多點(diǎn)溫濕度測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1 引言

糧食測(cè)溫技術(shù)的研究始于20世紀(jì)70年代，是實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化儲(chǔ)存糧食的一項(xiàng)重要技術(shù)。國(guó)內(nèi)大多數(shù)糧庫(kù)已經(jīng)采用了計(jì)算機(jī)糧情測(cè)控系統(tǒng)，隨著控制技術(shù)不斷發(fā)展，目前糧情測(cè)控系統(tǒng)已具有糧食溫濕度檢測(cè)、超溫報(bào)警、自動(dòng)生成各種報(bào)表、自動(dòng)存儲(chǔ)歷史數(shù)據(jù)并據(jù)此自動(dòng)生成糧溫變化曲線等功能。本文設(shè)計(jì)的糧情測(cè)控系統(tǒng)是以ATmega16為檢測(cè)與控制核心的單片機(jī)，由多個(gè)數(shù)字溫度傳感器DS18B20及模擬濕度傳感器HS1101構(gòu)成。

2 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

糧情測(cè)控系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)硬件與軟件的結(jié)合體，實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)對(duì)儲(chǔ)糧的檢測(cè)與預(yù)警。系統(tǒng)硬件由控制處理部分和信號(hào)檢測(cè)部分組成，其中，控制部分包含六個(gè)模塊：控制器模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、顯示模塊、鍵盤輸入模塊、通信模塊和報(bào)警模塊；信號(hào)檢測(cè)部分包含三個(gè)模塊：溫度檢測(cè)模塊(DS18B20)、濕度檢測(cè)模塊(HS1101)、煙霧檢測(cè)模塊(SS-1)。系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)硬件主要包括控制電路與檢測(cè)電路?？刂齐娐坟?fù)責(zé)處理按鍵、溫濕度信息、控制電機(jī)、控制蜂鳴器、LED。檢測(cè)電路負(fù)責(zé)檢測(cè)溫度信息、濕度信息、煙霧信息。此外，還有顯示電路、鍵盤掃描電路等。

3.1 控制電路設(shè)計(jì)

控制器是系統(tǒng)的核心部分，其性能好壞與系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)有密切的聯(lián)系。它接收來自于鍵盤、溫濕度傳感器輸出的數(shù)字信號(hào)和頻率信號(hào)并對(duì)其進(jìn)行處理，再以控制電壓的形式將電壓信號(hào)輸出給電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，以控制通風(fēng)扇的開關(guān)?？刂齐娐吠饨悠叨螖?shù)碼管電路、鍵盤掃描電路、信號(hào)檢測(cè)電路和通風(fēng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，具體電路如圖2所示。

U110是單片機(jī)電源輸入端，在此電路上安裝了一個(gè)發(fā)光二極管以顯示系統(tǒng)是否上電。J1是單片機(jī)ISP下載輸入端，系統(tǒng)程序從該端口載入單片機(jī)內(nèi)。尺101、C101和S101組成了單片機(jī)的復(fù)位電路。

3.2 傳感器電路設(shè)計(jì)

傳感器電路的設(shè)計(jì)是本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，由于要對(duì)溫度、濕度和煙霧進(jìn)行檢測(cè)，因此需要分別對(duì)三種傳感器的檢測(cè)電路進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3.2.1 溫度檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

采用數(shù)字溫度傳感器DS18B20檢測(cè)溫度。由于溫度檢測(cè)的對(duì)象是糧庫(kù)，其面積較大，所以可對(duì)糧庫(kù)進(jìn)行分劃，每一個(gè)庫(kù)劃分成8個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域設(shè)置12個(gè)檢測(cè)點(diǎn)。通過多路選擇開關(guān)CD4051控制8個(gè)區(qū)域的檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行選通輸入。

DS18B20是美國(guó)Dallas半導(dǎo)體公司的產(chǎn)品。它采用1-Wire總線技術(shù)，將地址線、數(shù)據(jù)線、控制線合為1根信號(hào)線，允許在這根信號(hào)線上掛接多個(gè)1-Wire總線器件。1-Wire總線技術(shù)具有節(jié)省I／O資源，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉，便于總線擴(kuò)展和維護(hù)等特點(diǎn)。

DS18B20采用特有的溫度測(cè)量技術(shù)：可提供9～12位(二進(jìn)制)數(shù)據(jù)來指示傳感器溫度；數(shù)據(jù)信息與DS18B20之間只需一根數(shù)據(jù)線(和地線)連接即可；DS18B20的測(cè)溫范圍為-55％～+125℃，在-10℃～85％之間的精度達(dá)±1／2℃，而在整個(gè)溫度測(cè)量范圍內(nèi)具有±2℃的測(cè)量精度。

基于DS18B20的糧倉(cāng)溫度檢測(cè)電路如圖3所示。

圖中R212為上拉電阻。CD4051的A、B、C端片選溫度檢測(cè)的8個(gè)區(qū)域。數(shù)字1～8表示8個(gè)區(qū)域的DS18B20數(shù)字信號(hào)輸入端。當(dāng)進(jìn)行溫度檢測(cè)時(shí)單片機(jī)通過對(duì)A、B、C輸入片選信號(hào)，分別選通8個(gè)區(qū)域的溫度檢測(cè)信號(hào)。同時(shí)單片機(jī)也是通過A、B、C的輸入片選信號(hào)區(qū)分糧倉(cāng)的8個(gè)檢測(cè)區(qū)域。

3.2.2 濕度檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

濕度檢測(cè)采用的是濕度傳感器HS1101。在糧情測(cè)控系統(tǒng)中主要是檢測(cè)室內(nèi)與室外的濕度，一般一個(gè)糧倉(cāng)有兩個(gè)濕度檢測(cè)點(diǎn)，且精度要求不高。對(duì)濕度檢測(cè)點(diǎn)的控制采用控制溫度的方法，采用CD4051實(shí)現(xiàn)片選控制。

濕度傳感器HS1101是法國(guó)Humirel生產(chǎn)的電容式濕度傳感器。HS1101是一種在高分子薄膜上形成的電容。高分子薄膜上的電極是很薄的金屬微孔蒸發(fā)膜，水分子可通過兩端的電極被高分子薄膜吸附或釋放，隨著這種水分子的吸附或釋放，高分子的介電系數(shù)將發(fā)生相應(yīng)的變化。由于介電系數(shù)隨空氣的相對(duì)濕度變化而變化，所以只要測(cè)定電容C值就可得到相對(duì)濕度。

HS1101是基于獨(dú)特工藝設(shè)計(jì)的固態(tài)聚合物結(jié)構(gòu)，在電路中等效于一個(gè)電容器，其電容隨所測(cè)空氣的相對(duì)濕度增大而增大。具有極好的線性輸出，在相對(duì)濕度為0～100％RH的范圍內(nèi)，電容的容量由163 pF變化到202 pF，其誤差不大于±2％RH；濕度量程為1～99％RH，工作溫度范圍為-40℃～100℃；濕度輸出受溫度影響極小(溫度系數(shù)僅為0.04 pF／℃)；常溫下使用無需溫度補(bǔ)償，無需校準(zhǔn)。

3.2.3 煙霧檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

煙霧傳感器是氣體敏感元件，它遇可燃性氣體時(shí)會(huì)產(chǎn)生特殊效應(yīng)，從而達(dá)到檢測(cè)煙霧的目的?，F(xiàn)在大多數(shù)煙霧傳感器都需要預(yù)熱，而且功耗大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但是SS-1煙霧傳感器則無需預(yù)熱，并具有工藝結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功耗小、成本低、靈敏穩(wěn)定、壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。該傳感器工作電壓為6 V～12 V，靜態(tài)功耗小于0.2 W，環(huán)境條件：溫度范圍為-30℃～+50℃的相對(duì)濕度≤95％，清潔空氣中電阻RL上的電壓：V1≤2.5 V，標(biāo)定氣體中RL上的電壓(0.2％的LPG)：V2≥5 V。

3.3 通信電路設(shè)計(jì)

通信電路采用RS485總線協(xié)議實(shí)現(xiàn)與PC機(jī)的通信。單片機(jī)將采集到的溫濕度數(shù)據(jù)通過RS485總線輸送給上位機(jī)(PC機(jī))進(jìn)行實(shí)時(shí)記錄。由于PC機(jī)只能用RS232協(xié)議進(jìn)行通信，因此需要采用一個(gè)RS485和RS232的電平轉(zhuǎn)換電路，該電平轉(zhuǎn)換電路主要包括電源、RS232電平轉(zhuǎn)換、RS485電路三部分。

3.4 顯示電路設(shè)計(jì)

顯示電路采用5個(gè)七段數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示，顯示結(jié)果清晰。其中第一個(gè)數(shù)碼管用于系統(tǒng)標(biāo)定，即顯示當(dāng)前系統(tǒng)的工作狀態(tài)；第二、三個(gè)數(shù)碼管顯示溫濕度的分組，即所顯示的數(shù)據(jù)就是哪組溫度傳感器或哪個(gè)濕度傳感器；第四、五個(gè)數(shù)碼管用于顯示溫度的給定值、溫度檢測(cè)值和濕度檢測(cè)值。其驅(qū)動(dòng)電路圖如圖4所示。

在七段數(shù)碼管的掃描過程中，任意時(shí)刻只有一個(gè)數(shù)碼管被點(diǎn)亮，顯示時(shí)間很短(僅1ms～3 ms)，并且是循環(huán)顯示。由于人眼的視覺暫留效應(yīng)，在顯示刷新很快的時(shí)候，可以認(rèn)為全部數(shù)碼管持續(xù)點(diǎn)亮。

3.5 鍵盤電路設(shè)計(jì)

鍵盤是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中最常用的輸入設(shè)備之一，用戶可以通過它向計(jì)算機(jī)輸入指令和數(shù)據(jù)。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的鍵盤按其連接方式的不同，可以分為非矩陣式鍵盤和矩陣式鍵盤兩類。本系統(tǒng)由于功能的需要，并沒有采用傳統(tǒng)的行列掃描式矩陣鍵盤，而是采用了端口掃描檢測(cè)高低電平的方法。

ATmega16單片機(jī)有32個(gè)外部I／O端口資源。除去溫度傳感器4個(gè)I／O端口、濕度傳感器3個(gè)I／O端口、LED顯示13個(gè)I／O端口、煙霧傳感器1個(gè)I／O端口以及電機(jī)控制1個(gè)端口，該系統(tǒng)只需要4個(gè)按鍵，其功能分別為設(shè)置、移位、自加和確認(rèn)。其查詢接口電路如圖5所示。

4 結(jié)束語

實(shí)踐表明，該系統(tǒng)能夠?qū)囟?、濕度、煙霧進(jìn)行檢測(cè)，同時(shí)也能控制電機(jī)與蜂鳴器；能夠判斷各個(gè)溫度區(qū)域內(nèi)平均溫度值是否超過所允許的溫度范圍，也能顯示各個(gè)區(qū)域內(nèi)的溫度平均值和濕度值。因此，糧情檢測(cè)系統(tǒng)具有穩(wěn)定性好、精度高等特點(diǎn)，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。