關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)傳感器 溫濕度 報(bào)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(lèi)賴(lài)以生存的重要戰(zhàn)略物質(zhì)，防潮、防霉是糧庫(kù)日常管理的重要內(nèi)容，它直接影響到糧食儲(chǔ)存的質(zhì)量和安全性。 

本文介紹了以單片機(jī)為核心的糧庫(kù)數(shù)字監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)的主要任務(wù)是完成糧庫(kù)溫濕度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，包括參數(shù)檢測(cè)，參數(shù)處理顯示以及報(bào)警等功能。 

2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)介紹 

本設(shè)計(jì)的硬件由檢測(cè)模塊，參數(shù)處理模塊，顯示模塊，報(bào)警模塊四部分組成。檢測(cè)部分包括溫度檢測(cè)和濕度檢測(cè)電路。系統(tǒng)通過(guò)檢測(cè)模塊對(duì)糧庫(kù)內(nèi)的溫度和濕度進(jìn)行檢測(cè)，然后通過(guò)多路開(kāi)關(guān)分時(shí)傳送至單片機(jī)，單片機(jī)接收到檢測(cè)參數(shù)后對(duì)它們進(jìn)行存儲(chǔ)并進(jìn)行實(shí)時(shí)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(chǔ)與顯示、報(bào)警等功能。其總體設(shè)計(jì)框圖如圖2.1所示： 

 

圖2.1 總體設(shè)計(jì)框圖 

3 系統(tǒng)各模塊硬件設(shè)計(jì)介紹 

3.1 溫度檢測(cè)模塊 

溫度檢測(cè)電路采用多點(diǎn)式分布的ds18b20單線(xiàn)型智能溫度傳感器，完成溫度的多點(diǎn)式分布檢測(cè)及傳輸，它采用單總線(xiàn)專(zhuān)用技術(shù)，通過(guò)串行口線(xiàn)與單片機(jī)連接，無(wú)須經(jīng)過(guò)其它變換電路，直接輸出被測(cè)溫度值（9位二進(jìn)制數(shù)，含符號(hào)位）。 

3.2 濕度檢測(cè)模塊 

濕度檢測(cè)電路采取多點(diǎn)式分布，完成濕度的多點(diǎn)式分布檢測(cè)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(gòu)成中等效于一個(gè)電容器件，其電容量隨著所測(cè)空氣濕度的增大而增大。不需校準(zhǔn)的完全互換性，高可靠性和長(zhǎng)期穩(wěn)定性，快速響應(yīng)時(shí)間，專(zhuān)利設(shè)計(jì)的固態(tài)聚合物結(jié)構(gòu)，由頂端接觸（hs1100）和側(cè)面接觸（hs1101）兩種封裝產(chǎn)品，適用于線(xiàn)性電壓輸出和頻率輸出兩種電路，適宜于制造流水線(xiàn)上的自動(dòng)插件和自動(dòng)裝配過(guò)程等。 

相對(duì)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(yīng)時(shí)間小于5s；溫度系數(shù)為0.04 pf/℃�？梢�(jiàn)精度是較高的。 

下面介紹hs1100/hs1101濕度傳感器及其應(yīng)用。 

濕度采集電路核心器件為hs1100/hs1101電容傳感器，它在電路構(gòu)成中等效于一個(gè)電容器件，其電容量隨著所測(cè)空氣濕度的增大而增大。如何將電容的變化量準(zhǔn)確地轉(zhuǎn)變?yōu)橛?jì)算機(jī)易于接受的信號(hào)，常有兩種方法：一是將該濕敏電容置于運(yùn)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(hào)經(jīng)整流、直流放大、再a/d轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)；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(hào)，可直接被計(jì)算機(jī)所采集 

頻率輸出的555測(cè)量振蕩電路如圖3.1所示。集成定時(shí)器555芯片外接電阻r4、r2與濕敏電容c，構(gòu)成了對(duì)c的充電回路。引腳7通過(guò)芯片內(nèi)部的晶體管對(duì)地短路又構(gòu)成了對(duì)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(gè)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(hù)電阻，r1 用于平衡溫度系數(shù)。 

 

該振蕩電路兩個(gè)暫穩(wěn)態(tài)的交替過(guò)程如下：首先電源vs通過(guò)r4、r2 向c充電，經(jīng)(充電時(shí)間)時(shí)間后，uc達(dá)到芯片內(nèi)比較器的高觸發(fā)電平，約0.67vs，此時(shí)輸出引腳3端由高電平突降為低電平，然后通過(guò)r2放電，經(jīng)(放電時(shí)間)時(shí)間后，uc下降到比較器的低觸發(fā)電平，約為0.33vs ，此時(shí)輸出引腳3端又由低電平突降為高電平，如此反復(fù)，形成方波輸出。空氣濕度通過(guò)555測(cè)量電路就轉(zhuǎn)變?yōu)榕c之呈反比的頻率信號(hào)，如表3.1給出了其中的一組典型測(cè)試值。 

表3.1空氣濕度與電壓頻率的典型值 

 

3.3 多路信號(hào)采集 

3.3.1多路信號(hào)采集電路 

本系統(tǒng)檢測(cè)部分采用了多路信號(hào)采集，應(yīng)用cd4051組成多路分時(shí)的模擬量信號(hào)采集電路，其硬件接口如圖3.2所示： 

 

圖3.2二路分時(shí)的模擬量信號(hào)采集電路硬件接口 

3.3.2 多路開(kāi)關(guān)cd4051實(shí)現(xiàn)多路信號(hào)分時(shí)輸入 

多路開(kāi)關(guān)又稱(chēng)“多路模擬轉(zhuǎn)換器”。多路開(kāi)關(guān)通常有n個(gè)模擬量輸入通道和一個(gè)公共的模擬輸入端，并通過(guò)地址線(xiàn)上不同的地址信號(hào)把n個(gè)通道中任一通道輸入的模擬信號(hào)輸出，實(shí)現(xiàn)有n線(xiàn)到一線(xiàn)的接通功能。反之，當(dāng)模擬信號(hào)有公共輸出端輸入時(shí) ，作為信號(hào)分離器，實(shí)現(xiàn)了1線(xiàn)到n線(xiàn)的分離功能。因此，多路開(kāi)關(guān)通常是一種具有雙向能力的器件。 

在本設(shè)計(jì)中，由于采用了溫濕度雙量控制，所以在信號(hào)采集中將有兩個(gè)模擬量被提取，這時(shí)選用多路開(kāi)關(guān)就是很必要的。本系統(tǒng)選用的是cd4051多路開(kāi)關(guān)，它是一種單片、coms、8通道開(kāi)關(guān)。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(gè)coms模擬開(kāi)關(guān)tg組成。 

3.48051單片機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng) 

此系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，采用8051單片機(jī)作為核心處理芯片，8051片內(nèi)有4kb的rom，能滿(mǎn)足存儲(chǔ)要求，無(wú)需擴(kuò)展存儲(chǔ)器。由傳感器采集非電信號(hào)，從傳感器出來(lái)送往8051進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析與處理。并控制顯示器來(lái)進(jìn)行顯示輸出。 

3. 5顯示電路的設(shè)計(jì) 

在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，一般都是把鍵盤(pán)和顯示器放在一起考慮。本設(shè)計(jì)是利用8051的串行口實(shí)現(xiàn)鍵盤(pán)/顯示器接口。 

當(dāng)8051的串行口未被占用時(shí)，使用8051的串行口來(lái)外擴(kuò)鍵盤(pán)/顯示器。應(yīng)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(gòu)成鍵盤(pán)/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(gè)74ls164：74ls164（0）～74ls164（7）作為8位段碼輸出口，74ls138的y0作為鍵輸入線(xiàn)，y2作為同步脈沖輸出控制線(xiàn)。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(diǎn)是cpu不必頻繁的為顯示服務(wù)，因而主程序可不必掃描顯示器，軟件設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單，從而使單片機(jī)有更多的時(shí)間處理其他事情。 

3. 6報(bào)警電路的設(shè)計(jì) 

在該系統(tǒng)中，為了保證糧食安全，對(duì)于比較重要的參數(shù)設(shè)有報(bào)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(cè)電路采集的數(shù)據(jù)輸送給單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、標(biāo)度變換之后，與該參數(shù)上下限給定值進(jìn)行比較，如果高于上限值（或低于下限值）則進(jìn)行報(bào)警，否則就作為采樣的正常值，進(jìn)行顯示和控制。 

 

圖3.3顯示與主機(jī)的硬件接口 

本設(shè)計(jì)采用紅色led發(fā)光報(bào)警電路。通過(guò)mcs-51的1根口線(xiàn)經(jīng)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)紅色led發(fā)光。紅色led燈約需5ma的驅(qū)動(dòng)電流，可以使用一個(gè)1k的電阻和其串聯(lián)。在圖中，p2.7接晶體管基極輸入端。當(dāng)p2.7輸出高電平“1”時(shí)，紅色led燈兩端獲得約+5v電壓而發(fā)光；當(dāng)p2.7輸出低電平“0”時(shí)，紅色led燈停止發(fā)光。 

圖3.4是一個(gè)簡(jiǎn)單的紅色led發(fā)光報(bào)警電路： 

 

圖3.4 紅色led發(fā)光報(bào)警電路 

本設(shè)計(jì)是為在溫濕度測(cè)量中對(duì)溫濕度的上下限超出是的提示報(bào)警，接口位于單片機(jī)at89c51的p3.2口，但溫濕度過(guò)限時(shí)，p3.2口被置0，本系統(tǒng)開(kāi)始工作。 

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注：文章內(nèi)所有公式及圖表請(qǐng)以pdf形式查看。