畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）基于單片機(jī)的糧倉(cāng)溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)系別自動(dòng)化工程系專業(yè)名稱自動(dòng)化摘要在糧食的儲(chǔ)藏的過(guò)程中，由于糧倉(cāng)溫濕度異常而造成糧食變質(zhì)，帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)損失是驚人的。目前我國(guó)許多糧食倉(cāng)儲(chǔ)單位采用測(cè)溫儀器與人工抄錄、管理相結(jié)合的傳統(tǒng)方法，消耗了大量的人力和財(cái)力，并且效果不佳，發(fā)霉變質(zhì)等現(xiàn)象大量存在。因此設(shè)計(jì)智能糧倉(cāng)溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)，提高了工作效率，實(shí)現(xiàn)糧倉(cāng)溫濕度的實(shí)時(shí)監(jiān)控，是倉(cāng)儲(chǔ)單位亟待解決的重要問(wèn)題。在實(shí)際的生產(chǎn)過(guò)程中，溫濕度監(jiān)控問(wèn)題是一個(gè)很復(fù)雜的問(wèn)題。本文通過(guò)全面分析溫濕度監(jiān)控問(wèn)題的特點(diǎn)以及國(guó)內(nèi)外研究發(fā)展?fàn)顩r，提出了一種溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。該系統(tǒng)采用單片機(jī)自動(dòng)檢測(cè)糧倉(cāng)溫濕度信息，并通過(guò)CAN總線與上位機(jī)進(jìn)行通信，來(lái)解決糧倉(cāng)內(nèi)溫度和濕度的實(shí)時(shí)檢測(cè)和可靠控制的問(wèn)題。進(jìn)而根據(jù)問(wèn)題的特殊性，在檢測(cè)、存儲(chǔ)和控制實(shí)現(xiàn)上，都做了改進(jìn)，使問(wèn)題可以在一個(gè)可行的時(shí)間范圍內(nèi)得到解決。在仿真和模擬試驗(yàn)中，驗(yàn)證了該系統(tǒng)的可行性，分析了該系統(tǒng)在解決實(shí)際問(wèn)題時(shí)的不足，并提出了改進(jìn)的辦法。每個(gè)糧倉(cāng)設(shè)有一個(gè)智能節(jié)點(diǎn)，該節(jié)點(diǎn)以STC89C52單片機(jī)為核心,主要完成糧倉(cāng)內(nèi)溫濕度的采集，處理，顯示并做出判斷實(shí)現(xiàn)超限報(bào)警和無(wú)差控制，還通過(guò)CAN總線傳至上位機(jī)有關(guān)信息。上位機(jī)通過(guò)接收智能節(jié)點(diǎn)傳來(lái)的信息，了解各糧倉(cāng)溫濕度情況，并且能根據(jù)各智能節(jié)點(diǎn)地址，設(shè)定任何一個(gè)糧倉(cāng)溫濕度的報(bào)警閾值，從而解決了多個(gè)糧倉(cāng)的溫濕度監(jiān)控問(wèn)題。最后，對(duì)論文工作進(jìn)行了總結(jié)，并說(shuō)明了進(jìn)一步開發(fā)和研究的方向。關(guān)鍵詞糧倉(cāng)，溫濕度控制，CAN總線THEDESIGNOFBARNSTEMPERATUREANDHUMIDITYMONITORSYSTEMBASEDONSCMABSTRACTINTHEPROCESSOFGRAINSTORAGE,GRAINDETERIORATESDUETOTHEABNORMALOFTHEBARNSTEMPERATUREANDHUMIDITY,ANDTHEECONOMICLOSSESWHICHBROUGHTABOUTAREAMAZINGATPRESENTMANYGRAINSTORAGEUNITSINOURCOUNTRYUSETHETRADITIONALMETHODSWHICHISCOMBINEDOFTHERMOMETERDEVICE,ARTIFICIALTRANSCRIPTIONANDARTIFICIALMANAGEMENT,CONSUMINGALOTOFMANPOWERANDFINANCIALRESOURCES,ANDTHERESULTSAREPOOR,THEPHENOMENAOFMILDEWINGANDMETAMORPHISMEXISTSINLARGEQUANTITIESTHEREFORE,DESIGNINGTHETEMPERATUREANDHUMIDITYMONITORSYSTEMONBARN,IMPROVINGEFFICIENCYANDACHIEVINGREALTIMEMONITORINGOFBARNSTEMPERATUREANDHUMIDITY,ISANIMPORTANTPROBLEMDEMANDINGPROMPTSOLUTIONBYSTORAGEUNITSINTHEACTUALPRODUCTIONPROCESS,THEMONITORINGOFTEMPERATUREANDHUMIDITYSISAVERYCOMPLEXISSUEINTHISPAPER,AMETHODOFDESIGNINGTHEBARNSTEMPERATUREANDHUMIDITYMONITORSYSTEMAFTERFULLYANALYSISTHECHARACTERISTICSOFTEMPERATUREANDHUMIDITYMONITORISSUESANDDOMESTICANDTHERESEARCHANDDEVELOPMENTSTATUSBOTHATHOMEANDABROADTHESYSTEMUSESMICROCOMPUTERTODETECTTHETEMPERATUREANDHUMIDITYINFORMATIONAUTOMATIC,COMMUNICATEWITHTHEHOSTCOMPUTERBYTHECANBUSANDSOLVETHEPROBLEMOFTEMPERATUREANDHUMIDITYSREALTIMEDETECTIONANDRELIABLECONTROLINTHEBARNTHENACCORDINGTOTHESPECIFICITYOFPROBLEM,ANIMPROVEMENTISMADEONDETECTION,STORAGEANDCONTROLSREALIZING,WHICHSOLVESTHEPROBLEMREASONABLYINRELATIVELYSHORTTIMEINTHESIMULATION,THEFEASIBILITYOFTHESYSTEMISVERIFIED,THESHORTAGEOFTHISSYSTEMWHENPROCESSINGACTUALPROBLEMISALSOANALYZEDANDTHENEWIMPROVEMENTISRAISEDEACHBARNHASANINTELLIGENTNODE,WHICHISBASEDONSTC89C52MICROCONTROLLERMAINLYCOMPLETETHECOLLECTIONANDPROCESSINGOFTEMPERATUREANDHUMIDITYINSIDETHEBARN,ANDDISPLAYANDMAKEJUDGMENTSONTHEOVERLIMITALARMANDNODIFFERENCECONTROLITALSODELIVERTHERELEVANTINFORMATIONTOPCBYTHECANBUSHOSTCOMPUTERFINDOUTEACHBARNSTEMPERATURESANDHUMIDITYTHROUGHTHEINFORMATIONCOMINGFROMINTELLIGENTNODES,ANDSETTEMPERATUREANDHUMIDITYALARMTHRESHOLDINEVERYBANBASEDDUETOEVERYINTELLIGENTNODESADDRESS,ANDTHEREFORETHEPROBLEMONMULTIPLEBARNSTEMPERATUREANDHUMIDITYMONITORHASBEENSOLVEDINTHEEND,THEWORKINTHISPAPERISSUMMARIZEDANDTHEFURTHERSTEPOFTHISRESEARCHISCLARIFIEDKEYWORDSBARN,TEMPERATUREANDHUMIDITYCONTROL,CANBUS目錄1緒論111背景112國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)313設(shè)計(jì)的目的及意義414設(shè)計(jì)的主要工作515本文的研究?jī)?nèi)容52方案選擇與總體設(shè)計(jì)621溫濕度的相關(guān)概念622溫濕度的測(cè)量方法823溫濕度傳感器的選取924系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)103系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)1531STC89C52簡(jiǎn)介1532數(shù)據(jù)采集電路16321DHT21性能說(shuō)明17322DHT21引腳介紹18323DHT21數(shù)據(jù)格式18324DHT21時(shí)序1833鍵盤輸入電路2034LCD顯示電路21341電路概述21342LCD1602引腳21343LCD1602控制器21344LCD1602基本操作2235實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路23351電路及芯片概述23352DS1302引腳23353DS1302寄存器24354DS1302控制字24355DS1302時(shí)序2536掉電保護(hù)電路2637CAN總線通信28371CAN總線概述28372CAN控制器MCP251529373CAN收發(fā)器TJA105031374光電隔離器6N13732375上位機(jī)與CAN的連接33376下位機(jī)與CAN的連接3438輸出控制電路3539聲光報(bào)警電路35310系統(tǒng)電源電路364系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)3741溫濕度設(shè)置3742數(shù)據(jù)的采集與處理3743PWM控制算法3844系統(tǒng)通信程序3945人機(jī)界面設(shè)計(jì)40451主要內(nèi)容概述40452系統(tǒng)首頁(yè)42453MDI窗體首頁(yè)42454實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)窗口43455歷史數(shù)據(jù)查詢窗口43456標(biāo)值設(shè)定窗口44457系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)445系統(tǒng)的抗干擾問(wèn)題4551干擾因素4552硬件抗干擾措施45521合理選擇元器件45522抑制電源的干擾45523電場(chǎng)、磁場(chǎng)干擾的抑制45524接地技術(shù)46525通道技術(shù)46526布線抗干擾設(shè)計(jì)4753軟件抗干擾措施48531數(shù)字濾波技術(shù)48532軟件冗余技術(shù)48533軟件陷阱技術(shù)48534數(shù)據(jù)的保護(hù)與恢復(fù)技術(shù)48535“看門狗”技術(shù)49總結(jié)50致謝52參考文獻(xiàn)53附錄英文原文及翻譯541緒論11背景“國(guó)以民為本，民以食為天”，“兵馬未動(dòng)，糧草先行”，這些都充分說(shuō)明糧食對(duì)國(guó)家的重要性。儲(chǔ)糧是為了防備戰(zhàn)爭(zhēng)、保證非農(nóng)業(yè)人口的糧食消費(fèi)需求、調(diào)節(jié)國(guó)內(nèi)糧食供求平衡、穩(wěn)定糧食市場(chǎng)價(jià)格、應(yīng)對(duì)重大自然災(zāi)害及其它突發(fā)性事件而采取的有效措施，因此，糧食的科學(xué)儲(chǔ)藏具有重要的戰(zhàn)略意義和經(jīng)濟(jì)意義。一般來(lái)說(shuō)，糧食存放在糧倉(cāng)中，大型的糧倉(cāng)可存放數(shù)以萬(wàn)計(jì)的糧食，而且這些糧食存放的時(shí)間有長(zhǎng)有短。目前，我國(guó)地方及墾區(qū)的各種大型糧倉(cāng)都還存在著不同程度的糧食儲(chǔ)存變質(zhì)問(wèn)題。根據(jù)國(guó)家糧食保護(hù)法規(guī)定，必須定期抽樣檢查糧倉(cāng)各點(diǎn)的糧食溫度和濕度，以便及時(shí)采取相應(yīng)的措施，防止糧食的變質(zhì)。但大部分糧倉(cāng)目前還是采取人工測(cè)量溫度和濕度的方法，這不僅使糧倉(cāng)工作人員工作量增大，且工作效率低，尤其是大型糧倉(cāng)的溫度和濕度檢測(cè)任務(wù)如不能及時(shí)徹底完成，則有可能會(huì)造成糧食大面積變質(zhì)。據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計(jì)，我國(guó)每年因糧食變質(zhì)而損失的糧食達(dá)數(shù)億千克，直接造成的經(jīng)濟(jì)損失是驚人的。影響儲(chǔ)糧安全的最主要因素是糧堆內(nèi)的大氣條件，即溫度和相對(duì)濕度的日變化和季節(jié)變化，而溫度和濕度兩者之間又是相互關(guān)聯(lián)的。為了保證存放在糧倉(cāng)中的糧食不致腐爛變質(zhì)，就必須使糧倉(cāng)內(nèi)的溫度和濕度保持在一定的范圍以內(nèi)。利用制冷機(jī)產(chǎn)生的冷量對(duì)自然空氣進(jìn)行冷卻降溫、除濕，再通過(guò)風(fēng)機(jī)及糧倉(cāng)內(nèi)的通風(fēng)管道使冷卻后的空氣穿過(guò)糧堆，使糧食溫度降到15以下進(jìn)行低溫儲(chǔ)藏的一項(xiàng)科學(xué)、先進(jìn)的糧食儲(chǔ)藏技術(shù)。運(yùn)用該技術(shù)可使糧食的低溫儲(chǔ)藏不受氣候條件的影響，即使在炎熱的夏季或雨季都可實(shí)現(xiàn)。目前在發(fā)達(dá)國(guó)家特別是西歐國(guó)家已獲得了廣泛的應(yīng)用，對(duì)于保證糧食品質(zhì)，安全儲(chǔ)藏糧食起著重要的作用。利用機(jī)械制冷方法將糧溫降到515進(jìn)行低溫儲(chǔ)藏是一種科學(xué)、先進(jìn)的儲(chǔ)糧方式，具有以下特點(diǎn)（1）與常溫儲(chǔ)藏相比，低溫儲(chǔ)藏使糧食的呼吸活動(dòng)大大減弱，可延緩糧食的陳化，保持糧食的新鮮度并降低儲(chǔ)糧自然減量損失。糧食在10時(shí)儲(chǔ)藏，由于呼吸產(chǎn)生的干物質(zhì)損失要比在20和30時(shí)儲(chǔ)藏分別少4倍和15倍。（2）當(dāng)糧溫達(dá)到13時(shí)，害蟲的繁殖和活動(dòng)就基本停止，糧溫降至10時(shí)完全停止，因此低溫儲(chǔ)藏可以避免糧食遭受蟲害而造成的損失。在一些西歐國(guó)家，低溫儲(chǔ)糧已不需要進(jìn)行化學(xué)藥劑熏蒸殺蟲，從而改善了糧倉(cāng)工人的工作環(huán)境，避免殘留藥劑對(duì)人們身體健康的危害。（3）因?yàn)槊咕任⑸锵矞?，所以低溫?chǔ)糧使霉菌的活動(dòng)基本停止，可有效地防止糧食發(fā)生霉變。（4）糧食在通常儲(chǔ)藏過(guò)程中，含水量一般在12以下為安全狀態(tài)，不會(huì)產(chǎn)生溫度突變，一旦糧倉(cāng)進(jìn)水、結(jié)露等使糧食的含水量達(dá)到20以上時(shí)，由于糧粒受潮，胚芽萌發(fā)，新陳代謝加快而產(chǎn)生呼吸熱，使局部糧食溫度突然升高，必然引起糧食“發(fā)燒”和霉變，并可能形成連鎖反應(yīng)，從而造成不可挽回的損失。而對(duì)糧食利用機(jī)械制冷方法進(jìn)行降溫，使得糧食在高于安全水分時(shí)儲(chǔ)藏成為可能，因此可以提高儲(chǔ)糧和加工單位的效益。對(duì)于稻谷，最適合的碾磨水分是15左右，但常溫下稻谷儲(chǔ)藏的安全水分是13514，加工前需進(jìn)行人工增濕，使稻谷易于產(chǎn)生爆腰，碾磨的整米率下降。若采用人工冷卻降溫方法，稻谷可在15水分下安全儲(chǔ)藏見表11，從而提高稻谷碾磨的整米率，同時(shí)減少儲(chǔ)糧水分減量損失。在西班牙的一個(gè)碾米廠，采用機(jī)械制冷低溫儲(chǔ)藏稻谷后提高整米率20。對(duì)于10000噸的糧食儲(chǔ)量，在15的水分下儲(chǔ)藏，可減少儲(chǔ)糧單位水分減量損失116173噸。表11糧溫為10時(shí)糧食水分與安全儲(chǔ)藏期的關(guān)系糧食水分糧食安全儲(chǔ)藏期月12015581215517561017518546185200142002300522302500250512國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)隨著傳感器技術(shù)、計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)、超大規(guī)模集成電路技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的發(fā)展，監(jiān)控系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域，在此同時(shí)，糧倉(cāng)溫濕度監(jiān)控技術(shù)的研究在軟、硬件等方面都有了一定的進(jìn)展。初期，以熱敏電阻，濕敏電阻作為傳感器件，通過(guò)檢測(cè)電阻的變化來(lái)反映糧食溫濕度的變化，為糧食保管提供參考依據(jù)。采用人工測(cè)量與人工抄錄、管理相結(jié)合的傳統(tǒng)方法，并且用人工的辦法對(duì)糧食進(jìn)行晾曬，通風(fēng)，噴灑藥劑防止因存儲(chǔ)不當(dāng)引起的溫濕度異常及蟲害，消耗了大量的人力和財(cái)力，效率較低，然而往往由于判斷失誤和管理不力，效果不佳，發(fā)霉變質(zhì)等現(xiàn)象大量存在。廣大科技工作者近30年的共同努力下，糧情檢測(cè)技術(shù)不斷完善、提高、并日趨成熟，逐步形成了樣式繁多的糧情檢測(cè)系統(tǒng)，為安全、科學(xué)儲(chǔ)糧起到了積極作用。目前，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的糧倉(cāng)溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)品種繁多，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)各異，在糧倉(cāng)內(nèi)外溫濕度檢測(cè)、糧食內(nèi)部溫濕度檢測(cè)及分析、通風(fēng)機(jī)械的控制等方面，比之前有了不少進(jìn)步但仍有進(jìn)步空間?，F(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)電路和上位機(jī)的通訊大多采用RS485，使整個(gè)系統(tǒng)抗干擾能力差，實(shí)時(shí)性和糾錯(cuò)能力不強(qiáng)，增加了節(jié)點(diǎn)困難。當(dāng)某一通信節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障時(shí)，還會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)。國(guó)外的溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)相對(duì)比較先進(jìn)，主要體現(xiàn)在以下三個(gè)方面（1）無(wú)論是傳感器的測(cè)量精度、反應(yīng)速度、穩(wěn)定性、功能多樣性還是使用環(huán)境方面，國(guó)外的傳感器都比較先進(jìn)。（2）構(gòu)成系統(tǒng)整體的測(cè)控技術(shù)和管理，無(wú)論是硬件還是軟件，都已普遍采用相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)模塊集成，并且早已實(shí)現(xiàn)組態(tài)。（3）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)已經(jīng)普遍采用網(wǎng)絡(luò)連接的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)FCS，有些需要的場(chǎng)合，則連接到INTERNET上，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制、遠(yuǎn)程診斷。溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)主要應(yīng)用于控制環(huán)境空間的溫度和相對(duì)濕度，從系統(tǒng)控制的角度來(lái)看，屬于純滯后控制，而這一技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟。目前研制高精度，高性能，多功能的溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)是主流，提高可靠性、靈活性和降低成本也是其考慮的重點(diǎn)，并且系統(tǒng)在報(bào)警、記錄、控制、通信等方面的自動(dòng)化和智能化也將逐步完善。13設(shè)計(jì)的目的及意義科學(xué)儲(chǔ)糧是糧食生產(chǎn)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，若管理不當(dāng)，糧食發(fā)霉或生蟲會(huì)造成極大浪費(fèi)，而糧倉(cāng)管理中最重要的問(wèn)題是監(jiān)測(cè)糧堆中溫度和濕度的變化。糧倉(cāng)一般由幾十個(gè)甚至上百個(gè)由水泥或鋼板構(gòu)成的圓型倉(cāng)組成，倉(cāng)高2030M。現(xiàn)在，我國(guó)在糧倉(cāng)建設(shè)上己經(jīng)實(shí)現(xiàn)了規(guī)范化，但是監(jiān)測(cè)手段一直未能實(shí)現(xiàn)同步現(xiàn)代化。我國(guó)許多儲(chǔ)備糧倉(cāng)每年都因測(cè)控設(shè)備的不完善而導(dǎo)致部分糧食霉變，許多大型儲(chǔ)備糧倉(cāng)的測(cè)控設(shè)備仍需高價(jià)進(jìn)口，因此國(guó)家準(zhǔn)備在未來(lái)的幾年內(nèi)對(duì)全國(guó)所有的糧倉(cāng)進(jìn)行翻新和改造工作，要求規(guī)范糧倉(cāng)管理，實(shí)現(xiàn)糧倉(cāng)管理現(xiàn)代化。影響儲(chǔ)糧安全的最主要因素是糧堆內(nèi)的溫度和濕度，因此這就要求有一種經(jīng)濟(jì)實(shí)用的糧倉(cāng)溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)能夠及時(shí)監(jiān)測(cè)糧倉(cāng)溫度和濕度分布，準(zhǔn)確分析糧倉(cāng)溫濕度變化，并及時(shí)采取相應(yīng)控制措施，使得管理人員能夠方便有效地進(jìn)行監(jiān)控操作。本文只闡述了對(duì)溫濕度的檢測(cè)和控制，以下所說(shuō)糧情僅指溫度和濕度，但涉及到的一些方法也適合其他糧情檢測(cè)情況。在綜合研究國(guó)內(nèi)糧倉(cāng)管理現(xiàn)狀和發(fā)展的前提下，吸收了國(guó)內(nèi)多種糧倉(cāng)溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)的成功經(jīng)驗(yàn)后，我們?cè)O(shè)計(jì)了自己的糧倉(cāng)溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)。該糧倉(cāng)溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)，用單片機(jī)作為前沿機(jī)（或叫下位機(jī)）對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、分析和控制，用PC機(jī)作為監(jiān)控機(jī)（或叫上位機(jī)）對(duì)糧倉(cāng)進(jìn)行監(jiān)控，通過(guò)CAN總線實(shí)現(xiàn)下位機(jī)與上位機(jī)聯(lián)網(wǎng)通信，從而實(shí)現(xiàn)即時(shí)遙測(cè)遙控功能。該系統(tǒng)具有可靠性和高性價(jià)比，而且操作維修簡(jiǎn)便，具有檢測(cè)、數(shù)顯、控制等諸多功能。糧倉(cāng)溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)是利用現(xiàn)場(chǎng)的前沿機(jī)檢測(cè)糧食儲(chǔ)備庫(kù)中糧食的基本溫濕度情況，并結(jié)合其他糧情信息（如入倉(cāng)時(shí)間、品種、倉(cāng)型、天氣狀況等）進(jìn)行綜合分析（溫濕度設(shè)定，實(shí)時(shí)溫濕度顯示，報(bào)警電路），然后通過(guò)控制電機(jī)啟停，達(dá)到對(duì)溫濕度的控制。利用監(jiān)控室的上位機(jī)對(duì)糧倉(cāng)進(jìn)行監(jiān)控，用戶可方便地構(gòu)造自己需要的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，在任何時(shí)候把糧倉(cāng)現(xiàn)場(chǎng)的信息實(shí)時(shí)地傳到控制室，管理人員不需要深入現(xiàn)場(chǎng)，就可以按照所需的溫濕度要求對(duì)糧倉(cāng)內(nèi)的溫濕度情況進(jìn)行控制，還可以查看歷史數(shù)據(jù)，優(yōu)化現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)，提高了生產(chǎn)效率，增強(qiáng)了國(guó)家糧食儲(chǔ)備安全水平，以獲得實(shí)時(shí)糧倉(cāng)管理，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、智能化，為實(shí)現(xiàn)我國(guó)糧倉(cāng)管理現(xiàn)代化更近了一步。14設(shè)計(jì)的主要工作該課題主要利用單片機(jī)來(lái)測(cè)量并控制糧倉(cāng)中的溫度和濕度，為了完成這個(gè)測(cè)量監(jiān)控系統(tǒng)的任務(wù)需要做以下設(shè)計(jì)1根據(jù)糧倉(cāng)溫度、濕度的測(cè)量范圍及要求，選擇溫濕度傳感器。2設(shè)計(jì)溫濕度測(cè)量系統(tǒng)，使之具有多點(diǎn)測(cè)量及實(shí)時(shí)顯示的功能。3設(shè)計(jì)現(xiàn)場(chǎng)控制單元，使之能快速、準(zhǔn)確、穩(wěn)定地控制溫濕度。4設(shè)計(jì)基于CAN總線的遠(yuǎn)程通訊系統(tǒng)及基于VB的人機(jī)界面。15本文的研究?jī)?nèi)容本文對(duì)所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)進(jìn)行了介紹和總結(jié)，具體安排如下第一章為緒論，主要介紹了本系統(tǒng)的研究意義，研究現(xiàn)狀，發(fā)展方向以及本設(shè)計(jì)主要內(nèi)容；第二章為方案選擇和總體設(shè)計(jì)，主要介紹了溫濕度的基本概念和測(cè)量方法，及由此確定的本系統(tǒng)方案，并對(duì)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)進(jìn)行了簡(jiǎn)要介紹；第三章為系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)，主要對(duì)系統(tǒng)中各模塊的硬件電路結(jié)構(gòu)，主要功能及相關(guān)性能進(jìn)行了介紹；第四章為系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)，主要對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，對(duì)應(yīng)功能實(shí)現(xiàn)所用程序進(jìn)行了介紹，并對(duì)軟件設(shè)計(jì)中應(yīng)當(dāng)注意的問(wèn)題進(jìn)行了總結(jié)；第五章為系統(tǒng)抗干擾技術(shù)，主要對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)所受的主要干擾，以及在硬件和軟件方面的抗干擾措施進(jìn)行了介紹；第六章為總結(jié)，則是對(duì)本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)和仿真及畢業(yè)論文的撰寫過(guò)程進(jìn)行了總結(jié)，并對(duì)系統(tǒng)完成的功能和存在的問(wèn)題進(jìn)行了分析，還對(duì)下一步（如果繼續(xù)做下去）的工作內(nèi)容進(jìn)行了陳述。第七、八、九章，分別為致謝，參考文獻(xiàn)和附錄。2方案選擇與總體設(shè)計(jì)21溫濕度的相關(guān)概念溫度（TEMPERATURE）溫度是表示物體冷熱程度的物理量，從分子運(yùn)動(dòng)論觀點(diǎn)看，溫度是物體分子熱運(yùn)動(dòng)的劇烈程度。分子運(yùn)動(dòng)愈快，物體愈熱，即溫度愈高；分子運(yùn)動(dòng)愈慢，物體愈冷，即溫度愈低。溫度是大量分子熱運(yùn)動(dòng)的集體表現(xiàn)，含有統(tǒng)計(jì)意義，對(duì)于個(gè)別分子來(lái)說(shuō)，溫度是沒(méi)有意義的。溫度只能通過(guò)物體隨溫度變化的某些特性來(lái)間接測(cè)量，而用來(lái)量度物體溫度數(shù)值的標(biāo)尺叫溫標(biāo)。它規(guī)定了溫度的讀數(shù)起點(diǎn)（零點(diǎn)）和測(cè)量溫度的基本單位。目前國(guó)際上用得較多的溫標(biāo)有華氏溫標(biāo)、攝氏溫標(biāo)（C）、熱力學(xué)溫標(biāo)K和國(guó)際實(shí)用溫標(biāo)。溫度是分子平均動(dòng)能的標(biāo)志，它決定一個(gè)系統(tǒng)是否與其它系統(tǒng)處于熱平衡狀態(tài)，它的基本特征在于一切互為熱平衡的系統(tǒng)都具有相同的溫度。隨著物體溫度的變化，物體的狀態(tài)會(huì)在固態(tài)、液體和氣態(tài)之間變化。整個(gè)世界這么精彩就是因?yàn)檫@些不同的分子、原子在不同的溫度下變化而來(lái)的。濕度（HUMIDITY）濕度是表示大氣干燥程度的物理量，在一定的溫度下在一定體積的空氣里含有的水汽越少，則空氣越干燥；水汽越多，則空氣越潮濕。空氣的干濕程度叫做“濕度”，在此意義下，常用絕對(duì)濕度、相對(duì)濕度、比較濕度、混合比、飽和差以及露點(diǎn)等物理量來(lái)表示。絕對(duì)濕度是一定體積的空氣中含有的水蒸氣的質(zhì)量，一般其單位是克/立方米，其計(jì)算見公式（21）。絕對(duì)濕度的最大限度是飽和狀態(tài)下的最高濕度。絕對(duì)濕度只有與溫度一起才有意義，因?yàn)榭諝庵心軌蚝械乃魵獾牧侩S溫度的變化而變化。高度不同絕對(duì)濕度也不同，因?yàn)殡S著高度的變化空氣的體積變化。REMTV（21）其中的符號(hào)分別是絕對(duì)濕度，單位是克/立方米E蒸汽壓，單位是帕斯卡R水的氣體常數(shù)46152J/KGKT溫度，單位是開爾文M在空氣中溶解的水的質(zhì)量，單位是克V空氣的體積，單位是立方米相對(duì)濕度（RH）是絕對(duì)濕度與最高濕度之間的比，它的值顯示水蒸氣的飽和度有多高，其計(jì)算的見公式（22）。相對(duì)濕度是0的空氣不含水蒸氣，相對(duì)濕度為100的空氣是飽和的空氣，相對(duì)濕度超過(guò)100的空氣中的水蒸氣一般凝結(jié)出來(lái)。隨著溫度的增高空氣中可以含的水就越多，也就是說(shuō)，在同樣多的水蒸氣的情況下溫度升高相對(duì)濕度就會(huì)降低。M100E100E（22）其中的符號(hào)分別是表示相對(duì)濕度，單位是1M最高濕度，單位是克/立方米E飽和蒸汽壓，單位是帕斯卡隨著糧倉(cāng)中濕度的變化，糧倉(cāng)中的糧食會(huì)因?yàn)闈穸却蠖铀侔l(fā)芽或發(fā)霉，也會(huì)因濕度小變得干燥。但是，糧食的水分到底有多少則與相對(duì)濕度的大小直接有關(guān)，相對(duì)濕度小，說(shuō)明空氣所含水蒸汽量還遠(yuǎn)沒(méi)有接近飽和量，也就是說(shuō)還能容納更多的水分，相對(duì)濕度大，說(shuō)明空氣所含水蒸汽量己接近飽和量不能再容納更多的水分，反而會(huì)吸收空氣中的水分。若用絕對(duì)濕度來(lái)表示庫(kù)房濕度時(shí)，很難準(zhǔn)確反映糧食中水分的變化，故糧倉(cāng)中濕度都用相對(duì)濕度來(lái)表示。所以，通常我們說(shuō)的糧倉(cāng)濕度大小，都是指糧食的相對(duì)濕度大小。而濕度與溫度息息相關(guān)，所以我們也要關(guān)心糧倉(cāng)的溫度高低。22溫濕度的測(cè)量方法溫度的測(cè)量方法溫度不能直接測(cè)定，它的測(cè)定是采用間接的手段，通過(guò)觀察另一種物質(zhì)，即所謂測(cè)溫介質(zhì)的物理特性變化的方法來(lái)確定。按照測(cè)量體是否與被測(cè)介質(zhì)接觸，可分為接觸式測(cè)溫法和非接觸式測(cè)溫法兩大類。接觸式測(cè)溫法的特點(diǎn)是測(cè)溫元件直接與被測(cè)對(duì)象接觸，兩者之間進(jìn)行充分的熱交換，最后達(dá)到熱平衡，這時(shí)感溫元件的某一物理參數(shù)的量值就代表了被測(cè)對(duì)象的溫度值。這種方法優(yōu)點(diǎn)是直觀可靠，缺點(diǎn)是感溫元件影響被測(cè)溫度場(chǎng)的分布，接觸不良等都會(huì)帶來(lái)測(cè)量誤差，另外溫度太高和腐蝕性介質(zhì)對(duì)感溫元件的性能和壽命會(huì)產(chǎn)生不利影響。非接觸式測(cè)溫法的特點(diǎn)是感溫元件不與被測(cè)對(duì)象相接觸，而是通過(guò)輻射進(jìn)行熱交換，故可以避免接觸式測(cè)溫法的缺點(diǎn)，具有較高的測(cè)溫上限。此外，非接觸式測(cè)溫法熱慣性小，可達(dá)1/1000秒，故便于測(cè)量運(yùn)動(dòng)物體的溫度和快速變化的溫度。由于受物體的發(fā)射率、被測(cè)對(duì)象到儀表之間的距離以及煙塵、水汽等其他的介質(zhì)的影響，這種方法一般測(cè)溫誤差較大。濕度的測(cè)量方法濕度測(cè)量技術(shù)中最準(zhǔn)確的方法是絕對(duì)濕度測(cè)量的稱重法，國(guó)際上普遍使用該法作為濕度基準(zhǔn)，其次是作為二級(jí)檢定標(biāo)準(zhǔn)的阿斯曼通風(fēng)干濕計(jì)。但是這兩種方法都難以用于自動(dòng)化測(cè)控系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)傳感測(cè)量，工程技術(shù)中常采用絕對(duì)濕度、相對(duì)濕度和露點(diǎn)溫度表示法和相應(yīng)的測(cè)量技術(shù)。相對(duì)濕度測(cè)量空氣的相對(duì)濕度所表達(dá)的是其中水氣接近飽和的程度，是指標(biāo)準(zhǔn)狀況下，空氣中水氣的摩爾分?jǐn)?shù)與相同條件下純水表面的飽和水氣的摩爾分?jǐn)?shù)之比表示為RH。相對(duì)濕度測(cè)量主要用于要求保持一定濕度氣氛的紡織、薄膜生產(chǎn)等行業(yè)，武器裝備封存、倉(cāng)儲(chǔ)等場(chǎng)所，防止材料的腐蝕、霉變主要依賴于相對(duì)濕度控制。相對(duì)濕度的測(cè)量方法有毛發(fā)濕度計(jì)、干濕溫度計(jì)、各種露點(diǎn)計(jì)等人工視檢測(cè)量方式，而應(yīng)用最為普及的相對(duì)濕度測(cè)量方法是溫濕度自動(dòng)測(cè)控系統(tǒng)所采用的各種類型的多路溫度與濕度檢測(cè)系統(tǒng)的研制。23溫濕度傳感器的選取要考慮用何種原理的傳感器，首先要看所進(jìn)行的具體測(cè)量工作，這需要分析多方面的因素之后才能確定。因?yàn)?，即使是測(cè)量同一物理量，也有多種原理的傳感器可以選用，哪一種原理的傳感器更為適合，則需要根據(jù)被測(cè)量的特點(diǎn)和傳感器的使用條件考慮以下具體問(wèn)題量程的大小、被測(cè)位置對(duì)傳感器體積的要求、測(cè)量方式是接觸式的還是非接觸式的、信號(hào)的引出方法、傳感器的來(lái)源，國(guó)產(chǎn)還是進(jìn)口，價(jià)格是否能承受。在考慮上述問(wèn)題之后就能確定選用何種類型的傳感器，然后再考慮傳感器的具體性能指標(biāo)。傳感器的具體指標(biāo)有靈敏度，頻率響應(yīng)特性，線性范圍，穩(wěn)定性，精度等。這些參數(shù)并不是要求越高越好，因?yàn)橐笤礁卟粌H會(huì)帶來(lái)成本的提高，也會(huì)帶來(lái)信號(hào)處理的難度，噪音等問(wèn)題。在滿足檢測(cè)系統(tǒng)要求的前提下我們一般選擇價(jià)格便宜和簡(jiǎn)單的傳感器。傳統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)溫濕度檢測(cè)大都采用模擬溫濕度傳感器經(jīng)前端放大、信號(hào)調(diào)理、A/D變換和數(shù)據(jù)線性修正等過(guò)程來(lái)完成。放大、A/D電路的性能對(duì)測(cè)量的精度影響較大，特別是當(dāng)傳感器經(jīng)較長(zhǎng)距離傳輸后與電路相連時(shí)，對(duì)電路要求更加嚴(yán)格。為提高測(cè)量精度，需增加系統(tǒng)成本和花費(fèi)大量的時(shí)間進(jìn)行硬件電路及軟件的調(diào)試。而數(shù)字溫度傳感器其信號(hào)的處理都在芯片內(nèi)部完成，芯片在生產(chǎn)時(shí)進(jìn)行了數(shù)據(jù)的線性校正，用戶只需通過(guò)一定的協(xié)議從芯片中取出數(shù)字信號(hào)，就可完成精度較高的溫度測(cè)量，不必考慮模擬信號(hào)帶來(lái)的不便，大大降低了產(chǎn)品的成本，縮短了開發(fā)周期。本系統(tǒng)中，我采用集溫度、濕度測(cè)量于一體的數(shù)字傳感器DHT21，溫度傳感器濕度傳感器合二為一，避免了溫度和濕度在同時(shí)測(cè)量或讀取時(shí)引起的沖突，簡(jiǎn)單方便，快速高效，經(jīng)濟(jì)耐用。采用該款傳感器避免了模擬傳感器帶來(lái)的共地干擾和線路干擾問(wèn)題，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)復(fù)雜度，提高了系統(tǒng)測(cè)量的準(zhǔn)確程度和智能化程度，并在一定程度上降低了系統(tǒng)成本。DHT21輸出數(shù)字量已經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)，傳感器包括電容式感濕元件和一個(gè)NTC測(cè)溫元件，并與一個(gè)高性能8位單片機(jī)相連接，無(wú)需額外部件，只有一根信號(hào)線，便于擴(kuò)展，性能穩(wěn)定，并且比同類產(chǎn)品要便宜的多，所以用在這里是我們理想的選擇。根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)，為了保證系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，采用集散控制的方法，每個(gè)糧倉(cāng)配備一臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)控制器?，F(xiàn)場(chǎng)控制器只有在接收到上位主控計(jì)算機(jī)的指令時(shí)才進(jìn)行其相應(yīng)操作，其他時(shí)間單獨(dú)工作，并不斷向上位機(jī)發(fā)送測(cè)量數(shù)據(jù)，其特點(diǎn)如下當(dāng)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)控制器可以繼續(xù)工作，不會(huì)影響控制功能；溫濕度控制器的工作狀態(tài)由現(xiàn)場(chǎng)控制器獨(dú)立控制；當(dāng)某一臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)控制器出現(xiàn)故障時(shí)，可以立即利用備用的現(xiàn)場(chǎng)控制器替換，不會(huì)影響其他糧倉(cāng)溫濕度的控制，保證控制質(zhì)量。本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)包括現(xiàn)場(chǎng)控制器的硬件、軟件設(shè)計(jì)，上位機(jī)監(jiān)控程序設(shè)計(jì)。按照目標(biāo)要求，現(xiàn)場(chǎng)控制器完成的功能如下采集現(xiàn)場(chǎng)溫濕度并傳給上位機(jī)，根據(jù)設(shè)定溫濕度進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，滿足控制要求；通過(guò)CAN總線與上位機(jī)機(jī)進(jìn)行通信；顯示當(dāng)前的溫濕度測(cè)量值、設(shè)定值、實(shí)時(shí)時(shí)間；可通過(guò)鍵盤設(shè)定溫濕度理想值；在溫濕度超限時(shí)實(shí)現(xiàn)聲光報(bào)警；能實(shí)現(xiàn)對(duì)關(guān)鍵數(shù)據(jù)的掉電保護(hù)。上位機(jī)軟件完成的功能如下采集、儲(chǔ)存溫濕度值，繪制、打印實(shí)時(shí)曲線；設(shè)定溫濕度上下限，并給出報(bào)警；控制現(xiàn)場(chǎng)控制器是否發(fā)送實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)；查詢、打印溫濕度數(shù)據(jù)的歷史曲線；與現(xiàn)場(chǎng)控制器進(jìn)行通信，顯示控制器狀態(tài)。根據(jù)糧倉(cāng)溫濕度范圍和控制精度要求，采用數(shù)字溫濕度復(fù)合傳感器DHT21。由于使用CAN總線實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)與主控室的通信，傳輸距離可達(dá)到10KM，最高通信速率可達(dá)1MBPS，完全能滿足通信距離和通行速率的要求。由于現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境有干擾，為了保證系統(tǒng)可靠工作，采用自帶看門狗的單片機(jī)STC89C52，保證有干擾時(shí)，程序能夠自動(dòng)復(fù)位并開始正常工作。根據(jù)系統(tǒng)的目標(biāo)任務(wù)及總體設(shè)計(jì)方案，繪制系統(tǒng)的總體框圖如圖21所示。圖21系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)原理圖本系統(tǒng)以糧倉(cāng)的溫濕度為監(jiān)測(cè)對(duì)象，主要由PC機(jī)、USB轉(zhuǎn)CAN總線模塊和智能節(jié)點(diǎn)三部分組成。位于主控室的上位監(jiān)控機(jī)，可以隨時(shí)隨地通過(guò)界面友好、使用方便的監(jiān)控軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)糧倉(cāng)中各采集點(diǎn)溫濕度的監(jiān)控。作為信號(hào)傳輸層的USB轉(zhuǎn)CAN總線模塊是連接上位監(jiān)控機(jī)和智能節(jié)點(diǎn)的橋梁，上位監(jiān)控機(jī)發(fā)出的控制信號(hào)，以及智能節(jié)點(diǎn)的反饋信號(hào)都是通過(guò)它傳遞的。糧倉(cāng)內(nèi)的智能節(jié)點(diǎn)，能獨(dú)立完成溫濕度的測(cè)量和控制，還能通過(guò)CAN總線與上位監(jiān)控機(jī)通信，并根據(jù)命令按照上位機(jī)的設(shè)定溫濕度進(jìn)行控制以及決定是否向上位機(jī)發(fā)送實(shí)時(shí)溫濕度數(shù)據(jù)，智能節(jié)點(diǎn)原理圖如圖22所示。圖22智能節(jié)點(diǎn)原理圖東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）第12頁(yè)智能節(jié)點(diǎn)由STC89C52最小系統(tǒng)和DHT21溫濕度測(cè)量電路，鍵盤輸入電路，LCD液晶顯示電路，聲光報(bào)警電路，掉電保護(hù)電路，實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路，輸出控制電路以及CAN總線通信模塊構(gòu)成，能完成對(duì)一個(gè)糧倉(cāng)內(nèi)多點(diǎn)溫濕度數(shù)據(jù)采集，溫濕度控制，能輸入所要控制到的溫濕度值，能顯示出溫濕度值和實(shí)時(shí)時(shí)間，能超限報(bào)警，有掉電保護(hù)功能，還能通過(guò)CAN總線接口與CAN總線通信。智能節(jié)點(diǎn)的原理框圖如圖23所示。圖23智能節(jié)點(diǎn)的原理框圖因?yàn)楣虘B(tài)繼電器的輸入控制屬于兩位控制，只有開或關(guān)兩個(gè)狀態(tài)，不能進(jìn)行線性控制，所以其控制算法采用PWM控制。為了達(dá)到很快的控制速度，很高的控制精度，取得令人滿意的控制效果，再結(jié)合糧倉(cāng)溫濕度這一被控對(duì)象的特點(diǎn)，系統(tǒng)中，對(duì)傳統(tǒng)的PWM控制又做了一些改進(jìn)。系統(tǒng)控制原理框圖如圖24所示。圖24系統(tǒng)控制原理框圖系統(tǒng)中，下位機(jī)通過(guò)程序控制各外圍器件的工作，完成檢測(cè)實(shí)時(shí)溫濕度，判斷是否報(bào)警，并控制溫濕度，還能實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的通信，其主程序流程圖如圖25所示。開始初始化讀取溫濕度標(biāo)值向CGRAM寫字符設(shè)定狀態(tài)否是清看門狗寄存器否上位機(jī)允許是發(fā)送到CAN總線設(shè)定并顯示設(shè)定值聲光報(bào)警處理存儲(chǔ)溫濕度設(shè)定值PWM控制輸出數(shù)字濾波接收CAN總線數(shù)據(jù)顯示前數(shù)據(jù)處理否發(fā)向本節(jié)點(diǎn)否顯示溫濕度是算出溫濕度設(shè)定值是顯示實(shí)時(shí)溫濕度存儲(chǔ)溫濕度設(shè)定值讀取實(shí)時(shí)時(shí)間讀取實(shí)時(shí)溫濕度顯示實(shí)時(shí)時(shí)間圖25下位機(jī)主程序流程圖3系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)31STC89C52簡(jiǎn)介STC89C52是STC公司推出的8位單片機(jī)，與MCS51單片機(jī)產(chǎn)品兼容，超強(qiáng)的加密功能，極高的擦寫次數(shù)（大于100000）。STC89C52最高可支持80MHZ時(shí)鐘頻率，具有1個(gè)看門狗定時(shí)器（WDT），4個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，采用了12M的時(shí)鐘頻率，用T0產(chǎn)生PWM脈沖，用WDT保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。在本系統(tǒng)中，每個(gè)糧倉(cāng)設(shè)一個(gè)智能節(jié)點(diǎn)，該節(jié)點(diǎn)以STC89C52為現(xiàn)場(chǎng)控制器，可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)糧倉(cāng)內(nèi)溫濕度的監(jiān)控。系統(tǒng)中，單片機(jī)用到的各引腳與外圍電路的連接情況為P07連接數(shù)據(jù)采集電路，P00、P01、P02以及P03連接CAN總線通信模塊，P10、P11、P12以及P2口連接LCD，P13、P14和P15連接DS1302，P04、P05、P06、P32以及P33連接鍵盤電路，P34連接聲光報(bào)警電路，P35連接輸出控制電路，P36和P37連接掉電保護(hù)電路，STC89C52的最小系統(tǒng)如圖31所示。圖31單片機(jī)最小系統(tǒng)32數(shù)據(jù)采集電路本設(shè)計(jì)中的數(shù)據(jù)采集電路是由多路模擬開關(guān)和一系列的數(shù)字溫濕度傳感器DHT21構(gòu)成的，每個(gè)傳感器都有特定的編號(hào)，在特定的位置測(cè)量，其電源一直供電，通過(guò)單片機(jī)控制多路模擬開關(guān)的導(dǎo)通，選擇性讀取具體的某一個(gè)DHT21的測(cè)量結(jié)果，多路模擬開關(guān)逐個(gè)導(dǎo)通就實(shí)現(xiàn)了循環(huán)數(shù)據(jù)采集。DHT21是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器，它應(yīng)用專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，確保產(chǎn)品具有極高的可靠性與卓越的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。采用該款傳感器避免了模擬傳感器帶來(lái)的共地干擾和線路干擾問(wèn)題，同時(shí)也避免了溫度和濕度分開測(cè)量和處理的復(fù)雜和麻煩，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)復(fù)雜度，提高了系統(tǒng)測(cè)量的準(zhǔn)確程度和智能化程度，并在一定程度上降低了系統(tǒng)成本。傳感器包括一個(gè)電容式感濕元件和一個(gè)NTC測(cè)溫元件，并與一個(gè)高性能8位單片機(jī)相連接，無(wú)需額外部件。每個(gè)DHT21傳感器都在極為精確的濕度校驗(yàn)室中進(jìn)行校準(zhǔn)，校準(zhǔn)系數(shù)以程序的形式儲(chǔ)存在OTP內(nèi)存中，傳感器內(nèi)部在檢測(cè)信號(hào)的處理過(guò)程中要調(diào)用這些校準(zhǔn)系數(shù)。單線制串行接口，使系統(tǒng)集成變得簡(jiǎn)易快捷，連接方便。該產(chǎn)品具有品質(zhì)卓越、超快響應(yīng)、抗干擾能力強(qiáng)、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)，超小的體積、極低的功耗，較遠(yuǎn)的信號(hào)傳輸距離，使其成為各類應(yīng)用甚至最為苛刻的應(yīng)用場(chǎng)合的最佳選則，其應(yīng)用領(lǐng)域有暖通空調(diào)、汽車、家電、氣象站、醫(yī)療、濕度調(diào)節(jié)器、除濕器、數(shù)據(jù)記錄器、測(cè)試及檢測(cè)設(shè)備等，傳感器的實(shí)物圖和封裝信息如圖32所示。圖32DHT21實(shí)物及封裝圖321DHT21性能說(shuō)明DHT21的主要性能指標(biāo)如表31所示。表31傳感器性能說(shuō)明（響應(yīng)時(shí)間的測(cè)量條件25，1M/S空氣）參數(shù)條件MINTYPMAX單位測(cè)量131521MA供電電流待機(jī)091113MA采樣周期12S濕度01RH分辨率16BIT重復(fù)性1RH253RH精度0505RH互換性可完全互換響應(yīng)時(shí)間1/E632S遲滯03RH長(zhǎng)期穩(wěn)定性典型值1RH/YR溫度01分辨率16BIT重復(fù)性05精度05量程范圍4080響應(yīng)時(shí)間1/E63620S注采樣周期不得低于最小值，否則會(huì)引起錯(cuò)誤。建議連接線長(zhǎng)度短于20米時(shí)用5K上拉電阻,大于20米時(shí)根據(jù)實(shí)際情況使用合適的上拉電阻。DHT21的標(biāo)值供電電壓為5V，傳感器上電后，要等待1S以越過(guò)不穩(wěn)定狀態(tài)在此期間無(wú)需發(fā)送任何指令。電源引腳VDD電源正極，供電3355VDC，GND電源負(fù)極，接地，這兩個(gè)引腳之間可增加一個(gè)100NF的電容，用以去耦濾波。DATA引腳是串行數(shù)據(jù)接口，用于微處理器與DHT21之間的通訊和同步，采用單總線數(shù)據(jù)格式，一次通訊時(shí)間5MS左右，具體格式在下面說(shuō)明，當(dāng)前數(shù)據(jù)傳輸為40BIT，高位先出。NC引腳是空腳，要懸空，不能接VCC或GND。323DHT21數(shù)據(jù)格式DHT21所能測(cè)量的，溫度和濕度都是有一位小數(shù)的數(shù)據(jù)其數(shù)據(jù)格式如式31所示。40BIT數(shù)據(jù)16BIT濕度數(shù)據(jù)16BIT溫度數(shù)據(jù)8BIT校驗(yàn)和（31）校驗(yàn)和的算法和驗(yàn)證如式32所示。濕度高8位濕度低8位溫度高8位溫度低8位和的末8位校驗(yàn)和（32）例如接收40BIT數(shù)據(jù)為0000001010001100000000010101111111101110驗(yàn)證0000001010001100000000010101111111101110，那么對(duì)應(yīng)濕度652RH溫度351當(dāng)溫度低于0時(shí)溫度數(shù)據(jù)的最高位置1。例如101表示為1000000001100101324DHT21時(shí)序用戶主機(jī)（MCU）發(fā)送一次開始信號(hào)后，DHT21從低功耗模式轉(zhuǎn)換到高速模式，等待主機(jī)開始信號(hào)結(jié)束后，DHT21發(fā)送響應(yīng)信號(hào)，送出40BIT的數(shù)據(jù)，并觸發(fā)一次信號(hào)采集，總線上的信號(hào)如圖33所示。由于主機(jī)從DHT21讀取的溫濕度數(shù)據(jù)總是前一次的測(cè)量值，如兩次測(cè)量間隔時(shí)間很長(zhǎng)，則要連續(xù)讀兩次以獲得實(shí)時(shí)的溫濕度值。圖33主從機(jī)對(duì)話信號(hào)空閑時(shí)總線為高電平，通訊開始時(shí)主機(jī)MCU拉低總線500US后釋放總線，延時(shí)2040US后主機(jī)開始檢測(cè)從機(jī)（DHT21）的響應(yīng)信號(hào)，從機(jī)的響應(yīng)信號(hào)是一個(gè)80US左右的低電平，隨后從機(jī)在拉高總線80US左右代表即將進(jìn)入數(shù)據(jù)傳送，總線上的信號(hào)如圖34所示。圖34開始數(shù)據(jù)傳送時(shí)信號(hào)高電平后就是數(shù)據(jù)位，每1BIT數(shù)據(jù)都是由一個(gè)低電平時(shí)隙和一個(gè)高電平組成。低電平時(shí)隙就是一個(gè)50US左右的低電平，它代表數(shù)據(jù)位的起始，其后的高電平的長(zhǎng)度決定數(shù)據(jù)位所代表的數(shù)值，較長(zhǎng)的高電平代表1，較短的高電平代表0。共40BIT數(shù)據(jù)，當(dāng)最后一位數(shù)據(jù)傳送完畢后，從機(jī)將再次拉低總線50US左右，隨后釋放總線，由上拉電阻拉高。數(shù)字1信號(hào)表示方法如圖35所示，數(shù)字0信號(hào)表示方法如圖36所示。圖35DHT21數(shù)字1信號(hào)表示法圖36DHT21數(shù)字0信號(hào)表示法為了提高系統(tǒng)監(jiān)控的靈活性，在下位機(jī)的設(shè)計(jì)中加入了鍵盤和顯示功能，這樣不僅可以通過(guò)上位管理機(jī)對(duì)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置、顯示，下位機(jī)也可直接進(jìn)行設(shè)置和顯示，然后通過(guò)CAN網(wǎng)絡(luò)通信給上位管理機(jī)，進(jìn)行同步控制。鍵盤是由若干個(gè)按鍵組成的開關(guān)或開關(guān)矩陣，它是一種廉價(jià)而常用的輸入設(shè)備。常用的鍵盤電路分為兩種獨(dú)立鍵盤和矩陣鍵盤。獨(dú)立鍵盤適合于單個(gè)輸入，一個(gè)鍵盤對(duì)應(yīng)一個(gè)I/O口，可以通過(guò)查詢I/O口的高低電平確定按鍵的狀態(tài)。矩陣鍵盤用于按鍵數(shù)量較多的場(chǎng)合，它有行線和列線組成，按鍵位于行、列的交叉點(diǎn)上，行線、列線分別連接到按鍵開關(guān)的兩端，按鍵個(gè)數(shù)等于行數(shù)乘以列數(shù)，所以可大大節(jié)省I/O口的使用。查詢按鍵的狀態(tài)時(shí)，常用的方法有行掃描法、列掃描法和線翻轉(zhuǎn)法。使用按鍵時(shí)，必須要考慮的消除按鍵抖動(dòng)的影響，消除按鍵抖動(dòng)簡(jiǎn)稱按鍵消抖，其方法分為硬件消抖和軟件消抖。硬件消抖有用RC濾波電路，單穩(wěn)態(tài)電路和雙穩(wěn)態(tài)電路,用的最多且效果最好的是雙穩(wěn)態(tài)的RS觸發(fā)器電路。軟件消抖也就是延時(shí)消抖，節(jié)省硬件資源，使用廣泛。在本系統(tǒng)中，由于不需要很多按鍵，I/O口又有大量剩余，系統(tǒng)采用了一個(gè)撥碼開關(guān)K1和四個(gè)獨(dú)立按鍵開關(guān)K2、K3、K4、K5。為了防止在單片機(jī)引腳在懸空狀態(tài)下外界的干擾可能會(huì)導(dǎo)致單片機(jī)的誤動(dòng)作，而給每一個(gè)開關(guān)加上了51K上拉電阻來(lái)提高抗干擾能力。判讀按鍵是否按下，等待按鍵釋放以及按鍵去除抖動(dòng)都是在軟件里實(shí)現(xiàn)的。鍵盤電路原理圖如圖37所示。圖37鍵盤電路原理圖34LCD顯示電路341電路概述系統(tǒng)中，采用了工業(yè)字符型液晶1602做信息顯示器件，1602上下兩行共可顯示32個(gè)字符，1602有體積小，重量輕，壽命長(zhǎng)，功耗低，顯示信息清晰穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)。系統(tǒng)工作時(shí)，LCD1602顯示如圖38所示。圖38LCD1602顯示的信息342LCD1602引腳1602采用標(biāo)準(zhǔn)的16腳接口，各引腳說(shuō)明如表32所示。在系統(tǒng)中，單片機(jī)P10、P11、P12分別連接著RS、R/W、E，P2口連接著數(shù)據(jù)總線D0D7。通過(guò)這些接口，單片機(jī)控制著LCD1602的工作。表32LCD1602引腳功能說(shuō)明編號(hào)符號(hào)引腳說(shuō)明編號(hào)符號(hào)引腳說(shuō)明1VSS電源地6E使能信號(hào)2VDD電源正極（典型值5V）714D0D7DATAI/O數(shù)據(jù)線3VL液晶顯示偏壓信號(hào)（可調(diào)）15BLA背光源正極4RS數(shù)據(jù)/命令選擇端（H/L）16BLK背光源負(fù)極5R/W讀/寫選擇端（H/L）343LCD1602控制器整個(gè)1602模塊主要由LCD顯示屏、控制器、列驅(qū)動(dòng)器和偏壓產(chǎn)生電路構(gòu)成。控制器主要由指令寄存器IR、數(shù)據(jù)寄存器DR、忙標(biāo)志位BF、地址計(jì)數(shù)器AC、字符顯示緩沖區(qū)DDRAM、標(biāo)準(zhǔn)字模區(qū)CGROM、自建字模區(qū)CGRAM及時(shí)序發(fā)生電路組成。指令寄存器IR，內(nèi)部存儲(chǔ)DDRAM和CGRAM中的數(shù)據(jù)顯示的指令代碼和地址信數(shù)據(jù)寄存器DR，內(nèi)部暫時(shí)存儲(chǔ)單片機(jī)與模塊內(nèi)部DDRAM和CGRAM之間的傳送數(shù)據(jù)，內(nèi)部操作使DR與DDRAM或者CGRAM之間的數(shù)據(jù)傳送自動(dòng)進(jìn)行。忙標(biāo)志位BF，為“1”表明模塊正在進(jìn)行內(nèi)部操作，此時(shí)不接受任何外部指令和數(shù)據(jù)；只有BF為“0”時(shí)，單片機(jī)才能訪問(wèn)模塊。地址計(jì)數(shù)器AC，是DDRAM或者CGRAM的地址指針。隨著IR中指令碼的寫入，指令碼中攜帶的地址信息自動(dòng)送入AC中，并確定AC做DDRAM還是CGRAM的地址指針。DR與DDRAM或者CGRAM之間完成一次數(shù)據(jù)傳送后，AC會(huì)自動(dòng)加1或減1。字符顯示緩沖區(qū)DDRAM，存儲(chǔ)顯示字符的字符碼，直接和屏幕上的點(diǎn)相對(duì)應(yīng)，屏幕上的一個(gè)點(diǎn)和DDRAM中的一個(gè)位對(duì)應(yīng)，共80個(gè)字節(jié)。標(biāo)準(zhǔn)字模區(qū)CGROM，保存了廠家生產(chǎn)時(shí)固化的192個(gè)不同字符字模，字符字模是與顯示字符點(diǎn)陣相對(duì)應(yīng)的58矩陣位圖數(shù)據(jù)。每組字模都有一個(gè)由其在CGROM中存放的高八位數(shù)據(jù)組成的字符碼對(duì)應(yīng)，字符碼的地址范圍為00HBFH。自建字模區(qū)CGRAM，是留給用戶自己定義字符的字模組的。共有地址為00H3FH的64個(gè)字節(jié)空間，最多可自己定義8個(gè)58點(diǎn)陣的字模數(shù)據(jù)，相應(yīng)的字符碼地址為00H07H或08H0FH，其中00H與08H對(duì)應(yīng)同一個(gè)字模，01H與09H對(duì)應(yīng)同一個(gè)字模，以次類推。344LCD1602基本操作對(duì)1602的控制，共有四種基本方式，如表33所示。表33LCD1602基本操作控制功能ERSR/W說(shuō)明讀狀態(tài)101讀取由AC和BF的內(nèi)容組成的狀態(tài)字D0D7讀數(shù)據(jù)111將DR內(nèi)的數(shù)據(jù)讀到D0D7，模塊內(nèi)部操作自動(dòng)將DDRAM或CGRAM中的數(shù)據(jù)送入DR中寫指令1000將D0D7的指令碼寫入指令寄存器IR中寫數(shù)據(jù)1010將D0D7的數(shù)據(jù)寫入DR中，模塊內(nèi)部操作自動(dòng)將DR中的數(shù)據(jù)寫到DDRAM或CGRAM中35實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路351電路及芯片概述為了使記錄的溫濕度更清晰，也便于以后查詢，設(shè)計(jì)中系統(tǒng)采用了時(shí)鐘芯片DS1302，在記錄各溫濕度值的同時(shí)把其對(duì)應(yīng)的測(cè)量時(shí)間也記錄了下來(lái)，這種記錄對(duì)長(zhǎng)時(shí)間的連續(xù)測(cè)控系統(tǒng)結(jié)果的分析及對(duì)異常數(shù)據(jù)出現(xiàn)的原因的查找具有重要意義。DS1302是美國(guó)DALLAS公司推出的一款高性能、低功耗、帶RAM及涓流充電功能的時(shí)鐘芯片。該芯片是DS1202的升級(jí)產(chǎn)品，與DS1202兼容，內(nèi)含有一個(gè)實(shí)時(shí)時(shí)鐘/日歷和31個(gè)字節(jié)靜態(tài)RAM，能提供2100年之前的年、月、日、時(shí)、分、秒及星期的信息，每月的天數(shù)和閏年的天數(shù)可自動(dòng)調(diào)整。時(shí)鐘/RAM的讀/寫數(shù)據(jù)可以一次一個(gè)字節(jié)，也可以采用突發(fā)方式一次傳送多個(gè)字節(jié)的字符組方式通信，通過(guò)對(duì)時(shí)鐘/RAM讀/寫數(shù)據(jù)來(lái)查詢時(shí)間信息和控制芯片的工作狀態(tài)。DS1302工作時(shí)功耗很低，保持?jǐn)?shù)據(jù)和時(shí)鐘信息時(shí)功率小于1MW；DS1302工作溫度范圍在可選工業(yè)級(jí)溫度范圍4085）內(nèi)；DS1302采用8腳DIP封裝形式。該芯片的接口簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、使用方便，被廣泛應(yīng)用于電話、傳真、便攜式儀器以及電池供電的儀器儀表等領(lǐng)域。352DS1302引腳DS1302的RST復(fù)位線、I/O數(shù)據(jù)線和SCLK串行時(shí)鐘用來(lái)與單片機(jī)之間進(jìn)行通信。X1和X2是振蕩源接口，外接普通32768KHZ晶振；VCC2和VCC1分別為DS1302的主電源和備用電源管腳。VCC1為備用電源，有可編程涓流充電能力，附加七個(gè)字節(jié)暫存存儲(chǔ)器，VCC2為主電源，工作電壓范圍較寬（25V55V），能兼容TTL電平，芯片由VCC1或VCC2兩者中的較大者供電。DS1302在系統(tǒng)中的電路原理圖如圖39所示圖39DS1302電路原理圖讀地址寫地址BIT7BIT6BIT5BIT4BIT3BIT2BIT1BIT0數(shù)據(jù)范圍81H80HCH10秒秒005983H82H10分分005985H84HTT0AP時(shí)時(shí)112/02387H86H0010日日13189H88H00010月月1128BH8AH00000周日178DH8CH10年年00998FH8EHWP0000000BIT7BIT6BIT5BIT4BIT3BIT2BIT1BIT01RAM/CKA4A3A2A1A0RD/WRDS1302有關(guān)日歷、時(shí)間的寄存器共有12個(gè)，其中有7個(gè)寄存器，存放的數(shù)據(jù)格式為BCD碼形式，在系統(tǒng)中要到的寄存器如表34所示。表34DS1302有關(guān)日歷、時(shí)間的寄存器注1秒寄存器（81H、80H）的位7定義為時(shí)鐘暫停標(biāo)志（CH）。當(dāng)該位置為1時(shí)，時(shí)鐘振蕩器停止，DS1302處于低功耗狀態(tài)；當(dāng)該位置為0時(shí)，時(shí)鐘開始運(yùn)行。注2小時(shí)寄存器（85H、84H）的位7（TT）用于定義DS1302是運(yùn)行于12小時(shí)模式還是24小時(shí)模式。當(dāng)為高時(shí)，選擇12小時(shí)模式。在12小時(shí)模式時(shí)，位5（AP）是，當(dāng)為1時(shí)，表示PM。在24小時(shí)模式時(shí)，位5是第二個(gè)10小時(shí)位。注3控制寄存器（8FH、8EH）的位7是寫保護(hù)位（WP），其它7位均置為0。在任何的對(duì)時(shí)鐘和RAM的寫操作之前，WP位必須為0。當(dāng)WP位為1時(shí)，寫保護(hù)位防止對(duì)任一寄存器的寫操作。354DS1302控制字DS1302是SPI總線驅(qū)動(dòng)方式，它不僅要向寄存器寫入控制字，還需要讀取相應(yīng)寄存器的數(shù)據(jù)。要想與DS1302通信，首先要先了解DS1302的控制字，控制字的具體信息如表35所示。表35DS1302的控制字位7（最高有效位）必須是邏輯1，如果它為0，則禁止寫DS1302。位6如果為0，則表示存取日歷時(shí)鐘數(shù)據(jù)，為1表示存取RAM數(shù)據(jù)。位5至位1（A4A0）指示操作單元的地址。31個(gè)字節(jié)RAM的地址為00000到11110。位0（最低有效位）如為0，表示要進(jìn)行寫操作，為1表示進(jìn)行讀操作。355DS1302時(shí)序進(jìn)行單字節(jié)傳送時(shí)，控制字總是從最低位開始輸出，在控制字指令輸入后的下一個(gè)SCLK脈沖的上升沿，寫入數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)輸入是從最低位（0位）開始。同樣，在緊跟8位的控制字指令后的下一個(gè)SCLK脈沖的下降沿，讀出數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)輸出也是從最低位到最高位，DS1302單字節(jié)讀寫時(shí)序分別如圖310和311所示。圖310DS1302單字節(jié)讀時(shí)序圖311DS1302單字節(jié)寫時(shí)序系統(tǒng)中，為了防止突然掉電導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失，可以采用外部存儲(chǔ)器把那些要保護(hù)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)起來(lái)。前面提到DS130