粮仓温湿度综合参数监测仪的设计

1、摘 要 粮食是人类生存的必需品，温度与湿度是保存好粮食的先决条件，随着中国加入WTO和粮食市场的逐渐开放，储存大量的粮食对稳定国民经济的发展起到至关重要的作用。本文介绍了一种基于RS485总线的多功能大型粮仓监测系统; 详细描述了系统的总体结构原理、硬件电路组成和软件的设计。该系统不仅能实时监测温度和湿度,还能做出反应进行调节。温度控制和湿度控制都采用了多路模拟开关分时传输，通过粮仓测控器、分站等分析处理，并在PC上位机中显示出来，可以方便工作人员对各个粮库的即时情况进行了解。通风机能对粮仓的温湿度进行调节,不用人为控制,保证了准确性。本设计是基于单片机对数字信号的高敏感和可控性、温湿度传感器

2、可以产生模拟信号，和A/D模拟数字转换芯片的性能，我设计了以单片机为核心的一套检测系统，其中包括单片机、复位电路、温度检测、湿度检测、与PC机通信、报警电路、系统软件等部分的设计。整个系统由三大部分组成：粮仓测控系统、分站系统、PC上位机系统。通过分级式管理实现各级单片机对粮仓内各温湿度传感器信息的分析和处理，并实现上位机对系统的整体控制。实现对大型粮仓系统的自动化监控功能。关键词 粮仓监控，单片机，控制，温度，湿度Abstract Food is the human survival necessities, temperature and humidity is to keep the g

3、ood food prerequisites, with China's accession to the WTO and food market gradually open, store large amounts of food to stabilizing the development of national economy play a crucial role. In this paper, a multi-functional based on RS485 bus monitoring system for large granary; a detailed descr

4、iption of the overall structure of the system principle, the hardware circuit and software design. The system can not only real-time monitoring of temperature and humidity can be adjusted to respond. Temperature control and humidity control using a multi-channel analog switch time transmission, moni

5、toring and control through the granary, and sub-stations, such as analysis, and PC in the PC show up, it will be convenient to all depot staff real-time understanding of the situation. Fan grain can adjust the temperature and humidity, not human control, to ensure accuracy. The system has three majo

6、r components: the granary monitoring systems, sub-station system, PC host computer system. Through management to achieve at all levels of classification of the granary of all single-chip temperature and humidity sensor information analysis and processing, and host computer system to achieve the over

7、all control. Granary system to achieve the automation of large-scale monitoring.Key Words gramary monitor， monolithic integrated circuit;，control， temperature， humidity 目 录摘 要IAbstractII1 引 言11.1研究的背景和意义11.2国内外粮仓技术现状21. 2 .1按温度传感器分类31.2.2 按通讯方式分类41.3粮仓监测系统的发展趋势5l.4本文的主要工作62 方案的选定及论证72.1 温度传感器的选择72.2

8、 湿度传感器的选择72.3 信号采集通道的选择72.4 系统设计及技术要求82.4.1系统基本功能82.4.2 系统主要技术要求83 系统总体设计93.1 信号采集103.1.1 温度传感器103.1.2 湿度传感器123.2 信号的分析与处理143.2.1 多路开关143.2.2 A/D转换163.2.3 单片机AT89S51193.3 分站信息的分析与处理263.3.1 分站主控单片机MSP430F149263.3.2 单片机与PC机和粮仓测控器通信电路313.4 RS485总线通信323.4.1 RS485总线的特点323.4.2 RS485总线的构成及工作方式323.4.3 RS485

9、长距离传输特性334 程序设计344.1 粮仓测控器程序设计344.2 分站程序设计354.3 各部分程序分析364.3.1 复位初始化子程序364.3.2读出转化后温/湿度值的子程序364.3.2 写温/湿度子程序374.3.3 读温/湿度子程序37结 论39致 谢40参 考 文 献41附 录 A1.1 系统总体设计电路图43附 录 A1.2 单片机子程序44- 45 -粮仓温度、湿度综合参数监测仪1 引 言1.1研究的背景和意义 中国是世界农业大国，农业是我国国民经济的基础，粮食是基础的基础。粮食年产量和常年储存量均居世界首位。中央粮食储备有较为完善的仓储设施和技术保障，在保证国家粮食安全

10、方而发挥着重要作用。但是，我国还有一半以上的粮食储存在农民的手中，这些粮食的储藏安全是国家粮食安全的重要组成部分。长期以来由于各种原因，忽视了农户粮食储藏技术的研究与推广，农户粮食的储藏技术非常落后，给国家和人民造成了巨大的损失。与此同时粮食产量增长所依赖的资源正在告急，如耕地而积的减少，水土流失日益严重，生态平衡逍到严重破坏，人口仍在增长的状况。中国科学院在我国土地的人口承载能力研究中指出：我国粮食最大可能生产能力为8.3亿吨，按联合国确定的最低标准人均500KG计，16.6亿人口是我国国土的人口承载能力的极限。这就迫使我们必须将粮食产后的损失降低到最低限度，减少粮食的储减损失无疑是利国利民

11、的大事，是保证国家粮食安全的大事。在这样的彤势下，国家投资兴建了一批大型现代化粮库，最大粮库方圆几公里，仓库房数为数十个。由于大型粮仓中粮仓的容量和粮库的规模都是前所未有的，这些因素对原有的小粮库的正常运行带来了一些新的问题。主要问题有如何随时掌握每个仓内粮食的质量变化情况，保证入库的粮食在较长一段时间的保存期内不变质。粮仓测控系统包括：粮食检测、分析与通风控制。“粮食检测”所起的作用就像“人工”保管时期保管人员的“眼睛”和“鼻子”，对粮食储藏过程中各种粮情进行实时观察，并密切关注着粮情的实时变化。“粮食情况分析”就像保管人员的“大脑”，对通过“眼睛”和“鼻子”观察到各种粮情及变化情况，并根据

12、粮食储藏技术的特点和粮食储藏的各种环境条件进行综合分析与判断，给出相应的结论及处理建议。“通风控制”就像保管人员的“手”和“足”，根据“大脑”的结论和处理建议来采取相应处理措施，以确保粮食处在良好的储藏状态，保证粮食储藏的安全。粮食检测是粮粮食储减过程中粮堆温度、仓内温、湿度、大气温、湿度等基本检测参数变化的记录。粮情检测系统是通过电源电缆、通讯电缆将讣算机、检测主机、检测分机、分线器和测温电缆等连结起来构成的系统。粮食检测过程是把埋在粮堆内的温度传感器所感应到粮堆内的温度变化情况，通过分线器、检测分机、检测主机而反映到主控机房的计算机上，使保管人员可以随时观察粮堆内的温度变化情况，并采取相应

13、处理措施，以确保粮食储藏过程的安全。建立粮食监测产品技术应用新体系，应从实际需要出发，从日前国内的技术水平出发，而向遍布全国各产区和销区粮库的不同仓房类型和功能的粮情检测成套系列化产品，经济实用的满足粮食储藏的不同需求。1.2国内外粮仓技术现状 粮仓测控技术的研究是科学保粮的重要技术之一。随着国家农业政策的不断完善，以及现代科学技术在农业生产中的应用与推广，国家粮食总产量不断突破历史新高。但国家的粮食储备状况却没有得到明显改善，伞国80左右的粮食仍采用原始的存储方式。初期，以铜电阻，热敏电阻作为传感器件，通过检测电阻的变化来反映粮食温度的变化，为粮食保管提供参考依据。据此工作靠人测量，效率低，

14、准确性差。在粮食部门各级级领导的关怀和粮食行业科技主管部门的支持下，在粮食行业内、外广大科技工作者近30年的共同努力下，粮食检测技术不断完善、提高、并日趋成熟，逐步形成了样式繁多的粮情检测系统，为安全、科学储粮起到了积极的作用。在储藏过程中，粮食受温度、湿度及其它因素的影响，可能出现发热、霉变、虫害等情况。为了减少粮食储减过程中的损失，保障粮食的品质和质量，首先应该及时准确地掌握粮食储减过程中并种物理因素的变化情况，找出其变化规律。法国储粮专家Jc. Lasscran.D.Berhant采用温度调节器来控制温度。实验在一个500吨、高16米的中型仓中进行。研究表明，在低温气候，从夏季到秋季经2

15、-3次通风每次要持续几个晚上，每天4-10小时，可将温度从30降到5，在冬天粮温可保持不变，在春天有所上升，经过年的实践表明：不仅卫生状况良好，而且粮食的品质没有变化；澳大利亚Gib等专家最近研究一种以PC机为些础的可遥控和检测通风系统的通风控制器，该控制器包括一台PC机和相关的软件、气象预报和粮堆中的灵敏兀件。它能灵活地、有效地控制通风系统的有关数据和系统的运行情况。目前，他们正进一步完善该通风控制系统并建立通风过程中热量和物质水分转换的数学模型；1987年我国吴子丹等报道了储粮机械通风的计算机控制系统，根据在藏房内通风试验得到的数据，建立一个数学模型表示粮食平衡水分的关系。用该模型编制电算

16、程序，观察粮食的通风效果，并根据物理参数的变化，确定控制同分的有效方式；1988年王善顺等报道了机械通风储粮与自动控制，并介绍了机械通风控制器的试验情况：2004年汤庆庆设计了粮库温度监控系统，该系统从温度传感器、数据传输方式、上位机监控软件三个方面入手对粮库系统加以改进：2005年施伟祥研究了基丁CAN总线的粮食监控系统，该系统完成了对各仓房的温湿度的实时巡检，并对采集数据进行处理分析来掌握粮食的储存情况。现在国内已有数十家企业生产粮情检测系统产品，品种繁多，系统结构各异，但其基本功能无外乎粮仓内外温湿度检测、粮食内部温度检测及分析、通风机械的控制等几项。防潮、防霉、防腐、防爆是仓库日常工作

17、的重要内容，是衡量仓库管理质量的重要指标。它直接影响到储备物资的使用寿命和工作可靠性。为保证日常工作的顺利进行，首要问题是加强仓库内温度与湿度的监测工作。但传统的方法是用与湿度表、毛发湿度表、双金属式测量计和湿度试纸等测试器材，通过人工进行检测，对不符合温度和湿度要求的库房进行通风、去湿和降温等工作。这种人工测试方法费时费力、效率低，且测试的温度及湿度误差大，随机性大。因此我们需要一种造价低廉、使用方便且测量准确的自动化温湿度测量控制系统。1. 2 .1按温度传感器分类 (1)热敏电阻 以温度变化导致阻值的变化为工作原理的热敏电阻，因其具有成本低、体积小、简单、可靠、响应速度快、容易使用等特点

18、，在多项温度测量应用中受到广泛欢迎，同样也是国内粮情检测系统中采用最多的温度传感器，热敏电阻的电阻温度系数较高，室温电阻通常也较高，因此其自身发热较小，信号调节较为简单。热敏电阻的缺点是互换性差，温度与输出阻值之间呈非线性关系。热敏电阻分为正温度系数热敏电阻和负温度系数热敏电阻两种，但在温度测量应用中，正温度系数热敏电阻较少得到采用，更多采用的是负温度系数热敏电阻。以下提及的热敏电阻均指负温度系数热敏电阻。 采用热敏电阻作为温度传感器的粮情检测系统的硬件由上位机、通信接口电路、智能分机、温度分线器、测温电缆、湿度分线器、测湿探头和通风控制器组成。在上位机上运行粮情检测系统软件，对检测到的温湿度

19、数据进行分析，根据粮仓内外温湿度条件判断是否可以进行通风，手动或自动控制通风机械的启动和停止。通信转换电路分为内置式和外挂式两种，主要完成两种通信协议之间的衔接转换功能。只能分机是由微处理器、A/D转换电路和通信电路组成，主要功能包括接受上位机下达的指令，将现场采集来的模拟信号数字化、向上位机传送温湿的数字化值、向通风控制器下达启动或停止指令等。温湿度分线器主要完成接收智能分机下达的指令、将模拟开关切换到指定的温湿度测量点等功能。通风控制器主要功能是根据智能分机下达的指令控制通风机械的启动和停止。智能分机与温湿度分线器和通风控制器之间均采用单根多芯电缆连接，具有结构简洁、维护方便、成本低等诸多

20、优点。 采用热敏电阻作为温度传感器的测温电缆是粮情检测系统的重要组成部分，它是将多个热敏电阻置入一根测温电缆之中，电缆内加细钢牲绳提高抗拉强度、外加绝缘护套密封防腐。采用热敏电阻作为温度传感器的粮情检测系统的温度检测范围一般在-40+50之间，检测精度为±l，完全满足粮情温度检测的需要。根据其系统结构的特点，一般在单根测温电缆上置入34个热敏电阻，特别适合房式仓储粮环境。 (2)数字式温度传感器 数字式温度传感器的种类也不少，但用于粮情检测系统的温度传感器主要是美国Dallas公司生产的DSl8B20系列温度传感器，其温度检测范围为-55+125，检测精度为±O 5。Dsl

21、8B20采用l-wlre接口，封装形式有PR-35和8-PINSOIC两种，粮情检测系统中采州的是PR-35 封装。Dsl8820采用9个位表示测温点的温度值，每个Dsl8820内部都设置有一个单一的序列，因此可以使多个Ds18B20共存于同一根数据传输线上。Dsl8820内部分为4个部分：1)64位序列号；2)保存临时数据的8字节片内RAM；3)保存水久数据的2字节EEPROM；4)温度传感器。 采用数字式温度传感器的粮情检测系统的结构与采用热敏电阻粮情检测系统的结构大致相同，只是用检测单元替代了智能分机、扩充接线器替代了温度分线器。检测单元与智能分机的区别在于没有用于将温度信号数字化的A/

22、D转换电路，取而代之的是l-wire总线与上层通信总线之间的通信转换电路，如果系统选用了数字式湿度传感器则检测单元将完全由数字电路组成，而智能分机是由数字电路和模拟电路两部分构成的，这将使检测单元的电路设计更为容易。 采用Ds18B20 温度传感器的粮情检测系统的测温电缆与热敏电阻测温电缆大不相同，该测温电缆最多只需3根导线即可连接多个Dsl8B20温度传感器。最为简洁的结构大致相同，只是川检测单元替代了智能分机、扩充接线器替代了温度分线器。检测单元与智能分机的区别在丁没有用于将温度信号数字化的A/D转换电路，取而代之的是1-Wire总线与上层通信总线之间的通信转换电路，如果系统选用了数字式湿

23、度传感器则检测单元将完全由数字电路组成，而智能分机是由数字电路和模拟电路两部分构成的，这将使检测单元的电路设计更为容易。 采用Ds18B20温度传感器的粮情检测系统的测温电缆与热敏电阻测温电缆大不相同，该测温电缆最多只需3根导线即可连接多个Dsl8B20温度传感器。最为简洁的结构是利用Dsl8B20可以通过数据线供电的特点，在测温电缆中只放置两根平行的细钢丝绳即可连接多个Dsl8820温度传感器，这样不仅使测温电缆的制造简便、成本下降，而且提高了测温电缆的抗拉强度、便于温度传感器的更换。正是这些特点使得采用Dsl8820温度传感器的粮情检测系统更适川于高大粮仓(如浅圆仓、立筒仓)的应用环境，可

24、以解决高大粮仓在不需重新安装测滞电缆的情况下更换测温电缆内部的温度传感器以及改变温度传感器相对位置。1.2.2 按通讯方式分类 (1)Rs-485总线接口网络 在Rs一422标准的基础上，EIA研究出了一种支持多节点、远距离和接收高灵敏度的Rs一485总线标准。与Rs一232一样，Rs一22与Rs一485标准只对接口的电气特性做出规定，而不涉及接插件、电缆或协议，在此基础上用户口可以建立自己的高层通信协议。Rs一485具有远距离、多节点(256个)以及传输线成本低的特性，是一种基于差分信号传送的串行通信链路层协议。它解决了Rs-232协议传输距离太近(400m)的缺陷，是工业上广泛采用的较长距

25、离数据通信链路层协议。 由于它使用一对双绞线传送差分信号，属半双工通信，所以需要进行接收和发送状态的转换。前而我们说过，很多设备都带有Rs 232c串口且对它提供了很好的支持，所以现在对Rs-485总线网络的用法多是通过Rs-232/Rs-485接口转换芯片来进行。与Rs-232c总线接口网络相比，就是增加了接口芯片，其他方而几乎是一样的，相当于是Rs-232C总线接口网络的升级，所以额外的软硬件成本也是非常低的，但它所能连的节点数较多，传输距离长(1200m)，所以较长距离数据通信时广泛采用这种方案。Rs-485总线网络示意图如图1-l所示。(2)现场总线网络 随着计算机和网络技术的发展，以

26、智能仪表和分散控制为特色的现场总线技术，把工业控制网络带入了一个新的叫代。然而现场总线仍存在很大的局限性。首先，现场总线主要是低速网络，现场仪表和设备的计算能力和信息处理能力较低，土要用于数据采集和控制信号的输出，只能实现一简单的控制算法。其次，日前出现了Lonworks、FF、CAN等多种现场总线，现场总线没有一个统一的标准，各种现场总线产品之间很难实现互操作。现场总线自身技术的局限性以及多种总线标准共存的局而，限制了现场总线技术在工业控制网络中的进一步发展。在过程控制领域，多种现场总线互不兼容，信息网络存在协议上的鸿沟，导致出现“自动化孤岛”，在企业网络的不同层次间传动的数据信息已变的越来

27、越复杂，不利于建成整个开放式的控制系统。图1-1 RS-485总线示意图(3)基于TCP/IP协议的有线以太网随着Internet技术的不断发展，以太网和TCP/IP协议己成为世界范围内的事实标准，基于TCP/lP协议的以太网可以满足上业控制系统各个层次的需求。与以往的工业控制网络相比，基于以太网的工业控制网络具有很多优势。以太网有更高的通信带宽，能够满足不断增长的数据通信的需要。通过TCP/IP协议，可以方便的实现现场设备层和企业管理层的无缝连接。而且，以太网设备价格低廉，实现简单，能够大大降低控制系统的成本。而随着告高速以太网和交换式以太网技术的发展，以网作为工业控制网络在实时性方面的问题

28、正逐渐得以解决。种种迹象表明，基于以太网的工业控制网络将成为下一代工业控制网络的重要选择，并将带来工业控制网络新的变革。1.3粮仓监测系统的发展趋势 分布 日前工业控制的发展我们可以分为五个阶段：人工控制阶段、以模拟表为主的控制阶段、计算机参与与控制的阶段、分散控制DCS(Distribute Control Systcm)阶段、现场总线控制FCS(Field Bus Control Systcm)阶段。网络化 网络通讯技术是目前最有活力，发展最快的高科技领域。网络技术的应用使得信息的交换速度、范围、信息量得到了极大的提高。随着网络在生产中的应用，使得在线远程服务成为可能。我们可以利用远在千里

29、之外的专家，来解决现场问题，它改变了传统的信息传播方式，对人类的生活方式造成了重大影响。 智能化 利用计算机强大的数据运算能力，巨大的存储空间，从而能够将种植者的经验通过管理软件固化起来，指导非专业人员或技术不熟练人员代替专家进行工作。目前神经网络、遗传算法等人工智能技术在设施农业中得到重视并逐步发展。 其次，为了适应各地地域特点、气候差异，粮仓测控系统还表现出多样性以及个性化的特点。 l.4本文的主要工作 基于对粮仓智能化测控系统的研究，本文的主要内容有以下几个方面： 收集资料，了解更多关于粮食储藏、粮仓环境因子情况，掌握日前国内外粮情测控系统的研究状况，分析其优点和缺点， 设计粮仓温湿度综

30、合参数监控系统的整体组成方案， 研制传感器的检测电路以及各部分组成电路，完成量请测控系统的硬件设计。 分别设计粮仓测控器和分站程序流程，编写2 方案的选定及论证当将单片机用作测控系统时，系统总要有被测信号的输入通道，由计算机拾取必要的输入信息。对于测量系统而言，如何准确获得被测信号是其核心任务；而对测控系统来讲，对被控对象状态的测试和对控制条件的监察也是不可缺少的环节。传感器是实现测量与控制的首要环节，是测控系统的关键部件，如果没有传感器对原始被测信号进行准确可靠的捕捉和转换，一切准确的测量和控制都将无法实现。工业生产过程的自动化测量和控制，几乎主要依靠各种传感器来检测和控制生产过程中的各种参

31、量，使设备和系统正常运行在最佳状态，从而保证生产的高效率和高质量。2.1 温度传感器的选择采用AD590，它的测温范围在-55+150之间，而且精度高。M挡在测温范围内非线形误差为±0.3。AD590可以承受44V正向电压和20V反向电压，因而器件反接也不会损坏。使用可靠。它只需直流电源就能工作，而且，无需进行线性校正，所以使用也非常方便，借口也很简单。作为电流输出型传感器的一个特点是，和电压输出型相比，它有很强的抗外界干扰能力。AD590的测量信号可远传百余米。2.2 湿度传感器的选择测量空气湿度的方式很多，其原理是根据某种物质从其周围的空气吸收水分后引起的物理或化学性质的变化，间

32、接地获得该物质的吸水量及周围空气的湿度。电容式、电阻式和湿涨式湿敏原件分别是根据其高分子材料吸湿后的介电常数、电阻率和体积随之发生变化而进行湿度测量的。采用HS1100/HS1101湿度传感器。HS1100/HS1101电容传感器，在电路构成中等效于一个电容器件，其电容量随着所测空气湿度的增大而增大。不需校准的完全互换性，高可靠性和长期稳定性，快速响应时间，专利设计的固态聚合物结构，由顶端接触（HS1100）和侧面接触（HS1101）两种封装产品，适用于线性电压输出和频率输出两种电路，适宜于制造流水线上的自动插件和自动装配过程等。相对湿度在1%-100%RH范围内；电容量由16pF变到200p

33、F，其误差不大于±2%RH；响应时间小于5S；温度系数为0.04 pF/。可见精度是较高的。2.3 信号采集通道的选择在本设计系统中，温度输入信号为72路的模拟信号，这就需要多通道结构。我们选定多路分时的模拟量输入通道。这种结构的模拟量通道特点为：（1） 对ADC、S/H要求高。（2） 处理速度慢。（3） 硬件简单，成本低。（4） 软件比较复杂。图2.1 多路分时的模拟量输入通道2.4 系统设计及技术要求 2.4.1系统基本功能 检测温度、湿度 显示温度、湿度 控制温度湿度 过限报警2.4.2 系统主要技术要求 温度检测范围 ： -30-+50 测量精度 ： 0.5 湿度检测范围 ：

34、 10%-100%RH 检测精度 ： 1%RH 显示方式 ： PC机LCD显示 报警方式 ： 三极管驱动的蜂鸣音报警3 系统总体设计PC上位机分站0#0#测控器粮仓0#分站N#湿度(8)温度(64)风扇RS485RS485N#测控器粮仓N#湿度(8)温度(64)风扇N#测控器粮仓N#湿度(8)温度(64)风扇N#测控器粮仓N#风扇温度(64)湿度(8)RS485本设计是基于单片机对数字信号的高敏感和可控性、温湿度传感器可以产生模拟信号，和A/D模拟数字转换芯片的性能，我设计了以单片机为核心的一套检测系统，其中包括单片机、复位电路、温度检测、湿度检测、与PC机通信、报警电路、系统软件等部分的设计

35、。下图为粮仓温湿度监控系统总体框图：图3.1 系统总体框图PC上位机单片机通信接口通信接口测控器RS485RS485分站图3.2 分站框图分站单片机A/D转换器多路模拟开关温度传感器单元湿度传感器单元风扇单元数据存储器扩展RS485测控器图3.3 粮仓框图本设计由PC上位机、分站和粮仓三个部分组成的。（一） PC上位机 通过LCD显示接收到的信息并控制系统运行。 （二） 分站 由单片机MSP430F149基本系统和报警系统等组成；汇总并处理下设的数据信息和上位机的控制信息。（三） 粮仓 由单片机MSP430F149为主控、AD590、HS1100及多路开关CD4051、报警系统组成；汇总并处理

36、下设的数据信息和分站的控制信息。3.1 信号采集3.1.1 温度传感器集成温度传感器AD590 是美国模拟器件公司生产的集成两端感温电流源。（一） 主要特征AD590是电流型温度传感器，通过对电流的测量可得到所需要的温度值。根据特性分挡，AD590的后缀以I，J，K，L，M表示。AD590L，AD590M一般用于精密温度测量电路，其电路外形如图3-4所示，它采用金属壳3脚封装，其中1脚为电源正端V；2脚为电流输出端I0；3脚为管壳，一般不用。集成温度传感器的电路符号如图3.4所示。图3.4 AD590外形及电路符号1、流过器件的电流（A）等于器件所处环境的热力学温度（开尔文）度数，即：I T/

37、T=1A /K式中：IT 流过器件（AD590）的电流，单位A。T热力学温度，单位K。 2、 AD590的测温范围-55- +150。3、 AD590的电源电压范围为4V-30V。电源电压可在4V-6V范围变化，电流IT变化1A，相当于温度变化1K。AD590可以承受44V正向电压和20V反向电压，因而器件反接也不会损坏。4、输出电阻为710M。5、精度高。AD590共有I、J、K、L、M五档，其中M档精度最高，在-55+150范围内，非线形误差±0.3。（二） 基本应用电路图3.5是AD590用于测量热力学温度的基本应用电路。因为流过AD590的电流与热力学温度成正比，当电阻R1和

38、电位器R2的电阻之和为1k时，输出电压V0随温度的变化为1mV/K。但由于AD590的增益有偏差，电阻也有偏差，因此应对电路进行调整，调整的方法为：把AD590放于冰水混合物中，调整电位器R2，使V0=273.2+25=298.2（mV）。但这样调整只保证在0或25附近有较高的精度。 图3.5 AD590应用电路如图3.5所示，电位器R2用于调整零点，R4用于调整运放LF355的增益。调整方法如下：在0时调整R2，使输出V0=0，然后在100时调整R4使V0=100mV。如此反复调整多次，直至0时，V0=0mV，100时V0=100mV为止。最后在室温下进行校验。例如，若室温为25，那么V0应

39、为25mV。冰水混合物是0环境，沸水为100环境。3.1.2 湿度传感器测量空气湿度的方式很多，其原理是根据某种物质从其周围的空气吸收水分后引起的物理或化学性质的变化，间接地获得该物质的吸水量及周围空气的湿度。电容式、电阻式和湿涨式湿敏原件分别是根据其高分子材料吸湿后的介电常数、电阻率和体积随之发生变化而进行湿度测量的。下面 介绍HS1100/HS1101湿度传感器及其应用。（一） 特点不需校准的完全互换性，高可靠性和长期稳定性，快速响应时间，专利设计的固态聚合物结构，由顶端接触（HS1100）和侧面接触（HS1101）两种封装产品，适用于线性电压输出和频率输出两种电路，适宜于制造流水线上的自

40、动插件和自动装配过程等。图3.6a为湿敏电容工作的温、湿度范围。图3.6b为湿度-电容响应曲线。图3.6a 湿敏电容工作的温、湿度范围 图3.6b 湿度-电容响应曲线相对湿度在1%-100%RH范围内；电容量由16pF变到200pF，其误差不大于±2%RH；响应时间小于5S；温度系数为0.04 pF/。可见精度是较高的。（二） 湿度测量电路HS1100/HS1101电容传感器，在电路构成中等效于一个电容器件，其电容量随着所测空气湿度的增大而增大。如何将电容的变化量准确地转变为计算机易于接受的信号，常有两种方法：一是将该湿敏电容置于运方与租蓉组成的桥式振荡电路中，所产生的正弦波电压信号

41、经整流、直流放大、再A/D转换为数字信号；另一种是将该湿敏电容置于555振荡电路中，将电容值的变化转为与之成反比的电压频率信号，可直接被计算机所采集频率输出的555测量振荡电路如图3.7所示。集成定时器555芯片外接电阻R4、R2与湿敏电容C，构成了对C的充电回路。7端通过芯片内部的晶体管对地短路又构成了对C的放电回路，并将引脚2、6端相连引入到片内比较器，便成为一个典型的多谐振荡器，即方波发生器。另外，R3 是防止输出短路的保护电阻，R1 用于平衡温度系数。图3.7 频率输出的555振荡电路该振荡电路两个暂稳态的交替过程如下：首先电源Vs通过R4、R2 向C充电，经t充电时间后，Uc达到芯片

42、内比较器的高触发电平，约0.67Vs，此时输出引脚3端由高电平突降为低电平，然后通过R2放电，经t放电时间后，Uc下降到比较器的低触发电平，约0.33Vs此时输出，此时输出引脚3端又由低电平突降为高电平，如此翻来覆去，形成方波输出。其中，充放电时间为 t充电=C（R4+R2）Ln2 t放电=CR2 Ln2因而，输出的方波频率为f=1/(t放电+t充电)=1/ C（R4+R2）Ln2可见，空气湿度通过555测量电路就转变为与之呈反比的频率信号，表3.1给出了其中的一组典型测试值。表3.1 空气湿度与电压频率的典型值3.2 信号的分析与处理3.2.1 多路开关多路开关，又称“多路模拟转换器”。多路

43、开关通常有n个模拟量输入通道和一个公共的模拟输入端，并通过地址线上不同的地址信号把n个通道中任一通道输入的模拟信号输出，实现有n线到一线的接通功能。反之，当模拟信号有公共输出端输入时 ，作为信号分离器，实现了1线到n线的分离功能。因此，多路开关通常是一种具有双向能力的器件。在本设计中，由于采用了温湿度双量控制，所以在信号采集中将有两个模拟量被提取，这时选用多路开关就是很必要的。我选用的是CD4051多路开关，它是一种单片、COMS、8通道开关。该芯片由DTL/TTL-COMS电平转换器，带有禁止端的8选1译码器输入，分别加上控制的8个COMS模拟开关TG组成。CD4051的内部原理框图如图3.

44、8所示。 图3.8 CD4051的内部原理框图图中功能如下：通道线IN/OUT（4、2、5、1、12、15、14、13）：该组引脚作为输入时，可实现8选1功能，作为输出时，可实现1分8功能。XCOM（3）：该引脚作为输出时，则为公共输出端；作为输入时，则为输入端。A、B、C（11、10、9）：地址引脚INH（6）：禁止输入引脚。若INH为高电平，则为禁止各通道和输出端OUT/IN接至；若INH为低电平，则允许各通道按表3-2关系和输出段OUT/IN接通。VDD（16）和VSS（8）：VDD为正电源输入端，极限值为17V；VSS为负电源输入端，极限值为-17V。VGG（7）；电平转换器电源，通常

45、接+5V或-5V。CD4051作为8选1功能时，若A、B、C均为逻辑“0”（INH=0），则地址码00013经译码后使输出端OUT/IN和通道0接通。其它情况下，输出端OUT/IN输出端OUT/IN和各通道的接通关系如下表3.2：表3.2 CD4051功能表（1）多路检测信号的实现本设计系统为多路的温度信号采集，故采用CD4051组成多路分时的模拟量信号采集电路.见图3.9：图3.9 模拟信号采集电路模块由9片CD4051组成，共72个模拟信号接入点，足够提供64个AD590温度传感器和8个HS1100/HS1101湿度传感器输入。D1-D4端通过74LS273锁存器分时选通单片机P0口，输出

46、地址D0-D8，通过74LS138译码器输出地址接口Y0-Y8,将Y0-Y8分别接至模拟开关CD4051INH口，D5-D7分别接至CD4051的A、B、C地址端，通过INH、A、B、C地址信息分别选通各管脚对应的传感器，达到分时传输的目的。3.2.2 A/D转换一A/D转换器的特点为了把温度、湿度检测电路测出的模拟信号转换成数字量送CPU处理，本系统选用了双积分A/D转换器MC14433，它精度高，分辨率达1/1999。由于MC14433只有一路输入，而本系统检测的多路温度与湿度信号输入，故选用多路选择电子开关，可输入多路模拟量。MC14433 A/D 转换器由于双积分方法二次积分时间比较长

47、，所以A/D转换速度慢，但精度可以做得比较高；对周期信号变化的干扰信号积分为零，抗干扰性能也比较好。目前，国内外双积分A/D转换器集成电路芯片很多，大部分是用于数字测量仪器上。常用的有3.5位双积分A/D装换器MC14433和4.5位双积分A/D转换器ICL7135二MC14433A/D转换器件简介MC14433是三位半双积分型的A/D转换 表3.3 DS1选通时Q3Q0表示的结果器，具有精度高，抗干扰性能好的优点，其缺点是转换速率低，约110次/秒。在不要求高速转换的场合，例如，在低速数据采集系统中，被广泛采用。MC14433A/D转换器与国内产品5G14433完全相同，可以互换。MC144

48、33A/D转换器的被转换电压量程为199.9mV或1.999V。转换完的数据以BCD码的形式分四次送出（最高位输出内容特殊，详见表3.3） 图3.10 MC14433A/D转换器的内部逻辑框图图3.11 MC14433引脚图MC14433 的框图（图3.10）和引脚（图3.11）功能说明各引脚的功能如下：电源及共地端VDD： 主工作电源+5V。VEE: 模拟部分的负电源端，接-5V。VAG： 模拟地端。VSS： 数字地端。VR： 基准电压。外界电阻及电容端RI： 积分电阻输入端，VX=2V时，R1=470；VX=200Mv时，R1=27K。C1： 积分电容输入端。C1 一般为0.1µ

49、F。 C01、C02： 外界补偿电容端，电容取值约0.1µF。 R1/C1： R1 与C1的公共端。CLKI、CLKO ： 外界振荡器时钟调节电阻Rc，Rc一般取 470 K左右。转换启动/结束信号端EOC：转换结束信号输出端，正脉冲有效。DU： 启动新的转换，若DU与EOC相连，每当A/D转换结束后，自动启动新的转换。过量程信号输出端/OR ： 当|Vx|VR，过量程/OR 输出低电平。位选通控制线DS4-DS1： 选择个、十、百、千位，正脉冲有效。DS1 对应千位，DS4 对应个位。每个选通脉冲宽度为18个时钟周期，两个相应脉冲之间间隔为2个时钟周期。图3.12 MC14433选

50、通脉冲时序图BCD码输出线Q0-Q3： BCD码输出线。其中Q0为最低位，Q3 为最高位。当DS2、DS3和DS4选通期间，输出三位完整的BCD码数，但在DS1选通期间，输出端Q0-Q3 除了表示个位的0或1外，还表示了转化值的正负极性和欠量程还是过量程其含意见表3.3可知Q3 表示1/2位，Q3=“0”对应1，反之对应0。 Q2 表示极性，Q2=“1”为正极性，反之为负极性。 Q0=“1”表示超量程：当Q3=“0”时，表示过量程；当Q3=“1”时，表示欠量程；一、 MC14433与AT89S51单片机的接口设计由于MC14433的A/D转换结果是动态分时输出的BCD码，Q0Q3HE DS1D

51、S4都不是总线式的。因此，MCS-51单片机只能通过并行I/O接口或扩展I/O接口与其相连。对于8031单片机的应用系统来说，MC14433可以直接和其P1口或扩展I/O口8155/8255相连。下面是MC14433与AT89S51单片机P1口直接相连的硬件接口，接口电路如图3.13所示（J1为网络接口，接单片机P1口）图3.13 MC14433与8031单片机P1口直接相连的硬件接口3.2.3 单片机AT89S51为了设计此系统，我们采用了AT89S51单片机作为控制芯片，在前向通道中是一个非电信号的电量采集过程。它由传感器采集非电信号，从传感器出来经过功率放大过程，使信号放大，再经过模/数

52、转换成为计算机能识别的数字信号，再送入计算机系统的相应端口。由于AT89S51中只有4k Bytes Flash片内程序存储器和128 bytes的随机存取数据存储器，且数据存储器也不能满足要求，经扩展6264来达到存储器的要求，其结果通过显示器来进行显示输出。粮仓测控系统整体电路见附录1。（1） AT89S51的内部结构AT89S51具有如下特点：40个引脚，4k Bytes Flash片内程序存储器，128 bytes的随机存取数据存储器（RAM），32个外部双向输入/输出（I/O）口，5个中断优先级2层中断嵌套中断，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，看门狗（WDT）电路，

53、片内时钟振荡器。 此外，AT89S51设计和配置了振荡频率可为0Hz并可通过软件设置省电模式。空闲模式下，CPU暂停工作，而RAM定时计数器，串行口，外中断系统可继续工作，掉电模式冻结振荡器而保存RAM的数据，停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位。同时该芯片还具有PDIP、TQFP和PLCC等三种封装形式，以适应不同产品的需求。如图3.14：图3.14 AT89S51内部框图主要特征：1. 8031 CPU与MCS-51 兼容2. 4K字节可编程FLASH存储器(寿命：1000写/擦循环)3. 全静态工作：0Hz-24KHz4. 三级程序存储器保密锁定5. 128*8位内部RAM6. 32条可编程I/O线7. 两个16位定时器/计数器8. 6个中断源9. 可编程串行通道10. 低功耗的闲置和掉电模式11. 片内振荡器和时钟电路（2） AT89S51引脚图图3.15 AT89S51引脚图管脚说明：VCC：供电电压。GND：接地。P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。