【本科优秀毕业设计】基于can+单片机的粮仓温湿度监控系统的设计

毕业论文（设计）基于单片机的粮仓温湿度监控系统的设计系别自动化工程系专业名称自动化摘要在粮食的储藏的过程中，由于粮仓温湿度异常而造成粮食变质，带来的经济损失是惊人的。目前我国许多粮食仓储单位采用测温仪器与人工抄录、管理相结合的传统方法，消耗了大量的人力和财力，并且效果不佳，发霉变质等现象大量存在。因此设计智能粮仓温湿度监控系统，提高了工作效率，实现粮仓温湿度的实时监控，是仓储单位亟待解决的重要问题。在实际的生产过程中，温湿度监控问题是一个很复杂的问题。本文通过全面分析温湿度监控问题的特点以及国内外研究发展状况，提出了一种温湿度监控系统的设计方法。该系统采用单片机自动检测粮仓温湿度信息，并通过CAN总线与上位机进行通信，来解决粮仓内温度和湿度的实时检测和可靠控制的问题。进而根据问题的特殊性，在检测、存储和控制实现上，都做了改进，使问题可以在一个可行的时间范围内得到解决。在仿真和模拟试验中，验证了该系统的可行性，分析了该系统在解决实际问题时的不足，并提出了改进的办法。每个粮仓设有一个智能节点，该节点以STC89C52单片机为核心,主要完成粮仓内温湿度的采集，处理，显示并做出判断实现超限报警和无差控制，还通过CAN总线传至上位机有关信息。上位机通过接收智能节点传来的信息，了解各粮仓温湿度情况，并且能根据各智能节点地址，设定任何一个粮仓温湿度的报警阈值，从而解决了多个粮仓的温湿度监控问题。最后，对论文工作进行了总结，并说明了进一步开发和研究的方向。关键词粮仓，温湿度控制，CAN总线THEDESIGNOFBARNSTEMPERATUREANDHUMIDITYMONITORSYSTEMBASEDONSCMABSTRACTINTHEPROCESSOFGRAINSTORAGE,GRAINDETERIORATESDUETOTHEABNORMALOFTHEBARNSTEMPERATUREANDHUMIDITY,ANDTHEECONOMICLOSSESWHICHBROUGHTABOUTAREAMAZINGATPRESENTMANYGRAINSTORAGEUNITSINOURCOUNTRYUSETHETRADITIONALMETHODSWHICHISCOMBINEDOFTHERMOMETERDEVICE,ARTIFICIALTRANSCRIPTIONANDARTIFICIALMANAGEMENT,CONSUMINGALOTOFMANPOWERANDFINANCIALRESOURCES,ANDTHERESULTSAREPOOR,THEPHENOMENAOFMILDEWINGANDMETAMORPHISMEXISTSINLARGEQUANTITIESTHEREFORE,DESIGNINGTHETEMPERATUREANDHUMIDITYMONITORSYSTEMONBARN,IMPROVINGEFFICIENCYANDACHIEVINGREALTIMEMONITORINGOFBARNSTEMPERATUREANDHUMIDITY,ISANIMPORTANTPROBLEMDEMANDINGPROMPTSOLUTIONBYSTORAGEUNITSINTHEACTUALPRODUCTIONPROCESS,THEMONITORINGOFTEMPERATUREANDHUMIDITYSISAVERYCOMPLEXISSUEINTHISPAPER,AMETHODOFDESIGNINGTHEBARNSTEMPERATUREANDHUMIDITYMONITORSYSTEMAFTERFULLYANALYSISTHECHARACTERISTICSOFTEMPERATUREANDHUMIDITYMONITORISSUESANDDOMESTICANDTHERESEARCHANDDEVELOPMENTSTATUSBOTHATHOMEANDABROADTHESYSTEMUSESMICROCOMPUTERTODETECTTHETEMPERATUREANDHUMIDITYINFORMATIONAUTOMATIC,COMMUNICATEWITHTHEHOSTCOMPUTERBYTHECANBUSANDSOLVETHEPROBLEMOFTEMPERATUREANDHUMIDITYSREALTIMEDETECTIONANDRELIABLECONTROLINTHEBARNTHENACCORDINGTOTHESPECIFICITYOFPROBLEM,ANIMPROVEMENTISMADEONDETECTION,STORAGEANDCONTROLSREALIZING,WHICHSOLVESTHEPROBLEMREASONABLYINRELATIVELYSHORTTIMEINTHESIMULATION,THEFEASIBILITYOFTHESYSTEMISVERIFIED,THESHORTAGEOFTHISSYSTEMWHENPROCESSINGACTUALPROBLEMISALSOANALYZEDANDTHENEWIMPROVEMENTISRAISEDEACHBARNHASANINTELLIGENTNODE,WHICHISBASEDONSTC89C52MICROCONTROLLERMAINLYCOMPLETETHECOLLECTIONANDPROCESSINGOFTEMPERATUREANDHUMIDITYINSIDETHEBARN,ANDDISPLAYANDMAKEJUDGMENTSONTHEOVERLIMITALARMANDNODIFFERENCECONTROLITALSODELIVERTHERELEVANTINFORMATIONTOPCBYTHECANBUSHOSTCOMPUTERFINDOUTEACHBARNSTEMPERATURESANDHUMIDITYTHROUGHTHEINFORMATIONCOMINGFROMINTELLIGENTNODES,ANDSETTEMPERATUREANDHUMIDITYALARMTHRESHOLDINEVERYBANBASEDDUETOEVERYINTELLIGENTNODESADDRESS,ANDTHEREFORETHEPROBLEMONMULTIPLEBARNSTEMPERATUREANDHUMIDITYMONITORHASBEENSOLVEDINTHEEND,THEWORKINTHISPAPERISSUMMARIZEDANDTHEFURTHERSTEPOFTHISRESEARCHISCLARIFIEDKEYWORDSBARN,TEMPERATUREANDHUMIDITYCONTROL,CANBUS目录1绪论111背景112国内外研究现状与发展趋势313设计的目的及意义414设计的主要工作515本文的研究内容52方案选择与总体设计621温湿度的相关概念622温湿度的测量方法823温湿度传感器的选取924系统总体设计103系统硬件设计1531STC89C52简介1532数据采集电路16321DHT21性能说明17322DHT21引脚介绍18323DHT21数据格式18324DHT21时序1833键盘输入电路2034LCD显示电路21341电路概述21342LCD1602引脚21343LCD1602控制器21344LCD1602基本操作2235实时时钟电路23351电路及芯片概述23352DS1302引脚23353DS1302寄存器24354DS1302控制字24355DS1302时序2536掉电保护电路2637CAN总线通信28371CAN总线概述28372CAN控制器MCP251529373CAN收发器TJA105031374光电隔离器6N13732375上位机与CAN的连接33376下位机与CAN的连接3438输出控制电路3539声光报警电路35310系统电源电路364系统软件设计3741温湿度设置3742数据的采集与处理3743PWM控制算法3844系统通信程序3945人机界面设计40451主要内容概述40452系统首页42453MDI窗体首页42454实时数据窗口43455历史数据查询窗口43456标值设定窗口44457系统数据库445系统的抗干扰问题4551干扰因素4552硬件抗干扰措施45521合理选择元器件45522抑制电源的干扰45523电场、磁场干扰的抑制45524接地技术46525通道技术46526布线抗干扰设计4753软件抗干扰措施48531数字滤波技术48532软件冗余技术48533软件陷阱技术48534数据的保护与恢复技术48535“看门狗”技术49总结50致谢52参考文献53附录英文原文及翻译541绪论11背景“国以民为本，民以食为天”，“兵马未动，粮草先行”，这些都充分说明粮食对国家的重要性。储粮是为了防备战争、保证非农业人口的粮食消费需求、调节国内粮食供求平衡、稳定粮食市场价格、应对重大自然灾害及其它突发性事件而采取的有效措施，因此，粮食的科学储藏具有重要的战略意义和经济意义。一般来说，粮食存放在粮仓中，大型的粮仓可存放数以万计的粮食，而且这些粮食存放的时间有长有短。目前，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。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。但大部分粮仓目前还是采取人工测量温度和湿度的方法，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，则有可能会造成粮食大面积变质。据有关资料统计，我国每年因粮食变质而损失的粮食达数亿千克，直接造成的经济损失是惊人的。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化和季节变化，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的范围以内。利用制冷机产生的冷量对自然空气进行冷却降温、除湿，再通过风机及粮仓内的通风管道使冷却后的空气穿过粮堆，使粮食温度降到15以下进行低温储藏的一项科学、先进的粮食储藏技术。运用该技术可使粮食的低温储藏不受气候条件的影响，即使在炎热的夏季或雨季都可实现。目前在发达国家特别是西欧国家已获得了广泛的应用，对于保证粮食品质，安全储藏粮食起着重要的作用。利用机械制冷方法将粮温降到515进行低温储藏是一种科学、先进的储粮方式，具有以下特点（1）与常温储藏相比，低温储藏使粮食的呼吸活动大大减弱，可延缓粮食的陈化，保持粮食的新鲜度并降低储粮自然减量损失。粮食在10时储藏，由于呼吸产生的干物质损失要比在20和30时储藏分别少4倍和15倍。（2）当粮温达到13时，害虫的繁殖和活动就基本停止，粮温降至10时完全停止，因此低温储藏可以避免粮食遭受虫害而造成的损失。在一些西欧国家，低温储粮已不需要进行化学药剂熏蒸杀虫，从而改善了粮仓工人的工作环境，避免残留药剂对人们身体健康的危害。（3）因为霉菌等微生物喜温，所以低温储粮使霉菌的活动基本停止，可有效地防止粮食发生霉变。（4）粮食在通常储藏过程中，含水量一般在12以下为安全状态，不会产生温度突变，一旦粮仓进水、结露等使粮食的含水量达到20以上时，由于粮粒受潮，胚芽萌发，新陈代谢加快而产生呼吸热，使局部粮食温度突然升高，必然引起粮食“发烧”和霉变，并可能形成连锁反应，从而造成不可挽回的损失。而对粮食利用机械制冷方法进行降温，使得粮食在高于安全水分时储藏成为可能，因此可以提高储粮和加工单位的效益。对于稻谷，最适合的碾磨水分是15左右，但常温下稻谷储藏的安全水分是13514，加工前需进行人工增湿，使稻谷易于产生爆腰，碾磨的整米率下降。若采用人工冷却降温方法，稻谷可在15水分下安全储藏见表11，从而提高稻谷碾磨的整米率，同时减少储粮水分减量损失。在西班牙的一个碾米厂，采用机械制冷低温储藏稻谷后提高整米率20。对于10000吨的粮食储量，在15的水分下储藏，可减少储粮单位水分减量损失116173吨。表11粮温为10时粮食水分与安全储藏期的关系粮食水分粮食安全储藏期月12015581215517561017518546185200142002300522302500250512国内外研究现状与发展趋势随着传感器技术、计算机应用技术、超大规模集成电路技术和网络通信技术的发展，监控系统广泛应用于工农业生产等领域，在此同时，粮仓温湿度监控技术的研究在软、硬件等方面都有了一定的进展。初期，以热敏电阻，湿敏电阻作为传感器件，通过检测电阻的变化来反映粮食温湿度的变化，为粮食保管提供参考依据。采用人工测量与人工抄录、管理相结合的传统方法，并且用人工的办法对粮食进行晾晒，通风，喷洒药剂防止因存储不当引起的温湿度异常及虫害，消耗了大量的人力和财力，效率较低，然而往往由于判断失误和管理不力，效果不佳，发霉变质等现象大量存在。广大科技工作者近30年的共同努力下，粮情检测技术不断完善、提高、并日趋成熟，逐步形成了样式繁多的粮情检测系统，为安全、科学储粮起到了积极作用。目前，国内生产的粮仓温湿度监控系统品种繁多，系统结构各异，在粮仓内外温湿度检测、粮食内部温湿度检测及分析、通风机械的控制等方面，比之前有了不少进步但仍有进步空间。现场检测电路和上位机的通讯大多采用RS485，使整个系统抗干扰能力差，实时性和纠错能力不强，增加了节点困难。当某一通信节点出现故障时，还会影响整个系统。国外的温湿度监控系统相对比较先进，主要体现在以下三个方面（1）无论是传感器的测量精度、反应速度、稳定性、功能多样性还是使用环境方面，国外的传感器都比较先进。（2）构成系统整体的测控技术和管理，无论是硬件还是软件，都已普遍采用相应的标准模块集成，并且早已实现组态。（3）系统结构已经普遍采用网络连接的现场总线技术FCS，有些需要的场合，则连接到INTERNET上，实现远程控制、远程诊断。温湿度监控系统主要应用于控制环境空间的温度和相对湿度，从系统控制的角度来看，属于纯滞后控制，而这一技术已经相当成熟。目前研制高精度，高性能，多功能的温湿度监控系统是主流，提高可靠性、灵活性和降低成本也是其考虑的重点，并且系统在报警、记录、控制、通信等方面的自动化和智能化也将逐步完善。13设计的目的及意义科学储粮是粮食生产的一个重要环节，若管理不当，粮食发霉或生虫会造成极大浪费，而粮仓管理中最重要的问题是监测粮堆中温度和湿度的变化。粮仓一般由几十个甚至上百个由水泥或钢板构成的圆型仓组成，仓高2030M。现在，我国在粮仓建设上己经实现了规范化，但是监测手段一直未能实现同步现代化。我国许多储备粮仓每年都因测控设备的不完善而导致部分粮食霉变，许多大型储备粮仓的测控设备仍需高价进口，因此国家准备在未来的几年内对全国所有的粮仓进行翻新和改造工作，要求规范粮仓管理，实现粮仓管理现代化。影响储粮安全的最主要因素是粮堆内的温度和湿度，因此这就要求有一种经济实用的粮仓温湿度监控系统能够及时监测粮仓温度和湿度分布，准确分析粮仓温湿度变化，并及时采取相应控制措施，使得管理人员能够方便有效地进行监控操作。本文只阐述了对温湿度的检测和控制，以下所说粮情仅指温度和湿度，但涉及到的一些方法也适合其他粮情检测情况。在综合研究国内粮仓管理现状和发展的前提下，吸收了国内多种粮仓温湿度监控系统的成功经验后，我们设计了自己的粮仓温湿度监控系统。该粮仓温湿度监控系统，用单片机作为前沿机（或叫下位机）对现场进行数据采集、分析和控制，用PC机作为监控机（或叫上位机）对粮仓进行监控，通过CAN总线实现下位机与上位机联网通信，从而实现即时遥测遥控功能。该系统具有可靠性和高性价比，而且操作维修简便，具有检测、数显、控制等诸多功能。粮仓温湿度监控系统是利用现场的前沿机检测粮食储备库中粮食的基本温湿度情况，并结合其他粮情信息（如入仓时间、品种、仓型、天气状况等）进行综合分析（温湿度设定，实时温湿度显示，报警电路），然后通过控制电机启停，达到对温湿度的控制。利用监控室的上位机对粮仓进行监控，用户可方便地构造自己需要的数据采集系统，在任何时候把粮仓现场的信息实时地传到控制室，管理人员不需要深入现场，就可以按照所需的温湿度要求对粮仓内的温湿度情况进行控制，还可以查看历史数据，优化现场作业，提高了生产效率，增强了国家粮食储备安全水平，以获得实时粮仓管理，实现自动化、智能化，为实现我国粮仓管理现代化更近了一步。14设计的主要工作该课题主要利用单片机来测量并控制粮仓中的温度和湿度，为了完成这个测量监控系统的任务需要做以下设计1根据粮仓温度、湿度的测量范围及要求，选择温湿度传感器。2设计温湿度测量系统，使之具有多点测量及实时显示的功能。3设计现场控制单元，使之能快速、准确、稳定地控制温湿度。4设计基于CAN总线的远程通讯系统及基于VB的人机界面。15本文的研究内容本文对所设计的系统进行了介绍和总结，具体安排如下第一章为绪论，主要介绍了本系统的研究意义，研究现状，发展方向以及本设计主要内容；第二章为方案选择和总体设计，主要介绍了温湿度的基本概念和测量方法，及由此确定的本系统方案，并对系统总体设计进行了简要介绍；第三章为系统硬件设计，主要对系统中各模块的硬件电路结构，主要功能及相关性能进行了介绍；第四章为系统软件设计，主要对系统运行时，对应功能实现所用程序进行了介绍，并对软件设计中应当注意的问题进行了总结；第五章为系统抗干扰技术，主要对系统运行时所受的主要干扰，以及在硬件和软件方面的抗干扰措施进行了介绍；第六章为总结，则是对本次毕业设计的设计和仿真及毕业论文的撰写过程进行了总结，并对系统完成的功能和存在的问题进行了分析，还对下一步（如果继续做下去）的工作内容进行了陈述。第七、八、九章，分别为致谢，参考文献和附录。2方案选择与总体设计21温湿度的相关概念温度（TEMPERATURE）温度是表示物体冷热程度的物理量，从分子运动论观点看，温度是物体分子热运动的剧烈程度。分子运动愈快，物体愈热，即温度愈高；分子运动愈慢，物体愈冷，即温度愈低。温度是大量分子热运动的集体表现，含有统计意义，对于个别分子来说，温度是没有意义的。温度只能通过物体随温度变化的某些特性来间接测量，而用来量度物体温度数值的标尺叫温标。它规定了温度的读数起点（零点）和测量温度的基本单位。目前国际上用得较多的温标有华氏温标、摄氏温标（C）、热力学温标K和国际实用温标。温度是分子平均动能的标志，它决定一个系统是否与其它系统处于热平衡状态，它的基本特征在于一切互为热平衡的系统都具有相同的温度。随着物体温度的变化，物体的状态会在固态、液体和气态之间变化。整个世界这么精彩就是因为这些不同的分子、原子在不同的温度下变化而来的。湿度（HUMIDITY）湿度是表示大气干燥程度的物理量，在一定的温度下在一定体积的空气里含有的水汽越少，则空气越干燥；水汽越多，则空气越潮湿。空气的干湿程度叫做“湿度”，在此意义下，常用绝对湿度、相对湿度、比较湿度、混合比、饱和差以及露点等物理量来表示。绝对湿度是一定体积的空气中含有的水蒸气的质量，一般其单位是克/立方米，其计算见公式（21）。绝对湿度的最大限度是饱和状态下的最高湿度。绝对湿度只有与温度一起才有意义，因为空气中能够含有的水蒸气的量随温度的变化而变化。高度不同绝对湿度也不同，因为随着高度的变化空气的体积变化。REMTV（21）其中的符号分别是绝对湿度，单位是克/立方米E蒸汽压，单位是帕斯卡R水的气体常数46152J/KGKT温度，单位是开尔文M在空气中溶解的水的质量，单位是克V空气的体积，单位是立方米相对湿度（RH）是绝对湿度与最高湿度之间的比，它的值显示水蒸气的饱和度有多高，其计算的见公式（22）。相对湿度是0的空气不含水蒸气，相对湿度为100的空气是饱和的空气，相对湿度超过100的空气中的水蒸气一般凝结出来。随着温度的增高空气中可以含的水就越多，也就是说，在同样多的水蒸气的情况下温度升高相对湿度就会降低。M100E100E（22）其中的符号分别是表示相对湿度，单位是1M最高湿度，单位是克/立方米E饱和蒸汽压，单位是帕斯卡随着粮仓中湿度的变化，粮仓中的粮食会因为湿度大而加速发芽或发霉，也会因湿度小变得干燥。但是，粮食的水分到底有多少则与相对湿度的大小直接有关，相对湿度小，说明空气所含水蒸汽量还远没有接近饱和量，也就是说还能容纳更多的水分，相对湿度大，说明空气所含水蒸汽量己接近饱和量不能再容纳更多的水分，反而会吸收空气中的水分。若用绝对湿度来表示库房湿度时，很难准确反映粮食中水分的变化，故粮仓中湿度都用相对湿度来表示。所以，通常我们说的粮仓湿度大小，都是指粮食的相对湿度大小。而湿度与温度息息相关，所以我们也要关心粮仓的温度高低。22温湿度的测量方法温度的测量方法温度不能直接测定，它的测定是采用间接的手段，通过观察另一种物质，即所谓测温介质的物理特性变化的方法来确定。按照测量体是否与被测介质接触，可分为接触式测温法和非接触式测温法两大类。接触式测温法的特点是测温元件直接与被测对象接触，两者之间进行充分的热交换，最后达到热平衡，这时感温元件的某一物理参数的量值就代表了被测对象的温度值。这种方法优点是直观可靠，缺点是感温元件影响被测温度场的分布，接触不良等都会带来测量误差，另外温度太高和腐蚀性介质对感温元件的性能和寿命会产生不利影响。非接触式测温法的特点是感温元件不与被测对象相接触，而是通过辐射进行热交换，故可以避免接触式测温法的缺点，具有较高的测温上限。此外，非接触式测温法热惯性小，可达1/1000秒，故便于测量运动物体的温度和快速变化的温度。由于受物体的发射率、被测对象到仪表之间的距离以及烟尘、水汽等其他的介质的影响，这种方法一般测温误差较大。湿度的测量方法湿度测量技术中最准确的方法是绝对湿度测量的称重法，国际上普遍使用该法作为湿度基准，其次是作为二级检定标准的阿斯曼通风干湿计。但是这两种方法都难以用于自动化测控系统的现场传感测量，工程技术中常采用绝对湿度、相对湿度和露点温度表示法和相应的测量技术。相对湿度测量空气的相对湿度所表达的是其中水气接近饱和的程度，是指标准状况下，空气中水气的摩尔分数与相同条件下纯水表面的饱和水气的摩尔分数之比表示为RH。相对湿度测量主要用于要求保持一定湿度气氛的纺织、薄膜生产等行业，武器装备封存、仓储等场所，防止材料的腐蚀、霉变主要依赖于相对湿度控制。相对湿度的测量方法有毛发湿度计、干湿温度计、各种露点计等人工视检测量方式，而应用最为普及的相对湿度测量方法是温湿度自动测控系统所采用的各种类型的多路温度与湿度检测系统的研制。23温湿度传感器的选取要考虑用何种原理的传感器，首先要看所进行的具体测量工作，这需要分析多方面的因素之后才能确定。因为，即使是测量同一物理量，也有多种原理的传感器可以选用，哪一种原理的传感器更为适合，则需要根据被测量的特点和传感器的使用条件考虑以下具体问题量程的大小、被测位置对传感器体积的要求、测量方式是接触式的还是非接触式的、信号的引出方法、传感器的来源，国产还是进口，价格是否能承受。在考虑上述问题之后就能确定选用何种类型的传感器，然后再考虑传感器的具体性能指标。传感器的具体指标有灵敏度，频率响应特性，线性范围，稳定性，精度等。这些参数并不是要求越高越好，因为要求越高不仅会带来成本的提高，也会带来信号处理的难度，噪音等问题。在满足检测系统要求的前提下我们一般选择价格便宜和简单的传感器。传统的现场温湿度检测大都采用模拟温湿度传感器经前端放大、信号调理、A/D变换和数据线性修正等过程来完成。放大、A/D电路的性能对测量的精度影响较大，特别是当传感器经较长距离传输后与电路相连时，对电路要求更加严格。为提高测量精度，需增加系统成本和花费大量的时间进行硬件电路及软件的调试。而数字温度传感器其信号的处理都在芯片内部完成，芯片在生产时进行了数据的线性校正，用户只需通过一定的协议从芯片中取出数字信号，就可完成精度较高的温度测量，不必考虑模拟信号带来的不便，大大降低了产品的成本，缩短了开发周期。本系统中，我采用集温度、湿度测量于一体的数字传感器DHT21，温度传感器湿度传感器合二为一，避免了温度和湿度在同时测量或读取时引起的冲突，简单方便，快速高效，经济耐用。采用该款传感器避免了模拟传感器带来的共地干扰和线路干扰问题，简化了系统复杂度，提高了系统测量的准确程度和智能化程度，并在一定程度上降低了系统成本。DHT21输出数字量已经过校准，传感器包括电容式感湿元件和一个NTC测温元件，并与一个高性能8位单片机相连接，无需额外部件，只有一根信号线，便于扩展，性能稳定，并且比同类产品要便宜的多，所以用在这里是我们理想的选择。根据设计任务，为了保证系统工作稳定可靠，采用集散控制的方法，每个粮仓配备一台现场控制器。现场控制器只有在接收到上位主控计算机的指令时才进行其相应操作，其他时间单独工作，并不断向上位机发送测量数据，其特点如下当计算机系统出现故障时，现场控制器可以继续工作，不会影响控制功能；温湿度控制器的工作状态由现场控制器独立控制；当某一台现场控制器出现故障时，可以立即利用备用的现场控制器替换，不会影响其他粮仓温湿度的控制，保证控制质量。本系统的设计包括现场控制器的硬件、软件设计，上位机监控程序设计。按照目标要求，现场控制器完成的功能如下采集现场温湿度并传给上位机，根据设定温湿度进行实时控制，满足控制要求；通过CAN总线与上位机机进行通信；显示当前的温湿度测量值、设定值、实时时间；可通过键盘设定温湿度理想值；在温湿度超限时实现声光报警；能实现对关键数据的掉电保护。上位机软件完成的功能如下采集、储存温湿度值，绘制、打印实时曲线；设定温湿度上下限，并给出报警；控制现场控制器是否发送实时数据；查询、打印温湿度数据的历史曲线；与现场控制器进行通信，显示控制器状态。根据粮仓温湿度范围和控制精度要求，采用数字温湿度复合传感器DHT21。由于使用CAN总线实现现场与主控室的通信，传输距离可达到10KM，最高通信速率可达1MBPS，完全能满足通信距离和通行速率的要求。由于现场环境有干扰，为了保证系统可靠工作，采用自带看门狗的单片机STC89C52，保证有干扰时，程序能够自动复位并开始正常工作。根据系统的目标任务及总体设计方案，绘制系统的总体框图如图21所示。图21系统总体结构原理图本系统以粮仓的温湿度为监测对象，主要由PC机、USB转CAN总线模块和智能节点三部分组成。位于主控室的上位监控机，可以随时随地通过界面友好、使用方便的监控软件实现对各个粮仓中各采集点温湿度的监控。作为信号传输层的USB转CAN总线模块是连接上位监控机和智能节点的桥梁，上位监控机发出的控制信号，以及智能节点的反馈信号都是通过它传递的。粮仓内的智能节点，能独立完成温湿度的测量和控制，还能通过CAN总线与上位监控机通信，并根据命令按照上位机的设定温湿度进行控制以及决定是否向上位机发送实时温湿度数据，智能节点原理图如图22所示。图22智能节点原理图东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文）第12页智能节点由STC89C52最小系统和DHT21温湿度测量电路，键盘输入电路，LCD液晶显示电路，声光报警电路，掉电保护电路，实时时钟电路，输出控制电路以及CAN总线通信模块构成，能完成对一个粮仓内多点温湿度数据采集，温湿度控制，能输入所要控制到的温湿度值，能显示出温湿度值和实时时间，能超限报警，有掉电保护功能，还能通过CAN总线接口与CAN总线通信。智能节点的原理框图如图23所示。图23智能节点的原理框图因为固态继电器的输入控制属于两位控制，只有开或关两个状态，不能进行线性控制，所以其控制算法采用PWM控制。为了达到很快的控制速度，很高的控制精度，取得令人满意的控制效果，再结合粮仓温湿度这一被控对象的特点，系统中，对传统的PWM控制又做了一些改进。系统控制原理框图如图24所示。图24系统控制原理框图系统中，下位机通过程序控制各外围器件的工作，完成检测实时温湿度，判断是否报警，并控制温湿度，还能实现与上位机的通信，其主程序流程图如图25所示。开始初始化读取温湿度标值向CGRAM写字符设定状态否是清看门狗寄存器否上位机允许是发送到CAN总线设定并显示设定值声光报警处理存储温湿度设定值PWM控制输出数字滤波接收CAN总线数据显示前数据处理否发向本节点否显示温湿度是算出温湿度设定值是显示实时温湿度存储温湿度设定值读取实时时间读取实时温湿度显示实时时间图25下位机主程序流程图3系统硬件设计31STC89C52简介STC89C52是STC公司推出的8位单片机，与MCS51单片机产品兼容，超强的加密功能，极高的擦写次数（大于100000）。STC89C52最高可支持80MHZ时钟频率，具有1个看门狗定时器（WDT），4个中断优先级。本系统设计时，采用了12M的时钟频率，用T0产生PWM脉冲，用WDT保证系统稳定运行。在本系统中，每个粮仓设一个智能节点，该节点以STC89C52为现场控制器，可以实现一个粮仓内温湿度的监控。系统中，单片机用到的各引脚与外围电路的连接情况为P07连接数据采集电路，P00、P01、P02以及P03连接CAN总线通信模块，P10、P11、P12以及P2口连接LCD，P13、P14和P15连接DS1302，P04、P05、P06、P32以及P33连接键盘电路，P34连接声光报警电路，P35连接输出控制电路，P36和P37连接掉电保护电路，STC89C52的最小系统如图31所示。图31单片机最小系统32数据采集电路本设计中的数据采集电路是由多路模拟开关和一系列的数字温湿度传感器DHT21构成的，每个传感器都有特定的编号，在特定的位置测量，其电源一直供电，通过单片机控制多路模拟开关的导通，选择性读取具体的某一个DHT21的测量结果，多路模拟开关逐个导通就实现了循环数据采集。DHT21是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器，它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。采用该款传感器避免了模拟传感器带来的共地干扰和线路干扰问题，同时也避免了温度和湿度分开测量和处理的复杂和麻烦，简化了系统复杂度，提高了系统测量的准确程度和智能化程度，并在一定程度上降低了系统成本。传感器包括一个电容式感湿元件和一个NTC测温元件，并与一个高性能8位单片机相连接，无需额外部件。每个DHT21传感器都在极为精确的湿度校验室中进行校准，校准系数以程序的形式储存在OTP内存中，传感器内部在检测信号的处理过程中要调用这些校准系数。单线制串行接口，使系统集成变得简易快捷，连接方便。该产品具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比高等优点，超小的体积、极低的功耗，较远的信号传输距离，使其成为各类应用甚至最为苛刻的应用场合的最佳选则，其应用领域有暖通空调、汽车、家电、气象站、医疗、湿度调节器、除湿器、数据记录器、测试及检测设备等，传感器的实物图和封装信息如图32所示。图32DHT21实物及封装图321DHT21性能说明DHT21的主要性能指标如表31所示。表31传感器性能说明（响应时间的测量条件25，1M/S空气）参数条件MINTYPMAX单位测量131521MA供电电流待机091113MA采样周期12S湿度01RH分辨率16BIT重复性1RH253RH精度0505RH互换性可完全互换响应时间1/E632S迟滞03RH长期稳定性典型值1RH/YR温度01分辨率16BIT重复性05精度05量程范围4080响应时间1/E63620S注采样周期不得低于最小值，否则会引起错误。建议连接线长度短于20米时用5K上拉电阻,大于20米时根据实际情况使用合适的上拉电阻。DHT21的标值供电电压为5V，传感器上电后，要等待1S以越过不稳定状态在此期间无需发送任何指令。电源引脚VDD电源正极，供电3355VDC，GND电源负极，接地，这两个引脚之间可增加一个100NF的电容，用以去耦滤波。DATA引脚是串行数据接口，用于微处理器与DHT21之间的通讯和同步，采用单总线数据格式，一次通讯时间5MS左右，具体格式在下面说明，当前数据传输为40BIT，高位先出。NC引脚是空脚，要悬空，不能接VCC或GND。323DHT21数据格式DHT21所能测量的，温度和湿度都是有一位小数的数据其数据格式如式31所示。40BIT数据16BIT湿度数据16BIT温度数据8BIT校验和（31）校验和的算法和验证如式32所示。湿度高8位湿度低8位温度高8位温度低8位和的末8位校验和（32）例如接收40BIT数据为0000001010001100000000010101111111101110验证0000001010001100000000010101111111101110，那么对应湿度652RH温度351当温度低于0时温度数据的最高位置1。例如101表示为1000000001100101324DHT21时序用户主机（MCU）发送一次开始信号后，DHT21从低功耗模式转换到高速模式，等待主机开始信号结束后，DHT21发送响应信号，送出40BIT的数据，并触发一次信号采集，总线上的信号如图33所示。由于主机从DHT21读取的温湿度数据总是前一次的测量值，如两次测量间隔时间很长，则要连续读两次以获得实时的温湿度值。图33主从机对话信号空闲时总线为高电平，通讯开始时主机MCU拉低总线500US后释放总线，延时2040US后主机开始检测从机（DHT21）的响应信号，从机的响应信号是一个80US左右的低电平，随后从机在拉高总线80US左右代表即将进入数据传送，总线上的信号如图34所示。图34开始数据传送时信号高电平后就是数据位，每1BIT数据都是由一个低电平时隙和一个高电平组成。低电平时隙就是一个50US左右的低电平，它代表数据位的起始，其后的高电平的长度决定数据位所代表的数值，较长的高电平代表1，较短的高电平代表0。共40BIT数据，当最后一位数据传送完毕后，从机将再次拉低总线50US左右，随后释放总线，由上拉电阻拉高。数字1信号表示方法如图35所示，数字0信号表示方法如图36所示。图35DHT21数字1信号表示法图36DHT21数字0信号表示法为了提高系统监控的灵活性，在下位机的设计中加入了键盘和显示功能，这样不仅可以通过上位管理机对参数进行设置、显示，下位机也可直接进行设置和显示，然后通过CAN网络通信给上位管理机，进行同步控制。键盘是由若干个按键组成的开关或开关矩阵，它是一种廉价而常用的输入设备。常用的键盘电路分为两种独立键盘和矩阵键盘。独立键盘适合于单个输入，一个键盘对应一个I/O口，可以通过查询I/O口的高低电平确定按键的状态。矩阵键盘用于按键数量较多的场合，它有行线和列线组成，按键位于行、列的交叉点上，行线、列线分别连接到按键开关的两端，按键个数等于行数乘以列数，所以可大大节省I/O口的使用。查询按键的状态时，常用的方法有行扫描法、列扫描法和线翻转法。使用按键时，必须要考虑的消除按键抖动的影响，消除按键抖动简称按键消抖，其方法分为硬件消抖和软件消抖。硬件消抖有用RC滤波电路，单稳态电路和双稳态电路,用的最多且效果最好的是双稳态的RS触发器电路。软件消抖也就是延时消抖，节省硬件资源，使用广泛。在本系统中，由于不需要很多按键，I/O口又有大量剩余，系统采用了一个拨码开关K1和四个独立按键开关K2、K3、K4、K5。为了防止在单片机引脚在悬空状态下外界的干扰可能会导致单片机的误动作，而给每一个开关加上了51K上拉电阻来提高抗干扰能力。判读按键是否按下，等待按键释放以及按键去除抖动都是在软件里实现的。键盘电路原理图如图37所示。图37键盘电路原理图34LCD显示电路341电路概述系统中，采用了工业字符型液晶1602做信息显示器件，1602上下两行共可显示32个字符，1602有体积小，重量轻，寿命长，功耗低，显示信息清晰稳定的优点。系统工作时，LCD1602显示如图38所示。图38LCD1602显示的信息342LCD1602引脚1602采用标准的16脚接口，各引脚说明如表32所示。在系统中，单片机P10、P11、P12分别连接着RS、R/W、E，P2口连接着数据总线D0D7。通过这些接口，单片机控制着LCD1602的工作。表32LCD1602引脚功能说明编号符号引脚说明编号符号引脚说明1VSS电源地6E使能信号2VDD电源正极（典型值5V）714D0D7DATAI/O数据线3VL液晶显示偏压信号（可调）15BLA背光源正极4RS数据/命令选择端（H/L）16BLK背光源负极5R/W读/写选择端（H/L）343LCD1602控制器整个1602模块主要由LCD显示屏、控制器、列驱动器和偏压产生电路构成。控制器主要由指令寄存器IR、数据寄存器DR、忙标志位BF、地址计数器AC、字符显示缓冲区DDRAM、标准字模区CGROM、自建字模区CGRAM及时序发生电路组成。指令寄存器IR，内部存储DDRAM和CGRAM中的数据显示的指令代码和地址信数据寄存器DR，内部暂时存储单片机与模块内部DDRAM和CGRAM之间的传送数据，内部操作使DR与DDRAM或者CGRAM之间的数据传送自动进行。忙标志位BF，为“1”表明模块正在进行内部操作，此时不接受任何外部指令和数据；只有BF为“0”时，单片机才能访问模块。地址计数器AC，是DDRAM或者CGRAM的地址指针。随着IR中指令码的写入，指令码中携带的地址信息自动送入AC中，并确定AC做DDRAM还是CGRAM的地址指针。DR与DDRAM或者CGRAM之间完成一次数据传送后，AC会自动加1或减1。字符显示缓冲区DDRAM，存储显示字符的字符码，直接和屏幕上的点相对应，屏幕上的一个点和DDRAM中的一个位对应，共80个字节。标准字模区CGROM，保存了厂家生产时固化的192个不同字符字模，字符字模是与显示字符点阵相对应的58矩阵位图数据。每组字模都有一个由其在CGROM中存放的高八位数据组成的字符码对应，字符码的地址范围为00HBFH。自建字模区CGRAM，是留给用户自己定义字符的字模组的。共有地址为00H3FH的64个字节空间，最多可自己定义8个58点阵的字模数据，相应的字符码地址为00H07H或08H0FH，其中00H与08H对应同一个字模，01H与09H对应同一个字模，以次类推。344LCD1602基本操作对1602的控制，共有四种基本方式，如表33所示。表33LCD1602基本操作控制功能ERSR/W说明读状态101读取由AC和BF的内容组成的状态字D0D7读数据111将DR内的数据读到D0D7，模块内部操作自动将DDRAM或CGRAM中的数据送入DR中写指令1000将D0D7的指令码写入指令寄存器IR中写数据1010将D0D7的数据写入DR中，模块内部操作自动将DR中的数据写到DDRAM或CGRAM中35实时时钟电路351电路及芯片概述为了使记录的温湿度更清晰，也便于以后查询，设计中系统采用了时钟芯片DS1302，在记录各温湿度值的同时把其对应的测量时间也记录了下来，这种记录对长时间的连续测控系统结果的分析及对异常数据出现的原因的查找具有重要意义。DS1302是美国DALLAS公司推出的一款高性能、低功耗、带RAM及涓流充电功能的时钟芯片。该芯片是DS1202的升级产品，与DS1202兼容，内含有一个实时时钟/日历和31个字节静态RAM，能提供2100年之前的年、月、日、时、分、秒及星期的信息，每月的天数和闰年的天数可自动调整。时钟/RAM的读/写数据可以一次一个字节，也可以采用突发方式一次传送多个字节的字符组方式通信，通过对时钟/RAM读/写数据来查询时间信息和控制芯片的工作状态。DS1302工作时功耗很低，保持数据和时钟信息时功率小于1MW；DS1302工作温度范围在可选工业级温度范围4085）内；DS1302采用8脚DIP封装形式。该芯片的接口简单、价格低廉、使用方便，被广泛应用于电话、传真、便携式仪器以及电池供电的仪器仪表等领域。352DS1302引脚DS1302的RST复位线、I/O数据线和SCLK串行时钟用来与单片机之间进行通信。X1和X2是振荡源接口，外接普通32768KHZ晶振；VCC2和VCC1分别为DS1302的主电源和备用电源管脚。VCC1为备用电源，有可编程涓流充电能力，附加七个字节暂存存储器，VCC2为主电源，工作电压范围较宽（25V55V），能兼容TTL电平，芯片由VCC1或VCC2两者中的较大者供电。DS1302在系统中的电路原理图如图39所示图39DS1302电路原理图读地址写地址BIT7BIT6BIT5BIT4BIT3BIT2BIT1BIT0数据范围81H80HCH10秒秒005983H82H10分分005985H84HTT0AP时时112/02387H86H0010日日13189H88H00010月月1128BH8AH00000周日178DH8CH10年年00998FH8EHWP0000000BIT7BIT6BIT5BIT4BIT3BIT2BIT1BIT01RAM/CKA4A3A2A1A0RD/WRDS1302有关日历、时间的寄存器共有12个，其中有7个寄存器，存放的数据格式为BCD码形式，在系统中要到的寄存器如表34所示。表34DS1302有关日历、时间的寄存器注1秒寄存器（81H、80H）的位7定义为时钟暂停标志（CH）。当该位置为1时，时钟振荡器停止，DS1302处于低功耗状态；当该位置为0时，时钟开始运行。注2小时寄存器（85H、84H）的位7（TT）用于定义DS1302是运行于12小时模式还是24小时模式。当为高时，选择12小时模式。在12小时模式时，位5（AP）是，当为1时，表示PM。在24小时模式时，位5是第二个10小时位。注3控制寄存器（8FH、8EH）的位7是写保护位（WP），其它7位均置为0。在任何的对时钟和RAM的写操作之前，WP位必须为0。当WP位为1时，写保护位防止对任一寄存器的写操作。354DS1302控制字DS1302是SPI总线驱动方式，它不仅要向寄存器写入控制字，还需要读取相应寄存器的数据。要想与DS1302通信，首先要先了解DS1302的控制字，控制字的具体信息如表35所示。表35DS1302的控制字位7（最高有效位）必须是逻辑1，如果它为0，则禁止写DS1302。位6如果为0，则表示存取日历时钟数据，为1表示存取RAM数据。位5至位1（A4A0）指示操作单元的地址。31个字节RAM的地址为00000到11110。位0（最低有效位）如为0，表示要进行写操作，为1表示进行读操作。355DS1302时序进行单字节传送时，控制字总是从最低位开始输出，在控制字指令输入后的下一个SCLK脉冲的上升沿，写入数据，数据输入是从最低位（0位）开始。同样，在紧跟8位的控制字指令后的下一个SCLK脉冲的下降沿，读出数据，数据输出也是从最低位到最高位，DS1302单字节读写时序分别如图310和311所示。图310DS1302单字节读时序图311DS1302单字节写时序系统中，为了防止突然掉电导致数据丢失，可以采用外部存储器把那些要保护的数据存储起来。前面提到DS130