粮仓温度巡检系统的设计毕业设计.docx
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粮仓温度巡检系统的设计毕业设计
粮仓温度巡检系统的设计
TheDesignofGranaryTemperatureDetectingSystem
独创性声明
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摘要
本文设计了一个基于热敏电阻测温，通过总线传输的粮仓温度巡检系统
硬件设计分三个部分：
下位机检测部分，总线部分和上位机部分。
下位机检测模块通过铂电阻（PT100）对温度进行检测。
测量的数据通过带有非线性校正的运算放大器进行放大，然后把数据传输到下位机单片机内。
单片机通过数据总线RS485把测量数据传送到上位机处的485接收器。
使用RS485/RS232转换器，把测量数据输入到PC机。
为了防止在雷暴天气产生的过压影响，485发送器和RS485/RS232转换器采用光电隔离技术。
软件部分采用上位机软件VisualBasic6.0。
通过该软件，把测量的数据以图表的形式显示出来，当温度超过合理范围时，上位机发出警报。
这种温度巡检系统可以实时测量粮仓的温度，上位机用图形表达直观有效。
关键词：
粮仓；温度采集；总线传输；单片机；
ABSTRACT
Hereisawritingsabouttemperaturemeasurement，whichisbasedonthermistorsandtransmittedthroughthebus.
Thehardwaredesigncanbedividedintothreeparts:
thelowermachineparts,buspartsandPCparts.Thelowermachinesurveytemperaturebyplatinumresistance（PT100）.Aftermeasuring,thedataistransportedtothemicrocontrollerbyamplifyingcircuitwhichhavenonlinearcorrection.Andthen,thedataistransportedfrommicrocontrollertothereceptorthroughtheRS485bus.Atlast，thedataisputintothecomputerbyusingRS485/RS232converter.Inordertoprotecttheelectriccircuitwhenvoltageislarger,485transmitterandRS485/RS232convertershouldbemadebyopticalcoupler.WeuseVisualBasic6.0tocollectdataandprocessdata,andthecomputershowthedatabygraph.Itwarningwhenthetemperatureaboveastationarynumerical.
Wecansurveytemperatureinrealtime.Wecanknowthetemperaturediversificationeasily.Inshort,themachineisup-to-date.
Keywords：
Granary;temperaturecollector;bustransfer;microcontroller;
第一章绪论
1.1粮仓温度巡检仪的课题背景
粮食是人类赖以生存的基本必需品，是关系国计民生的重要因素，也是国家战略性准备的重要物资。
中国有句古话“人是铁，饭是钢”，只有满足了人民的粮食需求，社会才会安定，国家才会繁荣。
同时，粮食也是战略储备的重要物资。
在出现突发性的自然灾害，或者不可避免的军事情况时，粮食供应显得格外的重要。
所以在每个城市都会有大型的隶属政府的粮仓。
我国经济快速的发展，导致人们对于粮食的需求也日益增长。
从2003年到2012，我国粮食总产量连续实现了丰收，而在上一年全国粮食总产量高达58957万吨。
同时，我国在粮食产量质量方面取得了技术性的进展，所以现代粮仓的科学储备和流通显得至关重要。
粮食的储存跟温度有直接的关系，不适当的仓内温度会导致粮食的发霉腐烂。
而从化学的角度上看，粮仓内存在大量的颗粒物，温度过高会引起粮仓的爆炸。
当然，粮食的储存还与湿度，粉尘有关。
稍有不慎，这些因素都会导致粮食的损坏，对社会和国家造成巨大经济损失。
这一方面与管理人员的失责有关。
另一方面也与粮仓内的检测设备老旧，损坏有关。
所以说，可靠的粮仓温度巡检系统有助于现代粮仓的发展。
1.2温度测量技术的发展趋势
在生活中，工业生产中，温度是一种很重要的指数，温度是基本物理参量之一，表述了物体冷热大小的物理量，它影响着人类的生活，机器的运行，甚至是科学的成果。
所以温度测量技术是一门重要课题。
最早的温度计是由著名物理学家伽利略发明的。
在普通老百姓的生活中，测量温度最直观，最实用的是液体温度计，例如水银温度计、酒精温度计等等。
常见的还有气体温度计和固体温度计，其原理都是根据物体遇热膨胀遇冷收缩的物理现象，以物体形变的形式表现出来。
这种温度测量法比较实用直观，而且通常价廉物美，但是缺点是温度测量精度低，不能满足一些对温度精度要求较高的工业生产和科学研究。
随着科技的进步和发展，在近代陆续出现了用热电偶、热电阻测量温度的方法。
其原理是格局温度的变化引起热敏器件的物理特性变化，从而通过电流的变化显示出来的。
这种测量方法比传统的测量方法更加追准确，能大量应用在工业、科技、军事等方面。
在未来，其应用领域会更加宽广，测量的方式会更加多种多样。
1.3课题研究的意义
温度对于粮食的储存具有重要的影响。
通常情况下，过高的温度会直接导致食物的腐烂，从而导致不可估量的损失，所以粮仓需要精准的温度测量技术。
而在测量监控温度的同时，也要兼顾环境的影响。
若是遇到了雷暴天气，测量器件遭遇雷击等意外情况，测量器必遭损坏，如何尽量减少测量部件的损坏也是个重要的课题，这直接影响器件维修的时间。
损坏的测量部件越少，维修的时间就会越短，难度就会越低，粮仓的损失就会越少。
现代计算机技术发展迅猛，网络发达开放，要捉着这样的机会来发展现代粮仓技术。
粮食的储存数字化，粮食的调配智能化，粮仓的管理现代化，这就是现代型粮仓的趋势。
第二章设计方案
2.1方案一
温度巡检仪有些共同的特点：
测量点多、布线分散。
由于检测环境复杂、测量点多，会使检测系统的稳定性和可靠性下降。
本方案的温度传感器采用负温度系数热敏电阻，每个粮仓内检测八个温度量，每个测量通道上有热敏电阻非线性校正电路。
每个测量点的数据经过A/D转换后，然后通过485总线传输到上位机，有上位机完成监控。
该设计主要采用的芯片为AD公司的AD7705芯片，这是一款双通道16位AD转换器。
其缺点是：
对测量线路的布局要求高，而且线路的数目多，建设的工程量大，工程预算大。
另外，对温度测量的数据管理不够方便。
2.2方案二
由于一个粮仓内通常包含多个小粮仓，所以本方案的设计思想是在每个小粮仓放置多个温度检测器，由同一单片机管理。
每一个下位机通过数据总线把数据传送到上位机，最后由上位机完成监控。
本设计分三个部分：
下位机检测模块，总线传输模块，上位机控制模块。
下位机检测模块的职责就是对温度的检测。
该设计是通过铂电阻（PT100）测量温度的。
每个铂电阻测量的温度通过运算放大器，把测量的变化量传送到下位机单片机。
每一个单片机通过数据总线RS485把测量数据传送到上位机（PC）。
测量的数据通过上位机软件进行整合，并显示出来。
当温度超过合理范时，上位机发出警报，操控者通过上位机对温度进行监督。
下位机检测部分采用STC12C5A60S2单片机，其生产厂家为宏晶科技公司。
温度传感器热敏电阻将温度的变化转换为电阻的变化，由电桥转换为电压的变化经测量放大器变换为标准0-5V的电压信号经滤波输入到STC12C5A60S2单片机。
RS-485接口均采用差分方式传输信号。
485收发器是有一定的共模电压范围，而我们常常把他忘记了。
整个网络要正常工作，那么RS-485收发器就得正常工作，7V到正12V的范围之间是它的共模电压范围的满足条件。
要是共模电压不在负7伏至正12伏的范围内，那么通信系统就不再稳定可靠，更甚者会损坏接口。
所以本方案采用了比较常用的浮地隔离技术，引入干扰的节点把系统电路浮置起来，相当于系统本身的地与机壳和大地隔离开，那么接地环路就断开了，在电路系统内就不会突然形成大环路电流。
系统组成如图2-1所示：
图2-1集中式温度检测
本方案能够把各个粮仓的温度集中起来监控，同时通过浮地隔离技术把上位机、下位机和传输总线隔离开，符合了在过压情况下尽可能减少设备损坏的初衷。
通过上位机软件对测量温度进行线性的显示，对温度变化情况有着直观的表达，由此可以简便地找出粮仓内温度的峰值和谷值。
通过研究不同月份、不同季度的温度线形图，对科学管理粮仓温度有着重要的作用。
第三章主要器件介绍
3.1单片机STC12C5A60S2
3.1.1总体介绍
宏晶科技是一家位于深圳的单片机设计公司，其设计制造的51单片机在全球范围内具有较大的份额。
STC其中的一款单片机STC12C5A60S2具有很高的性价比。
传统8051指令、管脚完全适用于STC12C5A60S2单片机。
片内的大容量程序存储器是FLASH工艺的，STC12C5A60S2单片机内部自带有60K大小的FLASH ROM，编程员可以用电的方式瞬间擦除、改写，这是这种存储器的特点。
很容易得知，这种单片机对开发设备的要求很低，开发的过程简便了许多，开发时间也缩短了许多。
你还可以对写入的程序进行加密，保护了你的研究成果。
STC12C5A60S2的售价比传统51贵不到哪里去，在市场上也很容易买到。
3.1.2引脚介绍
STC12C5A60S2的双列直插式封装图：
图3-1STC12C5A60S2引脚图
表3-1STC12C5A60S2引脚介绍
引脚
名称
引脚功能概述
1
CLKOUT2/ADC0/P1.0
P1.0-P1.7：
标准I/O口PORT1[0]-PORT1[7]；
ADC0-ADC7：
输入通道-0至-7
CLKOUT2:
独立波特率发生器的时钟输出可通过设置WAKE_CLKO[2]位/BRTCLKO将该管脚配置为CLKOUT2
2
ADC1/P1.1
3
RxD2/ECI/ADC2/P1.2
ECI：
PCA计数器的外部脉冲输入脚；
RxD2：
第二串口数据接收端
4
TxD2/CPP0/ADC3/P1.3
CCP0：
外部信号捕获（频率测量或当外部中断使用）、高速脉冲输出及脉宽调制输出；
TxD2：
第二串口数据发送端
5
SS/CPPI/ADC4/P1.4
CCP1：
外部信号捕获（频率测量或当外部中断使用）、高速脉冲输出及脉宽调制输出；
SS：
SPI同步串行接口的从机选择信号
6
MOSI/ADC5/P1.5
MOSI：
SPI同步串行接口的主出从入（主器件的输出和从器件的输入）
7
MISO/ADC6/P1.6
MISO：
SPI同步串行接口的主入从出（主器件的输入和从器件的输出）
8
SCLK/ADC7/P1.7
SCLK：
SPI同步串行接口的时钟信号
9
P4.7/RST
P4.7：
标准I/O口PORT4[7]；
RST：
复位脚
10
INT/RxD/P3.0
P3.0-P3.7：
标准I/O口PORT3[0]-PORT[7]；
RxD：
串口1数据接收端
11
TxD/P3.1
TxD：
串口1数据发送端
12
INT0/P3.2
INT0：
外部中断0,下降沿中断或低电平中断
13
INT1/P3.3
INT1：
外部中断1,下降沿中断或低电平中断
14
CLKOUT0/INT/T0/P3.4
T0：
定时器/计数器0的外部输入；
INT：
定时器0下降沿中断；
CLKOUT0：
定时器/计数器0的时钟输出可通过设WAKE_CLKO[0]位/T0CLKO将该管脚配置为CLKOUT0
15
CLKOUT1/INT/T1/P3.5
T1：
定时器/计数器1的外部输入；
INT：
定时器1下降沿中断
CLKOUT1：
定时器/计数器1的时钟输出可通过设WAKE_CLKO[1]位/T1CLKO将该管脚配置为CLKOUT1
16
WR/P3.6
WR外部数据存储器写脉冲
17
RD/P3.7
RD外部数据存储器读脉冲
18
XTAL2
内部时钟电路反相放大器输入端，接外部晶振的一个引脚。
当直接使用外部时钟源时，此引脚是外部时钟源的输入端。
19
XTAL1
内部时钟电路反相放大器的输出端，接外部晶振的另一端。
当直接使用外部时钟源时，此引脚可
浮空，此时XTAL2实际将XTAL1输入的时钟进行输出。
20
Gnd
接地
21-28
P2.0-P2.7
P2口内部有上拉电阻，既可作为输入/输出口，也可作为高8位地址总线使用（A8~A15）。
当P2口作为输入/输出口时，P2是一个8位准双向口。
29
NA/P4.4
P4.4-P4.6：
标准I/O口PORT4[4]-PORT[6]
30
ALE/P4.5
ALE:
地址锁存允许
31
EX_LVD/P4.6/RST2
EX_LVD:
外部低压检测中断/比较器;
RST2:
第二复位功能脚
32-39
P0.7-P0.0
P0:
P0口既可作为输入/输出口，也可作为地址/数据复用总线使用。
当P0口作为输入/输出
口时，P0是一个8位准双向口，内部有弱上拉电阻，无需外接上拉电阻。
当P0作为地址/数据复
用总线使用时，是低8位地址线[A0~A7]，数据线的[D0~D7]。
40
Vcc
电源
3.2数据收发器MAX487
3.2.1芯片总体介绍
本设计的数据收发器采用美信公司的MAX487芯片。
美信（MAXIM）公司于1983年在美国的加利福利亚洲创办。
MAX487是一款低功率收发器，用于RS-485总线通信，每个MAX487都带有驱动器和接收器。
MAX487可以实现最高250kbps的无差错数据传输。
3.2.2芯片管脚介绍
MAX487的双列直插式封装图：
图3-2MAX487引脚图
表3-2MAX487引脚功能
引脚
名称
引脚功能
1
RO
接收器的输出。
（当A大于B200mV时，RO为高电平；否则相反）
2
RE
接收器的输出使能。
（当RE为低电平时，RO有效；当RE为高电平时，RO处于高阻状态）
3
DE
驱动器的输出使能。
（当DE为高电平时，驱动器输出Y和驱动器输出Z有效；当DE为低电平时，驱动器输出处于高阻状态。
当驱动器输出有效时，器件被用作先驱动器。
而高阻状态下，若RE为低电平，则器件被用作先接受器。
）
4
DI
驱动器输入。
（DI上的低电平强制输出Y为低电平，而输出Z为高电平。
DI上的高电平强制输出Y为高电平，而输出Z为低电平。
）
5
GND
接地。
6
A
接收器同相输入端和驱动的器同相输出端。
7
B
接收器反相输入端和驱动器的反相输出端。
8
Vcc
正电源。
工作电压：
4.75V≤VCC≤5.25V
3.3数据收发器SP3232E
3.3.1SP3232E管脚介绍
Sipex是一家集设计、生成和销售的半导体公司。
图3-3SP3232E引脚图
表3-3SP3232E引脚功能介绍
引脚
名称
引脚功能介绍
1
C1+
倍压电荷泵电容的正极
2
V+
电荷泵产生的+5.5V电容
3
C1-
倍压电荷泵电容的负极
4
C2+
反相电荷泵电容的正极
5
C2-
反相电荷泵电容的负极
6
V-
电荷泵产生的-5.5V电压
7
T2OUT
RS-232驱动器输出
8
R2IN
RS-232接收器输入
9
R2OUT
TTL/CMOS接收器输出
10
T2IN
TTL/CMOS驱动器输入
11
T1IN
TTL/CMOS驱动器输入
12
R1OUT
TTL/CMOS接收器输出
13
R1IN
RS-232接收器输入
14
T1OUT
RS-232驱动器输出
15
GND
接地
16
Vcc
工作电压为：
+3.0~+5.5V
3.4光电耦合器TLP113
TLP113是由日本东芝生产的一款小外形光电耦合器，比较适用于表面的贴装。
其引脚配置如下：
图3-4TLP113引脚配置顶视图
脚1和脚3分别为阳极和阴极。
脚4接地。
脚5为输出端，集电极开路。
脚6为工作电压，工作电压为5V。
3.5LM324
在LM324的内部有两个互不干扰的、增益很大的、可以频率补偿的运算放大器，适合电源电压范围大的单个电源使用,也适用于两个电源一起工作的模式，在正常的工作条件下，电源电流与电源电压互不相干。
它的使用范围适用于所有通过单电源供电的运算放大器的场合，就好像传感放大器、直流增益模块等等。
其引脚排列如下图所示：
图3-5LM324引脚配置顶视图
3.678L05
78L05是一种三端集成稳压器，固定电压为5V。
其适用于很多应用场合，就好像说单点稳压场合需要限制噪声和解决分布的问题。
除此之外，78L05还可以和别的功率转移器一起构建大电流的稳压电源，例如可驱动输出高值电流的稳压器.。
由于器件内部有着优秀的电流限制和热关断特性，所以它特别适合运用到过载的情况。
综上所述，78L05具有以下特点：
1、输入电压可达30-35V
2、输出电流可达到100mA
3、不需要外接元件
4、具有热过载保护功能
5、具有限制短路电流功能
6、有着封装形式，而且都是无铅封装产品。
第四章设计原理
4.1总体阐述
设计主要由三部分组成：
下位机检测部分，总线传输部分，上位机控制部分。
下位机检测模块的职责就是对温度的检测。
该设计是通过铂电阻（PT100）测量温度的。
每个铂电阻测量的温度通过运算放大器，把测量的变化量传送到下位机单片机。
每一个单片机通过数据总线RS485把测量数据传送到上位机，数据总线采用光电隔离技术。
测量的数据通过上位机软件进行整合，并显示出来。
当温度超过合理范时，上位机发出警报，操控者通过上位机对温度进行监督。
4.2温度测量模块
铂电阻温度传感器是利用铂电阻随着温度升高而组织变大的函数关系而制成的温度传感器，铂金属温度传感器是利用PT100的电阻和温度成一定函数关系。
采用铂金属温度传感器来检测温度的变化，铂电阻值会随着外界温度的升高而变大，这是因为当温度升高时，铂电阻内的物质分子结构无序地剧烈运动导致阻值升高。
这种温度跟电阻阻值的关系并非呈规律的线性关系，需要通过电路的调整才能达到规律线性关系。
利用这种线性关系，可以组成温度测量电路。
这个电路设计可以把随外界温度变化而变化的电压信号显示出来，这样的数据还具有实时特征。
铂电阻通过电路模块整合后输出的电压值通常来说是很小的，要想传输到后续电路模块中，铂电阻电路输出的电压必须得符合后续电路的输入大小要求。
因此，我们在铂电阻电路模块后面加上一个电压放大器，将铂电阻电路输出电压信号进行放大，这样一来，最后输出的电压值就达到了可以输入后续电路模块的要求。
温度测量电路图如图4-1所示：
图4-1温度测量电路图
图4-1中最后输出的Port将被作为STC12C5A60S2的输入信号。
通过对温度测量电路的数学分析可以得出,Port和Rx是完全成正比的。
调节滑动变阻器WR1与滑动变阻器WR2是改变Port和Rx的正比关系系数，Port作为STC12C5A60S2的输入。
电路分析：
（1）R2=100欧姆：
主要是因为PT100在0℃时电阻值为100，Rx=R2=100，R6=5.1k此时WR1调到5.1时，Port≈0，便于系统调零；
（2）WR2为20k的滑动变阻器：
主要是为了调节电路的放大倍数，使其满足Port和Rx的正比关系与PT100的温度与阻值的正比关系相同。
4.3下位机模块
4.3.1共模干扰问题
RS-485接口均采用差分方式传输信号，我们只需检测两线之间的电位差就可以了。
其实收发器是有一定的共模电压范围，而我们常常把他忘记了。
整个网络要正常工作，那么RS-485收发器就得正常工作，它的共模电压范围的满足负7V到正12V的范围之间。
要是共模电压不在负7伏至正12伏的范围内，那么通信系统就不再稳定可靠，更甚者会损坏接口。
当发送驱动器A向接收器B发送数据时，假设发送驱动器A的输出共模电压为V1，由于两个系统各自接的地是不一样的，所以用Vg表示它们之间地电位差值。
综上所述，接收器输入端的共模电压V总满足下面的关系：
V总=V1+Vg
当V1<3.0V的情况下，总线才能正常工作。
可是当遇到雷击等其他情况下，Vg>>3V，致使接收器端的共模输入电压“V总”超出合理范围，并在传输线路上产生严重的干扰电流，对信号有着强烈的干扰，总线通信必受影响，严重的话还损坏通信接口电路，使其报废，造成经济损失。
在通讯线路中，通常有两根作为往返线路输送RS485信号的导线。
除了这两根导线之外，地线通常作为第三导体存在。
当两根导线分别做为往返线路传输电压电流的变化时，我们将这种传输模式称为“共模传输”。
而当两根导线被用作去路，地线做作返回路传输时，这种传输模式叫做“差模传输”。
由于上述原因，485总线多数采用的是差分传输方式，在整个RS-485网络中，就必须有一条阻值较低的信号地将两个接口的工作地连接起来，使共模干扰电压Vg被短路。
需要说明的是，这种做法仅对高阻型共模干扰有效。
这是因为共模干扰源的内阻阻值相当大，即使是短接后也不会形成大的接地环路电流，不会影响通信。
当遗憾的是，如果共模干扰源内阻阻值偏小时，接地线上就会形成较大的环路电流，影响正常通信。
这种方法存在失效的情况，故不予以考虑。
还有一种方法是浮地隔离技术，从外面引入干扰节点从而把系统电路浮置起来，相当于系统本身的地与机壳和大地隔离开，那么接地环路就断开了，在电路系统内就形成不了大的环路电流。
4.3.2光电隔离设计
选用3个光电耦合电阻，放置于单片机与MAX487相连处，而MAX487总线的接地、U3、U4的接地应该与下位机的接地分开
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