应用环境，通常价格高于Cortex-M系列5倍左右。S5LS20206ASPGEQQ1（Cortex-R4单芯售价400）。Cortex-A系列主要应用高级的应用系统中目前大部分的手机以及平板等普遍使用Cortex-A8其最小开发系统最低249.00元。Cortex-M系列目前广泛应用的以Cortex-M3为主其内部资源丰富成本低廉最小开发系统成本约30元。所以通过对比选择决定以Cortex-M3为ARM处理器核心。12Cortex-M3包括如下20个硬件资源（1）系统存储器和总线构架（2）内部电源控制(PWR)（3）内部复位和时钟控制（4）处理器通用和复用功能I/O(GPIO和AFIO)（5）处理器中断和事件（6）电源管理控制；（7）DMA 控制器（ DMA）（8）实时时钟（ RTC）（9） 内部备份寄存器(BKP)（10） 独立看门狗(IWDG)（11） 窗口看门狗(WWDG)（12） 高级控制定时器(TIM1)（13） 通用定时器(TIMx)（14）控制器局域网(bxCAN)（15）I2C接口（16）串行外设接口(SPI)（17）USART收发器(USART)（18）USB2.0全速设备接口(USB)（19）模拟/数字转换(ADC)（20）调试支持(DBG)STM32F103ZET6采用Cortex-M3内核，该内核内含国际标准硬件调试模块（JTAG），支持复杂的调试、测试的操作。因此ARM可以实现更为复杂和高端的应用产品的设计，STM32系列的嵌入式处理器以其优越性能和极高性价比在市场上占很高的评价。同时其丰富的内部资源可以减少很多不必要的外部硬件设计。为了实现更完善和完整的应用系统，很多应用开发者会选择这样功能多，性价比高，开发难度适中的嵌入式处理器。3. 方案比较与选择综合以上的方案论述在本系统的设计中如果采用80C51内核为主，其优点开发难度小，系统应用成熟，易于上手开发。缺点：结构简单，功能单一，进行复杂浮点运算消耗指令周期长。而采用Cortex-M3内核为主， 其优点系统应用相对完善。能进行复杂的多指令浮点运算。运行速度可倍频选择。缺点：结构体系复杂，开发周期长。在结合实际的系统设计需求，Cortex-M3更适合该系统的开发。2.2.2 电源芯片的选择1. 开关电源的选择开关电源具有功率输出大于线性电源的特点，而且可以根据功率需求进行开关电源的设计。这里主要对比LM2575和LM2576两款开关电源芯片。（1）LM2575性能说明输入电压：4.75V40V输出参考电压：DC 5V最大输出参考电流：DC 1A内部占比输出52Khz。（2）LM2576性能说明输入电压：4.75V40V输出电压：DC 5V最大输出电流：DC 3A内部占比输出52Khz。（3）参数对比和选型从技术参数对比上最大差别为输出功率，LM2575最大输出功率为5W，LM2576输出为LM2575功率的3倍。因为考虑为外部传感器和液晶显示屏提供电源所以选用LM2576为开关电源芯片设计电源部分可以满足功耗的需求。2. 线性三端稳压电源的选择线性电源输出功率普遍低于开关电源，并且线性电源的功率输出受限于起耗散功率。因此本方案以ASM1117-3.3及SPX1117M3-3.3 为对比方案（1）ASM117性能说明输入电压：4.75V12V输出电压：3.3V(1%)输出电流：1A(压降要求低于1.2V)耗散功率：4.5W（2）SPX1117M3-3.3性能说明输入电压：4.75V12V输出电压：3.3V(1%)输出电流：0.8A(压降要求低于1.1V)耗散功率：3.52W（3）参数对比以上两个芯片性能差别相差不大，ASM1117输出功率和耗散功能的两个指标优于SPX1117。所以根据这两个参数的差别以ASM1117作为3.3V主电源进行稳压电路的设计。2.2.3 串口转usb通信为了便于编程和PC机连接，选择使用CH340作为串口转USB芯片。该USB 支持程序烧录、程序调试以及上位机和下位机的通信。CH340支持全速USB接口，兼容USBV2.0，只需要晶振和电容配置外围电路。支持标准串口仿真，升级原有串行外围设备或增加额外串行USB口。完全兼容Windows操作系统下的计算机应用程序对串口的操作而无需修改。硬件为全双工串行端口，内置发送和接收缓冲区，支持50 bps 2Mbps。并且支持常用的MODEM联络信号RTS、DTR、DCD、RI、DSR、CTS。通过电平转换可提供RS232、RS485、RS422等等接口。支持IrDASIR红外通讯，支持从2400 bps的波特率为115200 bps。软件兼容CH341驱动程序可以直接使用。电源支持3.3 v，5V供电。采用SSOP-20和SOP 16无铅封装和RoHS。2.2.4 串口转RS232为了提高数据传输的稳定，增加传输距离。通常20M以内采用RS232进行传输，RS232采用15V电信号传输抗干扰能力强，识别效果好。因此决定选用MAX3232芯片设计RS232电平转换。MAX3232支持输入电压在3.0V至5.5V，最大通信速率能达到1MB，低功耗等等特性。2.2.5 AD芯片的选择为了实现高精度的AD型数据的采集，目前广泛使用的AD芯片普遍为8Bit12Bit分辨率，5V基准的芯片。即精度为0.0195V0.00122V。对于12Bit的AD数据采集精度达到1.22MV，采集精度相对比较高。但是为了实现更为精准的数据采集，本设计决定采用基准为40MV的24位AD来提升开发技术难度进行数据采集。该芯片能够达到40MV/16777215的超高精度。采用该芯片需要配备高精度基准电压输出芯片，以实现供电以及电压比较点。1. HX711性能分析HX711芯片支持两路可选择差分电压信号输入、内部具有低噪声可编程放大器、可选固定增益为64 和128倍、片内含有稳压电路可直接向外部传感器和芯片内A/D转换器提供电源、具有简单的数字控制和串口通讯、所有控制由引脚输入、芯片内寄存器无需编程、可选择10Hz 或80Hz 的输出数据速率、同步抑制50Hz 和60Hz 的电源干扰、功耗: 典型工作电流: 1.7mA, 断电电流: 1A。2. ADS1256性能分析ADS1256芯片达到24位无失码、多达23位的无噪声分辨率、最大0.0010%非线性误差、数据输出速率为30KSPS、四个差分输入端，8个单端输入、5V容限SPI兼容的串行接口、低达38MW的正常模式 0.4mW待机模式3. 基准电压REF196G为了实现高精度的AD采集，设计一个高精度的参考电压也是必要的。REF196G支持初始准确度：最大2MV、低压差、负载调整率：4 PPM/ MA 、线路调整：4 PPM / V、高输出电流：30毫安、短路保护。根据参数决定用该芯片作为参考电压。4. 方案选择通过对AD数据参数对比，数据采集量的综合考虑，HX711编程方便，成本低支持最大两个通道差分输入和单端输入，并且以REF196G作为其参考电压可以实现技术参数的同时降低硬件成本。2.2.6 LCD的选型为了实现优质的用户体验和操作，本系统提供一个操作简便，界面友好的高可靠性LCD显示设备。改设备使用高分辨率屏幕的触摸屏作为人机交互接口。 1. DGUS屏选型分析DGUS屏是由湖南迪文科技有限公司研发并生产，DGUS 是迪文图形应用服务软件的简称。DGUS屏幕基于K600+嵌入式微处理器内核设计，迪文屏所设计的软件是具有完全自主知识产权的智慧型人机界面系统软件。其特点：（1）无操作系统，可靠、稳定;（2）硬件借助于PC软件进行组态设计，实现丰富功能;（3）精简的CPU代码量，5条指令实现人机交互;（4）组态软件具有自定义图形数据库，可根据需要灵活设计界面。 2. 工业串口屏选型分析工业串口屏幕集成TFT显示驱动程序，图片字体存储，GUI操作、RTC显示、音频播放等功能串行显示终端。其应用方式：用户首先使用PC组态软件，预先设计图形图片，正确编译，最后通过USB（或SD/UART），将整个工程图片和配置信息下载到串行屏幕内部内存。下载前，组态软件将项目中图片和控件分配一个唯一的ID号。主板串行口接收按钮上传的设备ID或触摸的坐标值，可以确定当前被按下的按钮，然后发送适当的控制指令更新屏幕显示或控制设备。除了文字、图片显示，用户还可以发送指令来实现音频播放，曲线，保存屏幕和数据存储功能等等。3. 方案选择根据以上资料的简单对比，DGUS屏幕操作方便、技术资料完备。可以得到良好的技术支持。工业串口屏幕功能复杂生产厂商繁多技术支持不可靠。因此淘汰工业串口屏而选用DGUS屏作为本系统人机交互设计。2.3 软件设计方案2.3.1 基于java编程语言的上位机Java是当前应用程序开发者较为流行的编程语言之一，GUI图形用户接口是计算机人机交互程序设计的主流。采用可视化开发方法Java GUI程序具有直观、快捷、易学、易用等优点。系统可以采用Eclipse为开发环境，使用可视编辑器的插件作为开发工具。结合粮仓温湿度系统采用逐步设计过程，以窗口、基本组件、容器、布局管理、事件处理、菜单、工具栏、表格和树等组件进行可视化创建、属性设置。采用J Face对话框，查看器、编辑器、排序器、筛选器等高级组件进行设计。并且使用Java GUI程序的设计思路、可视化编辑的快速开发方法和步骤。2.3.2 基于C+编程语言的上位机VC+6.0编译环境支持C，C+为主的编程语言、支持MFC基础类库。基础类库中主要封装了大部分的windows API函数。VC+是微软公司开发的C/C+的集成开发环境。利用它可以编辑，编译，调试，灵活性较大。VC指它的内部编译器，集成开发环境必须有一个编译器内核。MFC除了是一个类库以外，还是一个框架。在VC+里新建一个MFC的工程，开发环境会自动生成类向导产生出许多资源文件以及资源配置文件等等，同时它使用了MFC xx.DLL动态链接库。它封装了MFC内核，所以在代码里无法看不到原本的SDK编程中的消息循环等，因为MFC应用框架将其封装了，这样程序员就可以专心的考虑程序的逻辑，而不是这些每次编程都要重复的东西，但是由于是通用框架，没有最好的针对性。当然也就丧失了一些灵活性和效率，但是MFC的封装很浅，所以效率上损失不大，灵活性还可以，虽然也有很多缺陷，但还是一个比较好的应用框架。2.3.3 软件方案选择1. 方案Java GUI选用Java GUI编程，所使用的编译环境提供较好的环境支持和编译的程序自写率高。完全使用逻辑进行编程，通过逻辑产生出编译的图形程序。无法直观的感受到图形和软件生成效果。所以在进行界面布局和功能编写时需要花费大量的调试时间。2. 方案VC+ MFC选用VC+ MFC类库进行图形化编程，VC+6.0及以上版本都支持MFC图形化编程，并且具有类向导功能帮你创建相关的功能类。同时支持直观的图形编辑和编程。可以进行软件界面编辑后进行软件功能编写，可以帮助程序员分析出软件编辑的逻辑思路。同时每个单一功能的关联性完全由程序员自己设计，可以大大节约调试，测试时间。3. 方案选择通过方案的对比选择JAVA编程的优点：代码编写的自由度高，编译环境支持复杂的逻辑编写适合高级应用程序员。缺点：应用难度大，不适合初级程序开发员。C语言为计算机基础语言，普遍的初级程序开发员都具备C语言开发功底。MFC基础类库使用C+进行调用，C+为C语言进阶语言，大部分语言类似，并且增加了更多的限制和功能。有C语言基础即可运用MFC应用程序框架进行图形化程序设计。因此以MFC为软件设计方案进行软件设计。第3章 设计论述通过对软件以及硬件设计进行详细的过程分析、方案分析、可行性讨论。6在整体的框架实现上，有了初步的基础理论支撑。接下来主要以选用方案为主进行软件以及硬件的实现。3.1 系统原理框图主控核心数据采集板PC上位机7寸液晶显示屏湿度模块光照、雨滴模块，模块火光检测模块其他功能模块图3-1 系统原理框图如图3-1所示为本系统的原理框图主体，可知系统的硬件接口以及软件结构等信息。本系统具有以下功能模块组成：1. PC上位机本模块主要进行数据的处理以及功能实现，数据由硬件主板进行采集，对数据进行校验后上传到上位机，上位机对数据分析，然后生成用户所能接受的数据包进行数据操作。2. 7寸液晶图形显示液晶部分主要实现触摸控制和数据的显示，数据采集上传主要通过液晶进行直接的显示，液晶支持触摸操作可以实现按键的功能，减少硬件按键部分的开发。3. 温湿度数据的检测温湿度检测模块主要用于温湿度的数据采集，SHT10传感器可以采集到高精度的温湿度数据，并且数据采用CRC-8数据校验以及温度补偿算法提高数据采集的精度和可靠性。4. 火光检测本部分主要以实现当出现明火后能快速检测和定位。通过检测到的数据可以合理的管理仓库的消防设施。5. 光照、雨滴检测光照、雨滴主要用于自动的粮食晾晒，通过对光照雨滴的感应可以有效的避免雨季和天气状况不太理想的情况下对粮食进行晾晒。6. 其他功能其他功能的模块主要是为系统提供多种外部接口了，这些外部接口可以轻松的对系统的功能进行扩展以及后续的设备开发。3.2 硬件系统设计。3.2.1 系统设计指导思想 本系统是主要以粮仓温湿度检测为主，需要使用温湿度传感器进行粮仓的温湿度检测。以光照强度，火焰，雨量，风机，自动化的粮仓系统为辅，选用光照强度检测模块、雨水检测模块、火光检测模块、风机控制模块，电机控制模块等等硬件模块进行设计。通过选用以上硬件模块，该系统具有温湿度检测、光照强度检测、天气晴雨检测、火灾检测与定位、风机通风、天窗开关自动晾晒等等功能。还应该包括最小系统模块实现对以上各个部分的数据采集、功能实现和数据处理上传以实现一个功能完善的硬件系统。3.2.2 硬件原理图供电数据232接口温湿度检测电路中央处理器CPUJtag接口继电器控制电路其他控制电路电源电路USB接口光照、雨滴检测电路通信测试通信数据控制 图3-2 硬件原理框图根据系统设计硬件方案设计图3-2硬件原理框图，本原理图由附图1硬件原理图根据不同的功能需求设计出如图功能块，包括支持8MB的flash存储、开关量输入、基准电压参考、高精度AD、12V3A电源、5V3A电源、3.3V1A电源、USB端口、J-tag接口、rs232接口、stm32最小系统，继电器控制模块、4X4键盘驱动，温湿度检测模块。2本系统应该包括的功能分别为温湿度检测，利用硬件原理图中的温湿度检测模块实现温湿度检测。光照、雨滴、火光检测可以利用外接端口进行数据采集，风机使用用继电器进行控制，电机控制可以对外的方向控制，时钟控制，模块使能控制接口进行控制。上位机采用USB连接。液晶使用232进行通信。因此以上硬件结构可以完全满足本系统的功能设计。13.2.3 温湿度模块的设计1. 温湿度硬件模块电路图图3-3 温湿度传感器温湿度传感器电路如图3-3，为保证数据稳定读取采用10K电阻进行上拉。使用3.3V对传感器进行供电，用stm32zet6的SHT_DATA，SHT_SCK对sht10进行数据读写。2. 硬件初始化程序程序包括对硬件的复位，初始化，温度补偿、校验等等。能实现高精度数据采集。并且支持浮点输出多达8位小数，取其进度为小数点后四位。3.2.4 光照强度模块的设计1. 光照强度模块预留接口电路图图3-4光照强度模块接口光照强度检测模块采用GY-30 模块该模块支持I2C数据总线方式进行数据的读写。所以对该模块预留端口接口利用I/O进行数据读写即可。2. 光照强度数据采集程序3.2.5 雨滴检测模块的设计1.雨量检测模块接口电路图图3-5雨量采集模块接口本模块采用的是高精度的AD对雨滴传感器进行采集，感应是否有雨滴以及降雨量多少。用于决定是否打开天窗进行晾晒以及控制风机进行通风。雨滴模块采用的电阻式传感器模块。（2）雨滴传感器初始化程序该模块第一步是进行AD模块端口的初始化，然后对模块进行数据读写操作。如程序设置GPIOE0GPIOE1为时钟和数据端口进行数据采集。然后读取数据后装换程序数字数据后进行雨量计算。3.2.6 电源电路图图3-6电源电路图由图3-6知电源模块采用LM2576作为5V电源输出，ASM1117作为3.3V的电源输出。保证了系统的运行的功耗的同时可以向外输出5V,3.3V的电源为额外的芯片或者传感器供电。3.2.7 USB以及调试接口电路图3-7 USB以及调试接口图3-7为USB接口的电路和JTAG调试电路电路图。在系统运行中，可以同过USB对系统进行编程和数据通信。进行软件调试的时候采用JTAG进行软件的调试。该接口主要根据系统的需求来设计，达到了系统的设计要求。3.3 上位机软件系统设计。3.3.1 概要设计1. 需求分析（1）功能需求，本软件系统应该具有温湿度，光照强度，雨量，天气晴雨，时间显示等等基础功能。并且提供数据可以存储、查找、查看。（2）性能需求，本系统应该兼容Windos操作系统。并且支持错误提示等等，操作失误后引导使用者正确操作。（3）可靠性和可用性需求，软件应该具有高度的可靠性，提供的数据为当前的实时数据。应该具有时钟同步的功能来实现数据的高可靠性。并且软件应该提供开放性的操作，用户可以利用软件查看历史数据和操作当前的数据。提供的软件具有可用性的需求。（4）出错处理需求，当出现数据采集出错，软件运行出错时。可以自动丢包数据，软件出错时能提示错误信息，然后引导用户正确操作。（5）接口需求，软件应该提供标准的函数功能接口。进行附加功能的添加，修改，删除等等操作。（6）约束，软件对不需要用户管理的数据和操作应该进行隐藏等方式对用户的操作进行约束。并且应该引导用户按照正常的操作流程进行操作。2. 软件结构的设计根据需求分析中对软件的需求，设计如下的软件结构以满足用户对软件的需求。粮仓温湿度检测系统软件功能结构图用户登录主菜单温湿度功能数据监测光照，雨量，天气状态数据监测火光检测数据曲线分析系统设置系统结束图3-8软件结构图由图3-8可知，将软件划分为三大框架，五大模块进行设计和实现。软件系统通过用户登陆框架可以进行用户识别、操作限制以及数据保护等等。主菜单可以为用户提供一个界面有好的操作体验。通过对功能的标识，功能的划分。可以让用户清晰的进行操作，以及实现数据的分类管理以及操作等等。系统结束，当用户对数据需求结束后，退出的时需要实现数据的存储等操作。所以系统结束功能保证每次用户登录后的数据为最新的，有效的数据。以减少数据受到不规范操作后造成的数据丢失，修改等等。（1）用户登陆软件作为硬件系统的专用软件应该具有数据保护功能，所以需要对使用用户进行限制，达到保护数据的功能。用户登陆后进行的数据操作都被认为是有效的操作，不能进入系统对数据的操作都为认为是无效操作。用户登陆模块结构如图3-9用户登陆模块密码忘记提示密码识别验证码识别用户名识别图3-9 用户登陆（2）主菜单主菜单提供一个用户操作界面如图3-10，让用户可以轻松的操作。用户通过主菜单可以清晰的功能选择操作。同时主菜单需要支持每个功能的下一级菜单操作。当点击温湿度功能时如图3-11，菜单跳转到功能页，该功能页包括单次数据的采集实时显示，同时支持温湿度与时间的曲线绘制，以及数据查询功能。同样光照、雨量模块支持数据的采集实时显示，同时支持光照、雨量的曲线绘制，数据查询功能以及晴雨状态显示。火光检测应该具有火光的状态和强度，位置提示。数据曲线分析可以绘制除时间关系的其他关系曲线图。系统设置，可以进行时间修改，用户录入等功能。主菜单温湿度功能数据监测光照，雨量，天气状态数据监测火光检测数据曲线分析系统设置图3-10 主菜单温湿度功能单次温湿度显示温湿度查询温度湿度与时间关系曲线图3-11 温湿度功能如图3-11温湿度功能主要实现数据采集、显示、以及数据曲线分析等等。光照，雨量，天气状态单次光照度显示天气状态动态显示光照，雨量与时间关系曲线绘制图3-12 光照，雨量，天气状态数据监测光照和雨量主要用于识别天气状态如图3-12，光照强度可以识别天气的阴晴，雨量可以识别下雨的大小。结合光照可以判断是否为阴雨等等功能。有了以上数据可以筛选易于实现的部分进行实现。用户、密码修改系统设置时间修改数据管理查询修改删除图3-13 系统设置系统设置如图3-13主要提供用户进行数据隐私操作。以及添加删除用户等等这样的一些操作。实现对系统安全的保护。避免非相关人员的失误操作。数据曲线分析与时间关系的坐标曲线与光照强度有关的数据曲线与湿度有关的数据曲线与温度有关的数据曲线图3-14 数据曲线分析数据曲线分析如图3-14主要实现在不同的参数曲线绘制。统计出天气状况的规律对粮仓系统的影响。火光检测是否有火焰的产生位置识别报警提示处理图3-15 火光检测火光检测主要用于粮仓的消防通道，快速检测后，能实现定位，然后进行报警提示。通过报警提示的位置进行快速定位灭火。3.3.2 详细设计根据概要设计的详细功能划分：把系统实现步骤可以归纳为如下流程图粮仓温湿度系统三大框架的建立分布模块实现功能单元测试，集成测试软件发布用户登录主菜单系统结束温湿度功能光照、雨量功能火光检测功能数据曲线分析功能系统设置功能图3-16 系统实现功能图根据图3-16流程图，将软件实现分为四步进行分步实现，第一步建立三大功能框架分别实现，用户的登录保护、主菜单功能、系统安全退出。第二步对单一功能块进行设计和实现。模块包括，温湿度功能，光照强度，雨量、火光检测、数据曲线分析、系统设置。第三步当功能块都实现后需要对系统的可靠性进行检验，所以需要对系统的功能单元进行测试，通过单元测试后进行系统的集成测试。当系统集成测试通过后进入第四步，软件的发布打包。提供给用户使用。1. 软件框架的实现本系统的框架采用MFC基础类库和MFC应用程序框架进行设计实现。根据框架的要求需要实现用户登陆、主菜单、系统结束。如下为分别设计实现的效果。（1）用户登陆界面图3-17 用户登陆图3-17用户登陆模块采用UI设计和编程综合实现功能的设计。实现了友好的界面操作。（2） 登陆界面软件实现方法（3）主菜单图3-18 主菜单主菜单使用图标和背景进行设计，通过修图工具进行修改。即可实现以上的效果。（4）主菜单实现代码（5）系统结束系统结束主要实现对程序最后的数据保存和内存清理和释放。以消除系统数据受到系统运行内存数据的干扰。以及程序结束后造成对其他应用程序不兼容的现象。2. 模块实现(1)温湿度功能的实现温湿度主要以硬件程序采集为主，上位机以及显示程序为辅助。只有提供正确完整的数据，上位机和显示屏才能对数据进行分析处理及显示。 (2)光照和雨量功能光照、雨量也属于数据采集量，需要主控板对光照传感器，雨量采集传感器进行数据采集后上传。 (3)火光检测功能火光检测部分，主要是简单的开关量的采集，只对当前环境是否有强光的产生进行检测，然后结合多点的数据进行综合的判断。(4)附加数据曲线分析功能数据曲线分析主要以