多点粮库温度测量显示系统

专业方向课程设计课题：多点粮库温度测量显示系统班级测控1082班学生姓名学号指导教师淮阴工学院电子与电气工程学院班级：测控1082姓名：学号：课题：多点粮库温度测量显示系统11.系统方案设计1.1概述粮食是人类赖以生存的基本物质，是关系国民生计的重要物资，也是军需民食的特殊商品。中国有句老话：“常将有日思无日，莫待无时想有时”，居安思危，未雨绸缪，永远不会过时。随着粮食流通体制改革的不断深化、粮食市场全面放开已成定局,随着人民生活水平的提高，全社会对粮食质量问题提出了新的要求；加入世界贸易组织后粮食贸易的全球化，客观上也要求粮食质量工作与国际接轨。面对新形势，如何加强储粮工作，发挥粮食部门在粮食储存方面的优势，是摆在粮食储备工作面前的一个重要课题。目前我国地方各大型粮库都存在着不同程度的粮食储存变质的问题。大部分粮库还采取人工测量温度的方法，不仅增大了粮库工作人员的工作量，而且工作效率底，尤其是大型粮库的温度测量不能及时而彻底的完成，导致大面积坏粮的情况时有发生。据统计，我国每年因粮食储存不当而发霉变质的粮食就达上亿斤，造成无法估量的的经济损失。粮食的温度是影响粮食储藏的重要参数，两者之间是相互关联的，粮食在正常储藏条件下（即安全条件下），含水量一般在12％以下，不会使粮食温度发生突变，一旦粮食受潮含水量增加，超过20％以上时，就满足了粮粒发芽的条件，新陈代谢加快而产生呼吸热，使局部粮温升高，必然引起粮食发热和霉变，且极易产生连锁反应，从而造成难以挽回的损失因此，粮食温度监控技术在农业上的应用是十分重要的。随着科学技术的不断进步与发展，温度传感器的种类日益繁多，数字温度传感器更因适用于各种微处理器接口组成的自动温度控制系统具有可以克服模拟传感器与微处理器接口时需要信号调理电路和A/D转换器的弊端等优点，被广泛应用于工业控制、电子测温计、医疗仪器等各种温度控制系统中。其中，比较有代表性的数字温度传感器有DS18B20、MAX6575、DS1722、MAX6635等。相比较而言，传统的温度检测以热敏电阻为温度敏感元件，热敏电阻成本低，但需要后续信号处理电路，而且热敏电阻的可靠性相对较差，测量温度的准确度低，检测系统的精度差。数字式温度传感器的种类也不少，并且在实际工程设计中具有上述诸多优点。本设计是基于温度传感器的温度检测系统中的温度检测、电路控制、报警系统及显示部分的实现。以智能温度传感器应用技术和单片机应用技术为核心进行班级：测控1082姓名：学号：课题：多点粮库温度测量显示系统2开发，并且以理论分析和该技术方案为基础，在不断地研究过程中进行不断的调整，完成了一个温度监测系统的设计。1.2系统方案框图本系统采用单片机及外围电路完成。最重要的部分即测温电路将采用数字温度芯片测量温度，这样输出的信号为数字信号，可以直接由单片机来处理；按键输入电路用于进行调时和温度查询，以方便对系统各项参数的修改；时钟及复位电路将提供给单片机必不可少的时钟信号和复位信号以使单片机正常工作。报警电路用于当仓库温度超过额定范围时，及时报警通知。显示电路则是显示仓库温度。系统的原理框图如图1所示。图1系统原理框图2.工作原理2.1检测原理电路设计原理图如图2所示，控制器使用单片机AT89S51，温度传感器使用DS18B20，用液晶实现温度显示。本温度计大体分三个工作过程。首先，由DS18B20温度传感器芯片测量当前的温度，并将结果送入单片机。然后，通过AT89S51单片机芯片对送来的测量温度读数进行计算和转换，井将此结果送入液晶显示模块。最后，SMC1602A芯片将送来的值显示于显示屏上。由图2可看到，本电路主要由DSl8B20温度传感器芯片、SMCl602A液晶显示模块芯片和AT89S51单片机芯片组成。其中，DSI8B20温度传感器芯片采用“一线制”与单片机相连，它独立地完成温度测量以及将温度测量结果送到单片机的工作。班级：测控1082姓名：学号：课题：多点粮库温度测量显示系统3图2硬件设计电路图2.2温度传感器选择用于粮仓温湿度监控系统的温度传感器主要是Dallas的DS18B20系列温度传感器。DS18B20是美国DALLAS公司生产的单线数字温度传感器,它具有微型化、低功耗、高性能、抗干拢能力强、易配微处理器等优点,特别适合于构成多点温度测控系统，可直接将温度转化成串行数字信号供微机处理,而且每片DS18B20都有唯一的产品号并可存入其ROM中,以便在构成温湿度测控系统时在单线上挂接任意多个DS18B20芯片。从DS18B20读出或写入DS18B20信息仅需要一根口线,其读写及温度变换功率来源于数据总线,该总线本身也可以向所挂接的DS18B20供电,而无需额处电源。DS18B20能提供九位温度读数,它无需任何外围硬件即可方便地构成温度检测系统，因而使用DS18B20可使系统结构更趋简单.可靠性更高。温度传感器选用一总线温度传感器DS18B20。DS18B20是美国DALLAS半导体公司生产的可组网数字式温度传感器，与其它温度传感器相比，DS18B20具有以下特性：独特的单线接口方式，DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯。DS18B20支持多点组网功能，多个DS1820可以并联在唯一的三线上，实现组网多点测温。DS18B20在使用中不需要任何外围元件，全部传感器元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内。温度范围－55℃～＋125℃，固有测温分辨率±0.5℃；测量结果直接输出数字温度信号，以“一线总线”串行传送给CPU，同时可传送CRC效验码，具有极强的抗干扰纠错能力；测量结果以9位数字量方式串行传送。DS18B20虽然具有测温系统简单、测温精度高、连接方便、占用口线少等优班级：测控1082姓名：学号：课题：多点粮库温度测量显示系统4点，但在实际应用中也应注意以下几方面的问题：（1）系统的硬件虽然简单但需要相对复杂的软件进行补偿，由于DS18B20与微处理器间采用串行数据传送，因此，在对DS18B20进行读写编程时，必须严格的保证读写时序，否则将无法读取测温结果。（2）在DS18B20的有关资料中均未提及单总线上所挂DS18B20数量问题，容易使人误认为可以挂任意多个DS18B20，在实际应用中并非如此。当单总线上所挂DS18B20超过8个时，就需要解决微处理器的总线驱动问题，这一点在进行多点测温系统设计时要加以注意。（3）连接DS18B20的总线电缆有长度限制。由于信号电缆本身存在电阻，距离过长时将导致信号衰减。试验中，当采用普通信号电缆传输长度超过50m时，读取的测温数据将发生错误。当将总线电缆改为双绞线带屏蔽电缆时，正常通讯距离可达150m。DS18B20有PR-35和SOIC两种封装形式，管脚排列如表1所示。本系统选用PR-35封装形式。DS18B20返回温度值虽然只有9位，如图3所示。表1DS1820管脚排列管脚管脚定义说明8脚SOIC3脚PR-3521GND地12I|O数据输入端83VCC电源34567NC空脚图3DS18B20温度值表示方法D9为符号位，0表示正，1表示负，高字节的其他位（D10～D15）是以符号位的扩展位表示的；D0～D8为数据位，以二进制补码表示。温度是以1/2℃LSB形式表示的。表2为数值和温度的关系。表2DS18B20数值和温度的关系温度数据（二进制）数据（十六进制）+125000000001111101000FAH+2500000000001100100032H+0.500000000000000010001H000000000000000000000H+0.51111111111111111FFFFH-251111111111001110FFCEH-551111111110010010FF92H班级：测控1082姓名：学号：课题：多点粮库温度测量显示系统5因到粮仓内环境温度不能出现负温情况，因此本系统不考虑负温情况，这样，在硬件选取上可以考虑选用商业级器件，不必要选用工业级器件，可以大幅度降低成本。因此单片机读取温度信息后，只需将低字节（D0～D8）送入上位机和控制电路即可。2.3测量电路介绍2.3.1显示电路显示电路采用SMCI602A液晶显示模块芯片该芯片可显示16×2个字符，比以前的七段数码管LED显示器在显示字符的数量上要多得多。另外，由于SMCl602芯片编程比较简单，界面直观，因此更加易于使用者操作和观测。SMCl602A芯片的接口信号说明如表3所列。驱动电路包含在SMCI602A液晶显示模块芯片，所以不必外加驱动电路。其控制由单片机来完成，亮度调节是通过变阻器R2完成。表3SMCl602A芯片的接口信号说明2.3.2温度检测电路DS18B20最大的特点是单总线数据传输方式，DS18B20的数据I/O均由同一条线来完成。DS18B20的电源供电方式有2种:外部供电方式和寄生电源方式。工作于寄生电源方式时,VDD和GND均接地,它在需要远程温度探测和空间受限的场合特别有用,原理是当1Wire总线的信号线DQ为高电平时,窃取信号能量给DS18B20供电,同时一部分能量给内部电容充电,当DQ为低电平时释放能量为DS18B20供电。但寄生电源方式需要强上拉电路,软件控制变得复杂(特别是在完成温度转换和拷贝数据到E2PROM时),同时芯片的性能也有所降低。因此,在条件允许的场合,尽量采用外供电方式。无论是内部寄生电源还班级：测控1082姓名：学号：课题：多点粮库温度测量显示系统6是外部供电，I/O口线要接5KΩ左右的上拉电阻。在这里采用前者方式供电。DS18B20与芯片连接电路如图4所示。图4DS18B20与单片机的连接外部电源供电方式是DS18B20最佳的工作方式，工作稳定可靠，抗干扰能力强，而且电路也比较简单，可以开发出稳定可靠的多点温度监控系统。在开发中使用外部电源供电方式，比寄生电源方式只多接一根VCC引线。在外接电源方式下，可以充分发挥DS18B20宽电源电压范围的优点，即使电源电压VCC降到3V时，依然能够保证温度量精度。2.3.3温度报警电路本设计采软件处理报警，利用有源蜂鸣器进行报警输出，采用直流供电。当所测温度超过或者低于所预设的温度时，数据口相应拉高电平，报警输出。也可采用发光二级管报警电路，如果需要报警，则只需将相应位置1，当参数判断完毕后，再看报警模型单元ALARM的内容是否与预设一样，如不一样，则发光报警。报警电路硬件连接见图5。图5蜂鸣器电路连接图班级：测控1082姓名：学号：课题：多点粮库温度测量显示系统73.系统软件设计3.1软件设计方法整个系统的功能是由硬件电路配合软件来实现的，当硬件基本定型后，软件的功能也就基本定下来了。从软件的功能不同可分为两大类：一是监控软件（主程序），它是整个控制系统的核心，专门用来协调各执行模块和操作者的关系。二是执行软件（子程序），它是用来完成各种实质性的功能如测量、计算、显示、通讯等。每一个执行软件也就是一个小的功能执行模块。这里将各执行模块一一列出，并为每一个执行模块进行功能定义和接口定义。各执行模块规划好后，就可以规划监控程序了。首先要根据系统的总体功能选择一种最合适的监控程序结构，然后根据实时性的要求，合理地安排监控软件和各执行模块之间地调度关系。主程序需要调用4个子程序，分别为液晶屏显示程序，温度测试及处理子程序，报警子程序，中断设定子程序。各模块程序功能如下：1）液晶屏显示程序：控制系统的显示部分。2）温度测试及处理程序：对温度芯片送过来的数据进行处理，进行判断和显示。3）报警子程序：进行温度上下限判断及报警输出。4）中断设定程序：实现设定上下限报警功能。3.2测试系统流程图3.2.1初始化流程初始化流程见图6。首先对AT89S51的寄存器初试化，并检测DS18B20是否存在，如果存在，开始检测温度，完成一系列的转化操作，做适当处理后，由显示电路显示，最后进入一个循环程序，不断检测温度是否超过设定范围，一旦超过，做报警处理。在主机初始化过程，主机通过拉低单