仓库温湿度的监测与控制的设计与实现

....31/35仓库温湿度的监测与控制的设计与实现摘要随着电气技术、微电子技术与计算机技术的飞速发展，仓库贮存系统的检测、控制、管理自动化已迫在眉睫，由其是近年来仓贮系统的容量不断扩大，传统的方式已经远远不能满足实际生产的需要，建立一种管理科学、操作简便、运行可靠的高效率软硬件已是必需。仓库库房的原有的温湿度检测都是采用人工检测和控制，方法老化、控制设施滞后，如果采用一般仓贮远程监控采用的有线控制，即重新布线或者借助于电力线进行信号传输，施工劳动强度大，投资大。本设计以科技创新的观点，研究与设计以PC机为控制核心，采用无线数字温度和湿度传感器的自动监控系统，对库区每个库房中各仓位的温度与湿度的变化情况进行实时自动检测，采用无线传输方式，实时显示和监测各个仓库的环境变化情况，通过适当的软、硬件抗干扰处理和控制室计算机的分析处理，实现现场的控制，使仓库达到恒温、恒湿状态，从而提高仓库的科学管理化、控制自动化水平，对有效地提高事故的预见性和工作效率有着重要的实际推广价值和理论研究意义！关键词：仓贮环境智能传感器无线数据传输单片机无线通信目录摘要第一章绪论1.1问题的提出1.2国外仓贮测控概况与发展趋势1.3本课题要解决的主要容1.4课题的创新1.5小结第二章系统硬件设计2.1设计思想2.2系统主要功能与结构图2.3系统的主要参数2.4微处理器的选择2.5温度的测量方法2.6温度传感器的选择2.7湿度的检测与设计2.8数据采集电路2.9用CPLD实现多路开关和显示2.10小结第三章系统软件设计3.1软件总体设计3.2上位机程序3.3下位机程序3.4温、湿度测量子程序3.5附件第四章总结4.1研究工作主要特点4.2研究工作不足4.3结论参考文献致第一章绪论1.1问题的提出防潮、防霉、防腐是仓库日常工作的重要容，是衡量仓库管理者质量的重要指标，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温度与湿度的监测工作，军事，贵重物资仓库更应重视这项工作，但传统的方法是用干湿度湿表、毛发湿度计、湿度试纸和温度计等测试器材，通过人工进行检测，对不符合温度与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和湿度误差大、随机性大。随着电气技术、微电子技术与计算机技术的飞速发展，仓贮系统检测、控制、管理自动化已迫在眉睫，建立一种管理科学、操作简便、运行可靠的高效率控制系统已是必需。为此，研究与设计以PC机为控制核心，基于数字温度和湿度的自动测试系统，对库区每个库房中各个仓位的温度与湿度的变化情况进行实时自动测试，一旦出现异常现象便于与时处理，有效地提高事故的预见性和工作效率有着重要的实际推广价值和理论研究意义！1.2国外贮存测控概况与发展趋势贮存的物资作为我国重要的战略资源，直接关系到国计民生、关系到社会主义的经济发展，贮存的自动化监控有利于提高仓库的运行水平，减少物资在存储过程中的损耗，降低劳动强度。长期以来，国家建设的大批物资储备库，由于受条件的限制，自动化水平很低，门窗、风机基本上是手动操作，简单仪表的检测也是靠人工现场的操作，此种传统的方法往往给职工造成劳动强度大，且控制不与时，给储备安全带来隐患。目前国外已经逐渐实现自动化远程控制，即现场通过微机对参数的分析处理以决定是否启动或关闭相应的设备，从而实现远程控制。远程监控系统目前主要有有线通讯技术和电力载波通讯技术。有线通讯技术以其稳定性占有优势。但有线通讯线工程浩大，而且容易被人为损坏；同时厂房(仓房)已建成，布线有困难；电力载波通讯技术能有效解决上述问题，它利用现有库区交流电源线作为通讯线路，不必申请付费专用频道，优势明显，但由于电力线上的高削减、高噪声、高变形，在很长时间使电力线成为一个不理想的通讯媒介。随着，无线和蓝牙技术的开发和日益完善。为此，无线载波通讯成为可能，此项技术无需另外布设信号线，经过适当的抗干扰处理后具有通道可靠性高、投资少、见效快的特点，此技术的实施有利于仓贮设备的网络化、智能化。随着我国科技的快速发展和工业自动化程度的提高，仓库管理技术也将得到进一步改进。仓库温度、湿度测量方法以与相应的智能控制一直是物资保存的一个重要问题，仓库的测控的无线化、智能化和信息化管理已成为仓库储备技术的发展趋势。1.3本课题要解决的主要容本课题拟传统监测的基础上，研究基于单片机的无线温湿度监测系统。对于温湿度测量来说，一个最重要的环节就是对环境温度进行补偿，对数据进行误差分析。另外该系统属于无线通信系统，因此也需要对数据传输的可靠性进行研究。主要研究容包括以下几方面：选用温湿度传感器时，应重点考虑测量精度高，抗干扰能力强，稳定性好，信号易于处理、传送，便于多路测量，安装方便，维护简单，环境温度补偿容易的器件。在硬件设计时，结构要尽量简单实用、易于实现，应尽量使用各种总线技术，以节约系统有限的I/0资源，并使用系统电路尽量简单。同时在硬件电路和软件程序设计时，一定要增加抗干扰措施，提高系统的抗干扰能力，保证系统的稳定性。软件设计必须要有完善的思路，要充分考虑到各传感器和无线收发器的时序，做到程序简单，调试方便，尽量降低无线数传的误码率。环境温度和各种随机噪声都会对温湿度数据的测量产生影响，因此需要对环境温度进行补偿和误差修正。1.4课题的创新本课题的创新在于由现场检测和诊断到远程控制，如果采用传统的现场监测即人工定时测量，不但要耗费大量的人力，而且不能够做到实时监控，特别是一些存在加热设备的生产基地，在短时间温度可能发生剧烈的变化，如果利用人工进行测量和管理，则可能造成重大事故。采用了无线测控系统，利用无线收发器进行数据传输，既降低了网络的布线成本，也提高了应用的灵活性和扩展性，节省了人力资源。1.5小结本章主要介绍了课题的来源，以与国粮仓库藏概况与发展趋势，综述了本文的研究容，指出了本课题的特色与创新。第二章系统硬件设计2.1设计思想本系统的上位机采用PC机，通过RS-232接口与转换器相连，转换器通过RS-485总线连接下位机，实现通信联系。每台下位机需要测量128路的温、湿度信号，为了能实现共128路温湿度的数据采集工作，本设计中用CPLD设计了一个模拟开关，每次只采集一路数据传入单片机中去，另外，本设计的显示部分也独特的选用了CPLD来实现。单片机首先使模拟开关选通某个传感器使传感器工作从而对现场温度或湿度进行测量，测量后的电压值经过变换送入单片机的A/D端口，单片机将输入的模拟量转换成数字量后再进行处理，然后再将处理得到的温度湿度值送到CPLD显示，同时将数据传送给上位机，上位机接收到数据后将得到的温度、湿度值进行显示，并做出温度、湿度场的分布图，如温度、湿度值越限，上位机和下位机可同时进行报警，同时下位机将排风扇或除湿机打开，直至温度、湿度值正常排风扇或除湿机制动关闭，同时解除报警。2.2系统主要功能与结构图本系统运用温度传感器和湿度传感器对温度、湿度的敏感性设计了一种基于多级通讯总线的仓库温、湿度自动监测系统，其主要功能有：本系统的上位机采用PC机，通过通讯控制总站与下位机实现通信联系；可以巡回检测各个仓库的温湿度情况，也可在任何时刻随时监控某一仓库的温湿度值；并将数据进行显示和打印；如果温湿度值超过允许围将进行报警。本系统的下位机采用AT89C51单片机，一方面要与上位机进行通讯联系，同时要实现对仓库中64路温度和64路湿度的测量。首先使模拟开关选通某个传感器使传感器工作从而对现场温度或湿度进行测量，测量后的电压值经过变换送入单片机的A/D端口，单片机将输入的模拟量转换成数字量后再进行处理。如温度、湿度值越限下位机将故障报警同时将排风扇或除湿机打开，直至正常排风扇或除湿机制动关闭。整个温湿度监测系统框图如图2.1所示。图2.1系统硬件结构图2.3系统的主要参数16个仓库的温湿度监测：每个仓库的检测点数：温度、湿度各64点；测温围：-40℃～﹢90℃；测温误差：≤±0.5℃；测温重复误差：≤±0.1℃；测湿围：20—99%RH；测湿误差：≤±3%RH；测湿重复误差：≤±0.5%RH；系统工作环境：-40℃～+100℃，20～99%RH，AC220V±15%。2.4微处理器的选择AT89C51是美国Atmel公司生产的低电压，高性能cmos8位单片机，片含4kbytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和128位bytes的随机存取数据存储器（RAM），32位并行I/0口、3个16位定时/计数器、6个中断源和1个全双口串行I/0口，采用12MHZ晶体振荡器，容MCS-51指令系统，是高性价比的应用场合，应用于各种控制领域。它的极限工作温度：-55℃—+125℃，储藏温度：-65℃—2.5温度的测量方法温度不能直接测定。它的测定是采用间接的手段，通过观察另一种物质一即所谓测温介质的物理特性变化的方法来确定。这种测量方法并没有给测介质温度的绝对值，而仅仅是它和测温介质原始温度相对的温度差，这个原始温度是制定温标时就被规定作为零度。为了测量时的方便，应尽可能的选择这样的物理特性，即它能随温度的改变而单值的变化，不受其它因素的影响，且比较易于精确测定适合这些要求的特性。如体积的膨胀、热电势的产生、电阻和辐射强度的变化等都被用作温度测量的基础，常用的测温仪表有各种温度计和温度传感器。例如，热膨胀是温度计、热电偶、辐射温度计、光高温计等。在温度测控系统中，除了高温、低温和测量精度高于0.1C的高级测温技术外，常温围的温度传感测量和控制技术相当成熟，可以直接选用，而且可选的测量方式也很多。2.6温度传感器的选择仓库系统中温度测量采用半导体集成式温度传感器AD590直接变送输出。这种集成式传感器以两线制方式输出的电流值对应的是开尔文温标值，如0℃时输出电流为273μ根据以上的选用原则，本设计所选用的温度传感器为集成温度传感器AD590。AD590是美国模拟器件公司生产的集成两端感温电流源。它的主要特性如下:流过器件的电流(μA)等于器件所处环境的热力学温度的度数，即Ir=T·K其中，Ir为流过AD590的电流，单位μAT为热力学温度，单位KK为计算系数，单位μA/KAD590的测温围为-55℃～﹢AD590的电源电压围为4V—30V。电源电压4V—6V围变化，电流Ir变化为1μA，相当于温度变化1K。AD590可以承受44V的正向电压和20V的反向电压，器件反接也不会损坏。输出电阻为710MΩ非线性误差在正负0.32.7湿度的检测与选型湿度测量技术中最准确的方法是绝对湿度测量的称重法，国际上普遍使用该法作为湿度基准其次是作为二级检定标准的阿斯曼通风干湿计。但是这两种方法都难以用于自动化测控系统的现场传感测量。工程技术中常采用绝对湿度、相对湿度和露点温度表示法和相应的测量技。绝对湿度测量:也称为水分或微弱水分测量技术，测量的是空气体积中水分的直接含量，各种材料的含水量、电子器件封装、火力发电烟气、高压电器保护气体的测量等，所涉与的围相当广泛。对应不同的工况环境、被测对象和性能价格比的要求，其测量方式种类也非常多。常用的有电容式、化学露点式，精度较高的有光学露点式和称重、红外、微波等测量方法。相对湿度测量:空气的相对湿度所表达的是其中水气接近饱和的程度，是指力为P,温度为T时空气中水气的摩尔分数与一样条件下纯水表面的饱和水气的摩尔分数之比表示为%RH。相对湿度测量主要用于要求保持一定湿度气氛的纺织、薄膜生产等行业;武器装备封存、仓储等场所防止材料的腐蚀、霉变主要依赖于相对湿度控制。相对湿度的测量方法有毛发湿度计、干湿温度计、各种露点计等人工视检测量方式;而应用最为普与的相对湿度测量方法是温湿度自动测控系统所采用的各种类型的小型、微型化湿度传感器。这些类型各异的湿度传感器基本是以传感材料对水气吸附原理作为传感机制。因此，湿敏传感技术的研究大多集中在湿敏传感材料和水气吸附机制上，了解这些技术的原理和进展是本项目湿敏传感器选型的重要依据。适用于本项目研究设计的湿敏器件集中在瓷湿敏材料和电容式高分子湿敏材料两大类。瓷湿敏材料以其测湿围宽，几乎可在全湿围进行测量、工作温度高、响应快、热稳定性好、容易制备、价格低廉等优点而受到人们的重视。敏感瓷材料又可分成体材料、厚膜材料和薄膜材料三类。厚膜和薄膜材料的工艺一致性稍好一点，便于批量生产。实验结果表明，相对湿度在20--95%RH围，在单对数坐标上阻抗变化近三个数量级，曲线近乎直线。如果设计成加热清洗方式，多次重复测量，性能都能恢复。但是瓷湿敏材料的一致性差，难以与集成电路互换配套。除非采用加热清洗方式，否则抗污染能力很差，而很多情况下不允许设计为加热清洗。通过以上分析本设计选用了电容式集成湿度传感器HI3605}20}。集成湿度传感器HI3605在片可完成信号的调整，且精度好，线形好，图2-2给出了HI3605的结构图。图2.2HI3605的结构图图2.3HI3605的输出电压与相对湿度的关系HI3605的输出电压是供电电压，图2-3给出了HI3605的输出电压与相对湿度的关系曲线。电源电压升高，输出电压将成比例升高。所以说HI3605的线形度比较好。HI3605的性能如表2.4所示:表2.4HI3605C性能表2.8数据采集电路要实现128路温度和128路湿度的采集，就要在粮库中安置128个AD590温度传感器和128个HI3605湿度传感器，其布线如2.5所示，图中画的是4*4布置的形式，温度传感器和湿度传感器交替放置就可以实现模拟开关的输入为偶数时，选通的是某个温度传感器，而模拟开关的输入为奇数时选通的是某个湿度传感器。图2.5传感器布线图2.9用CPLD实现多路开关显示可编程逻辑器件(PLDProgrammablelogicDevice)是一种由用户编程要实现某种逻辑功能的逻辑器件，芯片的逻辑门，触发器等硬件资源可由用户自行配置来实现专用的路基功能。与只能实现固定功能的传统的标准路基器件(例如74系列的TTL器件)相比，PLD器件可以反复修改，并且在满足应用的，个性化的设计需求方面具有更大的灵活性和竞争力。而CPLD即复杂可编程逻辑器件是在PLD的基础上，在半导体工艺不断完善，用户对器件集成度要求不断提高的形势下发展起来的，其功能与PLD基本一样，只是集成度和芯片容量更高，目前，已有上百万门的CPLD芯片系列。在CPLD芯片中我们主要实现两种功能，一个是模拟开关，另一个是动态扫描显示。下面就各部分的实现简要介绍以下。移位寄存器部分为了使由单片机SPI口传送过来的串行数据转变为并行输出，运用了6个74HC595移位寄存器将6个字节也就是48位的串行数据转换成并行的然后再输出。同时74595还具有锁存功能可以把多个并行数据同时输出送显。在MUXPLING软件的标准元件库中，有现成的74595。所以就不用自己设计了，可以调出来直接使用，在本设计中就可以直接调出6个74595，然后按照上图中所示的连接好就好了。模拟开关部分的设计因为要完成对128个温度点和128个湿度点的测量，对于单片机来说，不可能同时那么都引脚来实现256个点的数据采集。所以设计了这个模拟开关，每次采集一路模拟量送入单片机进行处理，为了完成这个功能本设计仿照3-8译码器用CPLD做了一个8-256的译码器，它有8个输入端，32个输出端，当输入在OOH到FFH变化时，输出的32个端口输出相应的电平，再配以现场正确的布线就可以在每一时刻只有一个传感器被选通而工作。模拟开关的仿真波形图如图2.6所示。显示部分的设计显示部分由七段扫描电路，计数译码电路，多路选择器以与BCD对应的七段显示器编码电路四部分组成。图2.6模拟开关仿真波形图2.10小结硬件的设计对于单片机控制系统来说很重要，各种接口电路的正确设计对系统的设计至关重要。本章主要介绍了硬件部分温湿度测量电路的设计，以与对应的数据采集电路和PCLD模块；同时对硬件电路中可能产生的干扰，提出了预防措施。第三章系统软件设计3.1软件总体设计该系统的软件设计方法与硬件设计相对应，采用模块化结构，总共包括主程序模块、参数设置模块、通信模块、报警子程序模块等。最后通过主程序和中断处理程序将各程序模块连接起来。这样有利于程序修改和调试，增强了程序的可移植性。系统设计根据以上的需求分析，可以把整个系统分成4个功能模块，分别是参数设置模块、数据采集处理模块、数据存储管理模块和控制模块。粮仓仓库温湿度测控系统软件的功能层次结构图如图3一1所示图3-1系统软件的功能层次结构图3.2上位机软件设计上位机结构图如下：图3.2上位机结构图其中PC机主要管数据存储，管理等，主控单片机主要完成无线收发。上位机主程序开始后先进行初始化设置。初始化的容包括给相应的字符名称赋值，PS7219的初始化，设置串口通信参数，打开CPU中断，打开串口中断，设置定时器TO中断。没有中断的时候，上位机子系统处于等待状态，直到有中断需要响应时，单片机进入相应的中断服务程序，向下位机发送温度(或湿度)测试指令，等下位机接收到完整数据后，将上位机置接收方式，准备接收测得的数据，在上位机接收完下位机上传的数据后，根据中断指令进行显示(或上传)，并保持状态，直到响应新的中断为止。上位机主程序流程框图如图3.3所示。图3.3上位机主程序流程框图3.3下位机主程序下位机结构图如下：图3.4下位机结构图软件可以采用C语言等来实现初始化、数据采集处理、温度管理和对设备的处理。下位机程序设计通常先进行初始化，如设置中断、定时器、串行口、外部可编程器件的初始化等，然后循环执行主要功能，如定时、数据采集、显示以与定时将数据传递给上位机。上位机定时接收测控单元发送的采集信号，保存并实时显示。上电复位后显示不同仓位号、温湿度值与其测量时间。软件设计的流程如图3.5所示。图3.5下位机程序流程框图3.4温、湿度测量子程序程序中对DS18B20的操作主要有以下几个步骤:初始化;搜索DS18B20;匹配DS18B20;发送温度转换指令;读取温度值。下位机发出所要查询的HM1500地址，然后调用A/D转换子程序。进行湿度的读取和输出。图3.6温、湿度测量子程序3.5附件相应的主机发送和接收程序片段如下：RECEIVE;接收子程序BCFSTATUS,RPOBSFPORTC，PWRUP;收发芯片处于工作状态CALLDELAY5MS;延时5ms:，使之上电稳定BSFPORTC，CS;高频接收CALLDELAY5MSBCFPORTC，POTXEN;接收控制位CALLDELAY5MSBCFSTATUS，RPO;单片机通信设置BCFTXSTA，SYNCBCFTXSTA，BRGHMOVLW0X05;波特率为10400bpsMOVWFSPBRGBCFSTATUS，RPOBSFRCSTA，SPENBCFRCSTA，6;RC8/9RECESFF;接收FFBCFSTATUS，RP0BTFSSPORTC，3;按键扫描GOTOTRPATHNUMBTFSCRCSTA，FERR;有帧错误?BSFRCSTA，CREN;yesBTFRCSTA，CREN;noBTFSSRCSTA,CRENGOTORCESFFCALLRXPOLLMOVRCREG，0;取出接收寄存器值MOVWFRCBUF1;接收值放到BUFI寄存器中MOVLWOXFFSUBWFRCBUF1，0;判断是否接为FFBTFSSSTATUS，Z;如果是则继续AA，否则返回继续接收FFGOTORECESFF**(以下省略)RXPOLLBTFSSPIRI，RCIF;判断是否接收满GOTORXPOLLRETURN相应的子机发送和接收程序片段如下:TRANSMJT;发送子程序BSFPORTC，PWRUP;无线收设置BSFPORTC，CSBSFPORTC，POTXENBSFSTATUS，RPOBCFTXSTLA，SYNCBCFTXSTA，BRGHMOVLW0X05;设波特率值为10400MOVWFSPBRGBCFSTATUS，RPOBSFRCSTA，SPENBSFSTATUS，RPOBCFTXSTA，6TRANSRANDOM;发送随机数据BSFSTSTUS，RP0BSFTXSTA，TXENBTFSSTXSIA，TXENGOTOTRANS20BCFSTATUS，RPOMOVFCOUNT9，0MOVWFTXREGCALLTXPOLLTRANSFF;发送数据OXFFBSFSTATUS，RP0BSFTXSTA，TXENBTFSSTXSTA，TXENGOTOTRANS21BCFSTATUS，RPOMOVLWOXFF;送FF至发送寄存器MOVWFTXREGCALLTXPOLL;发送数据**(以下省略)TXPOLLBSFSTATUS，RPOBTFSSTXSTA，TRMT;判断是否发送完GOTOTXPOLLBCFSTATUS，RP0RETURN总结为了积极适应新形势的发展和军队信息网络化的发展趋势，作者利用单片机、计算机网络、通信、数据库技术等技术，采用了基于顺序层次结构的体系结构，利用汇编、C、vb等语言开发了军需仓库温湿度测控系统这一应用管理软件。4.1研究工作主要特点（1）成功地开发了结构简单、交互性强、性能安全、流程清晰、运用方便、操作简单，效率很高、价格低、操作界面友好系统，实现了部队军需仓库监测管理科学化、系统化、自动化。（2）成功地开发了真正通用的测量准确、实时控制、图形显示、参数设置等为一体的综合测控系统，且系统具有很强的可扩展性和通用性。（3）监测点数多。每个测控单元可对大量待监测点进行监测，一个测控网络又可由若干个测控单元组成。从最开始的方案设计、选择，到后来的系统分析、系统设计以与最后的系统开发实现，本人从中学到了不少知识，积累了许多的实际经验。通过对这个系统的开发，我对计算机硬件技术有了一个比较全面的了解，让我进一步体会到了计算机自动控制编程的乐趣。这一实际项目的开发，使我真正体会了开发网络应用程序的基本思路和构架，掌握了该领域的一些技术，提高了独立开发网络应用程序的能力。希望在这次课题工作的基础上，今后能够不断的学习，为国家建设做一点有意义的实际工作。4.2研究工作不足由于本课题研究的容需要的知识面宽，涉与的计算机硬件和计算机软件，其所含的技术多，其工作量也较大，是一个复杂而艰巨的系统工程，需要一个长期努力才能使其系统功能尽善尽美，本人进行努力学习研究与开发设计，但仍存在着很多不足之处，有待于进一步的完善和改进，主要体现在以下几个方面：（1）该系统只实现了温度、湿度的测量，还应该有烟感CO2等参数，有待进一步完善以与视频能否融为一体。（2）上位机的统功能需要进一步拓展、完善。（3）由于仅考虑了系统应用于部队部的局域网，安全性方面考虑较少。尽管目前该系统在使用过程中仍存在一些不尽人意的地方，但随着信息技术、人工智能技术、多媒体技术和数据库技术的不断发展，上述限制将逐步得到解决，本系统的前景较为乐观。4.3结论此温湿度测控系统采用由AT89C51单片机和符合单总线规的传感器DS18B20等构成。其总线上传输的是数字信号,克服了传统测量系统总线上传输模拟信号易受干扰的缺点,有效地降低了成本，有效地提高了其各项性能指标,故将得到广泛应用。运用新技术、新型器件构造的应用系统其水平更高、应用领域更广阔。其维护更加简单方便。参考文献[1]周坚，《单片机轻松入门》,航空航天大学.2004年2月.[2]毅刚.新编MCS-51单片机应用设计.：工业大学，2003.257-262[3]楼然苗，光飞.51系列单片机设计实例.航空航天大学，2003[4]罗文广,兰红莉,陆子杰.基于单总线的多点温度测量