多點(diǎn)溫濕度測控系統設計

1 引言

糧食測溫技術(shù)的研究始于20世紀70年代，是實(shí)現現代化儲存糧食的一項重要技術(shù)。國內大多數糧庫已經(jīng)采用了計算機糧情測控系統，隨著(zhù)控制技術(shù)不斷發(fā)展，目前糧情測控系統已具有糧食溫濕度檢測、超溫報警、自動(dòng)生成各種報表、自動(dòng)存儲歷史數據并據此自動(dòng)生成糧溫變化曲線(xiàn)等功能。本文設計的糧情測控系統是以ATmega16為檢測與控制核心的單片機，由多個(gè)數字溫度傳感器DS18B20及模擬濕度傳感器HS1101構成。

2 系統總體方案設計

糧情測控系統是計算機硬件與軟件的結合體，實(shí)現了計算機對儲糧的檢測與預警。系統硬件由控制處理部分和信號檢測部分組成，其中，控制部分包含六個(gè)模塊：控制器模塊、電機驅動(dòng)模塊、顯示模塊、鍵盤(pán)輸入模塊、通信模塊和報警模塊；信號檢測部分包含三個(gè)模塊：溫度檢測模塊(DS18B20)、濕度檢測模塊(HS1101)、煙霧檢測模塊(SS-1)。系統總體框圖如圖1所示。

3 系統硬件設計

本系統硬件主要包括控制電路與檢測電路?？刂齐娐坟撠熖幚戆存I、溫濕度信息、控制電機、控制蜂鳴器、LED。檢測電路負責檢測溫度信息、濕度信息、煙霧信息。此外，還有顯示電路、鍵盤(pán)掃描電路等。

3.1 控制電路設計

控制器是系統的核心部分，其性能好壞與系統功能的實(shí)現有密切的聯(lián)系。它接收來(lái)自于鍵盤(pán)、溫濕度傳感器輸出的數字信號和頻率信號并對其進(jìn)行處理，再以控制電壓的形式將電壓信號輸出給電機驅動(dòng)電路，以控制通風(fēng)扇的開(kāi)關(guān)?？刂齐娐吠饨悠叨螖荡a管電路、鍵盤(pán)掃描電路、信號檢測電路和通風(fēng)電機驅動(dòng)電路，具體電路如圖2所示。

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

3.2 傳感器電路設計

傳感器電路的設計是本系統設計的重點(diǎn)，由于要對溫度、濕度和煙霧進(jìn)行檢測，因此需要分別對三種傳感器的檢測電路進(jìn)行設計。

3.2.1 溫度檢測電路設計

采用數字溫度傳感器DS18B20檢測溫度。由于溫度檢測的對象是糧庫，其面積較大，所以可對糧庫進(jìn)行分劃，每一個(gè)庫劃分成8個(gè)區域，每個(gè)區域設置12個(gè)檢測點(diǎn)。通過(guò)多路選擇開(kāi)關(guān)CD4051控制8個(gè)區域的檢測信號進(jìn)行選通輸入。

DS18B20是美國Dallas半導體公司的產(chǎn)品。它采用1-Wire總線(xiàn)技術(shù)，將地址線(xiàn)、數據線(xiàn)、控制線(xiàn)合為1根信號線(xiàn)，允許在這根信號線(xiàn)上掛接多個(gè)1-Wire總線(xiàn)器件。1-Wire總線(xiàn)技術(shù)具有節省I／O資源，結構簡(jiǎn)單、成本低廉，便于總線(xiàn)擴展和維護等特點(diǎn)。

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

基于DS18B20的糧倉溫度檢測電路如圖3所示。

圖中R212為上拉電阻。CD4051的A、B、C端片選溫度檢測的8個(gè)區域。數字1～8表示8個(gè)區域的DS18B20數字信號輸入端。當進(jìn)行溫度檢測時(shí)單片機通過(guò)對A、B、C輸入片選信號，分別選通8個(gè)區域的溫度檢測信號。同時(shí)單片機也是通過(guò)A、B、C的輸入片選信號區分糧倉的8個(gè)檢測區域。

3.2.2 濕度檢測電路設計

濕度檢測采用的是濕度傳感器HS1101。在糧情測控系統中主要是檢測室內與室外的濕度，一般一個(gè)糧倉有兩個(gè)濕度檢測點(diǎn)，且精度要求不高。對濕度檢測點(diǎn)的控制采用控制溫度的方法，采用CD4051實(shí)現片選控制。

濕度傳感器HS1101是法國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(guò)兩端的電極被高分子薄膜吸附或釋放，隨著(zhù)這種水分子的吸附或釋放，高分子的介電系數將發(fā)生相應的變化。由于介電系數隨空氣的相對濕度變化而變化，所以只要測定電容C值就可得到相對濕度。

HS1101是基于獨特工藝設計的固態(tài)聚合物結構，在電路中等效于一個(gè)電容器，其電容隨所測空氣的相對濕度增大而增大。具有極好的線(xiàn)性輸出，在相對濕度為0～100％RH的范圍內，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(溫度系數僅為0.04 pF／℃)；常溫下使用無(wú)需溫度補償，無(wú)需校準。

3.2.3 煙霧檢測電路設計

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，從而達到檢測煙霧的目的?，F在大多數煙霧傳感器都需要預熱，而且功耗大、結構復雜，但是SS-1煙霧傳感器則無(wú)需預熱，并具有工藝結構簡(jiǎn)單、功耗小、成本低、靈敏穩定、壽命長(cháng)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℃的相對濕度≤95％，清潔空氣中電阻RL上的電壓：V1≤2.5 V，標定氣體中RL上的電壓(0.2％的LPG)：V2≥5 V。

3.3 通信電路設計

通信電路采用RS485總線(xiàn)協(xié)議實(shí)現與PC機的通信。單片機將采集到的溫濕度數據通過(guò)RS485總線(xiàn)輸送給上位機(PC機)進(jìn)行實(shí)時(shí)記錄。由于PC機只能用RS232協(xié)議進(jìn)行通信，因此需要采用一個(gè)RS485和RS232的電平轉換電路，該電平轉換電路主要包括電源、RS232電平轉換、RS485電路三部分。

3.4 顯示電路設計

顯示電路采用5個(gè)七段數碼管動(dòng)態(tài)顯示，顯示結果清晰。其中第一個(gè)數碼管用于系統標定，即顯示當前系統的工作狀態(tài)；第二、三個(gè)數碼管顯示溫濕度的分組，即所顯示的數據就是哪組溫度傳感器或哪個(gè)濕度傳感器；第四、五個(gè)數碼管用于顯示溫度的給定值、溫度檢測值和濕度檢測值。其驅動(dòng)電路圖如圖4所示。

在七段數碼管的掃描過(guò)程中，任意時(shí)刻只有一個(gè)數碼管被點(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(jué)暫留效應，在顯示刷新很快的時(shí)候，可以認為全部數碼管持續點(diǎn)亮。

3.5 鍵盤(pán)電路設計

鍵盤(pán)是計算機系統中最常用的輸入設備之一，用戶(hù)可以通過(guò)它向計算機輸入指令和數據。計算機系統中的鍵盤(pán)按其連接方式的不同，可以分為非矩陣式鍵盤(pán)和矩陣式鍵盤(pán)兩類(lèi)。本系統由于功能的需要，并沒(méi)有采用傳統的行列掃描式矩陣鍵盤(pán)，而是采用了端口掃描檢測高低電平的方法。

ATmega16單片機有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端口以及電機控制1個(gè)端口，該系統只需要4個(gè)按鍵，其功能分別為設置、移位、自加和確認。其查詢(xún)接口電路如圖5所示。

4 結束語(yǔ)

實(shí)踐表明，該系統能夠對溫度、濕度、煙霧進(jìn)行檢測，同時(shí)也能控制電機與蜂鳴器；能夠判斷各個(gè)溫度區域內平均溫度值是否超過(guò)所允許的溫度范圍，也能顯示各個(gè)區域內的溫度平均值和濕度值。因此，糧情檢測系統具有穩定性好、精度高等特點(diǎn)，具有一定的應用價(jià)值。