粮库温度自动检测系统的设计Word文件下载.docx
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1.2国内外研究状况和相关领域研究成果
1.2.1粮仓温湿度检测发展状况
网络通信技术的发展，使监控系统广泛应用于工农业生产等领域，因此，粮情检测技术粮情检测属监控系统范畴，近年来，由于计算机技术、超大规模集成电路技术和的研究在软、硬件等方面都有了一定的进展。
早期粮情监测主要采用温度计测量法，它是将温度计放入特制的插杆中，根据经验插在粮堆的多个测温点，管理人员定期拔出读数，确定粮温的高、低，决定是否倒粮。
这种方法对储粮有一定的作用，但由于温度计精度、人工读数的人为因素等原因，温度检测不仅速度慢，而且精度低，抽样不彻底，局部粮温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。
随着科技的发展，从1978年开始，采用电阻式温度传感器、采样器、模数转换器、报警器等组成的储粮监测系统出现，它可对各粮库的各个测温点进行巡回检测，检测速度、精度大大提高，降低了劳动强度，但由于电阻传感器的灵敏度低，致检测精度、系统可靠性还不够理想。
至1990年，粮情检测系统有了很大的改善和提高，系统在布线上采用矩阵式布线技术，简化了数据采集部分的线路，在传感器方面应用了半导体、热电偶等器件；
在线路传输上采用了串行传输方式，从而减少了传输线根数；
采用单板机进行数据处理，并采用各种手段提高数据传输及检测速度，通过软硬件技术的结合，检测精度和可靠性较前有很大提高。
但温度传感器的线性度差，系统的检测精度仍不理想，无法大面积推广。
近年来，随着单片机功能的日益强大和计算机的广泛应用，粮情检测的准确性、稳定性要求越来越高。
寻找最佳配置和最好的性价比成为粮情监测研究的热点国外在粮情监控技术上已达到了很成熟的地步，高科技数字式传感器广泛应用于粮情检测系统。
这种传感器采用了半导体集成电路与微控制器最新技术，在一个管芯上集成了半导体温度检测芯片、数据信号转换芯片、计算机接口芯片，转换、温度补偿等功能。
由于数字温度传感器直接传出数字量，从而解决了温度信号长距离传输问题及传输过程中因干扰和衰减而导致的精度降低等问题。
目前，国内出现了丰富的数字传感器配套产品，如远程控制模块、中继器、接插器、分线器等，技术也比较成熟。
数字传感技术、通信技术、计算机成为当今信息技术的的三大基础，计算机监控技术已成人们关注的热点。
1.2.1单片机历史
单片机又称单片微控制器,它不是完成某一个逻辑功能的芯片,而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。
概括的讲：
一块芯片就成了一台计算机。
它的体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件。
同时，学习使用单片机了解计算机原理与结构的最佳选择。
可以说，二十世纪跨越了三个“电”的时代，即电气时代、电子时代和现已进入的电脑时代。
不过，这种电脑，通常是指个人计算机，简称PC机。
它由主机、键盘、显示器等组成）。
还有一类计算机，大多数人却不怎么熟悉。
这种计算机就是把智能赋予各种机械的单片机（亦称微控制器）。
顾名思义，这种计算机的最小系统只用了一片集成电路，即可进行简单运算和控制。
因为它体积小，通常都藏在被控机械的“肚子”里。
它在整个装置中，起着有如人类头脑的作用，它出了毛病，整个装置就瘫痪了。
现在，这种单片机的使用领域已十分广泛，如智能仪表、实时工控、通讯设备、导航系统、家用电器等。
各种产品一旦用上了单片机，就能起到使产品升级换代的功效，常在产品名称前冠以形容词——“智能型”，如智能型洗衣机等。
现在有些工厂的技术人员或其它业余电子开发者搞出来的某些产品，不是电路太复杂，就是功能太简单且极易被仿制。
究其原因，可能就卡在产品未使用单片机或其它可编程逻辑器件上。
单片机的历史：
第一代：
七十年代后期，4位逻辑控制器件发展到8位。
使用NMOS工艺（速度低，功耗大、集成度低）。
代表产品：
MC6800、Intel8048。
第二代：
八十年代初，采用CMOS工艺，并逐渐被高速低功耗的HMOS工艺代替。
MC146805、Intel8051。
第三代：
近十年来，MCU的发展出现了许多新特点：
（1）在技术上，由可扩展总线型向纯单片型发展，即只能工作在单片方式。
（2）MCU的扩展方式从并行总线型发展出各种串行总线。
（3）将多个CPU集成到一个MCU中。
（4）在降低功耗，提高可靠性方面，MCU工作电压已降至3.3V。
第四代：
FLASH的使用使MCU技术进入了第四代。
1.3研究内容和研究方法
本课题需要研究的内容主要有以下几方面：
（1）根据系统功能要求并且考虑系统的实用性和可操作性，进行系统的整体方案设计。
该方案采用模块化设计方法，以方便系统调试和用户的使用。
（2）系统硬件设计。
主要内容包括芯片的选择、芯片的功能介绍、芯片外围电路的设计等。
（3）系统软件设计。
主要包括系统主程序，记数程序，采样子程序，读显示子程序，写显示RAM子程序。
本设计以实用为出发点，力求设计原理简单，开发成本低，易于实现。
器件选择上，也考虑到实际应用的具体情况。
单片机控制可靠性高，温湿度传感器采集信号误差小，稳定度高，整个系统使用简单，经济实用，有很强实用性。
第二章系统的总体设计
本章从系统组成、工作原理、工作范围等方面作了系统介绍。
2.1系统的组成
根据系统总体功能，将其划分为以下几个功能模块：
微处理器CPU、模数转换器A/D、温度传感器、湿度传感器、键盘、数码显示组成，整个系统的构成如图所示。
图2.1温湿度控制系统框图
2.2系统工作流程
整个检测系统的核心器件是单片机，它是整个系统的“心脏”由它来接收温湿信号并控制协调各功能模块的正常工作。
一方面AD590集成传感器采集温度信号，信号经过整理放大后送ICL7109A/D转换器，由此将模拟信号转变成数字信号后送至CPU进行运算处理，另一方面湿度传感器HS1101将采集的湿度信号通过以555定时器为主的单稳态电路转换成数字信号直接送至89C51进行处理，在单片机内部，CPU根据模拟量与数字量的对应关系，把收到的数字量与温湿度值一一对照，找出合适的温湿度值进行显示，达到测温测湿的目的。
显示部分由液晶芯片YM19264辅助单片机来完成，并可通过键盘输入指令进行控制，充分提高了单片机的工作效率。
因89C51内含4KB的EEPROM，不需外扩展存储器，可使系统整体结构简单。
2.3系统的功能介绍
本系统可对温湿度值进行实时检测，测温范围可为-55～+150。
C，根据粮仓内实际温度变化情况，将测温范围设定为0-70。
C。
可测湿度测量范围是（0-100）%RH，这也足以满足对湿度的测量要求。
所测温湿度值通过YM19264键盘显示芯片显示。
整个系统测量精度高、稳定性好，性能上能够达到远距离测量温湿度的要求，适于安置在粮仓内进行检测。
第三章系统的硬件设计
本章从器件选择、性能特点、电路分析等方面对硬件系统进行了讨论。
3.1AT89C51单片机功能介绍
3.1.1芯片简介
AT9C51是一个低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含4kbytes的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和128bytes的随机存取数据存储器（RAM），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位中央处理器和Flash存储单元，内置功能强大的微型计算机的AT89C51提供了高性价比的解决方案。
AT89C51有40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，2个16位可编程定时计数器，2个全双工串行通信口，AT89C51可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。
其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。
3.1.2AT89C51各引脚在设计中的定义
本设计中，单片机引脚功能定义如下，如图3.1所示：
图3.1AT89C51在本设计中的引脚
89C51各管脚说明如下：
Vcc：
电源引脚，接+5V电源。
Vss：
接地。
RST/Vpd：
RST是复位信号输入端，高电平有效。
Vpd为备用电源输入端。
XTAL1，XTAL2：
时钟引脚。
两引脚间外接晶体与片内反相放大器构成一个振荡器，为单片机提供时钟控制信号。
本设计根据需要外接6MHZ晶体。
：
外部中断0输入，本设计中
与ICL7109的STATUS相连接受中断请求信号。
外部中断1输入。
T1：
定时器/计数器T1外部输入。
本设计中将湿度检测电路产生的频率输入T1口，用T1计数。
同时用T0设置1S的定时，从而实现计数功能。
外部数据存储器写脉冲输入线。
外部数据存储器读脉冲输入线。
设计中7109的片选端负责数据的读写。
ALE/
地址锁存允许信号输出端，设计中此端接到74LS373地址锁存器的锁存允许端实现锁存功能。
/Vpp：
程序存储器地址允许输入端。
当
为高电平时，CPU执行片内程序存储器指令，当
为低电平时，CPU只执行片外程序存储器的指令。
本设计不用外扩程序存储器，固此脚接高电平。
P3口为多功能口，每一位都可以分别被定义为复用的输入功能或复用的输出功能。
当P3口某一位的锁存器被置1后，输出端可由复用的输出功能信号控制，作复用的输出功能的输出线使用。
而实际上，如果把复用输出功能控制端置1，则P3.x端可实现复用的输入功能。
P2口是一个准双向I/O口，它有两种使用功能：
一种是作普通的I/O口使用；
另一种是作系统扩展的地址总线口，输出高8位的地址。
当口电路中的多路开关接通锁存器的Q端输出时，P2口作普通输入输出使用，当开关接通地址时，作地址总线口使用，P2口的引脚状态由所输出的地址确定。
本系统中用P2.4和P2.5对ICL7109的高低位数据输出进行控制。
P0口为双向I/O口，它的结构与P2口相似，可作输入/输出口使用，也可作系统扩展的地址/数据总线口。
P0口作地址/数据总线口使用时，由控制线控制将电子开关接通至地址/数据端，分时输出扩展外存的低8位地址。
3.1.3上电手动复位电路
AT89C51单片机复位信号是高电平有效的，其有效时间应持续2个机器周期以上。
为了保证应用系统可靠地复位，在设计复位电路时，通常使复位引脚保持10ms以上的高电平。
图中RESET按键未按下时，单片机刚接通电源，就进入了上电复位状态，在单片机开始工作了以后，如按下RESET，由两电阻组成的串联分压电路使RST得到一个高电平，从而使单片机重新复位；
松开按键，复位信号消失，单片机可开始正常工作。
图3.2上电手动复位电路
3.1.4振荡电路
根据本设计需要，AT89C51的振荡电路由一个6MHZ和两个20PF的电容组成。
这个电路是一个典型的单片振荡电路。
图3.3振荡电路
。
3.2模数转换器
3.2.1模数转换器的选择
即A/D转换器，或简称ADC，通常是指一个将模拟信号转变为数字信号的电子元件。
通常的模数转换器是将一个输入电压信号转换为一个输出的数字信号。
由于数字信号本身不具有实际意义，仅仅表示一个相对大小。
故任何一个模数转换器都需要一个参考模拟量作为转换的标准，比较常见的参考标准为最大的可转换信号大小。
而输出的数字量则表示输入信号相对于参考信号的大小。
模数转换器最重要的参数是转换的精度，通常用输出的数字信号的位数的多少表示。
转换器能够准确输出的数字信号的位数越多，表示转换器能够分辨输入信号的能力越强，转换器的性能也就越好。
例如：
对于一个2位的电压模数转换器，如果将参考设为1V，那么输出的信号有00、01、10、11四种可能，分别代表输入电压在0V-0.25V,0.25V-0.5V,0.5V-0.75V,0.75V-1V时的对应输入。
当一个0.8V的信号输入时，转换器输出的数据为11。
3.2.2AD转换器ICL7109的特点
ICL7109主要有如下特性：
（1）高精度（精确到1/212=1/4096），低漂移（<
1μV/。
C）；
（2）低噪声（典型值为15μVP-P），低功耗（<
20mw）；
（3）高输入阻抗（典型值1012欧姆）；
（4）转换速度最快达30次/秒，当采用3.58MHz晶振作振源时，速度为7.5次/秒；
（5）片内带有振荡器，外部可接晶振或RC电路以组成不同频率的时钟电路；
（6）12位二进制输出，同时还有一位极性位和一位溢出位输出；
（7）输出与TTL兼容，以字节方式（分高低字节）三态输出，并且具有VART挂钩方式，可以用简单的并行或串行口接到微处理系统；
（8）可用RVN/
（运行/保持）STATUS（状态）信号监视和控制转换定时；
（9）所有输入端都有抗静电保护电路。
（10）ICL7109工作电压为双电源±
5V，基准电压典型值为外部分压输入的2.8V[3]
3.2.3ICL7109芯片引脚说明及外部连接
图3.4ICL7109引脚图
ICL7109的引脚功能如下：
GND：
数字地,0V。
V-：
负电源，接-5V。
V+：
正电源，接+5V。
STATUS：
状态输出，ICL7109转换结束时，该脚发出转换结束信号。
POL：
极性输出，高电平表示ICL7109的输入信号为正。
OR：
过量程状态输出，高电平表示过量程。
B1~B12：
三态转换结果输出，B12为最高位，B1为最低位。
TEST：
此引脚仅用于测试芯片，接高电平时为正常操作，接低电平时则强迫所
有位B1~B12输出为高电平。
低字节使能端。
当MODE和CE/LOAD均为低电平时，此信号将作为低位字节（B1~B8）输出的辅助选通信号；
当MODE为高电平时，此信号将作为低位字节输出。
高字节使能端。
当MODE和CE/LOAD均为低电平时，此信号将作为低电平时，此信号将作为高位字节（B8~B12）以及POL、OR输出的辅助的选通信号；
当MODE为高电平时，此信号将作为高位字节输出而用于信号交换方式。
片选端。
当MODE为低电平时，它是数据输出的主选通信号，当本脚为低电平时，数据正常输出；
当本脚为高电平时，则所有数据输出端（B1~B12，POL、OR）均处于高阻状态。
MODE：
方式选择。
当输入低电平信号时，转换器为直接输出工作方式。
此时，可在片选和数据使能的控制下直接读取数据。
当输入高电平脉冲时，转换器处于UART方式，并在输出的两个字节的数据后，返回到直接输出方式。
当输入高电平时，转换器将在信号交换方式的每一转换周期的结尾输出数据。
OSCIN、OSCOUT：
振荡器输入、输出端。
OSCSEL：
振荡器选择。
输入高电平时，采用RC振荡器；
当输入低电平时采用晶体振荡器。
BUFOSCOUT：
缓冲振荡器输出。
RUN/
运行/保持输入。
输入高电平时，每经8192个时钟脉冲均完成一次转换。
当输入低电平时，转换器将立即结束消除积分阶段并跳至自动调零阶段，从而缩短了消除积分阶段的时间，提高了转换速度。
SEND：
是输入信号。
用于数据信号传送时的信号交换方式，以指示外部器件能够接受数据的能力。
REFOUT：
基准电压输出，一般为+2.8V。
BUF：
缓冲器输出。
AZ：
自动调零电容CAZ连接端。
INT：
积分电容CINT连接端。
COMMON：
公共模拟端。
INLO、INHI：
差分输入低端、高端。
REFIN+、REFIN-：
正、负差分基准输入端。
REFCAP+：
正差分电容连接端。
REFCAP-：
负差分电容连接端。
ICL7109外部电路连接元件参数选择：
基准电压的供给：
ICL7109片内含有参考电压源，由REFOUT（29端）输出，一般为2.048V伏，经电阻分压输出。
基准电压输入为差分输入，分别从REFIN+（36端）、REFIN-（39端）引入。
一般来说对模拟输入如果满度输出4096个数，则VIN=2VREF，即2.048V基准电压对应于4.096满度输入模拟电压，当输入模拟电压为5.0V，因此基准电压为2.5V，通过片内参考电压源经电位器分压得到。
时钟电路的选择：
ICL7109时钟电路选择晶体振荡器，为了使电路具有抗50Hz串模干扰能力，A/D转换应选择积分时间（2048个时钟数）等于50Hz的整数倍，系统选择3.58MHz晶振。
本设计中，ICL7109接成晶体振荡器时，内部时钟为58分频后的振荡器频率。
ICL7109每转换一次所需的时间为8192个时钟周期，转换时间的计算公式为：
转换时间=（8192×
58）/晶振频率。
本系统中所用晶振频率为3.58MHz，则转换时间为133ms，即一秒转换7.5次。
积分电容CINTZ选择：
积分电压根据积分器给出的最大输出摆幅电压选择。
此电压应使积分器不饱和（大约低于电源0.3V）。
对于ICL7109±
5V电源，0.15uF比较合适。
通常CINT=
自动调零电容CAZ选择：
在模拟输入信号较小时，如0～0.5伏时，自动调零电容可选比积分电容CINT大一倍，以减小噪声，CAZ的值越大，噪声越小，如果CINT选为0.15μF，则CAZ=2CINT=0.33μF。
当传感器传来的微弱信号经放大器放大后为0～5V，这时噪声的影响不是主要的，可把积分电容CINT选大一些，使CINT=2CAZ，选CINT=0.33μF，CAZ=0.15μF，本系统正属于这种情况。
积分电阻RINT选择：
缓冲放大器和积分器能够提供20μA的推动电流，积分电阻要选的足够大。
以保证在输入电压范围内的线性。
积分电阻RINT等于满度电压时对应的电阻值（当电流为20μA、输入电压=4.096V时，RINT=200千欧），此时基准电压V+RI和V-RI之间为2V，由电阻R1、R3和电位器R2分压取得。
基准电容CREF一般取值1uF较好。
如果存在一个大的共模电，要求电容值较大，以防止滚动误差。
3.2.4ICL7109与89C51单片机的硬件接口设计
ICL7109内部有一个14位（12位数据和一位极性、一位溢出）的锁存器和一个14位的三态输出寄存器，同时可以很方便地与各种微处理器直接连接，而无需外部加额外的锁存器。
ICL7109有两种接口方式，一种是直接接口，另一种是挂钩接口。
在直接接口方式中，当ICL7109转换结束时，由STATUS发出转换结束指令到单片机，单片机对转换后的数据分高位字节和低位字节进行读数。
在挂钩接口方式时，ICL7109提供工业标
图3.5ICL7109与89C51的接口电路
准的数据交换模式，适用于远距离的数据采集系统[4]。
本系统采用直接接口方式，7109的MODE端接地，使7109工作于直接输出方式。
ICL7109与AT89C51的连接如图3.5所示，两者间关系如下：
（运行/保持）引脚接+5V，使A/D转换连续进行。
B1～B12输出高低位数据，POL、OR输出极性和溢出位，这些数据分时送至89C51的P0口。
将STATUS线与89C51的INT0相连，这样每完成一次转换便向89C51发一次中断请求。
A/D转换正在进行时，STATUS引脚输出高电平。
当一次AD结束时，STATUS引脚降为低电平，由P2.6输出低电平信号到ICL7109的
，读高位数据、极性和溢出位；
由P2.5输出低电平信号到
，读低位数据，实现了数据的分时传输。
这种方法可简化设计，节省硬件和软件。
为7109片选端，低电平时数据数据正常输出，接至89C51的读选通端。
其中ICL7660是＋5V输入－5V输出的电源极性变换器，用来为ICL7109提供双极性电压。
3.3温度采集系统
3.3.1集成温度传感器的选择
集成温度传感器实质
升级会员 