粮仓温湿度检测.doc

摘 要：温度与湿度是保存好粮食的先决条件，粮仓温度湿度测量方法一直是粮食保存的一个重要问题。目前，粮库中的温湿度检测，基本上是人工检测，劳动强度大，繁琐。由于检测报警不及时，造成库储粮食损失的现象时有发生。于是，设计并研制性价比较高的粮库温湿度自动检测系统迫在眉睫。系统由数据采集系统、单片机控制系统、计算机监控系统组成。系统以单片机AT89S52为控制核心，通过液晶1602将温湿度传感器DHT21测得的数据实时显示出来，并将数据发送至上位机供管理员检测。系统还具有越限报警及可修改温湿度上下限值的功能，并通过MQ-2烟雾传感器实时检测粮仓内的安全状况，一旦发生火灾，及时报警并通知管理员进行抢救。系统具有可读性高，稳定性高，反应速度快，测量值准确的特点，实现了对粮仓的温湿度实时检测。关键词：AT89S52；DHT21；温湿度；RS-232；MQ-2Abstract：Temperature and humidity serve as the prerequisite conditions for the preservation of food. The measuring of the temperature and humidity of the barn have always been an important issue of food preservation. At present, the measuring of the temperature and humidity of the barn are mostly conducted by hands, which requires great labor intensity and complexity. Due to the delayed report and warning of detection, barns frequently suffer from unnecessary losses. For this regard, it is a urgent priority to design and produce a automobile system of detecting the temperature and humidity of the barn featuring a relatively high cost performance.This system consists of date collecting system, single chip controlling system and computer monitoring system. Taking the single chip AT89S52 as its nuclear controller, this system reveals the data detected by the temperature transmitter DHT21 with liquid crystal 1602. The data will then be sent to the principle computer for detection. This system can also go beyond the limitations of warning and modification of the maxim and minim of temperature and humidity. The conditions inside the barn are under real-time delectation with smoke sensor MQ-2. If there is a fire, administrators will receive immediate warning and stop the fire. This system, featuring high readability, high stability, quick response and adequate measuring, realizes a real-time detection. Key words：AT89S52; DHT21; temperature and humidity; RS-232; MQ-2目 录1 绪论11.1 课题的提出和意义11.2 粮仓温湿度检测的研究现状11.3 主要设计内容22 系统总体设计42.1 系统功能设计42.2 系统组成43 系统硬件电路设计63.1 主控电路设计63.1.1 核心芯片AT89S5263.1.2 单片机最小系统设计93.2 传感器电路113.2.1 温湿度传感器113.2.2 烟雾传感器123.3 液晶显示电路143.3.1 液晶在单片机应用中的优点143.3.2 液晶与单片机连接电路153.3.3 液晶主要技术参数及引脚说明153.4 按键设置电路163.5 串口通信电路173.5.1 串口基本概念173.5.2 串行口工作方式183.5.3 单片机串行口电路设计193.6 报警电路213.7 存储电路模块213.8 电源模块电路224 系统软件设计244.1 软件设计分析244.2 系统主要模块软件设计254.2.1 温湿度检测254.2.2 液晶显示264.2.3 串口通信274.2.4 存储285 硬件制作及系统调试305.1 硬件制作305.2 系统调试315.2.1 系统硬件测试315.2.2 系统软件测试315.2.3 系统软硬件联调315.2.4 调试过程中的问题316 全文总结及展望336.1 全文总结336.2 展望33参考文献35谢辞36附录一：元件清单表37附录二：系统原理图38附录三：实物图39iv1 绪论1.1 课题的提出和意义粮食的安全存储是关系到国计民生的战略大事，科学保粮具有重要的社会意义与经济价值。每到粮食收获季节各粮仓的粮食收购及粮情检测工作压力巨大，如何进行粮食的现代化管理也是每一个储库点的重中之重，若管理不当，粮食发霉或生虫会造成极大浪费。粮仓管理中最重要的问题是监测粮堆中的温、湿度变化。国家每年为粮食储藏支付很高的费用，主要是因为监测设备成本较高，管理方式不够先进，于是温湿度智能监控系统的研究与应用也日益迫切。粮食温湿度是能否保证粮食安全储存的重要指标之一，只有及时、准确地测得粮堆各层面的温湿度数据，并根据检测的温湿度数据对粮食储存情况进行分析，做出决策，采取措施，最大限度的减少粮食在储存过程中的损失。因此温度和湿度的检测对防止粮食霉变有着重要的意义。目前,粮库中的温湿度检测,基本上是人工检测,劳动强度大,繁琐,由于检测报警不及时,造成库储粮食损失的现象时有发生。于是,设计并研制性能价格比较高的粮库温湿度自动检测系统迫在眉睫。1.2 粮仓温湿度检测的研究现状粮情检测属监控系统范畴，近年来，由于计算机技术、超大规模集成电路技术和网络通信技术的发展，使监控系统广泛应用于工农业生产等领域。因此，粮情检测技术的研究在软、硬件等方面都有了一定的进展。早期粮情监测主要采用温度计测量法，它是将温度计放入特制的插杆中，根据经验插在粮堆的多个测温点，管理人员定期拔出读数，确定粮温的高、低，决定是否倒粮。这种方法对储粮有一定的作用，但由于温度计精度、人工读数的人为因素等原因，温度检测不仅速度慢，而且精度低，抽样不彻底，局部粮温过高不易被及时发现，导致因局部粮食发霉变质引起大面积坏粮的情况时有发生。随着科技的发展，从1978年开始，采用电阻式温度传感器、采样器、模数转换器报警器等组成的储粮监测系统出现，它可对各粮库的各个测温点进行巡回检测，检测速度、精度大大提高，降低了劳动强度，但由于电阻传感器的灵敏度低，致使检测精度、系统可靠性还不够理想。到 1990 年，粮情检测系统有了很大的改善和提高，系统在布线上采用矩阵式布线技术，简化了数据采集部分的线路；在传感器方面应用了半导体、热电偶等器件；在线路传输上采用了串行传输方式，从而减少了传输线根数。采用单片机进行数据处理，并采用各种手段提高数据传输及检测速度，通过软硬件技术的结合，检测精度和可靠性较前有很大提高。但温度传感器的线性度差，系统的检测精度仍不理想,无法大面积推广。 近年来，随着单片机功能的日益强大和计算机的广泛应用，粮情检测的准确性、稳定性要求越来越高。寻找最佳配置和最好的性价比成为粮情监测研究的热点。 国外在粮情监控技术上已达到了很成熟的地步，高科技数字式传感器广泛应用于粮情检测系统。这种传感器采用了半导体集成电路与微控制器最新技术，在一个管芯上集成了半导体温度检测芯片、数据信号转换芯片、计算机接口芯片，存储芯片等，除完成温度检测功能外，还可完成预置范围温度、报警、多路A/D转换、温度补偿等功能。由于数字温度传感器直接传出数字量，从而解决了温度信号长距离传输问题及传输过程中因干扰和衰减而导致的精度降低等问题。目前，国内出现了丰富的数字传感器配套产品，如远程控制模块、中继器、接插器分线器等，技术也比较成熟。数字传感技术、通信技术、计算机成为当今信息技术的的三大基础，计算机监控技术已成人们关注的热点。1.3 主要设计内容系统充分考虑气候、环境因素对粮食的影响，并根据粮仓内粮食保持正常状态所需的温度和湿度设计出温湿度参考值预先存储于单片机中。系统的数据采集部分是将温湿度传感器置于仓库内部，测出仓内的温湿度值，经过转换为数字量之后送入AT89S52单片机中，然后通过液晶显示，并将所测得的温湿度值通过RS232传给上位机，供管理员实时检测。单片机将预设的上下限值与测量值进行比较，根据比较结果做出判断，经过程序分析处理发送相应指令控制执行机构动作，接通或关闭各种执行机构的继电器，进而控制干燥机、空调和风机等设备，以此来调节粮仓内温湿度，使温湿度值与设定值保持一致。仓管人员还可以根据实际的情况通过键盘或按钮来人工修改片内存储的预设值。同时，系统通过烟雾传感器检测粮仓内是否起火，一旦发生火灾，立即启动粮仓内的水泵进行抢救，同时发出报警声通知管理员。2 系统总体设计2.1 系统功能设计系统要完成的功能设计如下：（1） 测量所在仓库测试点的温度和湿度，在本设备上显示出测量的温度和湿度，供仓库保管人员查巡时做记录和人工监控。（2） 将测量的温度湿度与设置的上限下限温度及上限下限湿度值相比较，判断出当前温湿度是否在正常的范围内。如果温度湿度超出了设置的上下限值，就要启动本仓库的空调设备或湿度控制设备进行调节，将仓库内的温度湿度控制在正常的范围内，保证粮食的安全储藏。（3） 将测量的温度湿度数据及时向控制中心的电脑发送，供控制中心记录全部温度湿度数据及全面监控。（4） 监视本仓库的火灾事故，一旦发生火灾事故要立即启动本仓库的消防水泵进行扑救，以便控制火势扩大或蔓延，并启动报警器发出报警。2.2 系统组成系统分为八个模块：主控电路模块、传感器模块、液晶显示模块、按键设置模块、上位机通信模块、报警模块、存储模块和电源模块。通信模块传感器模块单片机报警模块液晶显示模块存储模块按键设置模块图2.1 系统组成框图系统以单片机为控制核心，以温湿度传感器、烟雾传感器为测量元件，采用温湿度测量、通信等技术构成温湿度采集系统及火灾报警系统。系统的组成框图如图2.1所示。系统所选用的主要器件有：单片机AT89S52、温湿度传感器DHT21、烟雾传感器MQ2、MAX232芯片、电压比较器LM393、液晶1602、存储芯片AT24C02、蜂鸣器等。3 系统硬件电路设计3.1 主控电路设计3.1.1 核心芯片AT89S52（1）功能特性描述AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业 80C51产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU 和在系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。AT89S52具有以下标准功能：8K字节Flash；256字节RAM；32 位 IO 口线；看门狗定时器；2个数据指针；三个16位定时器计数器；一个6向量 2级中断结构；全双工串行口；片内晶振及时钟电路。另外，AT89S52可降至0Hz 静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。（2）主要性能 与MCS-51单片机产品兼容 8K字节在系统可编程Flash存储器 1000次擦写周期 全静态操作：0Hz33Hz 三级加密程序存储器 32个可编程I/O口线 三个16位定时器/计数器 八个中断源 全双工UART串行通道 低功耗空闲和掉电模式 掉电后中断可唤醒 看门狗定时器 双数据指针 掉电标识符（3）引脚结构AT89S52引脚结构如图3.1所示。图3.1 AT89S52引脚结构图上图是AT89S52引脚结构图，下面我们对这些引脚的功能加以说明：VCC：电源。GND：地。XTAL1：振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。XTAL2：振荡器反相放大器的输出端。RST：复位输入。当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将是单片机复位。EA：控制单片机读取内部程序储存器和外部程序储存器的。当EA接高电平时，单片机读取内部程序储存器。当EA接低电平时，单片机直接读取外部ROM。由于89S52有内部程序存储器，所以该引脚接高电平。P0口：P0口是一个8位漏极开路的双向IO口。作为输出口，每位能驱动8个TTL逻辑电平。对P0端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。当访问外部程序和数据存储器时，P0口也被作为低8位地址数据复用。在这种模式下，P0具有内部上拉电阻。在flash编程时，P0口也用来接收指令字节；在程序校验时，输出指令字节。程序校验时，需要外部上拉电阻。P1口：P1口是一个具有内部上拉电阻的8位双向 IO口，P1输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。对P1端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。此外，P1.0和P1.2分别作定时器计数器2的外部计数输入（P1.0T2）和时器/计数器2的触发输入（P1.1T2EX）。在flash编程和校验时，P1口接收低8位地址字节。引脚第二功能： P1.0 T2（定时器/计数器T2的外部计数输入），时钟输出 P1.1 T2EX（定时器/计数器T2的捕捉/重载触发信号和方向控制） P1.5 MOSI（在系统编程用） P1.6 MISO（在系统编程用） P1.7 SCK（在系统编程用）P2口：P2口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2输出缓冲器能驱动4个TTL 逻辑电平。对P2端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器（例如执行MOVX DPTR）时，P2口送出高八位地址。在这种应用中，P2口使用很强的内部上拉发送1。在使用8位地址（如MOVX RI）访问外部数据存储器时，P2口输出P2锁存器的内容。在flash编程和校验时，P2口也接收高8位地址字节和一些控制信号。P3口：P3口是一个具有内部上拉电阻的 8 位双向 IO 口，P3口输出缓冲器能驱动4个 TTL 逻辑电平。对 P3 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。P3 口亦作为AT89S52特殊功能（第二功能）使用。在flash编程和校验时，P3口也接收一些控制信号。端口引脚第二功能： P3.0 RXD(串行输入口) P3.1 TXD(串行输出口) P3.2 INTO(外中断0) P3.3 INT1(外中断1) P3.4 TO(定时/计数器0) P3.5 T1(定时/计数器1) P3.6 WR(外部数据存储器写选通) P3.7 RD(外部数据存储器读选通) 此外，P3口还接收一些用于FLASH闪存编程和程序校验的控制信号。（4）存储器结构MCS-51器件有单独的程序存储器和数据存储器。外部程序存储器和数据存储器都可64K寻址。程序存储器：如果EA引脚接地，程序读取只从外部存储器开始。对于AT89S52，如果EA接VCC，程序读写先从内部存储器（地址0000H1FFFFH）开始，接着从外部寻址，寻址地址为：2000HFFFFH。数据存储器：AT89S52 有256字节片内数据存储器。高128字节与特殊功能寄存器重叠。也就是说高128字节与特殊功能寄存器有相同的地址，而物理上是分开的。当一条指令访问高于7FH的地址时，寻址方式决定CPU访问高128字节 RAM还是特殊功能寄存器空间。3.1.2 单片机最小系统设计单片机最小系统电路设计如图3.2所示。时钟电路：由外接谐振器的时钟振荡器、时钟发生器及关断控制信号等组成。时钟振荡器是单片机的时钟源，时钟发生器对振荡器的输出信号进行二分频，关断控制信号和用于单片机的功耗管理。本设计采用内部振荡器为单片机提供振荡源。在XTAL1和XTAL2之间接一个频率范围为030MHZ的晶体振荡器或陶瓷振荡器及两只30pf的电容组成。复位电路：RST为复位信号输入端，复位的作用是在规定的条件下，单片机自动将CPU及程序运行相关的主要功能部件，I/O口等设置为确定的初始状态的过程。但如果电路参数不符合规定的条件或干扰导致单片机不能正确复位，系统将无法工作。因此，复位电路除了要符合厂家规定的参数外，还要滤除可能的干扰。复位分上电复位和按键复位两种，在RST端有从低电平到高电平，且高电平保持时间大于两个机器周期的复位信号时，CPU将响应并完成对系统的复位。这里有两点要注意：一是复位信号是高电平有效，二是高电平的保持时间必须是大于两个机器周期。本设计采用手动复位。图3.2 单片机最小系统3.2 传感器电路3.2.1 温湿度传感器图3.3 DHT21系统的温湿度采集器用DHT21温湿度传感器。DHT21与单片机的连接电路如图3.3所示,其数据输出口与单片机的P17脚相连。DHT21引脚说明如下所示：VDD：供电5VDCDATA：串行数据，单总线GND：接地，电源负极DHT21数字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器。它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。传感器包括一个电容式感湿元件和一个NTC测温元件，并与一个高性能8位单片机相连接。单线制串行接口，使系统集成变得简易快捷。超小的体积、极低的功耗，信号传输距离可达20米以上。测量分辨率分别为16bit（温度）和16bit（湿度），精度分别为3%RH（湿度）和0.5（温度）。其电气特性如表3.1所示。表3.1 DHT21电气特性参数条件MinTypMax单位供电DC5V供电电流测量1.31.52.1mA待机0.91.11.3mA采样周期秒1.72次使用时应注意以下几个问题：（1）气体的相对湿度，在很大程度上依赖于温度。因此在测量湿度时，应尽可能保证湿度传感器在同一温度下工作。如果与释放热量的电子元件共用一个印刷线路板，在安装时应尽可能将DHT21远离发热电子元件，并安装在热源下方，同时保持外壳的良好通风。（2）超出建议的工作范围可能导致高达3%RH的临时性漂移信号。返回正常工作条后，传感器会缓慢地向校准状态恢复。在非正常工作条件下长时间使用会加速产品的老化过程。（3）DATA信号线材质量会影响通讯距离和通讯质量,推荐使用高质量屏蔽线。（4）采样周期间隔不得低于1.7秒钟（建议2秒）。3.2.2 烟雾传感器（1）烟雾传感器图3.4 MQ-2型传感器结构烟雾传感器用于检测粮仓内的火灾情况，系统采用MQ-2烟雾传感器。MQ-2型烟雾传感器属于二氧化锡半导体气敏材料，属于表面离子式N型半导体。当处于200300温度时，二氧化锡吸附空气中的氧，形成氧的负离子吸附，使半导体中的电子密度减少，从而使其电阻值增加。当与烟雾接触时，如果晶粒间界处的势垒受到该烟雾的调制而变化，就会引起表而电导率的变化。利用这一点就可以获得这种烟雾存在的信息。遇到可燃烟雾（如CH4等）时，原来吸附的氧脱附，而可燃烟雾以正离子状态吸附在二氧化锡半导体表面；氧脱附放出电子，烟雾以正离子状态吸附也要放出电子，从而使二氧化锡半导体导带电子密度增加，电阻值下降；而当空气中没有烟雾时，二氧化锡半导体又会自动恢复氧的负离子吸附，使电阻值升高到初始状态，这就是MQ-2型烟雾传感器检测可燃烟雾的基本原理。MQ-2型传感器的结构图如图3.4所示。（2）LM393电压比较器由于MQ-2型传感器的输出不是单片机所能识别的高低电平，所以系统通过LM393电压比较器将MQ-2的输出转化为单片机能够识别的高低电平。LM393是由两个独立的、高精度电压比较器组成的集成电路，失调电压低，最大为2.0mV。它专为获得宽电压范围、单电源供电而设计，也可以以双电源供电,而且无论电源电压大小，电源消耗 电流都很低。它还有一个特性,即使是单电源供电，比较器的共模输入电压范围接近地电平。图3.5为它的引脚结构图。图3.5 LM393引脚结构引脚说明如表3.2。表3.2 LM393引脚说明序号功能符合序号功能符号1输出端1OUT15正向输入端2IN+(2)2反向输入端1IN-(1)6反向输入端2IN-(2)3正向输入端1IN+(1)7输出端2OUT24地GND8电源VCC（3）MQ-2与单片机的电路设计如图3.6所示。工作原理：当传感器检测到烟雾时，传感器的电阻值会发生改变，通过分压将输出引到电压比较器的正向输入端2，与反向输入端2的电压进行比较，当正向输入端的电压大于反向输入端的电压时，输出端2输出5V高电平，反之输出0V低电平。当单片机检测到有高电平时，驱动蜂鸣器工作，起到报警的作用。通过改变电位器R10的阻值可以改变烟雾传感器的灵敏度。图3.6 MQ-2与单片机的电路设计3.3 液晶显示电路3.3.1 液晶在单片机应用中的优点优点如下：（1）显示质量高由于液晶显示器每一个点在收到信号后就一直保持那种色彩和亮度，恒定发光，而不像阴极射线管显示器（CRT）那样需要不断刷新新亮点。因此，液晶显示器画质高且不会闪烁。（2）数字式接口液晶显示器都是数字式的，和单片机系统的接口更加简单可靠，操作更加方便。（3）体积小、重量轻液晶显示器通过显示屏上的电极控制液晶分子状态来达到显示的目的，在重量上比相同显示面积的传统显示器要轻得多。（4）功耗低相对而言，液晶显示器的功耗主要消耗在其内部的电极和驱动IC上，因而耗电量比其它显示器要少得多。3.3.2 液晶与单片机连接电路连接电路如图3.7所示。图3.7 液晶1602与单片机连接电路3.3.3 液晶主要技术参数及引脚说明（1）主要技术参数显示容量：162 个字符 芯片工作电压：4.55.5V 工作电流：2.0mA(5.0V) 模块最佳工作电压：5.0V 字符尺寸：2.954.35(WH)mm（2）引脚说明第 1 脚：VSS为地电源。 第 2 脚：VDD接 5V正电源。 第 3 脚：VL为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地时对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个 10K的电位器调整对比度。 第 4 脚：RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。 第 5 脚：R/W为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。当 RS和R/W共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当RS为低电平 R/W为高电平时可以读忙信号，当 RS 为高电平 R/W为低电平时可以写入数据。 第 6 脚：E端为使能端，当 E 端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。 第 714脚：D0D7为 8 位双向数据线。 第 15脚：背光源正极。 第 16脚：背光源负极。3.4 按键设置电路系统按键电路如图3.8所示。图3.8 系统按键电路本按键电路由4个按键组成，分别和单片机的P10P13脚相连。S1键为上下限值调节选择键；S2键为功能加；S3键为功能减；S4为显示菜单选择键，当每按一次S4键会显示不同的菜单。在进行按键操作时，我们应该考虑由于按键的机械特性而导致的误操作问题。通常的按键所用开关为机械弹性开关，当机械触点断开、闭合时，由于机械触点的弹性作用，一个按键开关在闭合时不会马上稳定地接通，在断开时也不会一下子断开。因而在闭合及断开的瞬间均伴随有一连串的抖动，为了不产生这种现象而作的措施就是按键消抖。常用的消抖方法有硬件消抖和软件消抖。本次设计采用软件消抖，即检测出按键闭合后执行一个延时程序，5ms10ms的延时，让前沿抖动消失后再一次检测键的状态，如果仍保持闭合状态电平，则确认为真正有键按下。当检测到按键释放后，也要给5ms10ms的延时，待后沿抖动消失后才能转入该键的处理程序。3.5 串口通信电路3.5.1 串口基本概念系统利用单片机的串口构成标准的RS232接口，将温湿度传感器采集到的数据传到上位机，供管理员实时检测。AT89S52单片机内部有一个全双工的串行接收和发射缓冲器（SBUFF），这两个在物理上独立的接收发射器，即可以接收也可以发射数据，但接收缓冲器只可以读出不能写入，而发送缓冲器只能写入不能读出，它们的地址是99H。这个通信口即可以用于网络通信，亦可以实现串行异步通信，还可以构成同步移位寄存器使用。串口的常用通信方式有单工、半双工、全双工和多工方式四种方式，分别介绍如下：（1）单工方式：数据仅按一个固定的方向传送。因为这种传输方式的用途有限，常用于串行口的打印数据传输与简单系统间的数据采集。（2）半双工方式：数据可以实现双向传送，但不能同时进行，实际的应用采用某种协议实现收发开关转换。（3）全双工方式：允许双方同时进行数据双向传送，但一般全双工电路的线路和设备比较复杂。（4）多工方式：以上三种传输方式都是同一线路传输一种频率信号，为了充分的利用线路资源，可通过使用多路复用器或多路集线器，采用频分、时分、或码分复用技术，即可实现在同一线路上资源共享功能，我们称之为多工传输方式。串行通信的两种通信形式：（1）异步通信：在这种通信方式中，接收器和发射器有各自的时钟，他们的工作是非同步的，异步通信用一帧来表示一个字符，其内容如下：一个起始位，紧接着是若干个数据位。（2）同步通信：同步通信格式中，发送器和接收器由同一个时钟源控制，为了克服在异步传输中，每传输一帧字符都必须加上起始位和停止位，占用了传输时间。3.5.2 串行口工作方式串行通信寄存器结构如表3.3所示。表3.3 串行通信寄存器结构位76543210SCONSM0SM1SM2RENTB8RB8TIRISCON控制器的功能介绍如下：（1）SM0、SM1：串行口工作方式控制位SM0 SM1 方式 功 能 说 明 0 0 0 同步移位寄存器方式（用于扩展I/O口） 0 1 1 8位异步收发，波特率可变（由定时器控制） 1 0 2 9位异步收发，波特率为fosc/64或fosc/32 1 1 3 9位异步收发，波特率可变（由定时器控制）（2）SM2：多机通信方式控制位，用于方式2或方式3当接收机的SM2=1时可以利用收到的RB8来控制是否激活RI（RB80时不激活RI，收到的信息丢弃；RB81时收到的数据进入SBUF，并激活RI，进而在中断服务中将数据从SBUF读走）。当SM2=0时，不论收到的RB8为0和1，均可以使收到的数据进入SBUF，并激活RI（即此时RB8不具有控制RI激活的功能）。通过控制SM2，可以实现多机通信。在方式0时，SM2必须是0。在方式1时，若SM2=1，则只有接收到有效停止位时，RI才置1。（3）REN：允许串行接收位，由软件置REN=1，则启动串行口接收数据；若软件置REN=0，则禁止接收。（4）TB8：方式2和方式3中是收到的第9位数据。方式1时，如SM2=0，RB8接收到的停止位。方式0中，不使用RB8。（5）TI：发送中断标志。由硬件在方式0发送完第8位时置“1”，或在其它方式中串行发送停止位的开始时置“1”。必须由软件清“0”。（6）RI：接收中断标志。由硬件在方式0串行发射第8位结束时置“1”。 本次设计使用方式1作为串行口的工作方式。串行口定义为方式1时传送1帧数据为10位，其中1位起始地址、8位数据位（先低位后高位）、1位停止位方式1的波特率可变，波特率=(T1的溢出率)。3.5.3 单片机串行口电路设计（1）RS-232接口RS-232接口是目前最常用的一种串行通讯接口。它是在1970年由美国电子工业协会（EIA）联合贝尔系统、调制解调器厂家及计算机终端生产厂家共同制定的用于串行通讯的标准。由于RS-232接口标准出现较早，难免有不足之处，主要有以下四点： 接口的电平值较高，易损坏接口电路的芯片，又因为与TTL电平不兼容，故需要使用电平转换电路方能与TTL电路连接。 传输效率较低，在异步传输时，波特率为20Kbps。 接口使用一根信号线和一根信号返回线而构成共地的传输形式，这种共地传输容易产生共模干扰，所以抗噪声干扰性弱。 传输距离有限，最大传输距离标准值为50英尺，实际上也只能用在50米左右。（3）电平转换芯片MAX232图3.9 MAX232结构图一般的单片机应用系统的信号电压是TTL电平0+5v,而电脑串口RS-232电平是-10V+10V，因此需要电平转换才能进行通信。MAX232就是用来进行电平转换的,该器件包含2驱动器、2接收器和一个电压发生器电路提供TIA/EIA-232-F电平。RS-232是电荷泵芯片，可以完成两路 TTL/RS-232 电平的转换，它的的 9 、10 、11 、12 引脚是 TTL 电平端，用来连接单片机的。其结构图如图3.9所示。（4）串行口电路设计 电路如图3.10所示。MAX232的T2IN引脚和R2OUT引脚分别与单片机的RXD引脚和TXD引脚相连接。一般在电源端和接地端接个0.1UF的电容，可以起到抑制电源干扰的作用。图3.10 串行口连接图3.6 报警电路本设计采用峰鸣音和LED指示灯闪烁作为报警标志。当温湿度传感器采集的数据与该参数上下限给定值进行比较，如果高于上限值（或低于下限值）则进行报警，LED指示灯闪烁，并启动本仓库的空调设备或湿度控制设备进行调节，将仓库内的温度湿度控制在正常的范围内，保证粮食的安全储藏；当烟雾传感器检测到有火灾发生时，单片机驱动蜂鸣器进行报警。系统为了节约成本，使用两个LED灯作为温湿度越限报警标志。下面给出了本电路的连接电路，如图3.11所示。 （a） 蜂鸣器报警 （b）LED灯报警图3.11 报警电路蜂鸣器额定电流IB30mA，而对于AT89S52单片机，P2口的灌电流为 16mA，拉电流为60A，由此可见，仅靠单片机的P2口电流是不能驱动蜂鸣器的，必须使用晶体管放大电路，为了使单片机消耗的功率更小，所以使用 PNP型晶体管8550。当P20端是高电平“1”时，晶体管导通，蜂鸣器两端获得约+5V电压而鸣叫；当P20输出低电平“0”时，三极管截止，蜂鸣器停止发声。3.7 存储电路模块AT24C02是美国ATMEL公司的低功耗CMOS带I2C总线接口的EEPROM，它内含2568位存储空间，具有工作电压宽（2.55.5V）、擦写次数多（大于10000次）、写入速度快（小于10ms）等特点。图3.12为其与单片机的连接电路图。图3.12 AT24C02与单片机的连接电路图系统利用AT24C02芯片存储设置的温湿度上下限值，通过存储上下限值，用户每次重启系统后就不用再修改上下限值。图中AT24C02的1、2、3脚是三条地址线，用于确定芯片的硬件地址。在系统中它们都接地，第8脚和第4脚分别为正、负电源。第5脚SDA为串行数据输入输出，数据通过这条双向I2C总线串行传送，在系统中和单片机的P24连接。第6脚SCL为串行时钟输入线，在系统中和单片机的P23连接。SDA和SCL都需要和正电源间各接一个10K的电阻上拉。第7脚需要接地，允许器件进行正常的读写操作。如果WP管脚接到VCC，所有的内容都被写保护（只能读）。AT24C02支持I2C总线数据传送协议，I2C总线协议规定，任何将数据传送到总线的器件作为发送器，任何从总线接收的器件作为接收器。数据传送是由产生串行时钟和所有起始停止信号的主控器件控制的。I2C总线协议定义如下：（1） 只有在总线空闲时才允许启动数据传送。（2） 在数据传送过程中，当时钟线为高电平时，数据线必须保持稳定，不允许有跳变。时钟线为高电平时，数据线的任何电平变化将被看作总线的起始信号或终止信号。3.8 电源模块电路电源电路设计如图3.13所示。系统的工作电压为5V。供电电压的稳定性直接影响到系统工作的稳定性，因此本电源模块采用三端稳压芯片AMS1117作为稳压电路的核心部件。输入电压从CON1口引入，输出电压由CON2口引出，为稳定的5V电压。图3.13 电源电路 4 系统软件设计4.1 软件设计分析开始主程序先对液晶、串口和AT24C02初始化，进入开机欢迎界面。接着进行键盘扫描，如果S4按下的次数为1，则显示当前温湿度值；如果S4按下的次数为2，则显示温湿度上下限值设定界面；如果S4按下的次数为3，则返回到初始界面。最后将所测得的温湿度数据通过串口传到上位机。在整个过程中，程序实时的将所采集到的温湿度数据与系统设定的上下限值进行比较，若越限则启动相应的设备进行调节。主程序流程图如图4.1所示。初始化K=3显示开机界面K=1显示当前温湿度值YS4按键扫描K=2显示上下限设置界面NY报警越限 NY报警烟雾检测 N上位机通信结束图4.1 主程序流程图4.2 系统主要模块软件设计4.2.1 温湿度检测引脚DATA 用于微处理器与DHT21之间的通讯和同步，采用单总线数据格式，一次通讯时间5ms左右，具体格式在下面说明，当前数据传输为40bit，高位先出。数据格式：40bit数据=16bit湿度数据+16bit温度数据+8bit校验和。程序流程图如图4.2所示。开始主机发开始信号DHT21响应输出数据输出释放总线结束图4.2 温湿度检测程序流程图用户主机（MCU）发送一次开始信号后，DHT21从低功耗模式转换到高速模式,等待主机开始信号结束后，DHT21发送响应信号，送出40bit的数据，并触发一次信号采集。时序图如图4.3所示。空闲时总线为高电平，通讯开始时主机(MCU)拉低总线500us后释放总线，延时2040us后主机开始检测从机（DHT21）的响应信号。从机的响应信号是一个80us左右的低电平，随后从机在拉高总线80us左右代表即将进入数据传送。高电平后就是数据位，每1bit数据都是由一个低电平时隙和一个高电平组成。低电平时隙就是一个50us左右的低电平，它代表数据位的起始，其后的高电平的长度决定数据位所代表的数值，较长的高电平代表1，较短的高电平代表0。共40bit数据，当最后1 Bit数据传送完毕后，从机将再次拉低总线50us左右，随后释放总线，由上拉电阻拉高。图4.3 DHT21时序图4.2.2 液晶显示 液晶显示程序流程图如图4.4所示。开始写指令写数据设置显示初始化显示图4.4 液晶显示流程图1602液晶写操作时序如图4.5所示。分析时序图可知操作1602液晶的流程如下：（1）通过RS确定是写数据还是写命令。写命令包括使液晶的光标显示/不显示、光标闪烁/不闪烁、需/不需要移屏、在液晶什么位置显示，等等。写数据是指要显示什么内容。（2）读/写控制端设置为写模式，即低电平。（3）将数据或命令送达数据线上。（4）给E一个高脉冲将数据送入液晶控制器，完成写操作。关于时序图中的各个延时，不同厂家生产的液晶的延时不同，大多数基本为纳秒级，单片机操作的最小单位为微妙级，因此在写程序时可不做延时，不过为了使液晶运行稳定，最好做简短的延时，其最佳延时时间要测试得出。图4.5 液晶写操作时序4.2.3 串口通信 串行口工作之前，应对其进行初始化，主要是设置产生波特率的定时器1、串行口控制和中断控制。具体步骤如下： 确定T1的工作方式（编程TMOD寄存器）； 计算T1的初值，装载TH1、TL1； 启动T1（编程TCON中的TR1位）； 确定串行口控制（编程SCON寄存器）；串行口在中断方式工作时，要进行中断设置（编程IE、IP寄存器）。系统串口通信设置定时器1的工作方式为方式2。串口的波特率设置为9600bps，由公式波特率=(T1的溢出率)可以计算出定时器的初始值为0xfd。4.2.4 存储I2C总线在传送数据过程中共有三种类型信号：开始信号、结束信号、应答信号。开始信号：SCL为高电平时，SDA由高电平向低电平跳变，开始传送数据。结束信号：SCL为高电平时，SDA由低电平向高电平跳变，结束传送数据。应答信号：应答信号有器件产生。接收数据的IC在接收到8bit的数据后向发送数据的IC发出特定的低电平脉冲，表示已接收到数据。CPU向受控单元发出一个信号后，等待受控单元发出一个应答信号，CPU接收到应答信号后，根据实际情况作出是否继续传递信号的判断。若未收到应答信号，则判断为受控单元出现故障。 这些信号中，起始信号是必需的，结束信号和应答信号都可以不要。一次完整的数据传送时序如图4.6所示。图4.6 一次完整的数据传送时序I2C总线的数据传送格式是：在I2C总线开始信号后，送出的第一个字节数据是用来选择从器件地址的，其中前7位为地址码，第8位为方向位(R/W)。方向位为“0”表示发送，即主器件把信息写到所选择的从器件；方向位为“1”表示主器件将从从器件读信息。开始信号后，系统中的各个器件将自己的地址和主器件送到总线上的地址进行比较，如果与主器件发送到总线上的地址一致，则该器件即为被主器件寻址的器件，其接收信息还是发送信息则由第8位(R/W)确定。在I2C总线上每次传送的数据字节数不限，但每一个字节必须为8位，而且每个传送的字节后面必须跟一个认可位（第9位），也叫应答位（ACK）。每次都是先传最高位，通常从器件在接收到每个字节后都会作出响应，即释放SCL线返回高电平，准备接收下一个数据字节，主器件可继续传送。如果从器件正在处理一个实时事件而不能接收数据时，（例如正在处理一个内部中断，在这个中断处理完之前就不能接收I2C总线上的数据字节）可以使时钟SCL线保持低电平，从器件必须使SDA保持高电平，此时主器件产生1个结束信号，使传送异常结束，迫使主器件处于等待状态。当从器件处理完毕时将释放SCL线，主器件继续传送。当主器件发送完一个字节的数据后，接着发出对应于SCL线上的一个时钟（ACK）认可位，在此时钟内主器件释放SDA线，一个字节传送结束，而从器件的响应信号将SDA线拉成低电平，使SDA在该时钟的高电平期间为稳定的低电平。从器件的响应信号结束后，SDA线返回高电平，进入下一个传送周期。5 硬件制作及系统调试5.1 硬件制作硬件的焊接是毕业设计中重要的环节，用的工具很简单：电烙铁、焊锡丝、万能表和镊子。系统采用万能板进行电路焊接，要用导线把各个元器件连接起来，这对元器件的布局尤为重要，因此在焊接前一定要对照电路图对元器件有一个合理的布局，那样的话就会使电路简洁明朗，而且不易出错，即使出错也容易检查。焊接