【《基于单片机的粮库温度检测系统设计》8500字（论文）】

基于单片机的粮库温度检测系统设计目录摘要 I1.概述 11.1本课题研究的背景及意义 11.2国内外在该领域的研究现状 11.3主要研究内容 22系统硬件电路的设计 32.1系统器件的选择 32.1.1温度传感器的选择 32.1.2单片机的选择 42.1.3显示器的选择 52.1.4键盘的选择 52．2系统硬件电路设计 52．2．1单片机控制电路设计 62．2．2放大滤波电路设计 72.2.3显示及报警电路设计 72．2．4键盘电路 73、系统软件设计 93．1主程序设计 93．2子程序设计 103．2．1键盘扫描子程序 103．2．2模数转换子程序 133．2．3显示更新子程序 133．2．4二进制转化为BCD码子程序 16结束语 19参考文献 20摘要本系统从性价比，实用性出发找到温度传感器、单片机、键盘、显示器的最佳搭配组合，温度传感器的是检测信号的初端,它的精度直接影响了后期的数据信息,本系统选用八个AD590温度传感器进行测温，另外添加多路转换器来节省端口。首先对温度传感器进行编号，通过调节多路传感器控制选择测温点，然后将测得的信号经过滤波放大电路，滤去杂质信号，但这时输出信号仍为模拟信号，传输到PIC单片机经过A/D转换，此时信号变为数字信号，最后传输到显示器进行显示，当温度值超过报警器的预置值报警器将会报警。本系统用三个按键完成基本操作:转换模式键F、数字移位键G和增量键I。通过调节F键可以设定报警值、仓库编号、运行状态。该系统不仅有较强的抗干扰能力，而且该系统温度准确程度能满足真实粮库需求，它能将温度值保留到小数点后一位，另外该系统功耗也比较低，能长时间工作。软件的设计对后期系统可行性和稳定性均有一定影响,软件设计好坏也决定了系统的灵活性,操作难易程度等。在本系统中，软件设计遵循以下原则，首先划分出程序的功能框架，再对每一层的进行详细的编写，这样能减少每个层次之间的影响，便于后期程序的修改，当每一层次的软件都调试成功后，将这些软件按照一定的顺序整合到一起，因此具有很好的抗干扰性、灵活性、可扩展性。关键字：PIC单片机粮库温度检测1.概述1.1本课题研究的背景及意义“国以民为本，民以食为天”，解决生存问题需要粮食，没有粮食或解决不了温饱问题，就很难维持国家的安全稳定，国家也就很难发展。在国难面前，粮食储备也能起到安抚民心的作用。可以说粮食对于国家的安全，社会的稳定，经济稳步发展发挥着巨大作用。近年来，全球气候逐渐变暖，这种条件有利于害虫的繁殖和过冬，病虫害的现象越来越普遍，病虫害对庄稼的侵蚀也导致了杂草的蔓延，水资源短缺使我国北方干旱地区的庄稼生长缓慢甚至停止生长，导致了减产或无产。我国对粮食问题也越来越重视，例如取消农业税，建设商品生产基地，有固定的农业生产基地，以合适价格收购农民手中的余量，加快规模农业的步伐等。国务院也印发了一些文件：一要粮食有可持续生产的能力。二要解决农户卖粮难的问题，并给他们一定的扶持。三要加强对地方仓库的监督管理，保证存粮的可靠性。四要维护市场秩序，确保粮食市场供应和稳定价格。五要禁止不合格的粮食流入市场等。《“十三五”规划》也提出了八个约束性指标，其中六个直接与粮食有关，由此可见粮食的重要性。粮食的储存问题也是关键的一个阶段，粮食储藏作为粮食生产和流通安全的中间部分，粮食储藏的好坏影响着我国粮食安全的整体水平。粮食水分及温度控制不当会引起霉菌、螨类和昆虫的生长，可以通过采用控制温度的方法，避免这类情况的发生。本系统采用巡回检测温度的方法，精准掌控粮食温度的信息，使粮库环境不适宜害虫生长，并能有效解决粮食变质发霉问题。1.2国内外在该领域的研究现状最初粮温检测采用温度计检测的方法，第一步需要将温度计放进特制的杆中，然后将杆插入所需测量的粮堆中，过段时间将杆拔出，读出温度计的数值，这种方法操作简单，但缺点是由于温度计的准确性不够或管理人员的读数存在误差，再加上采用对粮堆抽样定点检测，即使温度高时也无法报警，导致粮库温度过高也不易被发现，粮库出现大面积的霉变、坏粮，对持粮者造成了不小的经济损失，也造成了粮食的浪费。有时也采用铜电阻或热敏电阻，这是温度传感器测量法最初使用的器件，它们的阻值因温度的变化而变化，通过电阻阻值的变化来判断粮食的温度，因为它有成本低，操作简单的优点，这种检测方法比温度计检测准确性高，操作也较为简单，因此在测量工作中也较受欢迎。随着传感器和计算机等技术的进步，它们组合起来的监控系统精确度方面有所提高，也可以对粮库做到巡回检测，并具有监控报警功能，减少了人工检测及读数过程，劳动效率显著提高，热敏电阻准确性不高，存在一定的误差，致使系统可靠性不太理想。总体而言，国内比国外技术较落后，上世纪八十年代，一般采用分线器集线器结构，这种方式抗干扰能力较弱，主机瘫痪后导致整个系统不能运行。粮库系统在上世纪九十年代初采用矩阵式布线技术，但精度仍然不够准确，因此并未普遍使用。随着信息技术的进步，单片机功能越来越强大，一个很小的部件就能控制完成多种功能，例如温度检测功能，报警功能以及降低温度、通风、充氮、除湿除潮等功能，有效保证粮食的安全储藏。国外很多粮库采用高科技数字式传感器，这种方法集成多种芯片使得精度和准确性都有所提高,这种传感器有较强的抗干扰能力，也具备远距离传输的优点。国内国外比较而言，粮库智能系统未来发展趋势具体体现在以下方面：（1）数字化：传感器输出信号与芯片均采用数字化，能简化设计，缩短了产品开发周期。（2）智能化：所测数据与预先设置值能实时进行比对，然后由控制系统对粮仓进行控制，进而达到稳定并适合储藏的环境。（3）多功能：能检测温湿度及水分等。（4）标准化：实现软件与硬件之间的标准化设计，进而实现不同企业设备之间的互换，有利于该领域的发展。（5）网络化：粮库的数据可以记录在云端上，管理者通过进入服务器获得粮库数据，便于管理粮仓。（6）安全性能：系统研发后进行防尘、防雨、防雷等测试，使得安全性进一步升级。目前，我国高校研究人员也研发出了基于嵌入式、GPRS、Zigbee、ARM等一种或多种技术相结合的关于粮情的监控系统，该系统用节点的方式布置温湿度传感器，通过检测节点的情况可以推测出整堆的粮情。国内国外市场所售的粮情监控系统种类和功能有很多种，价格相差也很大，选择一种适合当地粮情及性价比高的粮情监控系统是很有必要的，基于价格和效果，通过检测温度判断粮库情况具有较强的现实意义。1.3主要研究内容该设计主要完成以下工作：第一步对整体系统进行设计，包括各种元器件的选择及运用。第二步设计硬件电路，对软件系统进行设计仿真。第三步阐述出该系统的工作原理和实现方法，画出用到的原理图和流程图。本设计能实时并自动的记录所测数据，对数据进行处理，当超过所设温度值后，能自动报警。温度传感器是测量的关键环节，对信息的采集完全依靠温度传感器，若信息采集不够准确，就很难得到正确的信息，因此温度传感器的精度至关重要。与传统检测系统相比，该系统具有以下优点：单片机有较快的运行速度，系统可靠性、实时性都有所提高，因此人工劳动效率更高。2系统硬件电路的设计2.1系统器件的选择器件的不同，决定了产品的功能与性能，元器件的选择与运用是制作系统的第一步也是关键的一步。2.1.1温度传感器的选择温度传感器的是用于检测信号的初端，它的精度直接影响了后期的数据信息，温度传感器的选择几乎也决定了该项目的可行性，如制作的成本，项目的复杂程度，因此选择一款合适的温度传感器是很有必要的。温度传感器按接触类型分为：接触、非接触两种传感器。接触传感器需要与被测物体接触，当与物体达到热平衡后能直接读出数值，因此也被称作温度计。非接触温度传感器主要通过辐射测温的方法来检测物体温度。温度传感器按输出方式分为：逻辑、数字和模拟三种传感器。1.逻辑温度传感器逻辑温度传感器适用于一些设备的启停，例如空调、风扇等，该类传感器适用一些并不需要准确的判定系统温度值，只需要所测值与预设值进行比较，当所测值比预设值高或者低时，进而对一些设备进行启停。LM56、MAX6501、MAX6509是其典型代表。2.模拟温度传感器模拟温度传感器有两种输出方式。一种是用电压控制，模拟温度传感器输出电压最大仅有几十毫伏，最低电压接近零毫伏，在传送过程中很容易受到其他信号的干扰，造成所测数据存在较大的误差；另一种输出方式是用电流控制，这种输出方式的优势是：输出的电流受其他因素影响较小，有较强的抗干扰能力的原因是有较高的输出阻抗，这种温度的传感器与单片机的接端仍需将电流转化成电压，然后再转化成单片机可以识别的信号。3.数字温度传感器数字温度传感器能把测得的温度量经过设备处理转化为直接读出的数字量。数字温度传感器也有两种，一种由模拟传感器和A/D转化电路组成；另一种的内部由计数器和振荡器构成，这种是真正意义上的数字温度传感器。数字式温度传感器在精度方面比传统的热敏电阻好，它采用集成芯片和单总线技术，具有较强的抗干扰能力，而且部分功能电路的集成能简化硬件设计进而缩短产品设计周期。如何选择数字温度传感器接口：SPI有较快的时钟速率，若一个数据流需要经常传输，那么SPI是一个很好的选择，但若一个应用属于低功耗类型或者需要多个器件在一条主线上，那么则应该选择I2C或SMSBus接口。I2C总线传输速度并不是太高，但对于温度传感器这种小数据的器件已经足够了。I2C也可以让多个主器件在同一条总线上工作,多个主器件能同步其时钟，因此均采用同一时钟，而且连接新从器件也简单，因为该总线只有两条导线，只需直接接入即可，不需要附加逻辑。SMBus是二线制串行总线，它只面向特定的管理应用，SMBus与I2C的主要区别体现在时序上，SMBus需要数据保持时间，而I2C总线却从里面来延长数据保持的时间。总体来说，SPI有较快的传输速度，但只能单个主器件多个从器件，因此管理的线路比较复杂。SMBus与I2C速度慢，主从管理比较好，比较省电和控制管脚。本课题采用的温度传感器型号是AD590，它是一款模拟温度传感器，它的测温范围适合粮库的温度，而且它的线性度比热电偶、热电阻、热敏电阻要好。由于选用的PIC16C74单片机内部自带模数转换器，AD590和PIC16C74能完成数字温度传感器的功能，数字温度传感器价格比模拟温度传感器高，考虑到经济成本，该系统没有选用数字温度传感器。AD590温度传感器的供电电压范围为3~30V，灵敏度为1μA/℃，而且AD590输出电流信号距离能满足粮库需求，该温度传感器阻值最高可以达到20兆欧姆，因此不必考虑传输导线等其他因素引起的附加电阻，所以它也适用于多个测温点和远距离传输的控制，这也是该系统选择AD590的重要原因。多个AD590温度传感器与多路转换器连接，然后通过单片机选择就可以查询每个温度传感器的信息了。2.1.2单片机的选择对测得的粮库进行数据处理以及对其他元器件控制都离不开智能设备，智能设备也可以选择微型计算机，但其价格较高，而且这些基本功能单片机也能完成，从成本角度考虑，选择一款合适的单片机就显得尤为重要。单片机也是一种集成电路芯片，它把CPU（中央处理器），RAM（随机存取存储器），ROM（只读存储器），以及I/O（输入输出端口），中断系统，定时器和计数器等集成到一块电路板上来完成对数据的处理和信息的控制。另外，它的内部采用总线结构，减少了各芯片之间的连接，这使得它具有较好的稳定性，因其体积小也易于对它进行保护，能在恶劣环境下工作，单片机也有较强的控制能力，它很适合像粮库温度检测这种专门的控制用途，低电压、低功耗也是它显著的优点。目前，市面上单片机的种类很多，选择本课题适合的单片机应该具备以下的特点：第一，粮库并不是特别稳定的环境，这要求单片机要有较好的稳定性和抗干扰性，选择的单片机内部要有较好的内部复位和内步延时的功能，当程序不能正常工作时，能进行正常的复位。第二，单片机应该能进行多次调试，包括要有免费的仿真软件，这种软件有的单片机厂商免费提供，所编写的程序可以在仿真软件上测试成功后再下载到单片机中，而且单片机应该可以用汇编语言或C语言进行编写，这利于后期编写程序，单片机还应该可以多次下载程序，也就是能进行多次“烧写”，选择这种单片机能减少后期的开发成本，因为能进行多次调试，所以降低了开发难度。第三，为避免外部电路太过复杂，单片机上应该有本设计需要的片上系统，包括模数转换器，同步异步接受发送器等。若没有这些片上系统，就需要在外部传感器和单片机之间添加上模数转换器，在总线和单片机之间加上同步异步接受器，增加了连接和调试的难度，因此为简化外部线路和降低调试难度，选择一款有丰富片上系统的单片机是很有必要的。该课题选用PIC单片机，该单片机优点：1.采用精简指令集（RISC），这使得它的指令包含更多的信息量，它的运行速度和效率也更快、更高。2.它有直接驱动数码管显示的能力，另外该单片机的外电路也简单，还具有在线调试、在线编程的功能，这是它的显著优点。3.当它为输入状态时，不论它的引脚呈现什么状态，对外均呈高阻态；当它为输出状态时，不论它的引脚呈现什么状态，均呈低阻态，而且它驱动能力强，电流流动性高。PIC单片机的缺点：在编程过程中需要多次选择相应的存储体，这使得对PIC单片机编程不太方便，在它的寄存器之间信息也不能直接传送，这是PIC单片机不如51单片机的地方。2.1.3显示器的选择在单片机系统中常见的显示器有：1.数码管，它通过对不同引脚输入不同的电流，显示出数字来表示一些参数，这种数码管价格不高，操作也简单，因此在家电领域得到广泛使用，像冰箱、空调、加热器等。2.LED点阵也就是发光二极管，它具有单向导电性，另外在P区N区掺入不同的化合物，可以发出不同颜色的光，它的体积比较小、耗电量低、散发热量小，因此广泛用于仪器仪表。3.LCD又称液晶显示器，它通过控制透光度技术来实现色彩控制，液晶材料本身不发光，需要显示屏两边提供光源，它功耗小，重量轻、功耗低广泛应用于仪表仪器。在该系统中只需要两位数字表示温度，两位数字表示仓库的编号，因此可以不必使用价格较高的液晶显示器，LED能满足所需，价格也不高，且使用交流电源供电，就能满足发光二极管显示器所需的功率，结合三个显示器的特点及价格，选择发光二极管显示器是不错的选择。2.1.4键盘的选择键盘在本系统中的作用有三个功能：第一，可以设置报警值；第二，设定仓库编号；第三，进入运行状态。输入键盘可分为编码键盘和非编码键盘两种。编码键盘不止需要按键还需要添加一些外部电路，这种键盘虽然使用方便，但是它有较多的外部电路，因此价格也比较昂贵，这也导致编码键盘使用较少。非编码键盘采用行列矩阵形式的结构，按下键节点导通，该点的信息被转换成位置码，送入主机后经过键盘驱动程序查表后生成相应的ASCII码，非编码键盘结构简单、外部用到的电路少，性价比较高，因此得到广泛使用。从成本角度和便捷程度来看，非编码键盘优于编码键盘，所以在本系统中采用非编码式键盘。2．2系统硬件电路设计该系统设计应该结合实际情况达到方案最优化，把成本、操作难易程度、可行性、以及系统稳定性都考虑其中。该系统有专用性，其核心能准确测出粮库的温度，超出预设值能自动报警，键盘属于单片机的一部分，键盘能设置系统的报警值，仓库编号，以及设置运行状态，在本系统中把键盘划分为外设部分，CPU处理温度采集信号时，主要对温度值进行检测、记录、计算，以及越限报警，该系统的总体设计思路如2.1图。因为有多个测温点，PIC单片机上的引脚有限，可通过多路转换器进行选择控制测温点。首先通过传感器测得温度，其次将测得的信号传输到放大滤波电路中，再从该电路传输到单片机，在单片机中进行模数转换，用单片机的运算，逻辑判断对这些数据加工处理，进而检测整个环境的温度，在检测之前需要把预设值提前存入。系统总体设计图如2.2图。图2.1系统总体设计框图图2.2系统总体结构图结构及功能介绍：1.键盘可以输入数据，调节温度上限值，选定测温点，也可以进行安装调试。2.报警电路在温度过高高于预置值时可以发出保护信号。3.LED显示器可以显示测得的温度值并能显示出相应的测试点，在修改数据和调试时，键盘能显示相应的信息。4.温度传感器线路主要功能是采集温度信息。2．2．1单片机控制电路设计粮库中的温度可以用LED四位八段数码管来显示，用第一位数码管显示温度正负值，粮库中的温度精确到小数点后一位，小数点用第三位数码管常亮表示，用最后一位数码管显示小数位。该设计用八个发光二极管显示测温点，当选择粮库的测温点时相应的二极管会发光显示。单片机控制电路如2.3图。图2.3单片机控制电路2．2．2放大滤波电路设计调节不同的放大倍数，可以通过调整图2.2中的R14，R15的比值来实现，通用集成运放AD741构成滤波器，能屏蔽掉杂质信号，得到清楚有用的信号，关于滤波电容，它漏电越小质量越好，因此可以选用漏电小、功率低的电容。2.2.3显示及报警电路设计单片机能将搜集到的信号与预先设定的数值进行比较，当温度值比预先设定的数值高时，单片机引脚输出高电平，报警器导通，发出报警声音。2．2．4键盘电路本设计用三个按键完成基本操作：转换模式键F、数字移位键G和增量键I。每按一次F键，系统将运行下面的状态：F状态1设定报警值2设定仓库编号3进入运行状态在1、2、3状态时可通过G键和I键修改原来的数据。当按下一次F时，显示器会闪烁下标，显示将要输入该位的位置，当输入完成后可以按下G键，下标会移动到下一位，输入的数据会储存到单片机里的储存器内。3、系统软件设计软件设计还是很重要的，它的设计直接影响到后期系统的可行性，稳定性，灵活性，操作难易程度等。好的软件设计能简化硬件系统，进而降低开发成本。一个好的软件设计应该有以下几个特点：1.在不大量更改软件的情况下，软件允许其他的设计程序加入其中，2.应该比较灵活，在需要更改一部分程序的时候，尽量不会影响到其他性能的模块。3.可以容易的用同样的接口代替。在本系统中，软件设计遵循以下原则，首先划分出程序功能框架，然后详细编写每一层的程序，这样能减少每个层次之间的相互影响，便于后期程序的修改，当每一层次的软件都调试成功后，将这些软件按照一定的顺序整合到一起。采用这种方法能缩短开发周期。本系统的完成的工作有：信息采集、数据处理、显示器更新、温度控制等。3．1主程序设计系统功能的总体设计包括以下方面：1.初始化程序2.键盘程序3.A/D采样子程序4.模数转换子程序5.显示器更新子程序6.温度控制子程序系统主程序设计框图如3.1图所示。图3.1主程序流程图3．2子程序设计3．2．1键盘扫描子程序本系统用模式转换键F、数字移位键G和增量键I三个键来完成基本操作。键盘扫描子程序框图如图3.2所示。首先判断是哪个键按下，然后再执行被按下键的子程序。例如按下F键，会执行F键的子程序，G键和I键流程图和F键相似，这里只画出F键作为代表。图3.2键盘扫描子程序具体程序如下：SCANKWYSMOVLWB’00110000’TRISRANOPNOPKEYBTFSCRA,0;RA0口有键按下?GOTO,KEY_F;是，转KEY_FBTFSCRA,1;RA1口有键按下?GOTOKEY_I；是，转KEY_GBEFSCRA,2;RA2口有键按下?GOTOKEY_G;是，转KEY_GGOTOKEY;不是，没键按下，转KEYF键子程序如图3.3所示，F键有调节状态的功能，按键次数不一样功能也不一样，第一次按下，设定报警值；第二次按下，设定仓库编号；第三次按下，设定运行状态。I键子程序可以完成设置数字功能，每按下一次I键，显示的数字加一。G键子程序完成选择显示位的功能，每按下一次G键，LED右移一位。二者的流程图与F键子程序相似。KEY_FMOVLW6000；调延时6ms子程序，去抖动CALLDELAYBTFSCRA,0GOTOKEY_F2；键确实按下，转KEY_F2GOTOKEY；没键按下，转KEYKEY_F2INCFTempFBTFSSRA,0；再检测键是否抬起？GOTOSERV_F；抬起，转SERV_FGOTOKEY_F2;未抬起，等待SERV_FMOVLW1SUBWFTempF,0；TempF存放按下F键的次数BTFSCSTATUS,Z；Z=0则跳，说明TempF！=1CALLSETHIGH；TempF=1，调设上限子程序MOVLW2SUBWFTempF,0BTFSXSTATUS,ZCALLSETNUMBER；TempF=2，调设仓库编号子程序MOVLW3SUBWFTempF,0BTFSCSTATUS,ZCALLRUN；TempF=3，进入运行状态MOVLW0；TempF>3，说明错误操作MOVWFTempF；重新检测键盘GOTOKEY图3.3按键F子程序3．2．2模数转换子程序PIC16c74中有模数转换器，将测得的温度值经模数转换后，查表得出的数字温度值，然后从端口输出，将转换后的信号送入八段数码显示管中，显示出测得的温度值。模数转换子程序如3.4图所示。图3.4模数转换子程序3．2．3显示更新子程序所测温度值用四位数码管就能表示出来，最高位用来显示正负值，具体数值用三位数码管进行表示，最后一位是温度值的小数位，第三位一直显示小数点。显示更新子程序如3.5图所示。图3.5显示更新子程序UPDATEDISPLAYMOVFPORT_A,WCLRFPORT_A;关显示ANDLW0FHMOVWFTempCBSFTempC,4；TempC第四位置1RRFTempC；右移一位BTFSSSTATUS,C；如果C=1，跳转BCFTempC,3；TempC第三位清零BTFSCTempC,0GOTOUpdateMsd;更新高位LEDBTFSCTempC,1GOTOUpdate3Lsd；更新低位第三个LEDBTFSCTempC,2GOTOUpdate2Lsd；更新低位第二个LEDUpdateLsdMOVFLsdTime,W；更新最后一个LEDANDLW0FHGOTODISPLAYOUTUpdate2LsdSWAPFLsdTime,WANDLW0FHGOTODISPLAYOUTUpdate3LsdMOVFMsdTime,WANDLW0FHGOTODISPLAYOUTUpdateMsdSWAPFMsdTime,WANDLW0FHDISPLAYOUTCALLLECTABLE;查字型表MOVWFPORT_D；送到RD口输出MOVFTempC,WMOVWFPORT_A；选择下一个数码管RETURNLEDTABLEADDWFPCLRETLWB’00111111’;0RETLWB’00000110’