多點溫濕度測控系統(tǒng)設計

1 引言

糧食測溫技術的研究始于20世紀70年代，是實現(xiàn)現(xiàn)代化儲存糧食的一項重要技術。國內大多數(shù)糧庫已經采用了計算機糧情測控系統(tǒng)，隨著控制技術不斷發(fā)展，目前糧情測控系統(tǒng)已具有糧食溫濕度檢測、超溫報警、自動生成各種報表、自動存儲歷史數(shù)據并據此自動生成糧溫變化曲線等功能。本文設計的糧情測控系統(tǒng)是以ATmega16為檢測與控制核心的單片機，由多個數(shù)字溫度傳感器DS18B20及模擬濕度傳感器HS1101構成。

2 系統(tǒng)總體方案設計

糧情測控系統(tǒng)是計算機硬件與軟件的結合體，實現(xiàn)了計算機對儲糧的檢測與預警。系統(tǒng)硬件由控制處理部分和信號檢測部分組成，其中，控制部分包含六個模塊：控制器模塊、電機驅動模塊、顯示模塊、鍵盤輸入模塊、通信模塊和報警模塊；信號檢測部分包含三個模塊：溫度檢測模塊(DS18B20)、濕度檢測模塊(HS1101)、煙霧檢測模塊(SS-1)。系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

3 系統(tǒng)硬件設計

本系統(tǒng)硬件主要包括控制電路與檢測電路?？刂齐娐坟撠熖幚戆存I、溫濕度信息、控制電機、控制蜂鳴器、LED。檢測電路負責檢測溫度信息、濕度信息、煙霧信息。此外，還有顯示電路、鍵盤掃描電路等。

3.1 控制電路設計

控制器是系統(tǒng)的核心部分，其性能好壞與系統(tǒng)功能的實現(xiàn)有密切的聯(lián)系。它接收來自于鍵盤、溫濕度傳感器輸出的數(shù)字信號和頻率信號并對其進行處理，再以控制電壓的形式將電壓信號輸出給電機驅動電路，以控制通風扇的開關。控制電路外接七段數(shù)碼管電路、鍵盤掃描電路、信號檢測電路和通風電機驅動電路，具體電路如圖2所示。

U110是單片機電源輸入端，在此電路上安裝了一個發(fā)光二極管以顯示系統(tǒng)是否上電。J1是單片機ISP下載輸入端，系統(tǒng)程序從該端口載入單片機內。尺101、C101和S101組成了單片機的復位電路。

3.2 傳感器電路設計

傳感器電路的設計是本系統(tǒng)設計的重點，由于要對溫度、濕度和煙霧進行檢測，因此需要分別對三種傳感器的檢測電路進行設計。

3.2.1 溫度檢測電路設計

采用數(shù)字溫度傳感器DS18B20檢測溫度。由于溫度檢測的對象是糧庫，其面積較大，所以可對糧庫進行分劃，每一個庫劃分成8個區(qū)域，每個區(qū)域設置12個檢測點。通過多路選擇開關CD4051控制8個區(qū)域的檢測信號進行選通輸入。

DS18B20是美國Dallas半導體公司的產品。它采用1-Wire總線技術，將地址線、數(shù)據線、控制線合為1根信號線，允許在這根信號線上掛接多個1-Wire總線器件。1-Wire總線技術具有節(jié)省I／O資源，結構簡單、成本低廉，便于總線擴展和維護等特點。

DS18B20采用特有的溫度測量技術：可提供9～12位(二進制)數(shù)據來指示傳感器溫度；數(shù)據信息與DS18B20之間只需一根數(shù)據線(和地線)連接即可；DS18B20的測溫范圍為-55％～+125℃，在-10℃～85％之間的精度達±1／2℃，而在整個溫度測量范圍內具有±2℃的測量精度。

基于DS18B20的糧倉溫度檢測電路如圖3所示。

圖中R212為上拉電阻。CD4051的A、B、C端片選溫度檢測的8個區(qū)域。數(shù)字1～8表示8個區(qū)域的DS18B20數(shù)字信號輸入端。當進行溫度檢測時單片機通過對A、B、C輸入片選信號，分別選通8個區(qū)域的溫度檢測信號。同時單片機也是通過A、B、C的輸入片選信號區(qū)分糧倉的8個檢測區(qū)域。

3.2.2 濕度檢測電路設計

濕度檢測采用的是濕度傳感器HS1101。在糧情測控系統(tǒng)中主要是檢測室內與室外的濕度，一般一個糧倉有兩個濕度檢測點，且精度要求不高。對濕度檢測點的控制采用控制溫度的方法，采用CD4051實現(xiàn)片選控制。

濕度傳感器HS1101是法國Humirel生產的電容式濕度傳感器。HS1101是一種在高分子薄膜上形成的電容。高分子薄膜上的電極是很薄的金屬微孔蒸發(fā)膜，水分子可通過兩端的電極被高分子薄膜吸附或釋放，隨著這種水分子的吸附或釋放，高分子的介電系數(shù)將發(fā)生相應的變化。由于介電系數(shù)隨空氣的相對濕度變化而變化，所以只要測定電容C值就可得到相對濕度。

HS1101是基于獨特工藝設計的固態(tài)聚合物結構，在電路中等效于一個電容器，其電容隨所測空氣的相對濕度增大而增大。具有極好的線性輸出，在相對濕度為0～100％RH的范圍內，電容的容量由163 pF變化到202 pF，其誤差不大于±2％RH；濕度量程為1～99％RH，工作溫度范圍為-40℃～100℃；濕度輸出受溫度影響極小(溫度系數(shù)僅為0.04 pF／℃)；常溫下使用無需溫度補償，無需校準。

3.2.3 煙霧檢測電路設計

煙霧傳感器是氣體敏感元件，它遇可燃性氣體時會產生特殊效應，從而達到檢測煙霧的目的?，F(xiàn)在大多數(shù)煙霧傳感器都需要預熱，而且功耗大、結構復雜，但是SS-1煙霧傳感器則無需預熱，并具有工藝結構簡單、功耗小、成本低、靈敏穩(wěn)定、壽命長等特點。該傳感器工作電壓為6 V～12 V，靜態(tài)功耗小于0.2 W，環(huán)境條件：溫度范圍為-30℃～+50℃的相對濕度≤95％，清潔空氣中電阻RL上的電壓：V1≤2.5 V，標定氣體中RL上的電壓(0.2％的LPG)：V2≥5 V。

3.3 通信電路設計

通信電路采用RS485總線協(xié)議實現(xiàn)與PC機的通信。單片機將采集到的溫濕度數(shù)據通過RS485總線輸送給上位機(PC機)進行實時記錄。由于PC機只能用RS232協(xié)議進行通信，因此需要采用一個RS485和RS232的電平轉換電路，該電平轉換電路主要包括電源、RS232電平轉換、RS485電路三部分。

3.4 顯示電路設計

顯示電路采用5個七段數(shù)碼管動態(tài)顯示，顯示結果清晰。其中第一個數(shù)碼管用于系統(tǒng)標定，即顯示當前系統(tǒng)的工作狀態(tài)；第二、三個數(shù)碼管顯示溫濕度的分組，即所顯示的數(shù)據就是哪組溫度傳感器或哪個濕度傳感器；第四、五個數(shù)碼管用于顯示溫度的給定值、溫度檢測值和濕度檢測值。其驅動電路圖如圖4所示。

在七段數(shù)碼管的掃描過程中，任意時刻只有一個數(shù)碼管被點亮，顯示時間很短(僅1ms～3 ms)，并且是循環(huán)顯示。由于人眼的視覺暫留效應，在顯示刷新很快的時候，可以認為全部數(shù)碼管持續(xù)點亮。

3.5 鍵盤電路設計

鍵盤是計算機系統(tǒng)中最常用的輸入設備之一，用戶可以通過它向計算機輸入指令和數(shù)據。計算機系統(tǒng)中的鍵盤按其連接方式的不同，可以分為非矩陣式鍵盤和矩陣式鍵盤兩類。本系統(tǒng)由于功能的需要，并沒有采用傳統(tǒng)的行列掃描式矩陣鍵盤，而是采用了端口掃描檢測高低電平的方法。

ATmega16單片機有32個外部I／O端口資源。除去溫度傳感器4個I／O端口、濕度傳感器3個I／O端口、LED顯示13個I／O端口、煙霧傳感器1個I／O端口以及電機控制1個端口，該系統(tǒng)只需要4個按鍵，其功能分別為設置、移位、自加和確認。其查詢接口電路如圖5所示。

4 結束語

實踐表明，該系統(tǒng)能夠對溫度、濕度、煙霧進行檢測，同時也能控制電機與蜂鳴器；能夠判斷各個溫度區(qū)域內平均溫度值是否超過所允許的溫度范圍，也能顯示各個區(qū)域內的溫度平均值和濕度值。因此，糧情檢測系統(tǒng)具有穩(wěn)定性好、精度高等特點，具有一定的應用價值。