由单片机控制的粮库多点温湿度监测系统

朱会东, 赵洪瑞

1.阜新高等专科学校 机械系 辽宁阜新 1230002.煤科集团沈阳研究院有限公司 沈阳 110015

粮食是人类生存的必需品,温度与湿度是保存好粮食的先决条件,储存大量粮食对稳定国民经济起着至关重要的作用[1-2]。粮库温湿度控制系统可以对一个粮库的温湿度进行控制,以保证粮库储粮的安全性[3]。笔者以AT89C51单片机为核心,设计粮库多点温湿度监测系统,实现对粮库温湿度的实时监测与控制。

1 系统组成与工作原理

系统控制器采用AT89C51单片机,硬件包括数据采集电路、传感器测量电路、模数转换电路、扩展接口、键盘及显示单元、通信电路、通风控制电路和报警电路等,原理如图1所示。

采用AT89C51单片机对所采集的数据进行处理,实现对采集数据的储存、显示和打印功能,直观地再现所采集的数据。看门狗电路、复位电路和掉电保护由MAX690A监控集成芯片来实现。上位机接口电路采用MAX232电平转换芯片进行电平转换,并经过DB9连接器与上位机相连,通过AT89C51单片机的串行口将数据向上位机传输。采用TPup-40A微型打印机,实现采集时间和数据的打印。键盘及显示单元采用8279接口芯片,实现温度、湿度、时间的并行显示。

图1 系统原理

2 硬件电路设计

2.1 温度检测电路

温度检测电路选用DS18b20数字温度传感器,将三个温度传感器放置在房间的不同位置,实现对粮库环境温度的检测,可以很好地保持温度的恒定[4]。获得温度信息时,先由AT89C51单片机发送一个1 ms的复位脉冲,使温度传感器复位后向AT89C51单片机发送一个回应脉冲。AT89C51单片机接收到回应脉冲后,发送读温度传感器序列号的命令,分别读取三个温度传感器的序列号。由AT89C51单片机再发送定位命令,选择在线的温度传感器并进行温度转换。温度测量原理如图2所示。

图2 温度测量原理

2.2 湿度检测电路

湿度检测电路选用HIH3610湿度传感器,湿度传感器以探头形式安装在粮仓内,其原理如图3所示。湿度传感器的工作原理为:将金属氧化物粉末烧结成陶瓷物,由烧结的程度可得到一个多孔状的物体;此多孔状的物体表面会吸收水分子中的离子,使湿度传感器产生物理变化,进而使感测部分的材料阻抗发生改变;当湿度高时,多孔状物体表面的吸附层会变厚,阻抗变低,进而使电流容易通过,因此可以很容易测量到湿度的大小[5-6]。

图3 HIH3610湿度传感器原理

2.3 定时与控制驱动电路

定时主要用于提前预热仪器设备和定时语音提醒等,这些功能的实现由AT89C51单片机来完成。时钟频率选择为32.768 kHz,该频率可使AT89C51单片机工作在最低功耗状态,并可简化分频、定时程序的编写。定时基准选用内部定时器。控制驱动电路控制风机、加湿机等,可分别采用过零型固态继电器来控制。为了便于扩展装置的功能,系统应留有足够的扩展空间,因此,设计时可用AT89C51单片机的P.6口作为控制口。系统最多可控制16个设备,以满足不同需要。继电器采用交流固态继电器,其内部采用光电隔离方式,可有效避免电磁干扰[7-8]。当AT89C51单片机检测到温湿度信号超过设定值时,从P.6口发出控制信号,并通过光耦产生大于5 mA的触发电流,使固态继电器启动相应的电器工作,从而实现对设备的控制。设计时应注意各个电器不要同时启动,以免冲击电网,这部分工作可由软件延时完成。固态继电器可选择国产的H220D15型。

2.4 语音电路

语音电路由AT89C51单片机系统、语音芯片及音频功率放大电路等组成。AT89C51单片机通过8255接口芯片与语音电路连接,如图4所示。AT89C51单片机检测是否有报警信号发出,如有,则再进一步分析前端送来的数据信息,以判别报警类别,然后启动语音芯片,并发出相应的报警提示信息。

2.5 通信电路

通信程序包括两方面,一方面是AT89C51单片机的通信程序,另一方面是计算机的通信程序。MAX232接口电路如图5所示,其中一路R1OUT接AT89C51单片机的RXD,T1IN接AT89C51单片机的TXD,T1OUT接计算机的RD,R1IN接计算机的TD。因为MAX232接口具有驱动能力,所以不需要外加驱动电路。

2.6 模数转换器

系统采用逐次逼近型ADC0809模数转换器,原理如图6所示。逐次逼近型模数转换器是一种速度快、精度高的模数转换器,通过最高位到最低位的逐次检测来逼近被转换的输入电压。

2.7 键盘及显示单元

系统采用8279作为键盘及显示单元的接口芯片,可简化系统的软硬件设计,充分提高中央处理器的工作效率。

2.8 打印机

打印设备选择便携式TP-up40A微型打印机,打印机与8255接口芯片连接在输入电路中,有锁存器。在输出电路中,由三态门来控制,因此在和AT89C51单片机的接口电路中,低八位地址不经过锁存器。打印机通过8255接口芯片的PB口进行连接,如图7所示。

图4 语音电路

图6 逐次逼近型模数转换器原理

2.9 复位电路

对复位电路的基本要求是,在单片机通电时能可靠复位,在断电时能防止程序乱飞而导致可擦写可编程可读存储器中的数据被修改。另外,系统在工作时,由于干扰等各种因素的影响,有可能出现死机现象,导致AT89C51单片机无法正常工作。为了避免这一现象,除了充分利用AT89C51单片机自身的看门狗定时器外,还需外加看门狗电路[9]。除此以外,系统还要求在失电瞬间AT89C51单片机能将重要数据保存下来,因为失电的发生往往是随机的,所以系统需要电源监控电路[10],在失电刚发生时告知AT89C51单片机。MAX813L芯片可以满足以上要求,其典型应用电路如图8所示。

图7 打印机连接电路

图8 MAX813L典型应用电路

3 软件设计

软件设计与硬件设计相对应,采用模块化结构,共包括五个程序模块:主程序模块、上位机通信程序模块、模数转换程序模块、搜索温度传感器系列号程序模块、中断程序模块,程序流程如图9～图12所示。

通过主程序和中断处理程序,将各程序模块连接起来,这样有利于程序的修改和调试,增强程序的可移植性。

图9 主程序流程

图10 上位机通信程序流程

图11 模数转换程序流程

图12 搜索温度传感器系列号程序流程

4 结束语

设计了粮库多点温湿度监测系统,采用先进的AT89C51单片机和温湿度传感器,实现了对粮库内温湿度的自动测量和调节。所设计的系统应用场合广泛,特别适用于多点温湿度的测量与控制,可以增加传感器的数量,具有很强的可扩展性。使用时可以根据情况选用空调等加热设备,与同类产品相比,不仅精度高,而且成本低,可靠性好。