基于单片机的粮仓温湿度监控系统的设计本科毕业设计论文

1、毕业论文设计基于单片机的粮仓温湿度监控系统的设计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开展状况，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

2、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，都做了改良，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缺乏， 并提出了改良的方法。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

3、。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The Design of Barns Temperature and Humidity MonitorSystem based on SCMIn the process of grain storage, grain deteriorates due to the abnormal of the barns temperature and humidity, and the economic losses which brought about are amazing. At present

4、many grain storage units in our country use the traditional methods which is combined of thermometer device, artificial transcription and artificial management, consuming a lot of manpower and financial resources, and the results are poor, the phenomena of mildewing and metamorphism exists in large

5、quantities. Therefore, designing the temperature and humidity monitor system on barn, improving efficiency and achieving real-time monitoring of barns temperature and humidity, is an important problem demanding prompt solution by storage units.In the actual production process, the monitoring of temp

6、erature and humiditys is a very complex issue. In this paper, a method of designing the barns temperature and humidity monitor system after fully analysis the characteristics of temperature and humidity monitor issues and domestic and the research and development status both at home and abroad. The

7、system uses microcomputer to detect the temperature and humidity information automatic, communicate with the host computer by the CAN bus and solve the problem of temperature and humiditys real-time detection and reliable control in the barn. Then according to the specificity of problem, an improvem

8、ent is made on detection, storage and controls realizing, which solves the problem reasonably in relatively short time. In the simulation, the feasibility of the system is verified, the shortage of this system when processing actual problem is also analyzed and the new improvement is raised.Each bar

9、n has an intelligent node, which is based on STC89C52 microcontroller mainly complete the collection and processing of temperature and humidity inside the barn, anddisplay and make judgments on the over-limit alarm and No difference control. It also deliver the relevant information to PC by the CAN

10、bus. Host computer find out each barn s temperatures and humidity through the information coming from intelligent nodes, and set temperature and humidity alarm threshold in every ban based due to every intelligent nodes address, and therefore the problem on Multiple barns temperature and humidity mo

11、nitor has been solved.In the end, the work in this paper is summarized and the further step of this research is clarified.Key Words: barn, temperature and humidity control, CAN-bus1绪论1.1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。储粮是为了防范战争、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

12、， 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。但大局部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，那么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

13、人的。影响储粮平安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。目前在兴旺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，平安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

14、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当粮温到达13时，害虫的繁殖和活动就根本停止，粮温降至10时完全停 止，因此低温储藏可以防止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，防止残留药剂对人们 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根本停止，可有效地防 止粮食发生霉变。4粮食在通常储藏过程

15、中，含水量一般在12%以下为平安状态，不会产生温度 突变，一旦粮仓进水、结露等使粮食的含水量到达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，并可能形成连锁反响，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，使得粮食在高于平安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平安水分是14 %，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。假设采用人 工冷却降温方法， 稻谷可在15 %水分下平安储藏(见表1.1)，从而提高稻谷碾

16、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1.1粮温为10时粮食水分与平安储藏期的关系粮食水分(%)粮食平安储藏期(月)12. 0 - 15. 58 - 1215. 5 - 17. 56 - 1017. 5 - 18. 54 - 618. 5 - 20. 01 - 420. 0 - 23. 00. 5 - 223. 0 - 25. 00. 25 - 0. 51.2国内外研究现状与开展趋势随着传感器技术、计算机应用技术、超大规模

17、集成电路技术和网络通信技术的开展， 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，并且用人工的方法对粮食进行晾晒，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。广阔科技工作者近 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

18、，为平安、 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RS-485，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比照拟先进，主要表达在以下三个方面：1无论是传感器的测量精度、反响速度、稳定性、功能多样性还是使用环境方 面，国外的传感器都比拟先进。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

19、，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，那么 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、灵活性和降低本钱也是其考虑的重点，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。1.3设计的目的及意义科学储粮是粮食生产的一个重要环节，假设管理不当，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

20、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 20-30m。现在，我国在粮仓建设上己 经实现了标准化，但是监测手段一直未能实现同步现代化。我国许多储藏粮仓每年都因 测控设备的不完善而导致局部粮食霉变，许多大型储藏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，要求标准粮仓管 理，实现粮仓管理现代化。影响储粮平安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

21、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开展的前提下，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藏库中粮食的根本温湿度情 况，并结合其他粮情信息如入仓时间、品

22、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，到达对温湿度的控 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，增强了国家粮食储藏平安水平，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。1.4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

23、) 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。1.5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，开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根本概念和测量方法，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

24、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，那么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2.1 温湿度的相关概念u 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

25、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根本单位。 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，它的根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

26、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。u 湿度Humidity 湿度是表示大气枯燥程度的物理量，在一定的温度下在一定体积的空气里含有的水汽越少，那么空气越枯燥；水汽越多，那么空气越潮湿。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、比拟湿度、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2.1。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

27、化。rw =Rw e= m·T V 其中的符号分别是：rw 绝对湿度，单位是克/立方米 e 蒸汽压，单位是帕斯卡 Rù 水的气体常数=46J/(kg K) T 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2.2。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。j =

28、rwrM ·100% = e ·100%E 2.2其中的符号分别是： j 表示相对湿度，单位是 1rM 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 度小变得枯燥。但是，粮食的水分到底有多少那么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。假设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

29、，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上下。2.2 温湿度的测量方法u 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，最后到达热平衡，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

30、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，故可以防止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。u 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

31、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外表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。2.3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

32、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，那么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本钱的提高，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

33、一般选择价格廉价和简单的传 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， 需增加系统本钱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，大大降低了产品的本钱，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

34、器 DHT21，温度传感器湿 度传感器合二为一，防止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。采用该款传感器防止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 系统本钱。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，并且比同类产品要廉价的多，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

35、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：²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；²温湿度控制器的工作状态由现场控制器独立控制；²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：Ø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；Ø通过 CAN 总线与上位机机

36、进行通信；Ø显示当前的温湿度测量值、设定值、实时时间；Ø可通过键盘设定温湿度理想值；Ø在温湿度超限时实现声光报警；Ø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：Ø采集、储存温湿度值，绘制、打印实时曲线；Ø设定温湿度上下限，并给出报警；Ø控制现场控制器是否发送实时数据；Ø查询、打印温湿度数据的历史曲线；Ø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，传输距离可到达 10km，最高通信速

37、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 2.1 所示。图 2.1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 节点三局部组成。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

38、信号，以及智能节点的反响信号 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 2.2 所示。图 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

39、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 2.3 所示。图 2.3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。为了到达很快的控制速度，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 控制又做了一些改良。系统控制原理框图如图 2.4 所示。图 2.4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

40、序流程图如图 2.5 所示。开始初始化读取温湿度标值向CGRAM写字符设定状态？否是清看门狗存放器 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 2.5下位机主程序流程图3系统硬件设计3.1STC89C52 简介STC89C52 是 STC 公司推出的 8 位单片机，与 MCS-51 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

41、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

42、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 3.1 所示。图 单片机最小系统3.2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。

43、采 用该款传感器防止了模拟传感器带来的共地干扰和线路干扰问题，同时也防止了温度和 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本钱。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

44、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正确选那么，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下图。图3.2DHT21实物及封装图3.2.1DHT21 性能说明DHT21 的主要性能指标如表 3.1 所示。表3.1 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单位供电电流测量mA待机mA采样周期-12-S湿度分辨率-%RH-16-Bit重复性-±1-%RH精度25-±3-%RH050-±5%RH互换性可完全互换响应时间1/e(63%)

45、-2-S迟滞-±-%RH长期稳定性典型值-±1-%RH/yr温度分辨率-16-Bit重复性-±-精度-±量程范围-40-80响应时间1/e(63%)6-20S注：采样周期不得低于最小值，否那么会引起错误。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适宜的上拉电阻。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 -DC，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 DH

46、T21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。3.2.3DHT21 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 3.1 所示。40bit数据=16bit湿度数据+16bit温度数据+8bit校验和 校验和的算法和验证如式所示。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 例如：接收40bit数据为0000 00101000 11000000 00010101 11111110 1110 验证：0000 0010+

47、1000 1100+0000 0001+0101 1111=1110 1110，那么对应湿度=RH温度=当温度低于0时温度数据的最高位置1。例如：-表示为1000 0000 0110 01013.2.4DHT21 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3.3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，那么要连续读两次以获得实时的温湿度值。图 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

48、线500us后释放总线，延时20-40us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3.4 所示。图 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信号表示方法如下图，数字0信号表示方法

49、如下图。图 3.5DHT21 数字 1 信号表示法图3.6DHT21数字0信号表示法为了提高系统监控的灵活性，在下位机的设计中参加了键盘和显示功能，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。键盘是由假设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 口的上下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

50、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

51、误动作，而给每一个开关加上了 5.1k 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 3.7 所示。图3.7键盘电路原理图3.4LCD 显示电路3.4.1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 3.8 所示。图 3.8LCD1602 显示的信息3.4.2LCD1602 引脚1602 采用标准的 16 脚接口，各引脚说明如表 所示。在系统中，单片机 P10、

52、 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3.2LCD1602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 5V7-14D0D7Data I/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/L16BLK背光源负极5R/W读/写选择端H/L3.4.3LCD1602 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 器主要由指令存放器 IR、数据存放器 DR、忙标志位 BF、地址计

53、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。指令存放器 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存放器 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说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