基于單片機的糧庫數(shù)字監(jiān)測系統(tǒng)硬件設計

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摘要：本文介紹了以單片機為核心的糧庫數(shù)字監(jiān)測系統(tǒng)的設計。該系統(tǒng)由檢測模塊，參數(shù)處理模塊，顯示模塊，報警模塊四部分組成。檢測模塊包括溫度檢測電路和濕度檢測電路，它將采集到的溫濕度值傳送至單片機進行處理并顯示，從而實現(xiàn)對糧庫糧情的實時監(jiān)測。 

關鍵詞：單片機傳感器 溫濕度 報警  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  糧食是人類賴以生存的重要戰(zhàn)略物質(zhì)，防潮、防霉是糧庫日常管理的重要內(nèi)容，它直接影響到糧食儲存的質(zhì)量和安全性。  本文介紹了以單片機為核心的糧庫數(shù)字監(jiān)測系統(tǒng)硬件設計，該系統(tǒng)的主要任務是完成糧庫溫濕度的實時監(jiān)測，包括參數(shù)檢測，參數(shù)處理顯示以及報警等功能。  2 系統(tǒng)總體結(jié)構介紹  本設計的硬件由檢測模塊，參數(shù)處理模塊，顯示模塊，報警模塊四部分組成。檢測部分包括溫度檢測和濕度檢測電路。系統(tǒng)通過檢測模塊對糧庫內(nèi)的溫度和濕度進行檢測，然后通過多路開關分時傳送至單片機，單片機接收到檢測參數(shù)后對它們進行存儲并進行實時顯示和判斷。本系統(tǒng)主要具有數(shù)據(jù)采集與傳送、數(shù)據(jù)分析與處理、數(shù)據(jù)存儲與顯示、報警等功能。其總體設計框圖如圖2.1所示：    圖2.1 總體設計框圖  3 系統(tǒng)各模塊硬件設計介紹  3.1 溫度檢測模塊  溫度檢測電路采用多點式分布的ds18b20單線型智能溫度傳感器，完成溫度的多點式分布檢測及傳輸，它采用單總線專用技術，通過串行口線與單片機連接，無須經(jīng)過其它變換電路，直接輸出被測溫度值（9位二進制數(shù)，含符號位）。  3.2 濕度檢測模塊  濕度檢測電路采取多點式分布，完成濕度的多點式分布檢測及傳輸。該模塊采用hs1100/hs1101濕度傳感器，hs1100/hs1101電容傳感器，在電路構成中等效于一個電容器件，其電容量隨著所測空氣濕度的增大而增大。不需校準的完全互換性，高可靠性和長期穩(wěn)定性，快速響應時間，專利設計的固態(tài)聚合物結(jié)構，由頂端接觸（hs1100）和側(cè)面接觸（hs1101）兩種封裝產(chǎn)品，適用于線性電壓輸出和頻率輸出兩種電路，適宜于制造流水線上的自動插件和自動裝配過程等。  相對濕度在1%～100%rh范圍內(nèi)；電容量由16pf變到200pf，其誤差不大于±2%rh；響應時間小于5s；溫度系數(shù)為0.04 pf/℃。可見精度是較高的。  下面介紹hs1100/hs1101濕度傳感器及其應用。  濕度采集電路核心器件為hs1100/hs1101電容傳感器，它在電路構成中等效于一個電容器件，其電容量隨著所測空氣濕度的增大而增大。如何將電容的變化量準確地轉(zhuǎn)變?yōu)橛嬎銠C易于接受的信號，常有兩種方法：一是將該濕敏電容置于運放與阻容組成的橋式振蕩電路中，所產(chǎn)生的正弦波電壓信號經(jīng)整流、直流放大、再a/d轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號；另一種是將該濕敏電容置于555振蕩電路中，將電容值的變化轉(zhuǎn)為與之成反比的電壓頻率信號，可直接被計算機所采集  頻率輸出的555測量振蕩電路如圖3.1所示。集成定時器555芯片外接電阻r4、r2與濕敏電容c，構成了對c的充電回路。引腳7通過芯片內(nèi)部的晶體管對地短路又構成了對c的放電回路，并將引腳2、6端相連引入到片內(nèi)比較器，便成為一個典型的多諧振蕩器，即方波發(fā)生器。另外，r3 是防止輸出短路的保護電阻，r1 用于平衡溫度系數(shù)。    該振蕩電路兩個暫穩(wěn)態(tài)的交替過程如下：首先電源vs通過r4、r2 向c充電，經(jīng)(充電時間)時間后，uc達到芯片內(nèi)比較器的高觸發(fā)電平，約0.67vs，此時輸出引腳3端由高電平突降為低電平，然后通過r2放電，經(jīng)(放電時間)時間后，uc下降到比較器的低觸發(fā)電平，約為0.33vs ，此時輸出引腳3端又由低電平突降為高電平，如此反復，形成方波輸出?？諝鉂穸韧ㄟ^555測量電路就轉(zhuǎn)變?yōu)榕c之呈反比的頻率信號，如表3.1給出了其中的一組典型測試值。  表3.1空氣濕度與電壓頻率的典型值    3.3 多路信號采集  3.3.1多路信號采集電路  本系統(tǒng)檢測部分采用了多路信號采集，應用cd4051組成多路分時的模擬量信號采集電路，其硬件接口如圖3.2所示：    圖3.2二路分時的模擬量信號采集電路硬件接口  3.3.2 多路開關cd4051實現(xiàn)多路信號分時輸入  多路開關又稱“多路模擬轉(zhuǎn)換器”。多路開關通常有n個模擬量輸入通道和一個公共的模擬輸入端，并通過地址線上不同的地址信號把n個通道中任一通道輸入的模擬信號輸出，實現(xiàn)有n線到一線的接通功能。反之，當模擬信號有公共輸出端輸入時 ，作為信號分離器，實現(xiàn)了1線到n線的分離功能。因此，多路開關通常是一種具有雙向能力的器件。  在本設計中，由于采用了溫濕度雙量控制，所以在信號采集中將有兩個模擬量被提取，這時選用多路開關就是很必要的。本系統(tǒng)選用的是cd4051多路開關，它是一種單片、coms、8通道開關。該芯片由dtl/ttl-coms電平轉(zhuǎn)換器，帶有禁止端的8選1譯碼器輸入，分別加上控制的8個coms模擬開關tg組成。  3.48051單片機數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)  此系統(tǒng)的設計，采用8051單片機作為核心處理芯片，8051片內(nèi)有4kb的rom，能滿足存儲要求，無需擴展存儲器。由傳感器采集非電信號，從傳感器出來送往8051進行數(shù)據(jù)的分析與處理。并控制顯示器來進行顯示輸出。  3. 5顯示電路的設計  在單片機應用系統(tǒng)設計中，一般都是把鍵盤和顯示器放在一起考慮。本設計是利用8051的串行口實現(xiàn)鍵盤/顯示器接口。  當8051的串行口未被占用時，使用8051的串行口來外擴鍵盤/顯示器。應用8051的串行口方式0的輸出方式，在串行口外接移位寄存器74ls164，構成鍵盤/顯示器接口，其硬件接口電路如圖3.3所示：  圖3.3中的8個74ls164：74ls164（0）～74ls164（7）作為8位段碼輸出口，74ls138的y0作為鍵輸入線，y2作為同步脈沖輸出控制線。這種靜態(tài)顯示方式亮度大，很容易做到顯示不閃爍。靜態(tài)顯示的優(yōu)點是cpu不必頻繁的為顯示服務，因而主程序可不必掃描顯示器，軟件設計比較簡單，從而使單片機有更多的時間處理其他事情。  3. 6報警電路的設計  在該系統(tǒng)中，為了保證糧食安全，對于比較重要的參數(shù)設有報警系統(tǒng)，以便提醒操作人員注意，或采取有效措施。其方法就是把檢測電路采集的數(shù)據(jù)輸送給單片機進行數(shù)據(jù)處理、標度變換之后，與該參數(shù)上下限給定值進行比較，如果高于上限值（或低于下限值）則進行報警，否則就作為采樣的正常值，進行顯示和控制。    圖3.3顯示與主機的硬件接口  本設計采用紅色led發(fā)光報警電路。通過mcs-51的1根口線經(jīng)驅(qū)動器驅(qū)動紅色led發(fā)光。紅色led燈約需5ma的驅(qū)動電流，可以使用一個1k的電阻和其串聯(lián)。在圖中，p2.7接晶體管基極輸入端。當p2.7輸出高電平“1”時，紅色led燈兩端獲得約+5v電壓而發(fā)光；當p2.7輸出低電平“0”時，紅色led燈停止發(fā)光。  圖3.4是一個簡單的紅色led發(fā)光報警電路：    圖3.4 紅色led發(fā)光報警電路  本設計是為在溫濕度測量中對溫濕度的上下限超出是的提示報警，接口位于單片機at89c51的p3.2口，但溫濕度過限時，p3.2口被置0，本系統(tǒng)開始工作。  參考文獻  [1] 沈德金，陳粵初．mcs-51系列單片機接口電路與應用程序?qū)嵗本┖娇蘸教齑髮W出版社,1990  [2] 李建民.單片機在溫度控制系統(tǒng)中的應用.江漢大學學報,1996.6  [3] 張毅剛、彭喜元、姜守達、喬立巖．新編mcs-51系列單片機應用設計．哈爾濱工業(yè)大學出版社，2003.6  [4] 楊振江等.智能儀器與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的新器件及應用.西安電子科技大學出版社，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：文章內(nèi)所有公式及圖表請以pdf形式查看。