【《基于单片机的冷库温湿度监测系统设计》8000字（论文）】

第第页基于单片机的冷库温湿度监测系统设计1绪论冷库温湿度检测的研究背景我国的综合国力得到不断提升的同时，科技生产力、社会竞争力也一同得到了快速发展，特别在传感器方面。伴随着社会生产与科技的飞速发展，传感器技术逐渐成为信息生活中最主流的技术行业之一。但拿我国现有的技术水平与国外的技术相比较起来，还是略有差距。落后就要挨打，因此，我们更应该在传感器领域投入更多精力，加强对传感器有关的技术研究，提高相关技能水平。努力解决国家因接触相关技术较晚所引起的问题。缩短我国与世界上其他国家在单片机技术领域发展上的差距。提高国家在世界市场上的竞争力，增加国际贸易输出。促进国家经济增长，更快完成国家现代化建设。1.2冷库温湿度控制系统的研究目的及意义现代社会的经济发展、科技水平提高的同时，人们对生活品质的要求也有所提高。特别是食品方面，从70、80年代单纯吃饱的要求渐渐转变为吃饱吃好的同时每天也要获取更多的营养与能量。但食品安全事故频繁以新闻、报纸等形式出现在人们眼前，间接影响着社会的稳定，所以食品安全问题已经成为大众所关注的共同话题。为此，我国现已颁布的《中华人民共和国食品安全法》对食品安全问题做出了明确的法律约束，进一步规范了食品对于产地来源、加工方式、销售渠道等方面的要求。也正因为有了法律的颁布，人们对于食品产地、制作过程、运输方式等角度越来越关注。特别对于食品质量的要求更为严格，尤其是在食品储存运输阶段,要求食品在运输途中要严格保障其新鲜度。而食品品质与食品运输时长和进入冷藏前冷库内部的温湿度密切相关，食品种类不同,其适宜储存的温度也不尽相同。每一座冷库的工作温度会依据该冷库储存的食品种类，设定自己独立所属的，符合目前的，保证食品新鲜的环境工作温度。针对冷藏食品种类繁多的情况，工作人员要对自己所在管辖区域内冷库系统的实际环境温度参数做好观察记录，确保冷库内部工作环境参数在发生故障情况下及时作出判断。在第一时间到达故障现场，记录实时数据。根据所计数据在分析原因的过程中找到解决问题的方法。防止因故障范围扩大，带来更严重的事故，造成不必要的经济损失。1.3冷库温湿度控制系统的发展现状冷库是冷藏业的基础设施，冷库的应用场景有很多，但还是以食品冷藏为主。将生鲜进行保存冷藏，保证了食品营养成分在车辆运输过程不会因运输时间过长造成大量流失，同时也避免了生产、储存、销售过程中食物因腐败变质等不可抗因素而产生大量经济损耗。现如今冷库行业发展较快的国家主要还是以欧美为代表的发达国家,其大型冷库温度实时监测管理的技术也比中国发展的速度要快，特别是日本。日本作为亚洲最大的速冻食品生产国,其国家现有的装配冷库数量是我国的5.3倍。冷库温度监测管理的技术也非常先进。70年代之前，国外的制冷系统大多数以氨作为主制冷剂，但在80年代之后，分散式制冷系统逐渐取代了集中式制冷系统成为了制冷市场上的主要核心。在时代驱使下怎样改进制冷技术，冷库温湿度监测系统依然是制冷系统的最重要内容。伴随对温度采集数据精度的高标准严要求，报警方式也随着科技进步有所变化，即在报警灯和蜂鸣器报警中添加了无线报警方式。由于我国人口众多，对食品的要求数量庞大,为满足国人日摄营养指标的同时保证食品质量，是目前来说较为困难的事情。我国现拥有大量的水果蔬菜冷藏库，其储存总量可达200万吨。其中以水果蔬菜作为存储类型的冷库其允许工作的最低温度在零下3摄氏度，以水产、肉类作为冷冻类型的冷库其允许工作的最低温度在零下2摄氏度左右。因此则对我国现阶段冷库温湿度监测管理技术提出更高的要求。2冷库温湿度监测系统方案选择2.1控制元件方案选择与论证方案一：采用FPGA可编辑逻辑器件作为系统的控制核心，在逻辑使用的过程中如若想在已有逻辑语句上添加新的逻辑控制语言，只需对FPGA进行二次编辑便可完成相应的逻辑功能要求，具有较强的灵活性。在逻辑语言执行的过程中，FPGA不受其他逻辑元件的影响，有较强大的独立性。FPGA内部结构紧密，高度集成。在进行器件电路布局和排线环节，其接线形式相对容易操作，无需消耗大量时间精力。因此，使用FPGA可编程逻辑器件作为系统控制器件，能够在程序设计，硬件组装上节省大量的时间。系统结构框图如图1.1所示。图1.1FPGA的系统结构框图方案二：采用PLC作为系统的控制核心，使用PLC的好处具体表现在逻辑语言彼此之间联系紧密，在程序运行过程中不易出错，具有可靠性。二，执行逻辑语言所需的时间很短，可快速得到执行结果，具有较强的实用性。三，若在逻辑运行期间系统出现了某些问题，中央处理器会立刻采取行动停止系统的运行，具有较强的稳定性。PLC的系统结构框图如下图1.2所示图1.2PLC系统结构框图方案三：将89C51单片机作为系统的控制核心。它的硬件体积占比较小，使用功能全面，因此可将它当作最小型计算机系统，再加上单片机内部结构不过于复杂，简洁明了。可用于集成度高，需要系统进行长时间运行的工作环境中。通过对以上三种方案的讨论比较，考虑到身边现有的资源条件，决定采用方案三即以89C51单片机作为系统的控制核心。2.2显示元件方案选择数值显示的常见方法有数码管显示，发光二极管显示与液晶屏显示这三种显示方式。方案一：运用数码管显示，单个数码管上配有8个引脚，在设计显示电路的过程中，除需要显示已设置好的温度、湿度值之外还要显示实际环境下温度、湿度值，可见所需显示的数据参数之多，倘若加上数码管的引脚，致使显示电路端口处接线过多，易产生接线错误的问题。所以，用数码管做显示器件的方案并不可行。方案二：用发光二极管做显示器件。很显然，用发光二极管做显示器件的这个方案也不可行。原因是发光二极管只能证明显示器件内部有电流流过，不能显示数据的具体数值。方案三：用液晶显示屏显示实时环境数据。它所具备的优点有，一，正常情况下液晶显示器的清晰度会比普通显示器件的清晰度要更高，且显示信号不会随电压压值的不稳定性产生持续波动的现象。二，对于数字型显示器，其接线只需要几根连接线便可与单片机内部数据进行交换，因此引脚处的接线简单可靠，不会出现接口接错的问题。三在相同显示面积下，液晶显示器的使用数量可能比普通的显示器的使用数量要少，器件重量也要轻得多。将三种显示方式放在一起讨论，比较得出采用液晶显示屏显示数据是最合适的方案。2.3温湿度传感器元件的选择与论证方案一：此方案选择模拟集成温度传感器，此传感器主要使用硅半材料加工制成，统称为硅半导体传感器，能够完成温度的测量。它的功能比较单一，只能进行温度的测量，但是测出温度数据误差比较小，并且市场上价格便宜。它的特点还有接收数据的速度很快，能够实现远距离传输，并且尺寸小，功耗低，外围电路的设计也很简单。因此，他非常适合用在远距离的温度测量。它的测温电路原理图如图1.3所示。图1.3硅传感器测温原理图方案二：DHT11温湿度传感器作为复合传感器中的一种。它拥有其他传感器不具备的东西，即数字信号采集以及温湿度传感技术。只凭这一点便能够保证系统的可靠性与稳定性。DHT11经过实验室内部严格的检测后，单片机内部的校准系数会以程序的形式放在器件中存储一小段时间，之后传感器会在检测信号处理过程中调用这些校准系数。传感器使用单总线通信协议，单片机和传感器之间的通信和同步通过DATA接口进行传输。每次通讯时间约为4ms。当单片机指令后，DHT11的状态便会由低速向高速发生转变。当启动信号结束之后，DHT11，在发出响应信号期间，触发信号进行再一次数据采集，然后送出最后测得的数据。通过以上两种方案的的对比，选择方案二更合适。与硅传感器相比，DHT11自身的功能更为全面，不仅能测得实际温度数据的同时还能测实际湿度数据，减少传感器的使用数量。另外数字信号通过它可直接把信号输送给单片机，简化了电路，更加符合设计的需要。3硬件电路设计3.1总体方案设计根据课题的实际应用场景可知，冷库温湿度监测系统主要用于冷库实际工作环境中，根据监测系统所具备的功能可得知冷库温湿度监测系统中应包含单片机控制系统、温湿度数据采集电路、液晶显示电路、按键鸣笛电路、闪烁报警电路这五个内部结构。在温湿度监测系统中，温湿度传感器DHT11将采集到的数字量信号输送给单片机，单片机实时收集来自传感器中的数据，将数据放置在单片机内部程序相对应的地方，程序运行完后，输出温度、湿度数据来驱动液晶显示屏实现数据显示。通过与温湿度设定值的比较来确定是否驱动报警电路报警。若实际环境参数高于温湿度设定值，驱动报警电路报警。具体系统结构框图如图1.4所示。图1.4系统设计框图3.2主控元件选择3.2.1单片机介绍AT89C51型单片机是一种具有低电压，高性能的8位单片机,器件内部配有高精度以及非易失性存储技术,兼容MCS-51指令系统，片内装置通用8位中央处理器和Flash单元。AT89C51单片机对开发设备的基础要求很低，能够大大缩短在技术开发上所耗费的时间。而且，目前为止AT89C51系列单片机在市场需求供应中较为充足。AT89C51作为真正的单片机最小应用系统之一，可大幅度的减少系统装备体积。不仅如此，单片机上所装备的四个输入输出口引脚可全部提供给用户使用。3.2.2单片机引脚介绍单片机是一块包含处理器、存储器、输入输出接口(定时器/计数器，串行口，模数转换器以及脉宽调制器)等结构的集成电路芯片。AT89C51单片机的引脚图如下图1.5所示。图1.5单片机引脚图主要引脚功能说明:（1）电源引脚VCC:供电电压。GND:接地。输入输出口引脚在单片机中P0~P3所有引脚既可以做信号输入端口，也可以做信号输出端口，除了P0口是一个8位漏极开路的双向口，P1口到P3口这三个引脚口内部都有属于自己的上拉电阻。（3）控制引脚在该系统中，用到的控制引脚有RST、XTAL1、XTAL2三个引脚，其功能分别为，RST：复位引脚XTAL1：反向放大器的输入与时钟工作电路的输入。XTAL2：用于反向放大器的输出。3.3按键电路图1.6按键电路为保证储存在冷库内的蔬菜水果，海产肉类的品质新鲜、不易变质。首要前提便需要冷库内温度、湿度等参数维持在允许食品进行冷藏保鲜的数据范围内。由此推断，在生鲜食品进入冷库储存之前，需要提前设置好冷库内的环境参数。在此系统中，会通过两组按键电路分别控制内部工作环境的温度值与湿度值，具体温湿度电路设计如图1.6所示。若在温度设置模块按下up键，代表理想工作环境温度值升高一度：按下down键，理想工作环境温度降低一度。此操作方式也同样适用于湿度模块按键电路，且与温度设置模块变化方式相同。若在湿度设置模块按下up键，代表理想工作环境湿度值升高一度：按下down键，理想工作环境湿度降低一度。3.4温度检测模块3.4.1检测器件介绍在该设计中，将使用Pt100铂电阻温度传感器作为监测工作环境温度值器件，硬件电路图如图1.7（a）所示图1.7（a）Pt100硬件电路图工作原理：铂电阻温度传感器是利用电阻自身产生的温度值的大小进行工作的，即电阻内部温度值的大小会影响电阻自身阻值。因此只需求出两种不同温度下，各自工作条件下对应电阻的阻值，求出阻值差。便可通过差值得出工作环境的实际温度值。其测值公式为：R在公式中，Rt0为0摄氏度温度环境下，电阻此时对应的阻值；α为温度系数；Rt为t摄氏度环境下的电阻阻值。Pt100表1Pt100温度传感器分度表温度（℃）-50-40-30-20-10010阻值（Ω）80.3184.2788.2292.1696.09100103.90温度（℃）20304050607080阻值（Ω）107.79111.67115.54119.40123.24127.08130.90温度（℃）90100110120130140150阻值（Ω）134.71138.51142.29146.07149.83153.58157.33温度（℃）160170180190200阻值（Ω）161.05164.77168.48172.17175.86铂电阻温度传感器具有抗震能力强、耐高压、稳定性好、测试精度高等优点，铂电阻传感器的温度测量范围更是其他温度传感器所替代不了的。其温度测量范围为零下200摄氏度到850摄氏度，热响应时间在30秒以内。3.4.2温度检测电路如图1.7（b）所示，为冷库温湿度监测系统中温度检测电路的硬件接线图。图1.7（b）Pt100硬件接线图当Pt100的阻值随着温度变化改变时，电阻R2上的结点处的电位也会随之改变。因电阻R6左端结点处没有温度电阻Pt100对其进行分压，所以此结点处的电压值固定不变。两结点处电压经过AD623的运算放大后便能知道具体差值。所求出的这个差值也和温度变化情况有关。若得出电压值与温度变化相关的运放输出电压表达式，便可推出Pt100温度测量传感器在不同工作电压下的实际温度值。3.5湿度检测模块3.5.1检测器件介绍本系统设计中，采集冷库实际工作环境情况下空气中所含湿度含量的电路为湿度监测电路。在该设计中，选择DHT11作为湿度检测元件。硬件图如图1.8所示。图1.8DHT11硬件图DHT11温湿度传感器是一块综合传感器。该综合传感器里掌握了数字模块采集技术和温湿度传感技术。因其器件内部结构中配有和自身器件相匹配A/D转换器，可在器件内部自动将采集来的模拟信号量输入转换为数字信号量输出，保证了测量数据的准确性和可靠性。可适用于远距离工作模式下的数据传输。不仅如此，由于器件结构中存在感湿元件和测温元件，可使DHT11对实际环境中的温度、湿度值同时进行测量。DHT11所测得的参数可直接通过单根数据线输入到单片机中，减少了数据传输线的大量使用，节约资源。引脚介绍：VDD：电源引脚，供电压值为3到5.5伏的直流电。DATA：单线双向运行方式的串行接口。NC：悬空。GND：电源负极。在该系统中，DHT11用于测量实际环境中的湿度值。传感器具体工作性能说明，如表2所示。表2DHT11工作性能参数条件MinTypMax单位湿度分辨率111%RH8Bit重复性±1%RH精度25℃±4%RH0－50℃±5%RH互换性可完全互换量程范围0℃3090%RH25℃2090%RH50℃2080%RH响应时间1/e(63%)25℃，1m/s空气61015S迟滞±1%RH长期稳定性典型值±1%RH/yr3.5.2湿度检测电路如图1.9所示，为湿度检测电路的硬件电路图。图1.9湿度检测硬件接线图湿度传感器用于采集冷库工作场景下空气中的湿度含量，通过DHT11内部自带的A/D转换器，将湿度这种模拟量信号转换为数字量信号，并及时把测量参数输送给单片机。在2引脚上的接10KΩ上拉电阻目的是为了扩大湿度传感器的工作范围，若工作连接线的接线长度小于20米时，可接5KΩ的上拉电阻。3.6显示电路3.6.1显示器器件介绍在此次设计中，选择LCD1602型液晶显示器完成系统设计中的数字显示功能，如图1.9（a）所示。在显示器内部有一块HD44780控制器，在这个控制器中包含一组寄存器。这一组寄存器中用于指令寄存的器件是指令寄存器，在系统运行时，指令寄存器将会得到从外部输入而来的指令信号。但该指令信号不能从寄存器中被读出，而数据寄存器则用于数据寄存上。图2.0（a）LCD1602硬件电路图显示器LCD1引脚功能说明：RS:决定寄存器的工作方式；R/W:读写信号线；E：为使能端，决定显示器能否正常工作，一般默认为下降沿时，元器件才能工作；DB0~DB3:为数据总线的0~3位；DB4~DB7:为数据总线的4~7位。3.6.2显示电路设计液晶显示器显示原理：显示区域处的显示数值由显示器内部电压控制相应引脚来实现，该系统设计中显示电路如图2.0（b）所示。图2.0（b）显示电路图3.7报警电路检测系统能够显示正常工作情况下的环境温度数值，实现检测功能。但当检测到环境温度异常时，则需要及时发出报警信号，提醒工作人员及时处理导致环境温度异常的因素，排除异常。保证食材在冷库里保存完好。为此则需设计一个报警电路。报警电路中所需要的元器件主要是蜂鸣器。蜂鸣器俗称音响，它具体应用在打印机、报警器、电话机等进行信息提示的应用场所。通常蜂鸣器内部工作电流相较于其他元器件稍微大一些，若电路上自有的逻辑电平没有足够大电流驱动蜂鸣器发生振动，则需要额外增加一个电流放大的电路。图2.1报警电路在图2.1中P2.3端口上连接的是温度报警信号灯，P2.4端口上连接的为湿度报警信号灯当实际环境温度超过界值时，单片机内部程序向P2.3外部输出高电平，此时信号灯D1闪烁，闪烁灯显示为红色的同时蜂鸣器报警。同理当环境湿度超过设定界值时，单片机内部程序向P2.4管脚输出高电平，信号灯D2闪烁，闪烁灯显示黄色的同时单片机驱动蜂鸣器报警。4冷库温湿度软件设计完成硬件设计后。要对单片机进行编程。此次系统设计选择Keil语言对软件进行编程。根据所设计出的硬件电路，大致清楚了系统的工作过程：传感器对环境的温湿度进行信息采集，然后通过A/D转换器把转换后的数字信号送入单片机内部。若需要设置理想参数值，只操作按键电路便能完成。之后单片机对信号进行进一步数据处理，将处理后的信号送到单片机所对应的显示模块输出口，通过LCD液晶显示屏显示具体数值。若实际超出理想参数值，单片机驱动报警电路报警。总体软件设计框图图如图2.2所示图2.2程序设计框图3.1温湿度监测程序温湿度监测流程主要部分是温湿度传感器的数据采集处理。首先要对系统进行初始化，设置好各个端口的工作模式后开始进行温湿度数据采具体流程图如图2.3所示。图2.3温湿度监测流程图单片机内部温度算法程序如下所示3.2显示程序设计图2.4按键电路流程图显示电路的主要环节便是实际温湿度参数显示模块，本设计显示电路的主要元器件为LCD1602型液晶显示器。当程序开始运行时，显示器会实时显示当前环境参数，若在程序运行过程中设置理想参数值，实时参数值在显示界面保持不变。显示流程图如图2.4所示。3.3报警程序设计对于报警电路来说，它的作用是当实际环境温度大于理想环境温度界值时，报警电路鸣笛并伴随着信号灯闪烁。喇叭的音量能及时警醒工作人员现有工作环境中出现某些紧急情况，需要立刻处理。信号灯的颜色可分辨出紧急情况出现的具体原因。报警电路具体工作流程如图2.5所示。图2.5报警电路的工作流程部分代码如下：仿真模拟4.1仿真过程本次毕业设计题目为基于单片机的冷库环境温湿度检测控制系统。运行流程大致是单片机AT89C51定期收集温湿度传感器检测到的外部环境的温度和湿度信号，把数据发送到单片机并将收集到的实际温度和湿度数据通过单片机驱动液晶显示屏进行数据显示，用测量到的实际环境下的数值与检测元件内部设置的温湿度数值进行数据比较，若实际温度高于设定值，单片机就会驱动信号灯闪烁，同时驱动蜂鸣器报警。4.2仿真模拟实际仿真图如图2.6所示。（1）如