基于单片机的粮仓温湿度控制系统设计.docx
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基于单片机的粮仓温湿度控制系统设计
题目基于单片机的粮仓温湿度控制系统设计
学生姓名张大陆学号1213014089
所在学院物理与电信工程学院
专业班级电子信息工程专业12级3班
指导教师帅春江
完成地点陕西理工学院
2016年6月5日
基于单片机的粮仓温湿度控制系统设计
作者:
张大陆
（陕西理工学院物理与电信工程学院电子信息工程专业12级3班，陕西汉中723001）
指导老师：
帅春江
［摘要］影响粮食安全储存的主要参数是粮仓的温度和湿度,粮仓温湿度测量方法以及相应的智能控制一直是粮食储存的一个重要问题。
本设计采用STC89C52单片机最小系统对检测、报警、显示、调控等模块进行多点控制，传统的温湿度控制利用温度计、湿度表、湿度试纸等测试器材,通过人工进行检测，对不符合温湿度要求的库房进行通风、降温、去湿等操作。
这种方法费时费力，效率低，随机性大，误差大,不能及时的解决问题。
本设计则通过自动检测、即时报警、自动调控等功能很好的解决了.并且，本设计不仅针对粮仓，对于大多譬如蔬菜大棚、花圃、实验室、医院等需要温湿度检测控制的各个领域都是适用的。
［关键词］ 粮仓；温湿度；多点检测控制；单片机
Designoftemperatureandhumiditycontrolsystemforgrananybasedonsinglechipmicrocomputer
Author：
DaluZhang
（Grade12，Class3，Majorelectronic1sandinformationengineering，SchoolofPhysicsandElectronicInformationEngineering，ShaanxiUniversityofTechnology,Hanzhong723001，Shaanxi）
Tutor：
ChunjiangShuai
Abstract：
Grainisanecessityforhuman，thegrainstorageisveryessentialtothemaintenanceofsocialstabilityandkeep the economy sustainable developmented.Andthemain parameterstothegrainsafestorageisthe temperature and humidity 。
This design uses the STC89C52 system of single chip microcomputertocotrolthemodulesaboutthedetection，alarm，controlandthekey.Anditcouldautomaticmeasurementandcontrolwithoutpeople,andimproveeffciencyandqualityofworkverywell。
DHT11temperatureandhumiditysensorsand OLED display shows realtime dataandpasstothestaffwithinstantandaccurate.WhilethetraditionaltemperatureandhumiditycontrolisuseofThermometer,humiditytable，humiditydipsticktestequipment.Throughtheartificialtesting.Notinconformitywiththerequirementsofthetemperatureandhumiditysupplycooling，ventilation，towetoperation.Thisartificialtestingtime-consuming,theefficiencyislow.Thisdesignisbyautomaticdetection,instantalarm,automaticregulationoffunctionssuchasagoodsolutiontotheseproblems。
Atlast,thisdesignnotonlyagainstthegranary，butalsoformostsuchasvegetablegreenhouses,flowersgarden，laboratories，hospitalscouldalsobeapplicabled.
Keywords:
Granary；automaticdetectionandcontrol；temperatureandhumidity;Singlechip
1 引言
1.1背景及意义
粮食储存是国家针对战争、饥荒和一些突发事件所做的预防准备，所以粮食的储存安全至关重要。
目前，我国部分地区的各种大型粮仓都还存在不同程度的粮食变质问题。
依据国家粮食保护法，必须定期检查粮仓各点的温湿度,以便及时采取相应的措施。
但许多粮仓目前还是采取人工检测的方法,不仅使粮仓工作人员工作量增大，而且工作效率低,尤其是大型粮仓的温度检测任务如不能及时彻底完成，则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斤，直接造成了巨大的经济损失.
影响粮食安全储藏的主要参数是粮仓的温度和湿度.粮食在正常储藏过程中，如果粮食受潮,就会导致发芽，新陈代谢加快并产生呼吸热，使粮食温度突然升高,引起粮食霉变,造成许多不可挽回的损失.为此，研究与设计以单片机为控制核心，基于数字温度和湿度传感器的自动检测系统，对粮库每个粮仓中各点位的温度及湿度的变化情况进行实时自动测试,一旦出现异常现象便于及时处理,对有效地提高事故的预见性和工作效率有着重要的实际推广价值和理论研究意义。
1。
2 现状及发展趋势
早期粮情监测主要采用温湿度计测量法，根据经验放在粮仓的多个测温点，管理人员定期读数，确定粮仓温湿度的高、低，决定是否进行调控.这种方法对储粮有一定的作用，但由于温湿度计精度、人工读数时人为误差等因素影响,检测时不仅效率低,而且精度差,局部温湿度过高不易被及时发现，导致因局部粮食发霉变质引起大面积坏粮的情况时有发生。
近年来，随着单片机的日益成熟和计算机的广泛应用,粮食测控系统的准确性要求越来越高,寻找测控系统最好配置和最佳性价比成为当前的热门研究内容。
外国在粮仓情况监测技术上已经达到了非常成熟的地步，在监测系统中广泛应用了高科技数字式传感器。
这一种由半导体集成电路与微控制器等最新的技术为核心的传感器，在一个管心上集成了半导体温度监测芯和信号转换芯、接口芯片、储存芯片等，不仅完成检测外，还完成预设范围内的温度、报警功能。
由于数字温度传感器直接传出数字信号,从而解决长距离传输的问题，在传输过程中的干扰和衰减而导致的精度降低等问题也会随之解决。
影响粮仓温湿度检测技术的重要因素是传感器的技术的发展.
1.3研究内容
本设计使用STC89C52型单片机作为系统硬件核心，具有在线编程功能，且功耗低等特点.检测部分采用四组DHT11温湿度传感器，可以即时的反应粮仓内四个监控点的温度以及湿度的变化，并反馈给单片机,经过单片机处理后控制相应继电器工作完成诸如升温到特定的温度、降温到特定的温度，在湿度控制方面也是如此。
2 系统总体方案设计
2。
1 设计要求
（1）本设计给出粮仓温湿度控制系统的总体方案设想,智能项目，和设计结构规划。
（2）硬件设计：
实现对粮仓温湿度采集、控制，以单片机为主的控制器，扩展必要的外部电路,设计制作一个控制系统。
（3）软件设计：
各项功能的设计流程。
（4）发挥部分：
多点分布式。
2。
2 系统基本方案
2.2。
1 传感器方案
方案一：
选用DS18B20温度传感器作为温度检测模块.DS18B20是一线式数字温度传感器.具有独特的单线式接口方式。
测量范围在—10℃～85℃,误差范围在-\+0.5℃。
最高精度可达0。
0625℃。
选用HS1101湿度传感器作为湿度检测模块，HS1101是电容式湿度传感器。
可测量相对湿度范围在0%~100%RH。
误差为—\+2％RH。
方案二：
选用DHT11作为设计的温湿度检测模块。
DHT11是一款集成型的数字温湿度一体传感器。
它应用专用的温湿度传感技术以及数字模块采集技术，具有很高的可靠性能与长期的稳定性。
电阻式感湿元件和NTC测温元件是传感器的基本组成部分。
因此该产品品质优良、响应速度快、抗干扰能力强、性价比极高。
测量范围20％~90%RH,0℃~50℃。
测温精度为—\+2℃，测湿精度为-\+5%RH。
完全符合本次毕业设计的要求。
经上述分析，方案一虽然精度更精确。
却稍显复杂。
方案二即便不能实现方案一的高精度测量。
却也能满足设计要求。
且简便易行。
可靠稳定.具有超高的性价比。
故选择方案二.
2。
2.2 显示器方案
方案一：
采用12864OLED屏。
显示模块是128×64点阵的汉字图形型OLED显示模块，可显示汉字及图形，内置8192个中文汉字（16X16点阵）、128个字符（8X16点阵）及64X256点阵显示RAM（GDRAM）,可与CPU直接接口。
方案二:
采用HJ1602液晶显示屏.HJ1602A是一种工业字符型液晶，能够同时显示16x02即32个字符.（16列2行）.1602只能显示字母、数字和符号能显示16*2个字符，但寄存器不止32个，有一些显示效果,如字符一个个显示、字符从左到右或从右到左显示等等，显示效果简单.
总结：
在编程使用方面，两者难度差异较小,OLED屏幕略复杂。
但相比于1602液晶屏，OLED12864所占用单片机管脚少，屏幕亮度高、显示更加清晰、并且显示的内容更多，能更形象具体的实现显示功能。
2。
2.3 单片机主芯片方案
方案一:
AT89C51是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS型8位单片机,器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元，功能强大。
其片内的4K程序存储器是FLASH工艺的，这种单片机对开发设备的要求很低，开发时间也大大缩短.写入单片机内的程序还可以进行加密，这又很好地保护我们的劳动成果。
再者，AT89C51目前的售价比8031还低，市场供应也很充足。
AT89C51可构成真正的单片机最小应用系统，缩小系统体积，增加系统的可靠性,降低系统的成本。
只要程序长度小于4K，四个I/O口全部提供给用户。
可用5V电压编程，而且擦写时间仅需lOms[1］.
方案二：
STC89C52是STC公司生产的功耗低、性能高CMOS8位微控制器,具有8K可编程Flash存储器。
STC89C52使用的MCS-51内核，做了很大的提高使芯片具有传统的51单片机所不具备的功能。
在芯片上，拥有8位CPU和可编程Flash，使得STC89C52为嵌入式控制系统提供灵活和有效的解决方案.具有以下的标准功能：
8k字节Flash，512字节RAM，看门狗定时器，32位I/O口线，内置4KBEEPROM,MAX810复位电路，3个16位定时器/计数器，2个外部中断，全双工串行口。
另外STC89C52可降至0Hz静态逻辑操作,支持2种软件可选择节电模式.空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作.断电保护模式下，RAM内容保存，并冻结振荡器，单片机工作停止，直到下一个中断或硬件复位。
其最高的运作频率为35MHz，6T/12T可选［2］。
下载程序方面直接串口就可以下载。
STC89C51系列单片机的指令系统和AT89C51系列的完全兼容，但实际操作却比AT89C51系列有许多优点：
（1）AT89C51不带ISP下载，要用下载器才行，STC89C52可以用USB转串口下载，下载软件免费并且下载源充足。
（2）STC单片机执行指令的速度很快，大约是AT的3—30倍，只需在调试STC时注意加长延时,大约是AT的10—30倍。
（3）STC单片机对工作环境的要求比较低，电压低于5伏时仍然正常工作，甚至3伏到4伏之间都还可以工作，但这样的环境下AT则无法工作.
（4）STC单片机的EA\VPP端口默认为悬空高电平，无需添加VCC。
比较这两种方案，基于STC89C52单片机的使用相对简便，并且市面上STC单片机使用量大,货源充足，故选择方案二作为主控模块核心[3]。
2。
3总体设计框图
综上各方案所述:
采用STC89C52作为主控制系统，12M晶振提供时钟信号，IIC通信OLED12864显示屏作为显示部分，独立按键进行控制系统工作条件设定，蜂鸣器作为报警发声系统,如图2.1所示
图2。
1基于单片机的粮仓温湿度控制系统框图
3 系统硬件设计
3。
1 主控模块
3。
1。
1 STC89C52芯片
STC89C52是STC公司生产的功耗低、性能高CMOS8位微控制器，具有8K可编程Flash存储器。
STC89C52使用的MCS-51内核，做了很大的提高使芯片具有传统的51单片机不具备的功能[4]。
STC89C52具有下列主要性能：
⑴增强型8051单片机,6时钟机械周期和12时钟机械周期可供选择，代码指令完兼容一般8051；
⑵工作电压：
5.5V～3.3V（5V单片机）/3。
8V～2.0V（3V单片机）；
⑶频率的范围:
0～40MHz,相当于普通8051的0～80MHz，实际工作频率可达48MHz ；
⑷应用程序写入空间为8K字节；
⑸片上集成512字节RAM；
⑹通用I/O口（32个），复位之后为：
P0/P1/P2/P3是准双向口/弱上拉，P0口是开路输出,当其为总线扩展用时，无需加上上拉电阻，而作为I/O口用时，需加上拉电阻；
⑺ISP/IAP，无需专用编程器，无需专用 仿真器,可通过串口（RxD/P3。
0,TxD/P3.1）直接下载用户程序，数秒即可完成一片 ；
⑻具有EEPROM功能 ；
⑼具有 看门狗功能 ；
⑽共3个16位定时器.即定时器T0、T1、T2；
⑾外部中断2路，下降沿中断或低电平触发，由低电平触发中断方式唤醒PowerDown模式；
⑿通用异步串行口（UART），还可用定时器 软件实现多个UART；
⒀工作温度范围：
-40～+85℃（工业级）/0~75℃（商业级）；
⒁PDIP封装。
3.1。
2 STC89C52芯片的管脚、引线与功能
（1）STC89C52管脚如图3.1所示。
图3.1 STC89C52单片机的管脚图
（2）管脚功能
VCC：
接+5V电源正端.
GND:
接+5V电源地端。
P0口：
P0.0-P0.7统称为P0口，在不接片外存储器与不扩展I/O口时,可作为准双向I/O口。
在接有片外存储器或扩展I/O口时，P0口分时复用为低8位地址总线和双向数据总线[4］.
P1口:
P1口是一个8位的双向I/O口，其内部提供上拉电阻。
P1口缓冲器能接受输出4TTL门电流.P1口管脚写入1时，被内部上拉为高，可用于输入，由于上拉电阻的缘故,P1口下拉为低电平时，将输出电流[5]。
P1.0和P1。
1还有第二功能：
P1。
0可作为定时/计数器2的计数脉冲输入端T2；P1.1可作为定时/计数器2的外部控制端T2EX.
P2口:
P2.0—P2。
7统称为P2口，一般可作为准双向I/O口使用；在接有片外寄存器或扩展I/O口且寻址范围超过256B时,P2口用作高8位地址总线.
P3口：
P3.0-P3.7统称为P3口，是一个内部带上拉电阻的8位的双向I/O口。
除作为准双向I/O口使用外,P3口还可具有第二功能，而且P3口的每一条引脚均可独立定义为第一功能的输入输出或第二功能[6］。
RST：
复位输出引脚。
若该引脚保持两个周期的高电平，则可以使C51处于初始化（复位）工作状态。
EA/VPP:
片外存储器访问允许信号，低电平有效。
在EA保持低电平期间，不管是否有内部程序存储器,外部程序存储器（0000H-FFFFH）工作，注意：
加密位LB1被编程时,EA将内部锁定为RESET。
在EA端保持高电平期间，内部的程序存储器工作.其第二功能VPP为对EPROM的编程电源输入。
ALE:
地址锁存有效信号输出端.在访问片外程序存储器期间，ALE以每机器周期两次进行信号输出,其下降沿用于控制锁存P0输出的低8位地址；在不访问片外程序寄存器期间,ALE端仍以上诉频率出现，可作为对外输出的时钟脉冲或用于定时目的.但要注意，在访问片外数据寄存器期间,ALE脉冲会跳空一个，此时就不能作为时钟输出了。
PSEN：
当该引脚为低电平时，片外程序存储器被选通。
在片外程序存储器取指期间，每个机器周期PSEN两次有效,但在访问片外数据存储器时，两次有效的PSEN信号将不会出现。
XTAL1：
反向震荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入（当外接振荡器时,此引脚接振荡器的信号）。
XTAL2：
反向振荡器的输出（当外接振荡器时,此引脚悬浮）［7].
P3口的第二功能如表3。
1所示。
表3。
1P3端口的特殊功能
端口引脚兼用功能
P3。
0RXD（串行口输入端）
P3。
1TXD（串行口输出端）
P3.2
（外部中断0请求输入端，低电平有效）
P3.3
（外部中断1请求输入端，低电平有效）
P3.4T0（定时/计数器0计数脉冲输入端）
P3.5T1（定时/计数器1计数脉冲输入端）
P3。
6
（外部数据存储器写选通信号输出端，低电平有效）
P3。
7
（外部数据存储器读选通信号输出端，低电平有效）
3.1.3 主控模块电路原理图
单片机主程序模块通过对DHT11传感器采集到信号的读取，将得到的数据信号进行分析和处理,再将处理后的信号发送给1602液晶显示模块。
完成信息的接收与发送。
并且连接蜂鸣器。
控制报警系统。
如图3.2所示。
图3.2 STC89C52模块电路原理图
3.2 温湿度检测模块
3.2。
1 DHT11传感器简介
DHT11传感器是一种由可校准并且输出数字信号的温湿度传感器。
它采用了数字式的模块采集和温湿度传感技术，具有非常高的可靠性与长期的使用稳定性。
传感器由一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件组成。
因此该产品品质卓越、响应速度快、抗干扰能力强、性价比极高[8］。
每一个DHT11传感器都在非常严格的校验室中进行校验。
校验系数则通过程序的方式存储在OTP内存中，在传感器的内部在检测和处理信号时需要调用这些校验系数。
而其采用的单线制串行接口，则使系统集成快捷简单。
体积小、功耗低，信号传输距离较长，使其成为各类应用场合的极佳选则。
产品为4针单排引脚封装。
连接方便，特殊封装形式可根据用户需求而提供.
DHT11传感器实物图如图3.3所示：
图3。
3 DHT11传感器实物图
（1）引脚介绍:
Pin1：
（VDD），电源引脚，供电电压为3～5。
5V。
Pin2：
（DATA），串行数据，单总线。
Pin3：
（NC），空脚,请悬浮。
Pin4（VDD），接地端，电源负极。
（2）接口说明：
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合适的上拉电阻。
DHT11应用电路如图3。
4所示.
图3。
4 DHT11典型应用电路
（3）数据帧的描述:
DATA用于单片机与DHT11之间的同步和通信，采用单总线数据格式，每次通信时间为4ms左右，通信数据会分小数和整数部分。
操作流程如下:
每一次完整的数据传输为40bit,先出高位。
数据格式是8bit湿度整数数据和8bit湿度小数数据加上8bi温度整数数据和8bit温度小数数据,当数据传输正确时校验和的数据等于“8bit湿度整数数据+8bit湿度小数数据+8bi温度整数数据+8bit温度小数数据"得到结果的末8位。
例如:
接受40bit数据如下：
0000001010001100000000010101111111101110
湿度数据温度数据校验和
00000010+10001100+00000001+01011111=11101110
湿度=65。
2%RH温度=35.1℃
当温度低于0℃时温度数据的最高位置1。
例如：
—10。
1℃表示为1000000001100101
（4）电气特性：
VDD=5V,T=25℃，除非特殊标注.如表3。
2所示。
表3.2DHT11的电气特性
参数
条件
Min
Typ
max
单位
供电
供电电流
采样周期
DC
测量
平均
待机
秒
3
0.5
0。
2
100
1
5
5.5
2.5
1
150
V
mA
mA
uA
次
注：
采样周期间隔不得低于1秒钟。
3。
2.2 DHT11传感器模块电路
DHT11传感器连接STC89C51系列单片机相对比较简单。
单片机的P2.0口用来发收串行数据，即数据口.连接传感器的Pin2（单总线,串行数据）.由于测量范围电路小于20米，建议加一个5K的上拉电阻,因此在传感器的Pin2口与电源之间连接一个5K电阻.而传感器的电源端口Pin1和Pin4分别接单片机的VDD和GND端.传感器的第三脚悬浮放置.DHT11传感器原件的电路图如图3。
5所示:
图3.5DHT11电路图
3.3显示模块
3。
3.1OLED显示屏简介
OLED是一种机发光二极管，它可以自发光，不需背光源，屏幕对比度高、厚度较薄、可视角度广、有很快的响应速度、使用环境温度范围较大。
该屏有以下特点：
⑴0.96寸OLED有黄蓝，白，蓝三种颜色可选；其中黄蓝是屏上1/4部分为黄光，下3/4为蓝；而且是固定区域显示固定颜色，颜色和显示区域均不能修改；白光则为纯白,也就是黑底白字；蓝色则为纯蓝，也就是黑底蓝字。
⑵分辨率为128*64
⑶多种接口方式；OLED裸屏总共种接口包括:
6800、8080两种并行接口方式、3线或4线的串行SPI接口方式、IIC接口方式（只需要2根线就可以控制OLED），这五种接口是通过屏上的BS0～BS2来配置的。
⑷两种接口的Demo板，接口分别为七针的SPI/IIC兼容模块，四针的IIC模块。
如图3.6所示为IIC四针OLED屏幕
图3。
6OLED屏正面、反面
IICOLED引脚说明如表3。
3
表3.3IICOLED12864显示屏管脚说明
管脚名称管脚说明
GND电源地
VCC电源正（3~5。
5V）
SCLOLED的D0脚，在IIC通信中为时钟管脚
SDAOLED的D1脚，在IIC通信中为数据管脚
3。
4报警模块
3。
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