粮仓的湿度监测系统设计_粮仓温湿度监测控系统

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粮仓的湿度控制系统设计

学校

燕山大学里仁学院

专业

自动化

姓名

申亚辉

学号

101610041073

指导教师

1绪论

1.1研究的背景和意义

粮食储藏是国家为防备战争、灾荒及其它突发性事件而采取的有效措施，因此，粮食的安全储藏具有重要意义。目前，我国地方及垦区的各种大型粮库都还存在着程度不同的粮食储存变质问题。根据国家粮食保护法规定，必须定期抽样检查粮库各点的粮食温度和湿度，以便及时采取相应的措施。但大部分粮库目前还是采取人工测量温度和湿度的方法，这不仅使粮库工作人员工作量增大，且工作效率低，尤其是大型粮库的温度和湿度检测任务如不能及时彻底完成，则有可能会造成粮食大面积变质。据有关资料统计，我国每年因粮食变质而损失的粮食达数亿斤，直接造成的经济损失是惊人的。

影响粮食安全储藏的主要参数是粮食的温度和湿度，这两者之间又是互相关联的。粮食在正常储藏过程中，含水量一般在12%以下(为安全状态)，不会产生温度突变，一旦粮库进水、结露等使粮食的含水量达到20%以上时，由于粮粒受潮，胚芽萌发，新陈代谢加快而产生呼吸热，使局部粮食温度突然升高，必然引起粮食“发烧”和霉变，并可能形成连锁反应，从而造成不可挽回的损失。因此设计出一种经济实用的粮库粮情湿度智能检测系统是非常有必要的。

1.2 湿度传感器技术的国内外研究动态

近年来，国内外在湿度传感器研发领域取得了长足进步.湿敏传感器正从简单的湿敏元件向集成化、智能化、多参数检测的方向迅速发展，为开发新一代湿度崛度测控系统创造了有利条件，也将湿度测量技术提高到新的水平。

一、湿敏元件

湿敏元件是最简单的湿度传感器。湿敏元件主要有电阻式、电容式两大类。湿敏电阻的特点是在基片上覆盖一层用感湿材料制成的膜，当空气中的水蒸气吸附在感湿膜上时，元件的电阻率和电阻值都发生变化，利用这一特性即可测量湿度。湿敏电阻的种类很多，例如金属氧化物湿敏电阻、硅湿敏电阻、陶瓷湿敏电阻等。湿敏电阻的优点是灵敏度高，主要缺点是线性度和产品的互换性差。

湿敏电容一般是用高分子薄膜电容制成的，常用的高分子材料有聚苯乙烯、聚酞亚胺、酪酸醋酸纤维等.当环境湿度发生改变时，湿敏电容的介电常数发生变化，使其电容量也发生变化，其电容变化量与相对湿度成正比.湿敏电容的主要优点是灵敏度高、产品互换性好、响应速度快、湿度的滞后量小、便于制造、容易实现小型化和集成化，其精度一般比湿敏电阻要低一些。国外生产湿敏电容的主要厂家有Humirel公司、Philip公司、Siemens公司等。以Humirel公司生产的HS1100型湿敏电容为例，其测量范围是((1 %-99%)RH，在55% RH时的电容量为180pF(典型值)。当相对湿度从0变化到100%时，电容量的变化范围是163pF-202pF。温度系数为0.04 pF/ C，湿度滞后量为士1.5%，响应时间为5s。除电阻式、电容式湿敏元件之外，还有电解质离子型湿敏元件、重量型湿敏元件(利用感湿膜重量的变化来改变振荡频率)、光强型湿敏元件、声表面波湿敏元件等。湿敏元件的线性度及抗污染性差，在检测环境湿度时，湿敏元件要长期暴露在待测环境中，很容易被污染而影响其测量精度及长期稳定性。

二、集成湿度传感器

目前，国外生产集成湿度传感器的主要厂家及典型产品分别为Honeywe”公司((H1H-3602, HIH-3605, HIH-3610型)，Humirel公司(HM 1500, HM 1520, HF3223 , HTF3223型)，Sensiron公司(SHT11,SHT15型)。这些产品可分成以下三种类型:

1、线性电压输出式集成湿度传感器

典型产品有HIH3605/3610, HM1500/ 1520。其主要特点是采用恒压供电，内置放大电路，能输出与相对湿度成比例关系的伏特级电压信号，响应速度快，重复性好，抗污染能力强。

2、线性频率输出式集成湿度传感器

典型产品为HF3223型，它采用模块式结构，属于频率输出式

集成湿度传感器，在55% RH时的输出频率为8750Hz(典型值)，当相对湿度从10%变化到95%时，输出频率就从9560Hz减小到8030Hze这种传感器具有线性度好、抗干扰能力强、便于配数字电路或单片机、价格低等优点。

3、频率/温度输出式集成湿度传感器

典型产品为HTF3223型。它除具有HF3223的功能以外，还增加了温度信号输出端，利用负温度系数(NTC)热敏电阻作为温度传感器。当环境温度变化时，其电阻值也相应改变并且从NTC端引出，配上二次仪表即可测量出温度值[f}l0

1.3 本课题的主要研究目标及内容 1.3.1 设计目标 实现湿度的控制系统。1.3.2 设计内容

1.设计相应的信号采集电路、执行电路等硬件电路;2.实现各环境要素的自动监测;3.通过单片机汇编语言编制数据采集、分析处理、显示、修改、参数设置、控制等程序功能模块;4.研究装置的软硬件抗干扰措施，提高系统工作的可靠性和稳定性。

-6-系统的硬件设计

2.1总体设计

总的设计思想是通过湿度传感器将湿度值转换为电量输出，由A/D转换器对模拟信号进行数字化，被数字化的信号送达单片机处理总体设计框图如图所示。

本系统完成以下功能:可对湿度进行多点自动检。为实现以上功能需安排以下4个部分组成整个控制系统如图3-2所示。系统的硬件组成:(1)信号采样电路(2)单片机基本系统(8031)（3）单片机的扩展（4）A/D转换电路

2.2信号采样电路设计

采样电路在整个控制装置中占据着十分重要的地位，采样值是8031主要处理的数据，是实施控制的依据，所以保证采样电路的准确是进行良好控制的基础。

2.2.2湿度采样电路设计 2.2.2.1湿度传感器的选择

在非电物理量的检测中，湿度的测量是比较困难的。湿度信号的传递必须靠水对湿敏元件直接接触来完成，因此湿敏元件只能直接暴露于待测环境中，而不能密封，这些都导致湿度传感器的寿命较短。目前已有几十种湿敏器件，按感湿材料来分，大致有四类:电解质、半导体陶瓷、高分子和其它。本系统需要检测温室内空气的相对湿度，它是绝对湿度和饱和湿度之比。根据温室湿度控制的特点，本系统中湿度传感器选用Al2O3型湿度传感器。

Al2O3型湿度传感器属于电容型的高分子材料制成的湿敏元件，它的传感功能是通过高分子聚合物在吸湿后而引起介电常数的变化来完成的。它具有线形度好、滞后性小、响应快以及能在较寒冷的环境中使用等优点，其主要的特性参数为: 工作环境温度:-30~+80 ℃;相对湿度测量范围:0~100%RH;

测湿精度:士4%RH.2.2.2.2湿度检测电路

湿度检测电路由湿度传感器Al2O3型湿度传感器、振荡电路、整流电路、输出放大电路等组成。湿度检测电路如图3-4所示。振荡电路为RC桥式振荡电路，传感器特性的线形补偿由R1, R2完成，D1, D2, D3用于输入保护，A1, A2为运算放大器，A2接成电压跟随器。当环境湿度发生变化时，传感器的电容量也随着变化，这种变化反应到由振荡电路提供的正弦波信号，通过电压跟随器输出电压值。

2.3单片机最小系统的设计 2.3.1单片机复位电路的设计

复位电路是单片机应用中重要的一环，它对单片机抗干扰有重要作用。在振荡运行的情况下，要实现复位操作，必须使RST引脚至少保持两个机器周期的高电平。复位期间不产生ALE及PSEN信号。复位后，各内部寄存器状态如表3-2所示。8031单片机的复位电路如图3-5所示。

2.3.2单片机时钟电路的设计

单片机的时钟产生方法有两种:内部时钟方式和外部时钟方式。本系统中8031单片机采用内部时钟方式。最常用的内部时钟方式是采用外接晶体和电容组成的并联谐振回路。振荡晶体可在1.2MHz~12MHz之间。电容值无严格要求，但电容取值对振荡频率输出的稳定性、大小和振荡电路起振速度有少许影响，一般可在20pF-100pF之间取值。8031单片机的时钟电路如图3-6所示。

2.3.3 0831单片机系统

一个最小8031单片机系统有CPU（8031),8位3态D锁存器74LS373，ROM或RAM,时钟电路和复位电路等基本电路组成。

2.4 A/D转换电路

由信号处理电路输出的信号为模拟信号，而单片机只能处理数字量，所以必须首先将模拟量经过一定电路转换为数字信号，单片机才能处理，这种电路被称为A/D转换电路，是模拟系统与计算机之间的接口部件。

2.4.1 A/D转换的常用方法

A/D转换的常用方法有:双积分式A/D转换、逐次逼近型A/D转换、计数型A/D转换等。

双积分式A/D转换的工作原理是将对输入电压的测量，转换成对基准源积分时间的测量，再测量时间(脉冲宽度信号)或频率(脉冲频率)，然后由定时器/计数器获得数字值。这种方法的主要优点是分辩率高、精度高、抗干扰性好;主要缺点是转换速度慢。

逐次逼近型A/D由一个比较器和D/A转换器通过逐次比较逻辑构成，川页序地增加内部D/A的输入值，并将其输出电压与A/D测量输入电压比较，当二者相等时，内部D/A的输入值就是A/D转换的结果。这种方法的主要优点是速度快、功耗低;主要缺点是抗干扰性差。

2.4.2 A/D转换器的主要技术指标

A/D转换器的主要技术指标有:分辨率、精度、量程、转换时间等。

分辨率(Resolution)分辨率反映转换器所能分辨的被测量的最小值。通常用输出二进制代码的位数来表示。8位A/D转换器的分辨率为8位。

精度（Precision)精度指的是转换的结果相对于实际的偏差，精度有两种表示方法:绝对精度和相对精度。绝对精度用最低位(LSB)的倍数来表示，如: 如1LSB;相对精度用绝对精度除以满量程值的百分数来表示，如:士0.05%。同样分辨率的转换器其精度可能不同。

量程(满刻度范围一Full Scale Range)量程是指输入模拟电压的变化范围。如:某转换器具有10V的单极性范围或一5一+5V的双极性范

围，它们的量程都为10V。实际的A/D , D/A转换器的最大输入/输出值总是比满刻度值小。

转换时间(Conversion Time)A/D转换器的转换时间是指:从启动转换开始，直至取得稳定的数字量或模拟量所需的时间称为转换时间。转换时间与转换器工作原理及其位数有关。同种工作原理的转换器，通常位数越多，转换时间越长。

2.4.3 ADC0809的主要特征和内部结构

本系统采用ADC0809大规模集成电路芯片，它是逐次逼近式A/D转换器，输出的数字信号有二态缓冲器，可以和单片机直接接口。

ADC0809的主要技术指标为: 分辨率:8位;单电源供电:+5V;

最大不可调误差小于 士1LSB;转换时间为100μs(时钟频率为640KHz);模拟输入范围:单极性。0~5V;不必进行零点和满刻度调整;功耗为15Mw;ADC0809由一个8路模拟开关、一个地址锁存与译码器、一个8位A/D转换器和一个二态输出锁存器组成。其内部结构框图如图 3-7所示。

2.4.4 ADC0809管脚功能及定义

ADC0809模数转换器的管脚定义如图3-8所示。

IN0~IN7 : 8通道模拟量输入。

ADDA, ADDB, ADDC: A, B, C为地址输入线，用于选通

IN0~IN7上的一路模拟量输入。通道选择表如表3-3所示。

ALE:地址锁存允许输入线，高电平有效。当ALE线为高电平时，地址锁 存与译码器将A, B, C二条地址线的地址信号进行锁存，经译码后被选中通道的模拟量进转换器进行转换。

D0一D7: 8位输出数据线(二态)，A/D转换结果由这8根线传送给单片机。

OE:允许输出信号。当OE = 1时，输出转换得到的数据;当OE=0时，输出数据线呈高阻状态。

START:转换启动信号。START为正脉冲，其上跳沿所有内部寄存器清零;下跳沿时，开始进行A/D转换;在转换期间，START应保持低电平。

EOC:转换结束信号。当EOC为高电平时，表明转换结束;否则，表明正在进行A/D转换。

CLK:时钟输入信号。因ADC0809的内部没有时钟电路，所需时钟信号必须由外界提供，频率范围为10KHz~1.2MHz，典型值为640KHz.2.4.5 ADC0809与8031的接口电路

ADC0809有8个通道的模拟量输入，在程序控制下，可令任意通道进行A/D转换并可得到相应的8位二进制数字量.ADC0809与

8031单片机的连接如附图所示。

3系统的软件设计

本章在硬件电路设计的基础上，全面阐述各部分软件的设计思想和具体实现方法。整个软件采用模块化设计结构，并利用汇编语言编制。整个程序由主程序、A/D转换、模糊控制、采样滤波等子程序模块组成。

3.1软件系统

本系统选用8031单片机为主机，由于其片内无程序存储器，所以扩展4KB ROM 2732作为程序存储器，74LS373作为地址锁存器，8位输入A/D转换器(ADC0809)。

3.2主程序设计

主程序框图如图4-2所示。程序初始化包括寄存器设置、堆栈设置和相关单元清零设置等。主程序存放于ROM中，启动后循环执

行，不停地进行采样计算，得出实际湿度值。

主程序:

ORG

0000H AJMP

MAIN ORG

0100H ADO

EQU 12H PORT

EQU

41H PORTA

EQU

54H PORT B

EQU

69H PORTC

EQU

82H MAIN:

MOV

SP, #60H

;设置堆栈

MOV

51H,#46H；湿度设定值存于51H单元，设定值70RH% MOV

R0,#30H；显示缓冲区30H到37H清0 MOV

A,#00H ML0:

MOV

@R0,A INC

R0 CJNE

R0,#38H,ML0 ML1:

ACALL

KEY CJNE

52H,#0EH,ML2；如果是A/D转换键，则进行A/D转换

ACALL

AD ACALL

FILT ACALL

FUZZY ACALL

DIR ML2:

ACALL

T10

；等待采样时间

AJMP

ML1

PR1:

CJNE A,#0BH,PR2

AJMP LINE0

MOV

51H,52H;修改湿度设定值

PR2:

CJNE

A,#0DH,BACK

ACALL

DIR ；显示湿度 BACK: RET 3.5滤波程序设计

在温室抓‘制系统中，由于被控对象的环境比较恶劣，干扰源比较多，为了减少对采样值的干扰，提高系统的可靠性，常常采用数字滤波的方法。所谓数字滤波，即通过一定的计算程序，对采样信号进行平滑加工，提高其有用信号，消除或减少各种干扰和噪音，以保证计算机系统的可靠性。本系统中采用平均值滤波的方法，其算法原理如下:连续采样几次，将其累加求和，同时找出其中的最大值和最小值，再从累加和中减去最大值和最小值，按N-2个采样值求平均，即得有效采样值。平均值滤波程序流程图如图4-4所示。

平均值滤波子程序:

FILT:

MOV

R1，#OH

MOV

A, @R1;先采样X1

MOV

R3，A;SUM=X1

MOV

R2，#00H

MOV

R4，A

;MAX=X1

MOV

R5, A

;MIN=X1

MOV

R7，#07H

FILT0:

INC

R1

MOV A,@R1;继续采样Xi MOV R6,A;暂存Xi ADD A,R3

SUM=SUM十Xi MOV R3,A CLR A ADDC A,R2 MOV R2,A MOV A,R6

;取Xi SUBB A,R4

;Xi>MAX? JC

FILT1 MOV A,R6

;更新MAX MOV

R4,A SJMP FILT2 FTLT1:MOV A,R6 CLR C SUBB A,R5;Xi

;更新MIN MOV R5,A FTLT2:DJNZ R7,FILT0;共采完8个样本

CLR C MOV A,R3 SUBB A,R4

;SUM=SUM-MAX XCH

A,R2 SUBB A,#00H XCH

A,R2 SUBB

A,R5

;SUM=SUM-MI X MOV

R3,A MOV

B,#06H DIV AB MOV 48H,A

;结果存于48H单元

RET

总结本论文的工作，可得出以下结论: 1.本论文硬件设计采用8031单片机对粮仓内环境湿度进行数据采集、处理，使装置具有先进性和可靠性，并具有成本低及操作简单等优点，有着优越 的性能价格比。

2.通过不断总结湿度测试的经验，采用符合实际的规则，使湿度测试器发挥较好的测试效果。

3.采用软件法实现测试控制器，既节约了成本，又方便以后对测试制器的完 善工作，同时扩大了测试器的适用范围。

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总结

参考文献