仓储湿度测量系统

-.z仓储湿度测量系统摘要本次设计主要是改变了传统仓库湿度检测方法，传统方法通常是利用湿度表、毛发湿度表、双金属式测量计和湿度试纸等测试器材，通过人工进展检测，这种方法费时费力、效率低，且测试的湿度误差大，随机性大。该工程设计的检测方法采用湿度传感器检查仓库环境，由单片机对数据进展实时采集，并显示，使用方便、测量准确。关键词：仓库、湿度、单片机目录TOC\o"1-3"\h\u130071绪论 4273491.1引言 4290101.2系统实现的目的和意义 425951.3本系统主要研究内容 5212542系统需求分析6137672.1系统主要性能指标 6120202.2系统性能优势 646233系统总体规划 792283.1总体功能 716853.2系统框图 7302513.3硬件选型 8327164硬件电路设计 10163664.1主要组件简介 10301864.1.1ATmega128芯片1021754.1.2DH11芯片12112844.1.374HC573显示芯片1211624.1.4蜂鸣器13291764.2硬件电路系统设计 14173894.3.1传感器电路 14172164.3.2LED显示电路 15230164.3.3报警系统 16152244.3.4按键电路 17153245软件设计 18190485.1主程序模块 18130065.2初始化模块 18132925.3传感器信号处理程序 19241465.4LED显示程序 19316305.5TIMER中断处理程序 19248725.6蜂鸣器处理程序 20310806总结216770参考文献 221绪论1.1引言商品在在存期间的质量变化与商品储存环境密切相关。而在商品储存环境诸因素中，仓库的温湿度最为重要。商品在储存期间发生的霉变、锈蚀、溶化、虫蛀、挥发等，都与温湿度关系密切。仓库温湿度的变化，直承受库外自然气候变化的影响。了解自然气候的变化规律，加强仓库温湿度管理，创造适合商品。平安储存的温湿度条件，是商品养护的一项重要工作。商品在仓库储存过程中的各种变质现象，几乎都与空气温湿度有密切关系，仓储商品保管的中心环节就是控制好仓库的温湿度。由于商品的性质不同，其所适应的温湿度也不同。仓库温湿度的变化对储存商品的质量平安影响很大，而仓库温湿度往往又受自然气候变化的影响，这就需要仓库管理人员正确地控制和调节仓库温湿度，以确保储存商品的平安。随着现代生产水平的不断提高，对物资的平安存储的要求越来越高,湿度的控制就是一个典型的仓库存储管理系统，它是现代生产生活中应运而生的一种智能、快捷、方便可靠的检测系统，仓库管理人员可以通过它实时监控环境的湿度情况，做到对仓库的智能管理。1.2系统实现的目的和意义传统方法通常是利用湿度表、毛发湿度表、双金属式测量计和湿度试纸等测试器材，通过人工进展检测，这种方法费时费力、效率低，且测试的温度及湿度误差大，随机性大。该工程设计的检测方法采用温湿度传感器检查仓库环境，由单片机对数据进展实时采集，并显示，使用方便、测量准确。使用单片机设计湿度测量系统，可以及时、准确的反映室内的湿度的变化。完成诸如温度的准确测量，温度的超界报警等功能。将此系统应用到仓库当中无疑为商品的保存提供了技术保障。1.3本系统主要研究内容本系统所要完成的任务是：1、完成湿度信号的采集：湿度信号的采集采用温湿度传感器DHT11模块，该传感器模块是温湿度一体化传感器，输出信号为单总线数字信号，含有信号校准功能，精度较高。测量精度：湿度5%RH，温度0.5℃。2、实现湿度信号的显示：采集的数字信号经过单片机的处理后，输出到数码管显示。3、完成检测系统软件设计：系统软件主要包括单片机的初始化、传感器的初始化、数字信号的承受处理、信号的显示等功能。4、此系统功能具有可拓展的特点，不局限仓库，还可以适用于暖通空调、气象站、医用湿度调节器、除湿器等场合，应用十分广泛。2系统需求分析采用当代传感器技术、自动化测控技术、数字通信技术、计算机应用技术等多学科地综合应用，将需要监测的假设干个区域内的环境温湿度进展自动测量、并结合现场的相关温湿度调控设备实现对现场温湿度的监测与自动控制，从而实现了温湿度监测的智能化、自动化、系统化和网络化，为仓库的温湿度监测提供全面、实用的系统解决方案。2.1系统主要性能指标本系统设计的湿度测量系统，采用高性能传感器，主要满足如下性能指标：工作电源：24VDC±10%测温*围：-40－120℃〔其它*围可选〕测湿*围：0－100％测温精度：±0.3℃〔＠25℃〕测湿精度：≤±3％(25℃,10%-90%RH)显示方式：LCD显示，带背光，精度可校准控制方式：4路控制输出，报警值、报警回差可设定报警方式：闪动的LED指示灯通讯方式：支持RS232(9600，N,8,1),支持标准modbus-rtu协议，方便与各类设备组网通讯，通用性强2.2系统性能优势系统性能稳定，设计构造科学、规*，满足仓库管理中对温湿度监测要求。系统安装简单，所有功能菜单化，操作简便，人机界面设计，系统各项功能一目了然，直观清晰。系统功能丰富，界面布局、内容全面，数据显示、记录、数据查询、闪光报警、自动控制等功能可满足各种监测功能需要。系统升级、系统扩展、维护方便，模块化的管理，便于软件的升级、系统扩展及日常维护。通过系统提供的多种通信方式，可以轻松实现与其它系统数据交互，实现测量数据共享。3系统总体规划3.1总体功能温度测量：对温室温度进展测量，通过传感器的获取温度数据，然后通过控制单元显示在LCD上。湿度监控：对温室湿度进展测量，通过传感器的获取湿度数据，然后通过控制单元显示在LCD上。控制处理：当温度、湿度越限时报警，并根据报警信号提示采取一定手段控制。当温湿度越限时声光报警。显示：LCD就地显示输入值和相应的温湿度，数码管摆放在生产现场用于显示当前的温湿度。3.2系统框图本系统的硬件设计以单片机(ATmega128)为核心，配合温湿度传感器(DHT11)，以及相关的外围电路组成的测量系统，具体框图如下列图：晶体振荡电路晶体振荡电路DHT11温湿度传感电路LEDATmega128电源电路键盘输入电路蜂鸣电路图3-1系统硬件框图其中软件局部按设计模块可分为控制处理模块、传感模块、湿度测量模块、报警蜂鸣、周边模块(如延时、自动检测、键盘输入去抖等)。如下列图所示：显示输出显示输出报警蜂鸣传感模块周边模块湿度测量模块控制处理模块图3-2系统软件功能框图3.3硬件选型经过上面的总体方案和系统框图的设计后可以开场着手硬件系统的设计，硬件系统是应用系统的根底、软件系统设计的依据。根据总体功能和性价比及其运行速度等因素的考虑，选用ATmega128单片机作为本系统的微控制器，它是稳定性极高，应用极其广泛的8位系列单片机。ATmega128主要特性如下：高性能、低功耗的AVR8位微处理器先进的RISC构造,大多数可以在一个时钟周期内完成非易失性的程序和数据存储器,,128K字节的系统内可编程Flash,4K字节的EEPROM,4K字节的内部SRAM,多达64KJTAG接口(与IEEE1149.1标准兼容)外设特点两个具有独立的预分频器和比拟器功能的8位定时器/计数器两个具有预分频器、比拟功能和捕捉功能的16位定时器/计数器具有独立预分频器的实时时钟计数器两路8位PWM6路分辨率可编程〔2到16位〕的PWM输出比拟调制器8路10位ADC面向字节的两线接口两个可编程的串行USART可工作于主机/从机模式的SPI串行接口具有独立片内振荡器的可编程看门狗定时器片内模拟比拟器选择DHT11作为本系统的温湿度传感器，它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和卓越的长期稳定性。传感器包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件，并与一个高性能8位单片机相连接。因此该产品具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高等优点。每个DHT11传感器都在极为准确的湿度校验室中进展校准。校准系数以程序的形式存在OTP内存中，传感器内部在检测型号的处理过程中要调用这些校准系数。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，使其成为给类应用甚至最为苛刻的应用场合的最正确选择。产品为4针单排引脚封装，连接方便。DHT11的技术参数：供电电压：3.3~5.5VDC输出：单总线数字信号测量*围：湿度20-90%RH，温度0~50℃测量精度：湿度+-5%RH，温度+-2℃分辨率：湿度1%RH，温度1℃互换性：可完全互换，长期稳定性：<±1%RH/年选择74HC573芯片作为本系统的LED显示芯片,74HC573是高性能硅门CMOS器件。SL74HC573跟LS/AL573的管脚一样。器件的输入是和标准CMOS输出兼容的;加上拉电阻，他们能和LS/ALSTTL输出兼容。当锁存使能端LE为高时，这些器件的锁存对于数据是透明的(也就是说输出同步)。当锁存使能变低时，符合建立时间和保持时间的数据会被锁存。目前74HC573芯片已经作为LED显示驱动的首选。选择蜂鸣器作为系统的报警信号，当湿度的值小于限定值的时候，蜂鸣器将响起，通知仓库管理员需要注意湿度变化。4硬件电路设计4.1主要组件简介4.1.1ATmega128芯片VCC：数字电路的电源。GND：地端口A(PA7..PA0)：端口A为8位双向I/O口，并具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输入使用时，假设内部上拉电阻使能，则端口被外部电路拉低时将输出电流。复位发生时端口A为三态。端口B(PB7..PB0)：端口B为8位双向I/O口，并具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输入使用时，假设内部上拉电阻使能，则端口被外部电路拉低时将输出电流。复位发生时端口B为三态。端口C(PC7..PC0)：端口C为8位双向I/O口，并具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输入使用时，假设内部上拉电阻使能，则端口被外部电路拉低时将输出电流。复位发生时端口C为三态。端口D(PD7..PD0)：端口D为8位双向I/O口，并具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输入使用时，假设内部上拉电阻使能，则端口被外部电路拉低时将输出电流。复位发生时端口D为三态。端口E(PE7..PE0)：端口E为8位双向I/O口，并具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输入使用时，假设内部上拉电阻使能，则端口被外部电路拉低时将输出电流。复位发生时端口E为三态。端口F(PF7..PF0)：端口F为ADC的模拟输入引脚。如果不作为ADC的模拟输入，端口F可以作为8位双向I/O口，并具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输入使用时，假设内部上拉电阻使能，则端口被外部电路拉低时将输出电流。复位发生时端口F为三态。如果使能了JTAG接口，则复位发生时引脚PF7(TDI)、PF5(TMS)和PF4(TCK)的上拉电阻使能。端口F也可以作为JTAG接口。端口G(PG4..PG0)：端口G为5位双向I/O口，并具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输入使用时，假设内部上拉电阻使能，则端口被外部电路拉低时将输出电流。复位发生时端口G为三态。RESET：复位输入引脚。超过最小门限时间的低电平将引起系统复位。*TAL1：反向振荡器放大器及片内时钟操作电路的输入。*TAL2：反向振荡器放大器的输出。AVCC：AVCC为端口F以及ADC转换器的电源，需要与VCC相连接，即使没有使用ADC也应该如此。使用ADC时应该通过一个低通滤波器与VCC连接。AREF：AREF为ADC的模拟基准输入引脚。PEN：PEN是SPI串行下载的使能引脚。在上电复位时保持PEN为低电平将使器件进入SPI串行下载模式。在正常工作过程中PEN引脚没有其他功能。图4-1ATmega128芯片原理图4.1.2DH11芯片DH11温湿度传感器的测量*围为20－90%RH0－50℃，测湿精度为±5%RH，测温精度为±2℃，封装为4针单排直插，工作电压为5V。DH11芯片的引脚定义如下表3-1：表4-1DH11芯片引脚定义pin名称注释1VDD供电3－5.5VDC2DATA串行数据，单总线3NC空脚，请悬空4GND接地，电源负极DH11温湿度传感器的原理图如下：图4-2DH11芯片原理图4.1.374HC573显示芯片M54HC563/74HC563/M54HC573/74HC573的八个锁存器都是透明的D型锁存器，当使能(G)为高时，Q输出将随数据(D)输入而变。当使能为低时，输出将锁存在已建立的数据电平上。输出控制不影响锁存器的内部工作，即老数据可以保持，甚至当输出被关闭时，新的数据也可以置入。这种电路可以驱动大电容或低阻抗负载，可以直接与系统总线接口并驱动总线，而不需要外接口。特别适用于缓冲存放器，I/O通道，双向总线驱动器和工作存放器。174hc573根本参数：八进制3态非反转同步锁存器CMOS工艺硅门输入和标准CMOS输出兼容电压*围：2.0V~6.0V输入电流：1.0uA高噪声抵抗特性封装：SOIC-20×u36755*出能直接接到CMOS，NMOS和TTL接口上×u25805*作电压*围：2.0V~6.0V×u20302*输入电流：1.0uA×CMOS器件的高噪声抵抗特性。274hc573特点：三态总线驱动输出置数全并行存取缓冲控制输入使能输入有改善抗扰度的滞后作用图4-374hc573引脚图4.1.4蜂鸣器本系统使用SH69P43为控制芯片，使用4MHz晶振作为主振荡器。PORTC.3/T0作为I/O口通过三极管Q2来驱动蜂鸣器LS1，而PORTC.2/PWM0则作为PWM输出口通过三极管Q1来驱动蜂鸣器LS2。另外在PORTA.3和PORTA.2分别接了两个按键，一个是PWM按键，是用来控制PWM输出口驱动蜂鸣器使用的；另一个是PORT按键，是用来控制I/O口驱动蜂鸣器使用的。连接按键的I/O口开内部上拉电阻。蜂鸣器的原理图如下：图4-4蜂鸣器原理图4.2硬件电路系统设计传感器电路图4-5传感器电路图如上图所示，DHT11通过PC0连接到MCU上，启动DATA信号线用于微处理器与DHT11之间的通讯和同步,采用单总线数据格式,一次通讯时间4ms左右,数据分小数局部和整数局部。当前小数局部用于以后扩展,现读出的小数局部为零。操作流程如下:一次完整的数据传输为40bit,高位先出。数据格式:8bit湿度整数数据+8bit湿度小数数据+8bi温度整数数据+8bit温度小数数据+8bit校验和数据传送正确时校验和数据等于“8bit湿度整数数据+8bit湿度小数数据+8bi温度整数数据+8bit温度小数数据〞所得结果的末8位。MCU发送一次开场信号后,DHT11从低功耗模式转换到高速模式,等待主机开场信号完毕后,DHT11发送响应信号,送出40bit的数据,并触发一次信号采集,用户可选择读取局部数据。从模式下,DHT11接收到开场信号触发一次温湿度采集,如果没有接收到主机发送开场信号,DHT11不会主动进展温湿度采集。采集数据后转换到低速模式。4.3.2LED显示电路图4-6LED显示电路图如上图所示74HC573是8位数据锁存器.数据锁存的意思是指：当输入的数据消失时,在芯片的输出端,数据仍然保持。74HC573芯片各引脚功能如下:VCC：接+5V电源GND：接地OE：output_enable,输出使能;LE：latch_enable,数据锁存使能,latch是锁存的意思;Dn：第n路数据输入端;(D的意思是Datainput)Qn：第n路数据输出端;当OE＝1是,无论Dn、LE为何,输出端为高阻态;当OE＝0、LE＝1时,输出端数据等于输入端数据，芯片可以当作不存在，相当于导线;当OE＝0、LE＝0时,输出端保持不变,处于数据锁存状态。在实际应用的时候是这样做的：令OE＝0;LE=1将数据从单片机的口线上输出到Dn;令OE=0;LE=0;这时,你所需要输出的数据就锁存在Qn上了,输入的数据再变化也影响不到输出的数据了;如上图所示，在P3口同时接了两个74HC573锁存器，两个芯片的输出使能端OE都接地，数据锁存使能端LE分别接P2^6和P2^7，锁存器的输出数据端Qn都接LED条形显示器，通过对P3口赋不同的值来使U4的上四个LED灯点亮,U5的下四个LED灯点亮。4.3.3报警系统图4-7报警电路图ATmega128的OC2引脚是PWM模式的输出引脚。OC2引脚连接到蜂鸣器的TOUTTO引脚，通过PWM输出口本身可以输出一定的方波来直接驱动蜂鸣器。在ATmega128的软件设置中有几个系统存放器是用来设置PWM口的输出的，可以设置占空比、周期等等，通过设置这些存放器产生符合蜂鸣器要求的频率的波形之后，只要翻开PWM输出，PWM输出口就能输出该频率的方波，这个时候利用这个波形就可以驱动蜂鸣器了。4.3.4按键电路图4-8按键电路图通过连接4*4矩阵键盘到ATmega128的PD0到PD7，通过获取每个按键的行列值，就知道用户按下的键值。当每个按键的行值为低电平，列值为高电平时，按键为未按下状态。判断是否有按钮按下时，先让这一行通低电平，再通过扫描每一列来判断是否被按下〔逐列使列值通高电平〕，如果被按下，则这一列的电平此时会成为低电平。如果这一列在扫描时为低电平，说明这一列有按键被按下，而行值是每次在判断列值前就确定的，这样就能知道到底是哪一个按键被按下了。5软件设计本系统的软件模块主要有主程序模块，初始化模块，TIMER中断处理程序，LED显示程序，蜂鸣器驱动程序，传感器信号处理程序，键盘处理程序。5.1主程序模块在主程序模块首选调用初始化模块，初始化TIMER0，初始化LED的存放器，初始化PWM的存放器，然后进入While循环，不断的调用传感器信号处理程序获取传感器的值，然后调用LED显示程序显示到LED屏幕上，如果没有获取到数据系统就delay100毫秒。其流程图如下：图5-1主程序流程图5.2初始化模块该模块的功能主要是初始化LED显示，初始化timer0，初始化PWM的存放器，使能timer0中断。5.3传感器信号处理程序根据传感器电路图，MCU通过PC0获取DHT11的数据，软件流程如下：主机拉低18毫秒。调用延时函数延时18毫秒。总线由上拉电阻拉高，然后主机延时>20us。主机设为输入，判断从机响应信号。判断从机是否有低电平响应信号如不响应则跳出，响应则向下运行 。判断从机是否发出80us的低电平响应信号是否完毕。判断从机是否发出80us的高电平，如发出则进入数据接收状态。如果进入接收状态，获取5个8BIT数据。校验这写获取的5个BYTE数据。如果数据错误就返回0，主函数可根据此来判断数据可靠性。如果数据正确，返回获取到的数据。5.4LED显示程序先设置PORTE的BIT2，然后把DDRA以及DDRD设置为FF，然后把PORTA设置为0，把PORTD与上0*F0。然后分解获取的传感器的值为十位和个位。PORTA然后显示为十位的数值，PORTD设置为0*B0。延时10毫秒。PORTA然后显示为个位的数值，PORTD设置为0*70。5.5TIMER中断处理程序中断处理程序调用键盘处理程序，获取键盘的按键值，然后延时10毫秒，再次获取按键值，如果按键值没有变化，就更新湿度报警值。timer0的时间中断间隔设置为500毫秒。5.6蜂鸣器处理程序通过设置OC0就可以控制PWM的输出了，可以通过设置DDRB的BIT5，运行PWM输出，通过值TCCR0为0*71允许PWM相位调整其中分频系数为1，正向控制OC0。通过设置TCCR0A，TCCR0B，TCCR0C产生固定周期的方波。6总结经过几个月的努力，我顺利的完成了我的毕业设计，通过使用单片机设计湿度测量系统，可以及时、准确的反映室内的湿度的变化。并在实际的仓库环境中测试本系统的实际运行情况，通过测试证明，本系统是一种高效，简单，廉价的湿度测量系统。毕业设计是每个大学生必须面临的一项综合素质的考验，如果说在过去四年里，我们的学习是一个知识的积累过程，则现在的毕业设计就是对过去所学知识的综合运用，是对理论进展深化和重新认识的时间活动。在这近几个月的毕业设计中，我们有艰辛的付出，当然更多的是丰收的喜悦。知识固然得到了稳固和提高，但我相信在实践中的切身体会将会使我在以后的工作和学习中终身受用。首先，学习能力得到了提高。在毕业设计中，完成硬件电路的设计、单片机软件编写、PCB设计等。在这些过程中，遇到许多困难，但通过书籍或网络查阅了很多相关文章和向导师请教后终于解决了。通过这次毕业设计，我不仅对理论有了更深一步的认识，增强了和外界技术的沟通，还培养了自学能力和分析解决问题的能力，更重要的是，培养了克制困难的勇气和信心。同时也体会到，简洁的硬件电