基于單片機(jī)的糧倉(cāng)溫濕度遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

摘要：介紹了一種基于單片機(jī)的糧倉(cāng)遠(yuǎn)程溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。該監(jiān)控系統(tǒng)以單片機(jī)STC12LE5410AD為核心，利用溫濕度傳感器采集糧倉(cāng)溫濕度數(shù)據(jù)，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換，再由單片機(jī)STC12LE5410AD進(jìn)行處理，并通過(guò)無(wú)線傳輸模塊將測(cè)量的數(shù)值傳輸給PC機(jī)，在PC機(jī)上實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)與預(yù)設(shè)閾值數(shù)據(jù)的對(duì)比，并決定是否發(fā)出報(bào)警信號(hào)以及對(duì)系統(tǒng)的控制處理。試驗(yàn)結(jié)果表明，該監(jiān)控系統(tǒng)利用無(wú)線通信收發(fā)模塊完成了數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸，具有良好的人機(jī)交互控制方式，實(shí)現(xiàn)了糧倉(cāng)溫度和濕度的遠(yuǎn)程監(jiān)控。

關(guān)鍵詞：溫濕度監(jiān)測(cè)；單片機(jī)；無(wú)線傳輸

中圖分類號(hào)：TP277.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2013）03-0677-04

隨著現(xiàn)代科技在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用與推廣，國(guó)家糧食總產(chǎn)量不斷提高，糧食存儲(chǔ)成為當(dāng)前需要研究的問(wèn)題之一。糧倉(cāng)監(jiān)控技術(shù)的研究是科學(xué)保糧的重要基礎(chǔ)，糧食檢測(cè)技術(shù)不斷完善逐步形成了類型繁多的糧情檢測(cè)系統(tǒng)，為安全科學(xué)儲(chǔ)糧起到了重要作用。在貯藏過(guò)程中，糧食受溫度、濕度及其他因素的影響，可能出現(xiàn)發(fā)熱、霉變、蟲(chóng)害等情況。為了減少糧食貯藏過(guò)程中的損失，保障糧食的品質(zhì)和質(zhì)量，首先應(yīng)該及時(shí)準(zhǔn)確地掌握糧食貯藏過(guò)程中各種物理因素的變化情況并找出其規(guī)律[1]。

影響儲(chǔ)糧安全最主要的因素是糧食的溫度和濕度，為了保證存放的糧食完好，必須保持糧倉(cāng)的溫濕度在一定的范圍內(nèi)，因此就要求有一種經(jīng)濟(jì)適用的糧倉(cāng)溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)糧倉(cāng)內(nèi)的溫濕度分布情況，準(zhǔn)確分析糧倉(cāng)溫濕度的變化，并及時(shí)采取相應(yīng)的控制措施，使倉(cāng)庫(kù)管理人員能夠有效地進(jìn)行監(jiān)控操作。試驗(yàn)以單片機(jī)STC12LE5410AD為控制核心芯片，設(shè)計(jì)了基于單片機(jī)的糧倉(cāng)溫濕度遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，利用單片機(jī)現(xiàn)場(chǎng)采集糧倉(cāng)儲(chǔ)備庫(kù)中糧食的基本溫濕度情況，并結(jié)合其他的糧情信息進(jìn)行分析處理，而后與預(yù)先設(shè)定的溫濕度閾值相比較決定是否啟動(dòng)報(bào)警電路，通過(guò)控制電機(jī)啟停實(shí)現(xiàn)對(duì)溫濕度的控制。利用上位機(jī)對(duì)糧倉(cāng)進(jìn)行監(jiān)控并存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，用戶可以方便地查看糧食溫濕度歷史數(shù)據(jù)，優(yōu)化現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)，提高了生產(chǎn)效率，獲得實(shí)時(shí)糧倉(cāng)的管理，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化、智能化的糧倉(cāng)管理系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)

該糧倉(cāng)監(jiān)控系統(tǒng)以單片機(jī)STC12LE5410AD為核心，包括各種傳感器的檢測(cè)電路、報(bào)警電路、鍵盤控制電路、液晶顯示、控制電路及通信電路組成，糧倉(cāng)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)主要由安裝在糧倉(cāng)內(nèi)部的溫濕度傳感器構(gòu)成。傳感器直接采集設(shè)備數(shù)據(jù)（模擬數(shù)據(jù)）信號(hào)，通過(guò)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)化為可用數(shù)據(jù)（數(shù)字信號(hào)），傳輸?shù)奖O(jiān)控調(diào)度總控制中心。系統(tǒng)利用單片機(jī)及外圍電路測(cè)量溫濕度傳感器采集的數(shù)據(jù)，并通過(guò)無(wú)線通信模塊實(shí)現(xiàn)與PC機(jī)的串行通信，PC機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)溫濕度值的進(jìn)一步分析及對(duì)系統(tǒng)的控制處理，利用無(wú)線通信收發(fā)模塊完成了數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸，完成人機(jī)交互控制方式，實(shí)現(xiàn)了糧倉(cāng)的溫度和濕度監(jiān)控情況。其硬件系統(tǒng)電路圖如圖1。

1.1 溫度檢測(cè)電路

溫度檢測(cè)電路采用溫度傳感器AD590，AD590傳感器適合遠(yuǎn)距離傳送， 線性度好，無(wú)電源的波動(dòng)特性，測(cè)量精度高，適合測(cè)量的溫度范圍為

-55～+150 ℃。溫度傳感器輸出電信號(hào)為電流信號(hào)，經(jīng)運(yùn)算放大器LM741進(jìn)行I/V轉(zhuǎn)化得到輸出電壓信號(hào)，把采集輸出的電壓信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換電路送到單片機(jī)STC12LE5410AD進(jìn)行處理。

1.2 濕度檢測(cè)電路

濕度檢測(cè)電路采用的濕度傳感器是氧化鋁傳感器，氧化鋁傳感器測(cè)量濕度信號(hào)直接以電壓信號(hào)輸出，濕度檢測(cè)電路由濕度傳感器Al2O3型濕度傳感器、整流電路、放大電路和振蕩電路組成，其檢測(cè)電路如圖3。振蕩電路采用RC組成的橋式振蕩電路，電阻R1、R2用于傳感器特性的線性補(bǔ)償，二極管D1、D2、D3用于輸入保護(hù)，A1、A2為運(yùn)算放大器，運(yùn)算放大器A2接成電壓跟隨器的形式，當(dāng)糧倉(cāng)環(huán)境濕度變化時(shí)，傳感器的電容量也隨之發(fā)生變化，這種變化反應(yīng)到振蕩電路提供的正弦波信號(hào)，通過(guò)電壓跟隨器輸出電壓值[2，3]。

1.3 繼電器控制電路

糧倉(cāng)溫濕度的控制是通過(guò)空調(diào)器與風(fēng)機(jī)實(shí)現(xiàn)的。打開(kāi)進(jìn)出口的風(fēng)機(jī)，通過(guò)風(fēng)機(jī)及糧倉(cāng)內(nèi)的通風(fēng)管道使冷卻后的空氣穿過(guò)糧堆在糧倉(cāng)內(nèi)形成通風(fēng)氣流；如果風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)達(dá)不到控制要求，則使用空調(diào)進(jìn)行降溫與排濕，濕度的調(diào)整還可以配合加濕器進(jìn)行調(diào)節(jié)。風(fēng)機(jī)、空調(diào)機(jī)、加濕機(jī)的控制是由單片機(jī)和光電耦合器驅(qū)動(dòng)雙向晶閘管完成的。繼電器控制電路如圖4，工作流程如下：?jiǎn)纹瑱C(jī)首先輸出低電平信號(hào)，經(jīng)驅(qū)動(dòng)器加到光電隔離器TLP521-4的輸入端引腳，當(dāng)光耦加載的電壓超過(guò)3 V時(shí)就會(huì)產(chǎn)生光信號(hào)，通過(guò)輸出引腳將光信號(hào)轉(zhuǎn)為電信號(hào)，在經(jīng)過(guò)三極管放大器件把信號(hào)放大后，控制繼電器打開(kāi)執(zhí)行機(jī)構(gòu)使執(zhí)行機(jī)構(gòu)開(kāi)始工作。當(dāng)單片機(jī)檢測(cè)到信號(hào)輸出在預(yù)設(shè)閾值范圍內(nèi)，單片機(jī)此時(shí)發(fā)出高電平信號(hào)，控制風(fēng)機(jī)、加濕器等執(zhí)行機(jī)構(gòu)停止運(yùn)行。

1.4 無(wú)線發(fā)射電路

根據(jù)設(shè)計(jì)的要求，為實(shí)現(xiàn)單片機(jī)和PC機(jī)之間的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸，選取PTR8000芯片作為通信電路中的無(wú)線收發(fā)模塊[4]，PTR8000芯片內(nèi)置數(shù)據(jù)協(xié)議和CRC檢錯(cuò)，載波監(jiān)測(cè)輸出，輸出數(shù)據(jù)無(wú)亂碼現(xiàn)象，能夠?qū)崿F(xiàn)點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)通信以及提供快速、安全可靠的傳輸。圖5為發(fā)射部分單片機(jī)STC12LE5410AD與放大電路、自動(dòng)檢測(cè)部分以及無(wú)線收發(fā)芯片PTR8000的連接電路。

由圖5可知，溫度采集部分的放大電路輸出的電壓信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后由引腳13輸送到單片機(jī)中，自動(dòng)檢測(cè)部分的信號(hào)放大芯片MAX6675的CS 口連接在單片機(jī)引腳2上，CS為片選端，SCK口為MAX6675提供串行時(shí)鐘，SO口是接收MAX6675輸出的串行數(shù)據(jù)；無(wú)線收發(fā)芯片PTR8000的AM、DR、CD、PWR、SCK1、MOSI、MISO、CSN、TXEN、TRX_CE口分別連接在單片機(jī)的6、7、8、9、19、18、17、16、15、14引腳上，實(shí)現(xiàn)各引腳的功能。

1.5 無(wú)線接收電路

圖6是單片機(jī)STC12LE5410AD與無(wú)線收發(fā)芯片PTR8000、電平轉(zhuǎn)換芯片MAX3232接收信號(hào)的連接電路。由圖6可以看出，電平轉(zhuǎn)換芯片MAX3232的T1IN口接在單片機(jī)的引腳3上，R1OUT口接在單片機(jī)的引腳2上，數(shù)據(jù)由T1IN輸入轉(zhuǎn)換成RS232數(shù)據(jù)，由PC機(jī)輸出的RS232數(shù)據(jù)經(jīng)MAX3232的R1IN轉(zhuǎn)換成TTL/CMOS數(shù)據(jù)后通過(guò)R1OUT輸入到單片機(jī)中，實(shí)現(xiàn)TTL—RS232之間的雙向電平轉(zhuǎn)換[5]。

2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

2.1 糧倉(cāng)監(jiān)控主程序設(shè)計(jì)

糧倉(cāng)監(jiān)控的主程序主要實(shí)現(xiàn)對(duì)糧倉(cāng)內(nèi)眾多傳感器數(shù)據(jù)的分析與處理。其系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要由初始化、溫濕度數(shù)據(jù)采集、信號(hào)顯示、設(shè)備驅(qū)動(dòng)信號(hào)處理、鍵盤處理、數(shù)據(jù)通信等幾部分組成。程序流程如圖7。其中，初始化主要完成對(duì)單片機(jī)各功能部件初始狀態(tài)的配置以及開(kāi)戶軟件看門狗功能；溫、濕度的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集后根據(jù)單片機(jī)發(fā)送的多路模擬開(kāi)關(guān)地址選通信息分時(shí)交替?zhèn)鬏敂?shù)據(jù)，數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)完成了溫、濕度測(cè)控系統(tǒng)與上位PC機(jī)之間的協(xié)議化通信，按照通訊規(guī)約的要求實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的可靠通訊。當(dāng)單片機(jī)檢測(cè)到測(cè)量數(shù)據(jù)大于設(shè)定閾值時(shí)，單片機(jī)則需要及時(shí)做出控制處理，采用PWM控制算法控制繼電器風(fēng)機(jī)或空調(diào)控制端輸出端信號(hào)，經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)電路控制溫濕度異常變化。同時(shí)輸出控制信號(hào)啟動(dòng)蜂鳴器報(bào)警處理。

2.2 PWM控制算法

因?yàn)楣虘B(tài)繼電器的輸入控制屬于兩位控制狀態(tài)，不能采用進(jìn)行線性控制的方法，設(shè)計(jì)采用了PWM控制算法[6]，該控制算法穩(wěn)定性好，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作可靠，調(diào)整方便。根據(jù)PWM算法的特點(diǎn)，其控制原理圖如圖8。

由圖8可知，PWM控制算法采用分段的形式，首先設(shè)定周期、比例系數(shù)和偏差的上下限e1、e2、e3、e4，根據(jù)程序的調(diào)試情況設(shè)定，繼電器的導(dǎo)通截止由設(shè)定閾值進(jìn)行控制。

具體控制偏差e的關(guān)系為：當(dāng)e增大時(shí)，若0e2，固態(tài)繼電器始終導(dǎo)通。當(dāng)e減小時(shí)，若0e3，固態(tài)繼電器始終導(dǎo)通；輸出隨e的變化關(guān)系見(jiàn)圖9。

3 試驗(yàn)分析

上位機(jī)是糧倉(cāng)溫濕度遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的重要組成部分，保證了系統(tǒng)的準(zhǔn)確性、可靠性和及時(shí)性，為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的有效性，采用VB編制，在檢查系統(tǒng)及通信連接后， 在PC機(jī)顯示了糧倉(cāng)的溫度和濕度。監(jiān)控溫濕度曲線圖如圖10所示，上位機(jī)顯示的溫濕度數(shù)據(jù)及坐標(biāo)曲線形式可以保存到計(jì)算機(jī)里，用于對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析比對(duì)，從而人為改變糧倉(cāng)溫濕度，使得糧倉(cāng)糧食保存完好，達(dá)到最佳經(jīng)濟(jì)效益。

4 小結(jié)

基于單片機(jī)的糧倉(cāng)遠(yuǎn)程溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)以單片機(jī)STC12LE5410AD為核心，利用溫濕度傳感器測(cè)量溫度和濕度，液晶顯示電路顯示溫濕度，用鍵盤輸入電路設(shè)定所需控制的溫濕度，繼電器控制電路，實(shí)現(xiàn)了溫度和濕度的調(diào)節(jié)；用聲光報(bào)警模塊判斷溫濕度是否超限決定是否報(bào)警提醒，利用無(wú)線通信收發(fā)模塊實(shí)現(xiàn)了單片機(jī)和PC機(jī)的遠(yuǎn)程通信，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程可靠傳輸，溫度測(cè)量精度達(dá)到了0.1 ℃，濕度測(cè)量精度達(dá)1%，具有良好的人機(jī)交互控制方式，保證了糧倉(cāng)溫度和濕度的遠(yuǎn)程監(jiān)控。

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