基于单片机的粮库数字监测系统硬件设计

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摘要：本文介绍了以单片机为核心的粮库数字监测系统的设计。该系统由检测模块，参数处理模块，显示模块，报警模块四部分组成。检测模块包括温度检测电路和湿度检测电路，它将采集到的温湿度值传送至单片机进行处理并显示，从而实现对粮库粮情的实时监测。 

关键词：单片机传感器 温湿度 报警  abstract：this paper introduces a microcomputer as the core of digital monitoring system of grain depot design. the system consists of a detection module, data processing module, display module, alarm module consists of four parts. the detection module comprises a temperature detecting circuit and a humidity detecting circuit, it will be collected temperature and humidity values are transmitted to the single chip processor and display, so as to realize the real time monitoring of the grain storage grain.  key word：single chip microcomputer；sensor；temperature and humidity；alarm  1 引言  粮食是人类赖以生存的重要战略物质，防潮、防霉是粮库日常管理的重要内容，它直接影响到粮食储存的质量和安全性。  本文介绍了以单片机为核心的粮库数字监测系统硬件设计，该系统的主要任务是完成粮库温湿度的实时监测，包括参数检测，参数处理显示以及报警等功能。  2 系统总体结构介绍  本设计的硬件由检测模块，参数处理模块，显示模块，报警模块四部分组成。检测部分包括温度检测和湿度检测电路。系统通过检测模块对粮库内的温度和湿度进行检测，然后通过多路开关分时传送至单片机，单片机接收到检测参数后对它们进行存储并进行实时显示和判断。本系统主要具有数据采集与传送、数据分析与处理、数据存储与显示、报警等功能。其总体设计框图如图2.1所示：    图2.1 总体设计框图  3 系统各模块硬件设计介绍  3.1 温度检测模块  温度检测电路采用多点式分布的ds18b20单线型智能温度传感器，完成温度的多点式分布检测及传输，它采用单总线专用技术，通过串行口线与单片机连接，无须经过其它变换电路，直接输出被测温度值（9位二进制数，含符号位）。  3.2 湿度检测模块  湿度检测电路采取多点式分布，完成湿度的多点式分布检测及传输。该模块采用hs1100/hs1101湿度传感器，hs1100/hs1101电容传感器，在电路构成中等效于一个电容器件，其电容量随着所测空气湿度的增大而增大。不需校准的完全互换性，高可靠性和长期稳定性，快速响应时间，专利设计的固态聚合物结构，由顶端接触（hs1100）和侧面接触（hs1101）两种封装产品，适用于线性电压输出和频率输出两种电路，适宜于制造流水线上的自动插件和自动装配过程等。  相对湿度在1%～100%rh范围内；电容量由16pf变到200pf，其误差不大于±2%rh；响应时间小于5s；温度系数为0.04 pf/℃。可见精度是较高的。  下面介绍hs1100/hs1101湿度传感器及其应用。  湿度采集电路核心器件为hs1100/hs1101电容传感器，它在电路构成中等效于一个电容器件，其电容量随着所测空气湿度的增大而增大。如何将电容的变化量准确地转变为计算机易于接受的信号，常有两种方法：一是将该湿敏电容置于运放与阻容组成的桥式振荡电路中，所产生的正弦波电压信号经整流、直流放大、再a/d转换为数字信号；另一种是将该湿敏电容置于555振荡电路中，将电容值的变化转为与之成反比的电压频率信号，可直接被计算机所采集  频率输出的555测量振荡电路如图3.1所示。集成定时器555芯片外接电阻r4、r2与湿敏电容c，构成了对c的充电回路。引脚7通过芯片内部的晶体管对地短路又构成了对c的放电回路，并将引脚2、6端相连引入到片内比较器，便成为一个典型的多谐振荡器，即方波发生器。另外，r3 是防止输出短路的保护电阻，r1 用于平衡温度系数。    该振荡电路两个暂稳态的交替过程如下：首先电源vs通过r4、r2 向c充电，经(充电时间)时间后，uc达到芯片内比较器的高触发电平，约0.67vs，此时输出引脚3端由高电平突降为低电平，然后通过r2放电，经(放电时间)时间后，uc下降到比较器的低触发电平，约为0.33vs ，此时输出引脚3端又由低电平突降为高电平，如此反复，形成方波输出。空气湿度通过555测量电路就转变为与之呈反比的频率信号，如表3.1给出了其中的一组典型测试值。  表3.1空气湿度与电压频率的典型值    3.3 多路信号采集  3.3.1多路信号采集电路  本系统检测部分采用了多路信号采集，应用cd4051组成多路分时的模拟量信号采集电路，其硬件接口如图3.2所示：    图3.2二路分时的模拟量信号采集电路硬件接口  3.3.2 多路开关cd4051实现多路信号分时输入  多路开关又称“多路模拟转换器”。多路开关通常有n个模拟量输入通道和一个公共的模拟输入端，并通过地址线上不同的地址信号把n个通道中任一通道输入的模拟信号输出，实现有n线到一线的接通功能。反之，当模拟信号有公共输出端输入时 ，作为信号分离器，实现了1线到n线的分离功能。因此，多路开关通常是一种具有双向能力的器件。  在本设计中，由于采用了温湿度双量控制，所以在信号采集中将有两个模拟量被提取，这时选用多路开关就是很必要的。本系统选用的是cd4051多路开关，它是一种单片、coms、8通道开关。该芯片由dtl/ttl-coms电平转换器，带有禁止端的8选1译码器输入，分别加上控制的8个coms模拟开关tg组成。  3.48051单片机数据处理系统  此系统的设计，采用8051单片机作为核心处理芯片，8051片内有4kb的rom，能满足存储要求，无需扩展存储器。由传感器采集非电信号，从传感器出来送往8051进行数据的分析与处理。并控制显示器来进行显示输出。  3. 5显示电路的设计  在单片机应用系统设计中，一般都是把键盘和显示器放在一起考虑。本设计是利用8051的串行口实现键盘/显示器接口。  当8051的串行口未被占用时，使用8051的串行口来外扩键盘/显示器。应用8051的串行口方式0的输出方式，在串行口外接移位寄存器74ls164，构成键盘/显示器接口，其硬件接口电路如图3.3所示：  图3.3中的8个74ls164：74ls164（0）～74ls164（7）作为8位段码输出口，74ls138的y0作为键输入线，y2作为同步脉冲输出控制线。这种静态显示方式亮度大，很容易做到显示不闪烁。静态显示的优点是cpu不必频繁的为显示服务，因而主程序可不必扫描显示器，软件设计比较简单，从而使单片机有更多的时间处理其他事情。  3. 6报警电路的设计  在该系统中，为了保证粮食安全，对于比较重要的参数设有报警系统，以便提醒操作人员注意，或采取有效措施。其方法就是把检测电路采集的数据输送给单片机进行数据处理、标度变换之后，与该参数上下限给定值进行比较，如果高于上限值（或低于下限值）则进行报警，否则就作为采样的正常值，进行显示和控制。    图3.3显示与主机的硬件接口  本设计采用红色led发光报警电路。通过mcs-51的1根口线经驱动器驱动红色led发光。红色led灯约需5ma的驱动电流，可以使用一个1k的电阻和其串联。在图中，p2.7接晶体管基极输入端。当p2.7输出高电平“1”时，红色led灯两端获得约+5v电压而发光；当p2.7输出低电平“0”时，红色led灯停止发光。  图3.4是一个简单的红色led发光报警电路：    图3.4 红色led发光报警电路  本设计是为在温湿度测量中对温湿度的上下限超出是的提示报警，接口位于单片机at89c51的p3.2口，但温湿度过限时，p3.2口被置0，本系统开始工作。  参考文献  [1] 沈德金，陈粤初．mcs-51系列单片机接口电路与应用程序实例．北京航空航天大学出版社,1990  [2] 李建民.单片机在温度控制系统中的应用.江汉大学学报,1996.6  [3] 张毅刚、彭喜元、姜守达、乔立岩．新编mcs-51系列单片机应用设计．哈尔滨工业大学出版社，2003.6  [4] 杨振江等.智能仪器与数据采集系统中的新器件及应用.西安电子科技大学出版社，2001.12  [5] atmle corporation，8-bit microcontroller at89c51 date sheet. 0265f-a–12/97  [6] cadence design systems inc. verilog-xl reference [c] . cadence, 2003  [7] uart to bluetooth interfacing ---application note , philips ,2004  注：文章内所有公式及图表请以pdf形式查看。