基于51单片机的烤烟机温湿度自动控制系统设计

电子与信息工程学院 本本 科科 毕毕 业业 论论 文文 论文题目 基于 51 单片机的烤烟机温湿度 自动控制系统设计 学生姓名 郭吉政 学 号 专 业 电气工程及其自动化 班 级 08 电气(2) 指导教师 黄烜 2012 年 5 月 摘摘 要要 单片机在电子产品中的应用已经越来越广泛，在很多的电子产品中也用到 了温湿度检测和温湿度控制。随着温湿度控制器应用范围的日益广泛和多样性， 各种适用于不同场合的智能温湿度控制器应运而生。 介绍了基于 89C51 单片机的烤烟房温湿度测控系统软硬件的设计，整个系 统由数据采集、数据调理、单片机和控制部分组成，模拟烤烟房的温度曲线进 行控制。本设计使用 SHT11 温湿度控制器检测温度和湿度，经过单片机处理后， 驱动继电器及喇叭，并作出相关显示，采用该测控系统准确地检测烤烟房内的 温湿度数有效地自动控制烤烟房内的温湿度，提高了烤烟房内的控制水平和烟 叶的烘烤质量。说明书分硬件部分和软件部分进行阐述，并附以原理图和流程 图。 关键词关键词：单片机; 仓库; SHT11 ABSTRACT MCU in the application of electronic products has become increasingly widespread in many electronic products are also used for detection and control of temperature and humidity . with the temperature and humidity controller of the increasingly wide range of applications and diversity of all kinds for different occasions come into being intelligent temperature controller. This paper presents a system for measuring and control the temperature and humidity in the fluecuring barnthe system is composed of a singlechip microcomputer 89C5 1，the temperature and the humidity sensor SHT11this design as a thermistor temperature and humidity measurement devices, and then converted through SHT11, after single-chip processing, relay and horn-driven, and to make the relevant show. It improve the level of tobacco and tobacco control room of the baking quality. Manual hardware and software sub-part of, together with a schematic diagram and flow chart. Key words: Single-chip ； Flue-cured Tobacco ； SHT11 目目 录录 1 1 绪论绪论.1 1.1 本课题研究背景及目的 .1 1.2 三段式烘烤技术要求 .2 1.3 本课题研究方法与内容 .4 2 2 温度测控理论温度测控理论.5 2.1 温度和湿度的定义 .5 2.2 温度传感器 .5 2.3 湿度传感器 .6 3 3 温控系统的设计温控系统的设计.7 3.1 系统分析 .7 3.1.1 生产工艺要求.7 3.1.2 智能温湿度控制系统功能需求分析.7 3.2 系统方案设计 .8 3.3 硬件部件的选用 .8 3.3.1 主控制器.8 3.3.2 温湿度检测元件.11 3.3.3 显示单元.17 3.4 系统硬件原理图设计 .19 3.4.1 按键设计模块.19 3.4.2 显示电路模块.20 3.4.3 控制输出驱动与报警电路模块.21 3.5 系统软件设计 .22 3.5.1 软件编程.22 3.5.2 软件抗干扰.23 4 4 结论结论.24 致谢致谢.25 参考文献参考文献.26 附录附录 A A 烤烟采收烘烤技术规范烤烟采收烘烤技术规范 .28 附录附录 B B 系统流程图系统流程图 .30 附录附录 C C 系统软件程序系统软件程序 .34 1 1 1 绪论绪论 1 1 1.1.本课题研究背景及目的本课题研究背景及目的 研究背景：烟草行业是一个高税收行业，06 年国的税收为 2900 亿元；人们 将它称之为“暴利行业” ，因为是国家垄断。同时又是国家管制很严的行业，截 至 2006 年底，全国具有法人资格的卷烟工业企业已调整减少为 31 家，全行业 17 家省级公司中的 11 家已完成与所属卷烟企业的合并重组。 90 年代初期,国家烟草专卖局烟叶公司在着力解决烟叶营养不良、发育不全 取得明显成效的基础上,开始重点解决烟叶烘烤制约烟叶内在品质和外观质量这一 技术瓶颈。1992 年,中国烟叶生产购销公司在郑州市组织召开了全国烟叶烘烤技 术研讨会,之后,组织开展了烤烟三段式烘烤应用理论与技术研究,在一定范围内进 行了三段式烘烤技术示范,取得了很好的效果,1997 年国家烟草专卖局烟叶公司把 烤烟三段式烘烤及配套技术作为重点新技术应用推广项目在全国组织推广。三段 式烘烤的应用技术基础 多年来,对我国烟叶香吃味和外观质量同津巴布韦、巴西等国家相比有较大差 异的分析认为,除了土壤、气候等环境因素,以及品种、栽培管理等主要生产措施 外,烘烤有着十分重要的作用。而且,烟叶成熟度、烘烤工艺技术、烘烤设备等烘 烤因素存在问题极其普遍,在一些烟区还比较严重,无一不制约烟叶品质和效益。 研究目的：设计一个应用于三段式烤烟工艺的具有低成本、工作可靠和操作 方便等特点的智能温湿度控制系统，为企业提供一个温湿度控制解决方案，增强 我国烟草行业在国际上的竞争，促进我国烟草行业的发展。 2 1.21.2 三段式烘烤技术要求三段式烘烤技术要求 成熟度是烟叶质量的基础和中心。 研究和生产实践认为,烟叶成熟度有两个含义:一个是采收烟叶成熟度,即田间 生长发育和物质转化达到的成熟度;一个是烤后烟叶成熟度,即烘烤过程的物质转 化达到分级要求的成熟度。所以,烟叶成熟度的本质都是紧紧围绕着最终烟叶品质 和可用性进行充分而完善的物质转化。 烟叶成熟度问题具体表现在下部叶轻飘,单叶重小,上部叶和较厚的烟叶背面 偏白和正面与背面反差大的突出。需要更新烟叶成熟度的观念,尽快扭转下部叶过 熟、中部叶采生、上部叶采青的局面,做到下部叶适时早收,中部叶成熟稳收,上部 叶充分成熟采收,顶叶 46 片集中一次采收。要坚持把成熟度作为烤烟生产全过 程的技术中心,烟叶生产的全部操作过程都要紧紧围绕和满足烟叶最终真正长熟、 养熟。烟叶成熟的标志,除了一般的外观特征外,以烟叶烘烤变黄时间确认。下部 成熟叶变黄时间为 6072h,中部叶为 4860h,上部叶为 3648h。只有首先扭转 烟叶成熟度的观念,才可能保证烤后烟叶内在品质得到明显改善,达到内在品质与 外观质量统一。 根据附录 A“烤烟采收烘烤技术规范” ，工艺要求如下： 1.变黄期：关闭天地窗，点火以后以 1/h 的速度升到起点 3436封火， 保证干湿差 12，留 10 厘米左右的火眼；1 小时后进行第二次封火，留有 3 厘 米的火眼，做到有火无苗，使底棚烟叶烟尖烟缘变黄，叶片出汗，再按每小时升 1至 3840，干湿差 14充分延长时间，使烟叶进一步变黄。充分凋萎，这 是主要变黄期，待烟叶柔软塌膀，变黄九成以后，升至 4243保温保湿。当二 棚烟叶达到基本全黄充分塌架，烟筋变软，再按每小时 1升至 45，干湿差为 67逐开天地窗，适当通风排湿转入定色期。 此期应注意的问题：（1）3638变黄时间不宜太长，防止烟叶养分消耗 过多形成挂灰。 （2）上部烟含水量少，干物质多，此期多注意烤房内温度，当房 内温度够时，应往房内洒水补湿（火炉、火管上面不能洒水） 。 （3）排湿要循序 渐进，不盲目排湿，排湿中应加大火力，防止掉温形成挂灰。 3 2.定色期：加大火力，保持温度不下降，且升温不宜太快，保持湿球稳定， 天窗开完后，现逐步开大地洞，以 1/h 升至 46，湿球 3739，必要时从 4648顿火延长时间，使烟筋变黄，烟叶勾尖卷边至小卷筒 50时，叶片干燥 三分之二小卷筒黄叶黄筋之后以 1/2h 左右升至 54湿球 3940维持 16 小时 以后，使二棚烟叶全干至大卷筒，全房黄筋黄叶顶棚亮行（小卷筒以上）转入干 筋期。 此期应注意的问题：（1）烟叶干燥达不到 2/3 以上，干球不能赶过 50， 干球达到 5253要及时稳温、湿球不能过早升至 41，否则致香物质难以形成； （2）防止出现高温高湿出现蒸片；（3）在 4550之间防止湿球温度过低（少 于 37）导致回青；（4）不能急升温或掉温形成挂灰。 3.干筋期：升温速度 1/h 左右，至 68，最高不能超过 70，湿球 4243。湿球若偏低，先关风洞，关完后再关天窗，当中间棚次少数烟叶主脉 2-3 厘米未干时，可停火。 此期注意的问题：（1）升温不宜过快，60前顶棚必须大卷筒。 （2）干球 超过 68，湿球不超过 43防止香气受损，但湿温低于 41，烟叶色淡，不鲜 亮。 （3）不能降温以防洇筋洇片。 （4）停火时，天窗稍留缝隙，以防闷红。 （5） 注意安全生产防落叶、防发生火灾。 烟叶烘烤是十分复杂的过程，虽然基本原理相同，但因烟叶品种、性质不同， 烟叶烘烤特性就不同，再加上外界环境及烘烤设备上的差异，这就需要在生产实 践中灵活运用。 （ 通过对烘烤环境温度、湿度、时间调控,实现对烟叶水分动态和物质转化的协 调,达到最终将烟叶烤黄、烤干、烤香的统一,这就是三段式烘烤技术的核心,也是 烟叶烘烤的根本目的。 根据对烟叶在烘烤中变黄、变香和非正常情况下发生棕色化反应变褐的化学 和生物化学过程及其与水分动态、烤房温湿度关系的研究结果,认为三段式烘烤技 术的关键点如下。 1、低温变黄,黄干协调 即要求烟叶在比较低的温度下达到比较高的变黄程度。烟叶变黄阶段起始温 4 度 3234,大量变黄温度 3538,完成变黄温度 3842。烟叶在变黄阶段失 水量为 30%左右,达到叶片发软。若烟叶黄变和干燥其中之一达不到要求即必须 采取保温保湿变黄或排湿脱水的措施并延长时间。 2、适速升温定色 在 4648以前以平均 1/3h 的速度升温,之后以平均 1/2h 的速度升温边 升温边排湿定色。当烤房温度达到 54后需稳定较长时间(12h 以上),使淀粉彻底 水解,糖分和致香物大量形成和积累。我国不少上部叶和较厚的叶片,正面呈黄色, 背面黄白色明显,其叶内淀粉含量较高,若在 54左右给予比较多的时间,这种现象 会得到改善,烟叶香吃味也会因此得到增进提高。 3、重视湿球温度 即依鲜烟叶的素质状况确定和控制烘烤各阶段的湿球温度指标,并以湿球温度 高低作为烧火和通风排湿的主要技术依据。一般变黄阶段控制干湿球温度差 14,定色阶段控制湿球温度 3740,干筋阶段控制湿球温度 4043以下。 4、允许烘烤技术指标必要时作调整 由于我国烟叶生长的气候、土壤等环境条件的多样性,以及不同品种、部位等,鲜 烟叶素质存在人为不能抗御的差异,烘烤技术也必须服从于具体鲜烟叶的质量潜能,才 可能最大限度地反映其品质和可用性本质。因此,在实施三段式烘烤中,允许对上 述主要指标在一定范围内作某些必要的调整。 （ 1.31.3 本课题研究方法与内容本课题研究方法与内容 本课题涉及到实际生产工艺过程，由于条件所限制及时间紧迫，未能够到生 产现场进行实地考查与研究，因此，在本次课题的研究方法上，尚欠一定的科学 性与实用性。但通过阅读一些专业的相关数据资料，结合本专业知识，尽量做到 对产有指导性的作用。 本课题的研究内容主要是包括三段式烤烟工艺技术要求、温湿度测控理论以 及智能温湿度控制系统设计。通过对三段式烤烟工艺的充分认识，了解常用温湿 度测控技术方法，结合本专业的控制理论知识，设计出一个应用于三段式烤烟工 艺的具有成本低、工作可靠和操作方便的智能温度控制系统，实现对烤烟工艺中 5 干球温湿度曲线的测控1。 6 2 2 温度测控理论温度测控理论 2.12.1 温度和湿度的定义温度和湿度的定义 温度：度量物体冷热的物理量，是国际单位制中7 个基本物理量之一。 在生产和科学研究中，许多物理现象和化学过程都是在一定的温度下进行的人 们的生活也和他密切相关。 湿度：湿度很久以前就与生活存在着密切的关系 ,但用数量来进行表示较 为困难。对湿度的表示方法有绝对湿度、 相对湿度、露点、湿气与干气的比 值（重量或体积）等等。日常生活中最常用的表示湿度的物理量使空气的相对 湿度。用%RH 表示。在物理量的导出上相对湿度与温度有着密切的关系。一定 体积的密闭气体，其温度越高相对湿度越低，温度越低，其相对湿度越高。其 中涉及到复杂的热力工程学知识。 有关湿度的一些定义： 相对湿度：在计量法中规定，湿度定义为 “物象状态的量 ”。日常生活 中所指的适度为相对湿度，用 RH%表示。总之，即气体中（通常为空气中）所 含水蒸气量（水蒸气压）与其空气相同情况下饱和水蒸气量（饱和水蒸汽压） 的百分比。 什么叫传感器3？从广义上讲，传感器就是能感知外界信息并能按一定规律 将这些信息转换成可用信号的装置；简单说传感器是将外界信号转换为电信号的 装置。温度传感器是最早开发，应用最广的一类传感器。温度传感器，使用范围 广，数量多，居各种传感器之首。 2.22.2 温度传感器温度传感器 智能温度传感器 智能温度传感器(亦称数字温度传感器)是在 20 世纪 90 年代中期问世的。它 是微电子技术、计算机技术和自动测试技术(ATE)的结晶。目前，国际上已开发 出多种智能温度传感器系列产品。智能温度传感器内部都包含温度传感器、A/D 转换器、信号处理器、存储器(或寄存器)和接口电路。有的产品还带多路选择器、 7 中央控制器(CPU)、随机存取存储器(RAM)和只读存储器(ROM)。智能温度传感器 的特点是能输出温度数据及相关的温度控制量，适配各种微控制器(MCU)；并且 它是在硬件的基础上通过软件来实现测试功能的，其智能化程度也取决于软件的 开发水平。 2.32.3 湿度传感器湿度传感器 在工农业生产、气象、环保、国防、科研、航天等部门，经常需要对环境湿 度进行测量及控制。但在常规的环境参数中，湿度是最难准确测量的一个参数。 用干湿球湿度计或毛发湿度计来测量湿度的方法，早已无法满足现代科技发展的 需要。这是因为测量湿度要比测量温度复杂的多，温度是个独立的被测量，而湿 度却受其他因素（大气压强、温度）的影响。此外，湿度的标准也是一个难题。 国外生产的湿度标定设备价格十分昂贵。 近年来，国内外在湿度传感器研发领域取得了长足进步。湿敏传感器正从简 单的湿敏元件向集成化、智能化、多参数检测的方向迅速发展，为开发新一代湿 度/温度测控系统创造了有利条件，也将湿度测量技术提高到新的水平。 单片智能化温度/温度传感器 2002 年 Sensiron 公司在世界上率先研制成功 SHT11、SHT15 型智能化温度/温度 传感器，其外形尺寸仅为 7.6（mm）5(mm)2.5（mm） ，体积与火柴头相近。出 厂前，每只传感器都在温度室中做过精密标准，标准系数被编成相应的程序存入 校准存储器中，在测量过程中可对相对湿度进行自动校准。它们不仅能准确测量 相对温度，还能测量温度和露点。测量相对温度的范围是 0100%，分辨力达 0.03%RH，最高精度为2%RH。测量温度的范围是-40 123.8，分辨力为 0.01。测量露点的精度 8 3 3 温湿度控制系统的设计温湿度控制系统的设计 3.13.1 系统分析系统分析 据“烤烟采收烘烤技术规范”（见附录 A），结合本专业的知识设计，分析 设计一个温湿度控制系统，拟对烤烟加工过程中对温湿度进行控制，另据不同时 段、不同状态对过程实施实时监控。 3.1.1 生产工艺要求 据对“烤烟采收烘烤技术规范” （见附录 A）的分析，对温控系统达到的技术要 求如下： 1、可在任一工艺曲线中工作； 2、温度控制精度与显示均为 0.5 度； 3、鼓风机作为执行机构，当温度低于设定温度时，开鼓风机；否则，关闭； 4、通风机作为执行机构，当湿度高于设定湿度时，开通风机；否则，关闭； 5、当温度超设定上限警戒温度时，报警与处理。 3.1.2 智能温度控制系统功能需求分析 该智能温控系统应具以下功能： 1、实时输出控制功能； 2、具有实时温湿度显示功能； 3、具有超温报警功能和处理功能。 9 3.23.2 系统方案设计系统方案设计 由上一节的功能需求分析，该系统包括几个功能模块； 主控制器、键盘输入、显示、温度检测、数据转换、控制输出驱动以及报警 处理。系统的原理框图： 图 3.1 系统结构框图 3.33.3 硬件部分的选用硬件部分的选用 3.3.1 主控制器 由于本系统工作计算量不大，实时控制要求的速度不高，该系统的输入输出 线也不过，程序也不是很大，可以选用 MCS-51 系统常用的 AT89C51 单片机246 作为主控制器。 AT89C51 是美国 ATMEL 公司生产的电压、高性能 CMOS8 位单片机，片内集成 4KB 的可反复擦写的只读程序存储器（EEPROM）和 128bytes 随机存取数据存储器 （RAM），器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准 MCS E-51 指令系统，片内置通用 8 位中央处理器（CPU）和 Flash 存储单元，功能强 大 AT89C51 单片机可提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域 。 10 AT89C51 主要性能参数： 与 MCS-51 兼容 4K 字节可编程闪烁存储器 寿命：1000 写/擦循环 数据保留时间：10 年 全静态工作：0Hz-24MHz 三级程序存储器锁定 1288 位内部 RAM 32 可编程 I/O 线 两个 16 位定时器/计数器 5 个中断源 可编程串行通道 低功耗的闲置和掉电模式 片内振荡器和时钟电路 图 3.2 AT89C51 实体图及引脚图 11 AT89C51 端口引脚功能如下表： P3 口也可作为 AT89C51 的一些特殊功能口，如下表所示： 12 3.3.2 温湿度检测元件 1、SHT11 简介 SHT11 是瑞士 Scnsirion 公司推出的一款数字温湿度传感器芯片。该芯片广 泛应用于暖通空调、汽车、消费电子、自动控制等领域37 8 9。共主要特点如 下： 高度集成，将温度感测、湿度感测、信号变换、AD 转换和加热器等功能集 成到一个芯片上； 提供二线数字串行接口 SCK 和 DATA，接口简单，支持 CRC 传输校验，传输可 靠性高； 测量精度可编程调节，内置 AD 转换器（分辨率为 812 位，可以通过对 芯片内部寄存器编程米选择）； 测量精确度高，由于同时集成温湿度传感器，可以提供温度补偿的湿度测量 值和高质量的露点计算功能； 封装尺寸超小（7.62 mm5.08mm2.5 mm），测量和通信结束后，自动转 入低功耗模式； 高可靠性，采用 CMOSens 工艺，测量时可将感测头完全浸于水中。 2、SHT11 的引脚功能 SHT11 温湿度传感器采用 SMD（LCC）表面贴片封装形式，接口非常简单，引 脚名称及排列顺序如图 1 所示。 13 各引脚的功能如下： 脚 1 和 4信号地和电源，其工作电压范围是 2.45.5 V； 脚 2 和脚 3二线串行数字接口，其中 DA-TA 为数据线，SCK 为时钟线； 脚 58未连接。 3、SHT11 的内部结构和工作原理 温湿度传感器 SHT11 将温度感测、湿度感测、信号变换、AD 转换和加热器 等功能集成到一个芯片上，其内部结构如图 2 所示。该芯片包括一个电容性聚合 体湿度敏感元件和一个用能隙材料制成的温度敏感元件。这两个敏感元件分别将 湿度和温度转换成电信号，该电信号首先进入微弱信号放大器进行放大；然后进 入一个 14 位的 AD 转换器；最后经过二线串行数字接口输出数字信号。SHT11 在出厂前，都会在恒湿或恒温环境中进行校准，校准系数存储在校准寄存器中； 在测量过程中，校准系数会自动校准来自传感器的信号。此外，SHT11 内部还集 成了一个加热元件，加热元件接通后可以将 SHT11 的温度升高 5左右，同时功 耗也会有所增加。此功能主要为了比较加热前后的温度和湿度值，可以综合验证 两个传感器元件的性能。在高湿（#gt;95RH）环境中，加热传感器可预防传感 器结露，同时缩短响应时间，提高精度。加热后 SHT11 温度升高、相对湿度降低， 较加热前，测量值会略有差异。 微处理器是通过二线串行数字接口与 SHT11 进行通信的。通信协议与通用的 I2C 总线协议是不兼容的，因此需要用通用微处理器 IO 口模拟该通信时序。微 处理器对 SHT11 的控制是通过 5 个 5 位命令代码来实现的，命令代码的含义如表 1 所列。 14 4、SHT11 应用设计 10 微处理器采用二线串行数字接口和温湿度传感器芯片 SHT11 进行通信，所以 硬件接门设计非常简单；然而，通信协议是芯片厂家自己定义的，所以在软件设 计中，需要用微处理器通用 IO 口模拟通信协议。 4.1 硬件设计 SHT11 通过二线数字串行接口来访问，所以硬件接口电路非常简单。需要注 意的地方是：DATA 数据线需要外接上拉电阻，时钟线 SCK 用于微处理器和 SHT11 之间通信同步，由于接口包含了完全静态逻辑，所以对 SCK 最低频率没有要求； 当工作电压高于 4.5V 时，SCK 频率最高为 10 MHz，而当工作电压低于 4.5 V 时， SCK 最高频率则为 1 MHz。硬件连接如图 3 所示。 4.2 软件设计 微处理器和温湿度传感器通信采用串行二线接口 SCK 和 DATA，其中 SCK 为时 钟线，DATA 为数据线。该二线串行通信协议和 I2C 协议是不兼容的。在程序开始， 微处理器需要用一组“启动传输”时序表示数据传输的启动，如图 4 所示。当 15 SCK 时钟为高电平时，DATA 翻转为低电平；紧接着 SCK 变为低电平，随后又变为 高电平；在 SCK 时钟为高电平时，DATA 再次翻转为高电平。 SHT11 湿度测试时序如图 5 所示。其中，阴影部分为 SHT11 控制总线。主机 发出启动命令，随后发出一个后续 8 位命令码，该命令码包含 3 个地址位（芯片 设定地址为 000）和 5 个命令位；发送完该命令码，将 DATA 总线设为输入状态等 待 SHT11 的响应；SHT11 接收到上述地址和命令码后，在第 8 个时钟下降沿，将 DATA 下拉为低电平作为从机的 ACK；在第 9 个时钟下降沿之后，从机释放 DATA（恢复高电平）总线；释放总线后，从机开始测量当前湿度，测量结束后， 再次将 DATA 总线拉为低电平；主机检测到 DATA 总线被拉低后，得知湿度测量已 经结束，给出 SCK 时钟信号；从机在第 8 个时钟下降沿，先输出高字节数据；在 第 9 个时钟下降沿，主机将 DATA 总线拉低作为 ACK 信号。然后释放总线 DATA； 在随后 8 个 SCK 周期下降沿，从机发出低字节数据；接下来的 SCK 下降沿，主机 再次将 DATA 总线拉低作为接收数据的 ACK 信号；最后 8 个 SCK 下降沿从机发出 CRC 校验数据，主机不予应答（NACK）则表示测量结束。 由于微处理器通过二线串行数字接口访问湿度传感器 SHT11，而访问协议是 芯片生产商白定义的，所以需要用通用 IO 口模拟该通信协议。我们选用 Atmel 公司的微处理器 ATmega128。通过对 IO 口寄存器的编程，该处理器的 IO 口 可以根据需要设置成输入、输出、高阻等状态。这为模拟该通信协议提供了条件。 在软件实现过程巾，通过宏定义来实现 IO 口状态的改变。 16 通过以上宏定义，可以实现 SCK 和 DATA 总线的各种输入和输出状态。为了 模拟该二线串行数字协议，还需要一个延时函数。WINAVR 库函数提供了一个延时 函数_delay_loop_2（unsigned chars），该延时函数运行用 4 个时钟周期，所 以自定义延时 1 s 函数可以定义如下： 基于以上宏定义和延时函数，可以方便地使 SCK 和 DATA 总线输出持续一定 时间的高电平或低电平，从而可以模拟图 5 所示的温湿度传感器 SHT11 的读写协 议。 4.3 温度和湿度值的计算 4.3.1 湿度线性补偿和温度补偿 SHT11 可通过 DATA 数据总线直接输出数字量湿度值。该湿度值称为“相对湿 度”，需要进行线性补偿和温度补偿后才能得到较为准确的湿度值。由于相对湿 度数字输出特性呈一定的非线性，因此为了补偿湿度传感器的非线性，可按下式 修正湿度值： 17 式中：RHlinear 为经过线性补偿后的湿度值，SORH 为相对湿度测量值， C1、C2、C3 为线性补偿系数，取值如表 2 所列。 由于温度对湿度的影响十分明显，而实际温度和测试参考温度 25有所不同， 所以对线性补偿后的湿度值进行温度补偿很有必要。补偿公式如下： 式中：RHtrue 为经过线性补偿和温度补偿后的湿度值，T 为测试湿度值时的 温度（），t1 和 t2 为温度补偿系数，取值如表 3 所列。 4.3.2 温度值输出 由于 SHT11 是采用 PTAT 能隙材料制成的温度敏感元件，因而具有很好的线 性输出。实际温度值可由下式算得： Temperature=d1 d2SOT 式中：d1 和 d2 为特定系数，d1 的取值与 SHT11 工作电压有关，d2 的取值则 与 SHT11 内部 AD 转换器采用的分辨率有关，其对应关系分别如表 4 和表 5 所 列。 18 3.3.4 显示单元 采用 74HC138 驱动 LED 数码管。 74HC138 为 3 线8 线变量译码器 74HC138 管脚图： 74HC138 功能表： 19 由上表可见 74HC138 译码器输出低电平有效。为增加译码器功能，除三个输 入端 C、 B、 A 外，还设置了 G1、/G2A，/G2B，使译码器具有较强的抗干扰能 力且便于扩展。 当 G10 时，不管其他输入如何，电路输出均为“1”，即无译码输出；只 有当 G11，且/G2A/G2B0 时，译码器才处于允许工作状态，输出与输入二 进制码相对应，如 CBA=110 时，Y6 输出低电平。 控制输出驱动： 在微控制器与鼓风机之间，是弱电对强电的控制，因而，需要采取一定的放 大驱动电路，同时为了使强电侧不会造成控制电路侧的干扰，也需要采取隔离技 术，如电磁隔离、光电隔离等。为了节省成本，本系统拟自行设计一个简单可靠 的驱动隔离电路，主要有三极管一级放大电路和电磁继电器控制，具体如下电路 设计部分。23 报警处理： 报警处理电路采用喇叭与发光二极管声色同时报警，确保报警的可靠。 20 3.43.4 系统硬件原理图设计系统硬件原理图设计 图 3.3 系统总图 根据上述方案，下面就每个模块进行设计。 3.4.1 按键设计模块 由二个按钮和一个排阻组成，分别接单片机的输出口 P1.2P1.3，按钮由上 到下分别代表开始与返回。当没有按下按钮时，输入口通过排阻与+5V 电源相连 ，程序检测到他们为高电平；当按下某一按钮时，该输入口直接接地，为低电平 ，主程序检测到相应口的低电平时，即跳去执行相应的程序，实现工艺的操作。 21 图 3.4 按钮电路原理图 3.4.2 显示电路模块 图 3.5 LED 电路显示缩图 LED 数码管2 LED 显示器是由 8 个发光二极管显示字段构成的显示器。有共阴极和共阳极 两种。共阴极是各个二极管阴极一起接地，当某一个二极管阳极为高电平时，该 二极管导通发光；共阳极是各个二极管的阳极一齐接cc，当某二极管的阴极为 低电平时，该管发亮。本设计采用共阴极二极管。 22 因为，工作时间分成小时数，需用三位数表示；温度在 100以内，精度为 0.5，用三位数表示，相对湿度在 100%以内，精度为 1%，用二位数表示加起来 一共要用 8 个 LED 作为显示部分，同时也要采用 74HC138 驱动 LED 数码管。在设 计电路图及显示程序时要注意，其显示的顺序及各个 LED 的地址。段码如下表： 由 LED 结构可知，只要 I/O 口送出段码值，LED 就点亮。I/O 口值不变，显 示内容不变，不会闪烁，故静态显示图形稳定，电路简单，变成简单，占用 CPU 时间少。但随着 LED 增加，I/O 口线就增加，所以位数多时采用动态显示法。 3.4.3 控制输出驱动与报警电路模块 图 3.6 控制输出驱动与报警电路原理图 23 1.继电器驱动电路： 当 P3.0 输出为低电平 0 时，晶体管截止，继电器不能接通；当 P3.0 输出为 高电平 1 时，12V 电源通过 4.7K 的上拉电阻提供充足的驱动电流，晶体管导通， 继电器通电后开关闭合，使鼓风机工作，温度上升。并联在继电器旁的二极管可 切断继电器线圈可能引起的反电动势。 当 P3.1 输出为低电平 0 时，晶体管截止，继电器不能接通；当 P3.1 输出为 高电平 1 时，12V 电源通过 4.7K 的上拉电阻提供充足的驱动电流，晶体管导通， 继电器通电后开关闭合，使通风机工作，湿度下降。并联在继电器旁的二极管可 切断继电器线圈可能引起的反电动势。 2.报警驱动电路： 原理与继电器驱动电路相似，P2.4 的输出决定蜂鸣器的工作与否。 3.53.5 系统软件设计系统软件设计 3.5.1 软件编程 硬件系统作为实体，为计算机工作提供了基础和条件，但要使计算机有效工 作，还必须有软件配合。概括地说，计算机的软件系统包括系统软件、应用软件 和程序设计语言三部分。但单片机由于硬件支持和需要所限，为特定应用而设计 的软件不明显区分系统软件和应用软件，而是把两者结合起来，只是程序设计时 采用模块设计，使软件系统设计方便有效，易于维护。 根据附录 A 的“烤烟采收烘烤技术规范”中技术要求和前面的设计，在温度 控制处理程序分为 1-3 号线工艺，而在 13 号线工艺中，可用不同段不同效率 升温程序实现，对叶变黄副段、主变黄段、青筋消退副段采用每 2 小时 1的升 温程序，对主要定色段采用每 2 小时升温 1的程对有效干筋段采用每小时升温 2的程序。本系统采用汇编语言设计。详见附录 C。 24 3.5.2 软件抗干扰 为消除外界对系统的干扰，采取一定的软件抗干扰措施非常必要，它可以提 高软件的可靠性，减少软件错误的发生以及在发生软件错误的情况下仍能使系统 恢复正常运行，本系统采用的软件抗干扰措施主要有以下两种： 1数字滤波技术。 采用数字滤波技术除去输入信号中所掺杂的各种随机干扰，为保证滤波效 果。我们将算术平均值滤波法和中值滤波法组合起来。形成复合数字滤波器。 2软件陷阱技术。 当系统受到干扰。PC值发生变化，程序“乱飞”等情况，可以用软件陷阱和 看门狗将程序拉回到复位状态。由于程序采用的是模块化结构，我们在程序的各 模块之间设置软件陷阱，程序正常时不会掉入陷阱异常进入陷阱时又可以快速 跳转到正确位置。在未使用的ROM空间，每隔一段设置一个陷阱。如果程序跑飞 到这个区域，也一样能将它转回到正确位置执行56。 25 4 4 结论结论 本文设计的温湿度测量系统由于采用了高集成度和高精度的温湿度数字传感 器SHT11，既节省了单片机IO 口资源和使系统整体设计成本下降，又避免了逐 个测量时造成的整体测量滞后问题和提高了测量精度，同时大大简化了单片机的 程序编写。 上述的设计方案满足烟叶三段式烘烤工艺的要求，解决了系统控温和控湿 准确，烘烤进程自动控制，有效避免了少人值守 无人值守和烘烤技术操作 不当等人为失误可能造成的烘烤损失，降低了烘烤劳动强度，提高了上等烟比例 和烟叶烘烤质量。 本系统设计方案，本着尽量简化硬件系统和节约成本的原则，同时也尽可能 使用高集成模块使硬件系统外围电路简单可靠。 另外，由于设计时间紧，未在硬件系统上验证，这是其中的一大缺陷。 在过去的两个多月里，经查阅大量相关资料，使我的理论知识得到进一步的 提高与扩展，对我四年所学知识的一个总结，一个全面的应用过程。 在这过程中，须用到单片机知识、汇编语言、计算机控制及传感器和数字电 路各方面的知识，对这些知识做了巩固，在网上研读了一些平时课本上欠缺的部 分资料。通过这个设计，把所学过的和未学过的且与设计相关的知识全面地组织 到一起，更全面地了解自动化方面知识的内在联系。巩固旧知识的同时更学到了 很多新知识。这对我以后的学习和工作有很大的帮助。 26 致谢致谢 这次毕业设计能够顺利完成，非常感谢黄烜导师和各位同学朋友的帮 助，谢谢他们为我提供了很多学习的资料以及各方面有价值的网站，让我 获得大量的信息资源，不仅丰富了我的知识面，更加让我学会了自己动手 完成一件事情的意义，让我树立了在研究制作方面的兴趣和信心. 在我遇到困难的时候，我的老师教会我很多技巧，让我在网上获得大 量的信息资源，来从事自己，成为我完成实际的重大工序，虽然由于时间 紧迫未能完成实物的制作，但是我已经在心里构建起来一个框架，通过同 学的帮助学习了 protues 仿真，这样就节省了大量的时间，提高了论文设 计的效率。 借此机会也感谢广东省烟草公司提供的资料，成为我毕业设计的一道催 化剂。 27 参考文献参考文献 1 广东省烟草公司的“烤烟采收烘烤技术规范” Z ，1997. 2 李广弟，朱月秀，冷祖祁. 单片机基础M.北京：北京航空航天大学出 版社，2007:18-43. 3 刘畅生，宣宗强，雷振亚，张昌民.传感器简明手册及应用电路温度传 感器分册（上）M. 西安：西安电子科技大学出版社,2005:26-56. 4 陈忠华. 基于单片机的温度智能控制系统的设计与实现D. 大连：大连 理工大学，2006. 5 何立明.单片机应用技术选编M.北京：北京航空航天大学出版社, 2004：45-60. 6 余锡存,曹国华.单片机原理及接口技术M.西安：西安电子科技大学出 版社,2003：23-36. 7刘建舂烤烟房温湿度控制系统设计J集美大学学报(自然科学版)， 2004,9(4)：362365 8 陈尔绍传感器实用装置制作集锦M北京：人民邮电出版社， 1999:17-25. 9 Andrew D. DeHennis, Kensall D. Wise .A wireless microsystem for the remote sensing of pressure, temperature, and relative humidity COurnal of Microcelectromechanical Systems ,2005:230-278. 10Andreas Junghanns，Schaeffer JSearch vesus knowledge in game playing program revisitedTechical，University of Albama， 1998 28 附录附录 A A 烤烟采收烘烤技术规范烤烟采收烘烤技术规范 优质烟成熟采收标准： 叶色落黄，中上部叶面出现黄色成熟斑；叶面茸毛脱落，有光泽，叶面发皱； 主脉变白发亮；下部叶支脉变白约 13，中部叶变白 12 以上，上部叶变白 23 以上；叶尖和叶缘下卷。叶片下垂，茎叶角度达 90 度。 烟叶采收及注意事项： 1采收烟叶时依成熟度不同自下而上逐片采收，切实做到不采生、不丢熟、 不曝晒、不挤压，确保鲜烟质量。 2采收时间宜在早上或上午进行，以利于识别成熟度。如烟叶成熟期遇雨 返青，应等其重新呈现成熟特征时再采收。 技术要求： 29 变黄期 叶尖变黄副段：以 36的适温和 12的干湿球差，促使叶尖缘变黄，并 促使烟叶发汗，至叶尖变黄普遍达 810 厘米长时，则可升温进入主要变黄期。 当烟叶加速发汗之时，可预开天窗约 1/3。 主要变黄段：中下部叶以 38、上部叶以 39的长时间稳温，让烟叶充分 变黄。干湿球差保持 23，加速叶片叶脉的失水变软，当底棚烟叶呈勾尖卷边、 叶片发软塌架，下部叶基本达黄片青筋，中上部叶半数以上过黄片黄筋仅有少部 分青筋黄片时，即可转入定色期。 变黄期的操作主要是收紧火底，保住黄，稳定温度，并运用地窗的封、关或 微开，控制好干湿球差，保证烟叶“黄软同步”。 定色期 青筋消退副段：下部叶在 46，营养充足的健生叶或上部叶在 47 或 48， 作适当的稳温顿火，有效地完全消退残存的叶片浮青和青筋，并加速主和上棚叶 片的继续失水变软，至底、二棚全无青筋，上棚基本无青筋时，则可家下升温。 主要定色期：不同部位、状况的烟叶，以不同的速度升温至近 55后，进行 一次关键性的稳温顿火下部叶、薄叶宜稳温在 5153之间，中上部叶、营 养充足的健生厚叶宜稳温在 5455之间，直到上棚叶也基本上达到大卷筒时， 才转入干筋期。湿球温度随干球温度升达 50和稳温的高度时，可分别提高至 39或 40。 定色期操作的关键是渐扩火底，渐加火力，在有序地升温、稳温的同时，视 湿球温度的指示，逐渐开大天地窗，全力加速排湿，以合理的节奏，提高并固连 到烟叶的内外观优良品质。此期，烧火及开天地窗开关操作要力求循序平稳，切 忌大加大减、大开大关、大起大落。 干筋期 适加火力，以每小时 1以上的速度，将干球温度升至 65或 67、68；湿 球温度也相应提高至 41、42，但不宜超过 43，并一直稳至全房烟叶主脉全 干。稳温达 610 小时厚，叶片叶脉残存的水分进一步剧减，这时可视干湿球温 度的指示，逐渐关小天地窗和减弱火势。干筋期必须注意检查房内火炉、火管的 30 完好度，关注落杆落烟的发生，及时发现、及时处理补救，以防安全事故