【基于单片机的粮仓温湿度检测系统设计7300字】

[1]。中国作为一个粮食大国，粮仓的储存条件一定是要求最高的，如果储存不当，那么带来的粮食损失和经济消耗是不可预估的。粮食储藏不仅仅关乎到民众们的日常生计问题，更是直接关系到国家社会和经济的发展[2-3]。只有当粮食的安全质量得到保证，社会才可以稳定发展，国家的国情才可以持续发展。当下影响粮仓粮食的影响因素有很多，其中最重要的是粮仓的温湿度变化，直接关系到粮食的品质。现在,通过人工调查我们发现每个粮仓的空气温湿度基本上也都是人工调查检测,每天人工调查检测,任务量大且繁琐[4-5]。长此以往就可能会导致有一些突发事件情况不断发生,比如有时候由于粮仓人工调查检测结果报警不及时,就可能会出现造成粮仓库储人员粮食质量损失的严重现象,造成资源浪费[6]。于是，所以设计出性价比高的粮仓温湿度自动检测系统成为当下社会的热门话题。这样的话可以节省了大量人力和经济损耗，也适当减轻了人力资源消耗。一定程度上提高了粮仓管理的效率，使得粮仓的管理更加有效，粮食得到了更好的保护[7-8]。1.2发展现状粮仓的空气温湿度变化检测系统属于农业监控监测系统的应用范畴,这几年来,由于各种移动通信系统勘测监控技术的不断发展,监控监测系统被广泛应用于农业包括电子农业和机械工业的各种机械生产中[9]。所以,粮仓温湿度质量检测的相关技术应用研究在软、硬件等各个方面都已经有了质一般的重大飞跃。根据资料得知，早期经济技术较为落后，所以给当时的粮情监测带来很多的不变。在当时最常用的测量方法之一就是人工使用温度计直接去粮仓进行测量,首先测量时人们将一个温度计直接插入各个粮堆的不同位置中,然后人为的抽取出温度计后再进行多次读数,根据最后的温度读数可以确定此时粮食中大致温度,然后再决定粮仓此时是否需要倒粮[10-11]。这种储存方法对当时我国粮食合理利用储存发展起到了一定的积极推动促进作用。但由于当时温度科学检测技术过于落后,温度计的自动测量计算精度、人工自动测量温度读数的计算精度以及误差等因素受到许多人为因素的严重不良影响。这样的一种测量方式温度小和误差大的检测不仅使得测量结果速度慢,而且使得测量结果精度低,误差极大，还存在抽样不彻底的情况。比如说在我国粮仓里由于储存局部的大量食粮的气温过高不易被人工及时发现,最后就可能会发生导致因高温下的粮食容易坏死发霉或者容易变质从而缺粮，这种特殊情况就可能会经常发生,造成人力的浪费还有经济的损耗。在进行粮食粮仓贮藏的操作过程中,粮仓内的空气温湿度变化一直是一个影响粮食质量安全的主要影响因素。如果一个粮仓内的空气温湿度已经超过刚才最开始的温度设定正常值,就可能会直接导致粮食迅速变霉或者变质,最后可能会因此造成大量量的食物资源浪费和巨大的社会经济损失[12]。资料内容说明由于粮堆的热湿度传递过程是一个缓慢的运动过程,人们的身体感知的能力也比较差,不易准确发现整个粮堆的内部温湿度差值的变化,这样就可能需要人工通过不停地加水进入整个粮仓内部进行粮堆温湿度差的检测,不断的重新进行粮仓通风以和换气。长此以往繁重的各种体力劳动,不仅对我们人体健康有很大的生理伤害,而且不科学,也不够及时[13]。因此,粮食随时随地可能都会发生各种霉变、虫蛀等。所以需要设计研制出性价比高的粮食温湿度变化检测监控系统,可以在一个谷仓里快速发现现代粮食的开发热点,对现代粮食的生产保护利用管理也具有重要指导意义[14]。1.3研究的主要内容首先我们必须要深刻知道并充分了解温湿度的检测对我们粮食长期储存的重要性以便于我们能够更好的深入了解温度研究系统设计和研制解决出的问题,本次我们所进行研究的主要课题内容也就是重点在于如何研究设计研制出性价比高的温湿度粮食监测管理系统,包括如何通过利用各种温湿度检测传感器实现对整个粮仓里面的温湿度进行检测并分析采集,同时将这些温湿度检测信号通过温度传感器直接进行数字信号的分析采集并转换成各种数字信号,经过一系列转化后转换为数字并通过液晶显示出来。使用时只需将温湿度传感器至于粮仓内部不同的位置，就可以测出粮仓的温湿度，如果单片机判断出粮仓的温湿度超出所设定的正常值，就会通过蜂窝器发出警报，达到警示作用。2系统组成硬件介绍2.1AT89C51单片机2.1.1AT89C51单片机简介MCS-51系列小型射频编码单片机的主要产品代表作就是8051，现在市场上存在的51系列单片机大多数都是在此为基础上进行不断地变化而生产，其实本质基本一样。AT89C51中的“C”不仅是“ComplementaryMetalOxideSemiconductor”文缩写,其内部还包含具有4KB字节相同大小的一个flash自动数据分析存储器、128B字节的随机自动数据分析存储器、5个自动数据中断源及2个自动定时器/一个自动计数器，同时它也是各种8051内核单片机的基础，极具代表性。正因为AT89C51中将多个8位CPU和闪速存储器组合在一个单个芯片上，所以它也是一种高效的小型微处理器。故本文的设计方案采用了AT89c51作为此次课题研究的主要核心设计元件。下图示的是AT89c51的片内整体结构:图2.1AT89C51单片机的片内结构2.1.2引脚说明图2-2AT89C51引脚图如上图所示，是AT89C51的引脚图下面是各引脚说明：Vcc（40引脚）：接+5V电源，是电源电压输入端GND（20引脚）：接电源地。P0口（XTAL1、XTAL2）：P0是一个有泄漏控制功能的双功能并行端，有8位漏级开路形双向I/O口，可以作为用于传输输入/输出信息的通道，也可以起到分时传送数据及其低8位地址的作用，P0口是开漏的，使用时要接上拉电阻，如果不接会状态不稳定。P1口（1-8引脚）：如图是其端口解构图2.3P1口的端口结构P1口的基本结构由D触发器、MOS管、输入缓冲器组成。兼做输入输出端功能。P1口只能作为通用I/O口，用于传输用户输入/输出的数据RST（9引脚）：是复位端，在输入为高电平的状态下有效。在正常工作的时候，此脚电平的电压要≤0.5V。它可以直接引导内部复位程序或者复位电路，可以直接看到引导内部自动复位控制程序或者外部复位控制电路,可以直接看到自动复位时间值,提高自动时钟控制电路在复位电路过程中的自动抗干扰能力。P3口(10-17引脚):P3口引脚两端可同时自动控制一个接收输出电路同时输出4个以上输出电流，P3口引脚可在输出管脚两端连接具有8个上或右的下拉稳压整流器的电阻，为低频信号闪烁时在高速编程和高频编程时在一定校验时间还可自动接收一些用于开关电源控制电路中的信号。同时P3口还有第二功能定义，具体如下：P3.0RXD（串行数据输入口）P3.1TXD（串行数据输出口）P3.2INT0(外部中断0）P3.3INT1(外部中断1）P3.4T0（定时器/计数器0外部输入）P3.5T1（自动时间定时器/定时计数器1外部控制信号输入）P3.6WR（外部数据存储器写脉冲）P3.7RD（外部数据存储器读脉冲）XTAL1（18引脚）：反向电源振荡信号放大器的输入及内部时钟工作控制电路的信号输入。XTAL2（19引脚）：来自片内反向振荡器的输出端。P2口（21-28引脚）：准双向整流稳压I/O口，具有内部上拉电阻。具有MUX开关。它的驱动部分与P1口类似，但比P1口会多了一个转换部分，所以还具有输出高8位地址的能力。PSEN（29引脚）：对低电平有效,该引脚通常看作是外部电子应用程序或者数据处理存储器的一个非可选通道来输入输出信号。ALE/PROG（30引脚）：提供地址锁存信号功能。要注意，该引脚会被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态时ALE被禁止，那么置位无效。EA/VPP（31引脚）：如果当电路EA为低稳压电平时,则在此期间系统会直接自动读取外部应用程序运行存储器,不管其中是否存在有内部应用程序运行存储器。当E和EA端分别为高或低电平时,此间隔器会读取优先程序读取片内4kb的所有程序写入存储器,超出4kb时,则优先读取片外端的程序读取存储器内的所有程序。2.1.3单片机的性能特点及其优越性拥有低消耗的闲置和掉电模式全静态工作：0Hz-24Hz与MCS-51兼容；4k字节可编程闪烁存储器前段具有32个外部双向控制输入/内部输出（I/O）端口包含两个16位定时器/计数器和5个中断源具备片内振荡器和时钟控制电路，可以用于串行信号输出2.2显示器以及接口2.2.1显示器部分介绍显示部分是LCD1602液晶显示图2.4正常工作时LCD1602的显示2.2.2LCD1602显示简介众所周知，液晶被广泛的研究和应用于各个领域，是一种先进的高分子材料。而它所正常工作的主要原理是通过电流刺激液晶高分子，然后在其上产生一个点线表面，最后通过液晶背部灯管构成画面。液晶的操作简单易上手，具有功耗低、显示范围小和便于携带等特点，所以在社会的学术研究和日常生活被经常使用。他们的命名通常就是依据显示字符的行数来命名。LCD1602是指显示的内容为16X2，即可以显示两行，每行16个字符液晶模块（显示字符和数字）。总体来说将它可以大致的划分为彩色显示背光和不背光模式两种。2.2.3LCD1602主要参数主要参数如下表2.1LCD1602主要参数2.2.4LCD1602引脚说明下表是各引脚的说明：表2.2LCD1602各引脚说明图2.4LCD1602的管脚图2.2.5部分模块介绍（1）温湿度模块的选取DHT11数字温湿度传感器是一款抗干扰能力强，性价比高的新型复合式数字温湿度测量传感器。可以同时在线实现各种空气温度和不同湿度，两者互不干扰，精确度很高。DHT11与单片机之间仅仅需要一个I/O口就可以进行通信。这款随机测温自动传感器控制元件系统包括一个新型的双电阻式感湿自动控制元件和一个基于ntc型的随机测温自动控制元件,并与一个同时具有一种高性能8位元的新型单片式随机测温相位器元件连接。下面是其实物图：图2.5温湿度传感器实物图图2.6封装信息表2.3DHT11的引脚说明报警器报警器，顾名思义，它就是在发生危险或者其他紧急情况下以声音、光、气压等多种形式来提醒或直接警示我们的一种机器。报警器种类繁多，现在我国市场上的蜂鸣器主要分为通用压电式蜂鸣器和电磁式高压蜂鸣器两种类型，正常工作时蜂鸣器额定电流要≤30Ma图2.7蜂鸣器机器实物图3硬件电路结构设计3.1总体设计结构（1）设计框图根据设计总体思路，设计出下面框图图3.1电路硬件设计总体思路通过实时温湿度测量传感器在实时粮仓内部自动采集的各个实时粮仓温湿度测量数据,经过一个a/d信号转换器将各个模拟信号进行转换后成为一个AT89C51单片机内部可自行识别的实时数字信号,单片的主机电源插头接上了模拟电源后就系统会自动开始正常工作,对用户收集后得到的文字数据然后进行二次编译然后识别,经过整个单片机进行数据处理后,通过LCD1602显示器将这些数字通过显示器输出来,并且与开机设定的实时温湿度测量数值数据进行比较,当开机测得的实时温湿度测量值参数大于或者湿度低于系统预定的数值则自动开机启动噪声报警控制电路,发出噪声蜂鸣信号报警。3.2单片机最小系统设计（1）系统时钟/复位电路的设计AT89C51单片机正常运行工作时的各个外围部分和时钟复位信号由一个时钟复位电路所产生,单片机各外围元件的正常运行都以这两个外围元件和时钟复位信号为基础,时钟/复位电路这两个组成部分是整个单片机的主要核心组成部分,两者质量的高低直接影响并且也决定着整个单片机的运行系统。复位电路对于单片机系统来说也是极其重要的，例如单片机在正常的运行状态，由于人为程序或者系统数字发生错误而导致整个运行出错时，使系统锁死瘫痪。在这种特殊情况下，如果设计了复位电路，就可以按复位键，使得单片机复位恢复到初始状态，这样就避免了系统化锁死的困境，通过这种方式解决系统的锁死既简单又便捷。AT89S51单片机的时钟和复位电路如下图所示：图3.2AT89C51单片机的时钟/复位电路（2）晶振电路的设计在一个单片机系统中都会包含晶振，作用非常大，可以在单片机工作时为其提供时间基准图3.3晶振电路（3）电源指示灯电路图3.4电源指示灯电路3.3LCD显示电路设计液晶显示电路在我们的生活中应用非常普及，本次设计的显示模块我选用LCD1602液晶模块，它是目前所使用最广泛的液晶屏之一，具有功耗低、显示范围小和便于携带等特点。图3.5显示电路3.4DHT11传感器电路DHT11数字温湿度传感器可以精确地采集到所处环境的温湿度并且直接以数字的方式传输。电路图如下图所示。图3.6传感器电路3.5温湿度控制电路图3.7按键控制电路3.6报警电路系统采用单片机与LCD和蜂鸣器相连来显示当前系统所处的状态来报警。图3.8报警电路3.7总体硬件电路本次系统设计的总电路如下图所示：图3.9硬件总电路4系统软件设计及成果展示软件设计在整个设计中处于极其重要的关键地位，给与软件设计如此高的评价是中肯的，这是因为软件设计的好坏与否将直接关系着你最后设计出来的仪器其主要功能能否能够实现。4.1系统软件流程图AT89C51单片机通上电便开始启动系统，进入主程序。而主程序的主要作用就是完成对粮仓温湿度的捕捉检测并转换为数字信号再通过LCD显示器显示出来。LCD初始化后，传感器便开始读取采集温湿度，自动检测温湿度后会与刚开始的预设值进行对比，如果超过了预设值就会触发蜂鸣器报警，反之则不会报警，继续捕捉检测温湿度。流程图如下：图4.1软件流程图4.2按键流程图在按键的检测过程中流程图如下所示图4.2按键检测的流程图4.3报警显示执行模块这部分软件模块主要负责调用报警显示以及执行子程序，在检测过程中，温湿度中任一一个超出预设值，就会控制执行报警程序。图4.3报警流程图4.4硬件调试步骤4.4.1温湿度设置温湿度上下线控制如图所示：图4.4温度下限设置界面图4.5温度上限设置界面图4.6湿度下限设置界面图4.7湿度上限设置界面4.3.2电源和工作指示灯图4.8电源开关图4.9指示灯（红灯亮代表粮仓温度或者湿度高于设定值，绿灯亮代表粮仓温度或者湿度低于设定值。）4.3.3功能按键图4.10功能键温度和相对湿度的上下限都设定可以用手动配置设定,从左到右依次为S1,S2,S3键S1：设置/保存S2：加S3：减上电LCD1602显示当前温湿度值,按下S1设置键,依次进入预设温度上限、湿度上限、湿度下限、温度下限的调节模式。按S2加键,预设值加。按S3减键,预设值减。设置成功后,再按S1设置键退出,返回到正常温湿度的监测模式。4.3.4设备运行本次设计的主要目标就是为了需要进行实时监测并准确的显示粮仓内部温湿度,并且及时发出警报蜂鸣。接通了系统电源之后系统开始运行,接着LCD初始化，两行对应数据显示，其中第一行显示的温度预设值，根据键盘我们可以加减数值，第二行显示的是实时的湿度预设值。最左边显示的是实时监测的温湿度数据。程序每次采集温湿度值之后，都会和已设定的范围进行比较，如果未超出范围则关闭蜂鸣器，否则让蜂鸣器执行工作，实施报警功能。4.3.5主要指标测试本次设计的主要检查指标之一就是观察该系统所需要测得的粮仓中温湿度范围是否满足了题目的要求,该系统所需要测量的空气中温度范围为0-99℃,湿度的范围在0-99%。多次测量实验所测得的温度误差范围为0.2℃内,湿度误差范围为1%内。4.3.6测试结果分析通过多次设计测试，本次测试系统的不同测试标准温度和相对湿度测量计与普通通用温度计的不同测试温度数据误差值均控制在设计允许的温度范围内，达到了系统要求。5总结与体会本次粮仓空气温湿度的检验和监测软件系统的设计和制作基本完成并且已经达到了一定的技术指标,在设计实物的期间内,对designer等软件的应用和操作也变得越来越熟练,同时在进行该软件系统设计的过程中,我对于C语言的编写也更加熟练。在杨金老师的细心指导下，动手能力有了很大的提高。最后通过Proteus软件进行仿真以及实物的运行验证了该系统设计是否有正确性和实用性。在设计过程中，一开始进行选题讨论，大量的上网搜寻资料，然后与指导老师的不断沟通交流。并且学到了很多书本以外的知识内容。也发现认识到了自己很多的不足之处，一些基础知识掌握不牢固，动手能力几乎为0，一些元器件的使用方法不记得。虽然毕业设计中需要学习的知识很多，但收获也是很多的。积累