【《基于单片机的粮仓温湿度自动监控系统设计》7200字（论文）】

基于单片机的粮仓温湿度自动监控系统设计摘要粮食的储存和生活生产息息相关，在粮仓内的一切产品需要保证良好的储存条件再能保证质量的优越。随着现在科学技术的不断发展，产品的不断更新，检测技术的不断提高，粮仓储存的产品种类愈来愈多、愈来愈广泛，只有保证不同产品的不同储存条件才能保证这些产品的食用品质。为了能够达到食品质量安全的标准，需要对粮仓内温湿度进行精准的监测与控制，都应该始终保持在低温低湿度的环境当中。本文主要研究了粮仓温湿度自动监控系统，通过所需要的系统硬件和系统软件进行设计，完成实物的焊接与调试，实现了粮仓内温湿度的多点检测，异常状态报警的目的。同时还要对粮仓温湿度自动监控系统的成本进行控制，设计性能进行改进优化，达到设计的智能化需求。关键词：粮仓；温湿度；检测；控制；储存目录TOC\o"1-3"\h\u24519前言 131491.系统设计方案 2251161.1需求分析 233911.2方案基本框架 225812.系统硬件设计 3197172.1控制电路设计 3315672.2温湿度采集模块设计 4247872.3显示模块设计 476942.4电源模块设计 582462.5按键模块设计 588622.6报警模块设计 675452.7无线模块设计 742583.系统软件设计 836233.1软件开发程序 8189553.2主程序设计 832584.系统调试 9262484.1硬件调试 994064.2软件调试 10132284.3功能调试 11258275.总结 1218213参考文献 1420188附录 15

前言中国是粮食大国，在粮食储存方面要求更为严格，在粮食储存方面科技的运用也尤为明显。将智能化设备应用到仓库环境检测，保证了仓库内优良储存环境。中国的粮食储存是国家整体规划布局中最重要的组成部分，国家将会大力支持和发展粮食储存，在粮食储存中技术的创新和应用是新发展的标准。所以说残酷的竞争力也可以提高生产技术水平，是发展的主要动力。所以对粮仓温湿度自动监控系统的研究和开发还是十分有必要的。粮仓温湿度自动监控系统是一个经过特殊设计的用来检测与控制粮食有效储存的整体系统。伴随着科技的发展，粮仓温湿度自动监控系统是在七十年代得到迅速地发展。到目前为止，在某些程度上大大加强、促进了粮食储存的发展和推广。在国外的粮仓温湿度自动监控系统得到的非常迅速地发展和改进，在这其中起到最关键的作用就是单片机技术和智能控制技术的运用。粮仓温湿度自动监控系统具有降温保温的作用，与此同时，又具有灵活性、多样性、安全性和便利性等显著特点。粮仓温湿度自动监控系统大大改变了粮食储存的条件，智能化调控水平得到了很大程度地提升，成为了仓储行业业的必然发展方向之一。本课题进行的设计就是粮仓温湿度自动监控系统，可以通过温湿度传感器对粮仓内多点环境进行检测，通过无线传输的方式将粮仓内多点温湿度值集中统一显示。可以进行近距离的控制和远程检测的目的。保证了粮仓内的多点温度值和湿度值检测的准确性、系统运行的稳定性、实时性、安全性。到目前为止，国内的粮仓温湿度自动监控系统普及率还是相对比较低的，希望通过自己设计能够将粮仓温湿度自动控制系统。进行优化改进，希望在未来在仓储方面提供理论支持。1.系统设计方案1.1需求分析系统的需求分析是一个以系统地设计、开发的需要实现的整体要求。系统的需求分析是探索了解粮仓温湿度自动监控系统的功能要求和工作性能要求，需要了解并掌握分析其完整功能，建立出正确且能反复推敲的一个系统设计和开发所需要的基本依据，进行系统需求分析的重要依据。粮仓温湿度自动监控系统的作用就是测量粮仓内多处的温度和湿度实现集中显示。温湿度传感器要求灵敏度以及精度要高。从而提高设计的性能，增大系统的检测能力。采用手机无线传输模块进行远程操控，将粮仓内多点温湿度统一显示。（1）进行粮仓温湿度自动监控系统的总体设计方案，分析设计方案。（2）根据粮仓温湿度自动监控系统对各个模块的功能进行选择比较，选择出最适合的系统硬件，并对系统硬件电路进行设计。（3）采用C语言进行系统软件程序的编写，实现测粮仓温湿度自动监控系统温湿度和数据的实时显示。（4）对系统进行调试和测试，检测是否存在不足，整体结构是否完整。1.2基本框架本次粮仓温湿度自动监控系统主要是由单片机、温湿度采集器、显示模块、无线传输模块、电源模块、按键模块、报警模块所组成。系统经过控制模块来调配其他，实现单片机统一管理的功能。基本框架如图1-1所示。图1-1基本框架图本次设计实物总共包含有三个实物硬件板，分别为两个检测板，一个核心主板。检测从板的功能为检测粮仓环境内多点温湿度数值，并且将数值通过无线发射模块发送。核心主板接收无线模块发送到温湿度数据值。经过处理之后，通过液晶显示模块将从板温度值湿度值统一显示；可以通过按键模块更改粮仓环境内温度值与湿度值上下限区间值，实现数据调控；单片机程序可以判定当前温度值与湿度值是否处于正常范围之内，在异常状态下可以启动报警模块完成温度值湿度值过高或过低报警的目的。2.系统硬件设计2.1控制电路设计根据实际的需要，可以选择各种不同类型的功能单机作为自己所需要的器件产品使用。在这次粮仓温湿度自动监控系统的设计中，主要选择的重要控制器是STC89C52，它是单片机的升级版本，在接受的指令上可以跟单片机保持一致，这个单片机里的程序存储器可以满足这次设计的存储需要，它的外界电路只需要设计一个复位电路就可以使用了，简化了设计的方案。本次设计主要采用反应迅速灵敏的STC89C52单片机，不仅有良好的抗干扰的能力，而且消耗的能量也是比较低。还有它具有高度匹配性和高度一致性等非常重要的特点，所以非常适合这次的设计。但是这个单片机在性能方面不是很成熟，应用在本次的设计中还是足够用的，而且降低了使用成本。单片机如果想要正常运转工作，就必须添加外围电路，为单片机元件提供基础频率的就是晶振。另外需要在单片机上添加一个按键，另一端连接一个电容之后的5V电压。电容是按键按下的时候进行充电状态，要维持电压不变。电阻是为了防止弱电被击穿而加上去。当按下按键时，单片机电压拉平，维持几个周期以后，单片机复位。单片机如图2-1所示。图2-1单片机电路图2.2温湿度采集模块设计传统的温湿度采集器是热电偶和铀电阻两个分立的元件所组成。电路比较复杂，而且功能不全，只会提供相关的电压和电流，是单一的电路。而新型的温湿度采集器可以跟温湿度产生相应的电流信号。设计采用型号为DHT11温度湿度传感器完成粮仓环境类的温湿度采集，它不仅可以把温湿度信号直接转换成数字信号交由单片机进行分析和处理，而且采用的是单线接口，无须连接外围元件。其中最突出的特点是：在测量温度的准确度方面精度非常高，同时转换时间，传输速度中都比传统的温湿度采集器有所改进和完善。可以更准确地解决各种出现的误差，使温湿度采集器在性能方面不断优化完善。下图2-2为温湿度采集器电路示意图。图2-2温湿度采集电路图2.3显示模块设计本次的粮仓温湿度自动监控系统系统设计采用的显示电路是LCD1602显示屏，它的体积比较小，成本低，比较符合设计需要。而且可以显示数字和字母，让数字和时间的显示更加清晰便利，设计也更加直观简单。显示屏控制单元要控制电压显示电力，这样比较便于显示亮度的调节。LCD1602液晶显示模块在日常生活中比较常见，他最多可以显示多个字符。在本次系统中，LCD1602是人与机器的一个重要媒介部分，一般它只负责给使用者传递信息数据，让使用者可以清楚地看到粮仓内多点温湿度的具体数值，显示更直观。在设计显示电路的时候，通常是由8点一个的数据节点所组成的。在显示电路中，会显示出数据信息。从计算机读取的信息数据值写入或者读取到显示器当中是垂直数据线上。LCD显示屏上上下两行分别显示粮仓内两点的温度与湿度数值。显示电路如图2-3所示。图2-3显示电路图2.4电源模块设计采用的5V直流电模块，经过实验检测得知，单片机的工作电压是非常稳定的，能够保证系统的要求，如果遇到特殊情况，充电的方式比较简单操作。从设计中可以得出驱动电路必须对电源电路提供工作电源，与此同时也要保证高效安全和成本问题。对电源的没有很高的要求。在设计的时候对设备和设计进行了简化，想到了要想使电机能够动起来，就用5V的电压就行，单片机、芯片及一些元件就用3.3V的电压。在使用电源的时候，还要对电压进行一个降压的处理。在这次设计中对单片机进行送电就要用直流电源，电压是5V。电源电路图如图2-4所示。图2-4电源电路图2.5按键模块设计在设计按键模块的时候，编写的程序要与对应的按键相识别。在使用的过程中，系统会判断出不同的按键，不同的作用。根据需要，系统会自动识别不同的指令，控制好相对应的执行工作。然后就实现了提前设置好的对应功能。有两种按键是日常生活中比较常见的，第一种是独立按键，它的控制方式比较简单，只要找到相对应的端口就可以进行按键。在按键使用不是特别繁琐的情况下，就会选用独立按键。它的好处在于电路简单而且稳定，测试程序的时候也相对比较简单容易。还有一种是矩阵按键，它的程序设计要在连接的交叉点上进行端口连接，键盘处理器要先执行再等待按键的确认才能读取输入值，而且在读取输入值并比较之后，才能知道是哪个按键被按下。所以相比较下，这次的设计采用的是独立按键的控制方法。因为独立按键的设计比较简单，程序检测也比较方便，比较符合预期的设计。按键电路采用的是中断和查询相融合的方式进行设定温度和湿度的参数。系统由三个按键组成，分别对应的是设置按键、参数加、参数减。按键电路如图2-5所示。图2-5按键电路图2.6报警模块设计选用报警装置的时候，首先会选择蜂鸣器做报警装置来使用。因为蜂鸣器的内部结构中有一个叫压电谐振器的部件，配合其他的驱动元件来使用。由许多个谐振器晶体和集成电路元件，在经过PWM的直流驱动下，把音频信号装载到谐振器上，再发送信号到音频地输出端，这样就可以发出不同频率，不同声音的信号。这次所使用的报警模块不需多种发出声音，只需要发出一种声音和频率就可以。所以当之后设计的蜂鸣器报警的时候，可以直接使用晶体管来驱动蜂鸣器报警即可。下图2-6是报警电路图。图2-6报警电路图2.7无线模块设计选用报无线传输模块有两部分，一是红外的模块，二是无线模块。这两个模块各有利弊，红外的模块实现的传输距离比较近，并且能够受到障碍物阻隔。而无线模块穿透性强，抗干扰能力强不仅可以穿透障碍物，而且抗干扰能力非常强。通过两者对比可以选择无线模块NRF24L01为本次粮仓温湿度数据信息传输。NRF24L01无线模块传输距离可达200米，芯片内含有多个发送通道。根据发送的寄存地址与接收地址完成匹配，以实现数据的稳定传输。模块工作原理无线发射模块发出。信号，被无线接收模块接收信号收集，对其进行变换，变为相应的电信号，让它进入到大器，指令编码，调制电路，到最后用单片机对这些信号进行处理，就变成了数据信号，体现出了无线传输的能力。下图2-7是无线模块图。图2-7无线模块图3.系统软件设计3.1软件开发程序系统的软件设计是极其重要的环节，具体的设计方法有原型法、结构化的设计方法、面向对象设计的方法、自顶向下的设计方法、自底向上的设计方法等等有很多种方法可以进行软件设计。本次系统的软件设计采用的是自顶向下的设计方法，可以分离出独立的功能模块，并且对每一个功能模块的功能进行开发设计，最后将整个系统进行功能整合，就可以检验整个系统的可靠性和功能性，最终设计出一个有效的软件程序。3.2主程序设计本设计的程序采用C语言编写，在检查无误后，通过keil软件下载到单片机中。系统上电后，程序执行初始化操作，温湿度采集模块实时检测粮仓环境内的温度和湿度信息，在单片机数据处理之后通过无线模块将检测到的模拟数据信息转化为无线信号发射，无线接收模块接收无线信号识别、处理的数字信号，并传输数据，主板显示模块实时显示温湿度信息；主板单片机根据检测数据判断温湿度值是否达标，如果温湿度超出报警范围就要驱动报警模块工作，保障粮仓内储存环境。主程序流程图如图3-1所示。图3-1主程序流程图4.系统调试4.1硬件调试原理图的设计采用AD软件完成，单片机作为核心控制模以及其他多个模块一块去构建完整的粮仓温湿度自动监控系统设计。单片机，LCD显示装置，温湿度采集模块，电源模块，按键模块，报警模块无线模块辅助核心装置设计。当然在完成整个系统的过程中，不可能一步到位，都是一步一步地进行测试和调试进而达到设计的最终结果，所以本次设计的系统调试采用的是分模块调试。系统在进行调试的时候，第一要保证单片机的运行工作正常，如果系统运行工作不正常，系统的调试就无法继续进行。只要保证单片机可以正常地工作，就可以保证整个系统的供电正常，运行正常。如果一旦出现问题就可以进行针对性的调查和调试，无须从新找。经过调试和检测，系统与程序一致，就可以确保单片机的工作状态正常。设计焊接完成如图4-1所示。图4-1设计焊接完成图4.2软件调试对软件的调试都是用先单步后连续、先分块后组合、先独立后联机的方式。用到开发的软件，它给了好的开发环境，用了连接器、数据管理、编译器、宏汇编还有功能非常强的仿真器，这就有了很好的开发方案，把这些都合在一起就行。先对主的程序进行调试，让他可以运行，在对其他的模块来调试，是他们的功能能用出来，这样系统就能很好地工作了。在编译的程序有了文件后，用编写软件把文件方在单片机里，完成软件测试。在进行系统的软件调试的时候还是比较复杂的，可能会为了一个小问题需要改变所有的代码程序。在这个修改的过程中，也会出现很多的问题。但是当前只需要掌握C语言的构成并且了解电路的工作运作方式，利用软件进行调试，就可以完成其他程序所完成不了的。通过各系统的结合实现仿真调试，必须准确无误的确认电路原理是否正确，避免出现电路板焊接完成后无法更改，不然就会导致再重新来过。要注意的是，仿真演示只是一个测试软件，它所模拟呈现出来的环境是不是跟实际的电路环境一致，这个是很难判断确定的。根据实际的经验所得，仿真测试软件只能来确定大概的电路是没有问题的。在进行系统仿真的时候，还是要将程序下载到单片机中实施，然后将程序完整的运转。4.3功能调试经过对整个系统的软件调试和硬件调试之后，整个系统地研究设计所需要的内容就基本完成了，在总体功能上的配置也完成了。在准备完成所有的动作后，接下来就是要进行整体设计的系统功能测试和调试，看整个系统是否完整。在功能测试的时候，实物两个从板、一个主板分别通电之后，可以查看到。从板检测到的温湿度信息通过无线模块将数据传送到主板，统一显AB两点到温湿度。设计运行如图4-2所示。图4-2设计运行图首先改变粮仓A点温度值或者湿度值，可以。看到主板显示的A点温度值与湿度值随外界温湿度情况而变动；同样改变必点温湿度值。主板显示b点温湿度值也有变化，并且非常准确。说明本次设计的温湿度检测功能以及无线传输功能检测功能均能实现。经过长时间的温度，湿度变化值改变，主板能准确显示AB两点的温湿度情况,说明本次设计检测性能优越，稳定性强。要通过调节来设定温度是否达到限定值，超过温湿度设定区间值就视为异常状况，蜂鸣器就会启动报警装置实现自动报警的功能。手动改变外界环境中的温度值和湿度值，当AB两点的温度值和湿度值任意一项异常状况时，主板都能能发出蜂鸣器报警声。经过多次测试，报警准确无误，说明本次设计报警功能。能够实现。设计报警如图4-3所示。图4-3设计报警图设计进行功能验证之后均能稳定运行，Ab两点温湿度传感器实时采集粮库温湿度。情况，并且无异常状况；无线模块能够将数据稳定传输，传输距离远，抗干扰能力强；液晶显示器能够实时改变当前温湿度数值与环境温湿度；报警模块在异常状况之下能够实现蜂鸣器报警功能齐全；通过按键模块可以更改参数值。整个的系统不但可以达到预想的设计目标，而且工作相对稳定，性价比更高。5.总结经过一段时间的不懈努力，粮仓温湿度自动监控系统设计告一段落，系统的程序功能模块完全按照使用需求来设计实现，同时通过对于本次的设计，掌握了开发单片机技术、无线通信技术以及传感器技术等项目的基础知识技能并可以学以致用完成毕业设计。但是在系统地设计过程之中，由于经验以及专业知识受到局限性，在编程过程中在一些功能方面和业务逻辑方面做得不是很完善，系统还存在一些缺陷。同时在电子线路链接上有失误的情况，由于自身对该方面的知识不熟练，使得没能达到自己所要设计的功能要求。在今后的学习和工作中本人将继续完善此系统，使其真正能为粮仓温湿度自动监控需要而服务，完善其功能，使该设计成为一个更加功能完备设计。相信随着未来社会的不断发展，对于自动检测、自动控制、智能化技术的发展和要求越来越高，粮仓温湿度自动监控将应用在多个领域，只有在科技的道路上多钻研创新，才能使开发的设计系统的稳定性能以达到最好的效果。参考文献[1]叶建新,武斌,王安澜.粮仓环境监测系统设计与实现[J].计算机时代,2020(08):42-44+48.[2]王笑怡.粮仓环境监测系统设计[J].微处理机,2020,41(03):37-42.[3]解晖.基于GRU模型的粮情监测预警系统设计与实现[D].江苏大学,2020.[4]朱光.粮情监测与安全预警系统的设计与实现[D].安徽大学,2020.[5]衣美佳.智能粮仓监测管理系统的开发与应用[D].天津工业大学,2020.[6]崔宏伟,吴文福,吴子丹,兰天忆,窦建鹏.基于粮温统计特征的粮仓库存状态检测方法[J].