2022年仓库温湿度监测系统设计方案.docx

摘要： 随着电子科技的快速进展，对仓库温湿度监测系统的要求不断增高，从而也促进自动检测系统的快速进展，本文具体表达一个运算机多路温湿度自动检测系统的总体结构,设计原就及具体性能指标；由于系统具有较高的精度,反应速度快及可以多路远距离集中监测, 在环境测量方面具有很好的应用前景；关键词： 运算机掌握系统；温度；相度湿度；监测Abstract：The abstract along with the electronic technology rapid development, advances uncea singly to the warehouse humiture monitor system request, thus also promotes the auto matic detection system rapid development, this article in detail to narrate a computer multi-channel humiture automatic detection system overall structure, the principle of designand the concrete performance index. Because the system has the high precision, the re action rate quick and may the multi-channel long-distance range centralism monitor, has the very good application prospect in the environment survey side.Key word: The computer control system；the temperature； examines the humidity； the monitor； the multichannel1 绪论1.1 选题背景防潮、防霉、防腐、防爆是仓库日常工作的重要内容，是衡量仓库治理质量的重要指标；它直接影响到储备物资的使用寿命和工作牢靠性；为保证日常工作的顺当进行，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劲、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、使用便利且测量精确的温湿度测量仪；1.2 设计过程及工艺要求（1） 基本功能；检测温度、湿度；显示温度、湿度；过限报警；（2） 主要技术参数温度检测范畴： -30 -+50 ；测量精度： 0.5；湿度检测范畴： 10%-100%RH ；检测精度： 1%RH ；显示方式：温度：四位显示湿度：四位显示；报警方式：三极管驱动的蜂鸣音报警；2 设计方案当将单片机用作测控系统时，系统总要有被测信号懂得输入通道，由运算机拾取必要的输入信息；对于测量系统而言，如何精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掌握条件的监察也是不行缺少的环节；传感器是实现测量与掌握的首要环节，是测控系统的关键部件，假如没有传感器对原始被测信号进行精确牢靠的捕获和转换，一切精确的测量和掌握都将无法实现；工业生产过程的自动化测量和掌握，几乎主要依靠各种传感器来检测和掌握生产过程中的各种量，使设备和系统正常运行在正确状态，从而保证生产的高效率和高质量；2.1 温度传感器采纳 AD590 ，它的测温范畴在 -55 +150 之间，而且精度高； M 档在测温范畴内非线性误差为± 0.3； AD590 可以承担 44V 正向电压和 20V 反向电压，因而器件反接也不会损坏；使用牢靠；它只需直流电源就能工作，而且，无需进行线性校正，所以使用也特别便利，借口也很简洁；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才能；AD590 的测量信号可远传百余M；2.2 湿度传感器测量空气湿度的方式许多，其原理是依据某种物质从其四周的空气吸取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四周空气的湿度；电容式、电阻式和湿涨式湿敏原件分别是依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；采纳 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，高牢靠性和长期稳固性，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，相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 10%-100%RH 范畴内；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；2.3 信号采集通道在本设计系统中，温度输入信号为8 路的模拟信号，这就需要多通道结构；采纳多路分时的模拟量输入通道，如图1 所示；图 1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） 硬件简洁，成本低；（4） 软件比较复杂；3 系统总体设计本设计是基于单片机对数字信号的高敏锐和可控性、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8031 基本系统为核心的一套检测系统，其中包括 A/D 转换、单片机、复位电路、温度检测、湿度检测、键盘及显示、报警电路、系统软件等部分的设计，总体框图如图2 所示；图 2系统总体框图本设计由信号采集、信号分析和信号处理三个部分组成的；（1） 信号采集由 AD590、HS1100及多路开关 CD4051组成；（2） 信号分析由 A/D 转换器 MC14433、单片机 8031 基本系统组成；（3） 信号处理由串行口 LED显示器和报警系统等组成；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；（1） 主要特性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；依据特性分档， 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，其电路形状如图 3（ a）所示，它采纳金属壳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（ b）所示；a、AD590的形状b、集成温度传感器的电路符号图 3集成温度传感器流过器件的电流（ A）等于器件所处环境的热力学温度（开尔文）度数，即：IT/T=1 A/K式中： IT 流过器件（ AD590）的电流，单位 A；T热力学温度，单位K；AD590的测温范畴 -55 -+150； AD590的电源电压范畴为 4V-30V；电源电压可在 4V-6V 范畴变化，电流 IT 变化 1 A，相当于温度变化 1K； AD590可以承担 44V 正向电压和 20V 反向电压，因而器件反接也不会损坏；输出电阻为 710M ；精度高； AD590共有 I 、J、K、L、M五档，其中 M档精度最高，在 -55 +150范畴内，非线性误差± 0.3 ；（2） 基本应用电路AD590用于测量热力学温度的基本应用电路；由于流过AD590的电流与热力学温度成正比，当电阻 R1 和电位器 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邻近有较高的精度；AD590应用电路如图4 所示；图 4AD590应用电路图 4AD590应用电路（3） 摄氏温度测量电路如图 4 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；最终在室温下进行校验；例如，如室 温为 25，那么 V0 应为 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许多，其原理是依据某种物质从其四周的空气吸取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四周空气的湿度；电容式、电阻式和湿涨式湿敏原件分别是依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；本设计采纳的是 HS1100/HS1101 湿度传感器；（1） HS1100/HS1101 湿度传感器的特点不需校准的完全互换性，高牢靠性和长期稳固性，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，相宜于制造流水线上的自动插件和自动装配过程等；图5a 为湿敏电容工作的温、湿度范畴；图5b 为湿度 - 电容响应曲线 ；a、湿敏电容工作的温、湿度范畴b、湿度- 电容响应曲线图5湿敏电容特性相对湿度在 10%-100%RH 范畴内；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 0.04pF/ ；可见精度是较高的；（2） 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；将该湿敏电容置于运放与阻容组成的桥式振荡电路中，所产生的正弦波电压信号经整流、直流放大、再A/D 转换为数字信号 , 将电容的变化量精确地转变为运算机易于接受的信号；3.1.3 多路开关在本设计中，由于采纳了温湿度双量掌握，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；本设计选用的是 CD4051多路开关，它是一种单片、COM、S 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，分别加上掌握的8 个 COMS模拟开关 TG组成； CD4051的内部原理框图如图6 所示；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，就为公共输出端；作为输入时，就为输入端； A、B、C（ 11、10、9）：地址引脚；INH（ 6）：禁止输入引脚；如INH 为高电平，就为禁止各通道和输出端OUT/IN 接至；如INH 为低电平，就答应各通道按表1 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，通常接+5V 或-5V ；图 6、CD4051的内部原理框图CD4051作为 8 选 1 功能时，如 A、 B、C 均为规律“ 0”（ INH=0），就地址码 00013 经译码后使输出端 OUT/IN 和通道 0 接通；其它情形下，输出端 OUT/IN 输出端 OUT/IN 和各通道的接通关系如下表 1 所示；3.2 信号分析与处理3.2 信号分析与处理3.2.1 A/D 转换（1） 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，辨论率达 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，应选用多路挑选电子开关，可输入多路模拟量；（2） MC14433A/D转换器件简介MC14433是三位半双积分型的A/D 转换器，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，被广泛采纳； MC14433A/D转换器与国内产品5G14433完全相同，可以互换； MC14433A/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；3.2.2单片机 8031为了设计此系统，我们采纳了8031 单片机作为掌握芯片，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 / 数转换成为运算机能识别的数字信号，再送入运算机系统的相应端口；由于 8031 中无片内 ROM，且数据储备器也不能满意要求，经扩展2762 和 6264 来达到储备器的要求，其结果通过显示器来进行显示输出；（1） 8031 的片内结构8031 是有 8 个部件组成，即 CPU，时钟电路，数据储备器，并行口（P0 P3）串行口，定时计数器和中断系统，它们均由单一总线连接并被集成在一块半导体芯片上，即组成了单片微型运算机， 8031 就是 MCS-51系列单片机中的一种；基本组成如图7 所示；图 78031 基本组成CPU中心处理器：中心处理器是8031 的核心，它的功能是产生掌握信号，把数据从储备器或输入口送到CPU或 CPU数据写入储备器或送到输出端口；仍可以对数据进行规律和算术的运算；时钟电路：8031 内部有一个频率最大为12MHZ的时钟电路，它为单片机产生时钟序列，需要外接石英晶体做振荡器和微调电容；内存：内部储备器可分做程序储备器和数据储备器，但在8031 中无片内程序储备器；定时 / 计数器：8031 有两个 16 位的定时 / 计数器，每个定时器 / 计数器都可以设置成定时的方式和计数的方式，但只能用其中的一个功能，以定时或计数结果对运算机进行掌握；并行 I/O 口：MCS-51有四个 8 位的并行 I/O 口， P0，P1， P2，P3，以实现数据的并行输出；串行口：它有一个全双工的串行口，它可以实现运算机间或单片机同其它外设之间的通信，该并行口功能较强，可以做为全双工异步通讯的收发器也可以作为同步移位器用；中断掌握系统：8031 有五个中断源，既外部中断两个，定时计数中断两个，串行中断一个，全部的中断分为高和低的两个输出级；（2） 8031 程序储备器MCS-51系列单片机的内部ROM是不同的， 8051 有 4K 的 ROM，而 8751 就是 4K 光可擦写 EPRO，M 而我们所采纳的8031 就没有片内的 ROM，但是无论那种型号的芯片都可以在片外扩展多达 64K 的片外程序储备器，外部程序储备器扩展的大小以满意系统要求即可，或有特别要求或为了以后升级便利采纳大容量的片外程序储备器；当外接程序储备器的时候，单片机通过 P2 口和 P0 口输出 16 位的地址，即可寻址的外部程序储备器单元的地址，使用ALE作为低 8 位地址锁存器信号，再由P0 口读回指令的代码，用PSEN非作为外部程序储备器的选通信号；单片机有一个程序计数器PC，它始终存着 CPU要读取的机器码的所在地址，单片机工作时， PC自动加一，此时程序开头次序执行，由于单片机程序拜访空间是 64K，故需要 16条地址线，当接“ 0”就 8031 在片外程序储备器中读取指令，此时片外程序储备器从0000H 开头编址，由于 8031 无片内程序储备器，故在此系统中必需接地使 CPU到外部ROM中去寻址；在程序储备器中有六个单元有特定的含义：0000H 单元：单片机复位后，PC=0000H即从今处开头执行指令；0003H 单元：外部中断 0 入口地址；000BH单元：定时器 0 溢出中断入口地址；0013H 单元：外部中断 1 入口地址；001BH单元：定时器溢出中断入口地址；0023H 单元：串行口中断入口地址；（3） 8031 数据储备器数据储备器用于存放运算中间的结果、数据暂存、缓冲、标志位、待测程序等功能；片内的 128B 的 RAM地址为 00H 7FH，供用户做 RAM用，但是在这中间的前32 单元， 00H 1FH即引用地址寻址做用户RAM用，经常做工作寄存器区，分做四组，每组由8 个单元组成通用寄存器R0 R7，任何时候都由其中一组作为当前工作寄存器，通过RS0， RS1 的内容来打算挑选哪一个工作寄存器；低 128 字节中的 20H 2FH 共 16 字节可用位寻址方式拜访各位，共128 个位地址， 30H 7FH共 80 个单元为用户 RAM区，作堆栈或数据缓冲用，片内RAM不够用时，须扩展片外数据储备器；此时单片机通过P2 口和 P0 口选出 6 位地址，使用 ALE作低 8 位的锁存信号， 再由 P0 口写入或读出数据；写时用，读时用做外部数据储备器的选通信号；（4） 特别功能寄存器 SFR8031 有 21 个专用寄存器，他们是用来治理CPU和 I/O 口以及内部规律部件的，在指令中专用寄存器是以储备单元方式被读写的，专用寄存器虽出名称，但寻址时都做专用寄存器用，它们的地址是与片内RAM的地址相连的；下面就专用寄存器作以简洁的介绍： 累加器 A：在绝大多数情形下它参加运算的一方并存放运算的结果；寄存器 B：进行乘除运算时，寄存器B 有特定的用途，在乘时存放一个乘数以及积的最高位， A 中存放另一个乘数以及积的低位；除法时，B 中存放除数及余数，而在A 中存放被除数和商，其他情形可作为一般寄存器用；堆栈指针 SP：在子程序调用或中断时，用来暂存数据和地址，它按先进后出的原就储备数据，它是一个八位寄存器它指出堆栈顶部在片内RAM中的位置，系统复位后，SP 变成07H，使堆栈从 00 单元开头；数据指针 DPTR：由两个字节组成， DPH字地址由 83H， DPL由 82H，存放一个 16 位的二进制数做地址用；程序状态 PSW：七位用来表征各种标志，另一位无意义；CACFORS1RS0OVPC：进位标志位，用于表示加减运算时最高位有无进位和借位，在加法运算中，如累加器最高位有进位就CY=1，否就 CY=0，在减法时就有借位CY=1，否就 CY=0，在执行算术规律运算时可以被硬件或软件置位或清除，CPU在进行移位操作也会影响该位；AC：当进行加法或减法运算时并产生由低四位向高四位的进位或借位时，AC置 1，否就清0；如 AC=0时就在加减过程中A3 没有向 A4 进位或借位，否就正好相反；F0： F0 常不是由机器来指令执行中形成的，而是用户依据程序的需要进行设置的，这个位一经确定就可通过软件测试来打算用户程序的流向；RS1， RS0：8031 有四个 8 位工作寄存器R0 R7，用户可以转变 RS1和 RS0的状态来打算R0 R7 的物理地址；OV：用以指示运算是否发生溢出，由机器执行指令自动形成，如机器在执行指令过程中累加器 A 超过 8 位，就 OV=1否就为 0；P：用来来表示累加器A 中的值为 1 的二进制位的奇偶数，如1的个数为奇数 P=1，为偶数 P=0；在串行通信中常用奇偶校验数据传输结果的正确性；（5） 工作方式它的工作方式可以分做复位，掉电和低功耗方式等；本设计采纳的是复位方式；当 MCS-5l 系列单片机的复位引脚RST全称 RESET显现 2 个机器周期以上的高电平常，单片机就执行复位操作；假如RST连续为高电平，单片机就处于循环复位状态；依据应用的要求，复位操作通常有两种基本形式：上电复位和上电或开关复位；上电复位要求接通电源后，自动实现复位操作；常用的上电复位电路如图8a 中左图所示；图中电容 C1和电阻 R1 对电源十 5V 来说构成微分电路；上电后，保持RST一段高电平常间， 由于单片机内的等效电阻的作用，不用图中电阻R1，也能达到上电复位的操作功能，如图8a 中所示；上电或开关复位要求电源接通后，单片机自动复位，并且在单片机运行期间，用开关操作也能使单片机复位；常用的上电或开关复位电路如图8b 所示；上电后，由于电容C3 的充电和反相门的作用，使RST连续一段时间的高电平；当单片机已在运行当中时，按下复位键K 后松开，也能使 RST为一段时间的高电平，从而实现上电或开关复位的操作；（ a）上电复位电路b 上电或开关复位电路图 8单片机的复位电路依据实际操作的体会，下面给出这两种复位电路的电容、电阻参考值；图 8（ a 中： Cl10-30uF ，R1 1k图 8（ b 中： C 1uF， Rl lk ， R2 10k3.3 显示与报警的设计3.3.1 显示电路在单片机应用系统设计中，一般都是把键盘和显示器放在一起考虑；本设计是利用8031 的串行口实现键盘 / 显示器接口；当 8031 的串行口未作它用时，使用8031 的串行口来外扩键盘 / 显示器；应用8031 的串行口方式 0 的输出方式，在串行口外接移位寄存器74LS164，构成键盘 / 显示器接口 ；3.3.2 报警电路本设计采纳峰鸣音报警电路；峰鸣音报警接口电路的设计只需购买市售的压电式蜂鸣器，然后通过 MCS-51的 1 根口线经驱动器驱动蜂鸣音发声；压电式蜂鸣器约需10mA的驱动电流，可以使用TTL 系列集成电路7406 或 7407 低电平驱动，也可以用一个晶体三极管驱动；在图中， P3.2 接晶体管基极输入端；当P3.2 输出高电平“ 1”时，晶体管导通，压电蜂鸣器两端获得约 +5V电压而鸣叫；当P3.2 输出低电平“ 0”时，三极管截止，蜂鸣器停止发声；三极管驱动的峰鸣音报警电路如图9 所示；图 9三极管驱动的峰鸣音报警电路4 软件设计温度掌握主程序的设计应考虑以下问题：（1）键盘扫描、键码识别和温度显示；（2）温湿度采样，数字滤波；（3）越限报警和处理；（ 5）温度标度转换；通常，符合上述功能的温度掌握程序由主程序和T0 中断服务程序两部分组成；这里所需要留意的是标度变换，下面简洁的介绍一下标度变换：标度变换：目的是要把实际采样的二进制值转换成BCD形式的温度值，然后存放到显示缓冲区 34H-3BH；对一般线性外表来说，标度变换公式为：式中： A0 为一次测量外表的下限；Am为一次测量外表的上限；AX为实际测量值；N0 为外表下限所对应的数字量；Nm为外表上限所对应的数字量；NX为测量所得数字量；主程序流程图：5 结语随着电子科技的快速进展，对仓库温湿度监测系统的要求不断增高，我们需要一种造价低廉、使用便利且测量精确的温湿度测量仪；证明出其具有较高的工作效率和良好的牢靠性，是一种性价比较高的产品；通过这次毕业设计我学到了许多, 把我这几年所学的学问又系统的复习了一遍；参 考 文 献1 张琳娜，刘武发传感检测技术及应用中国计量出版社，19992 沈德金，陈粤初 MCS-51系列单片机接口电路与应用程序实例北京航空航天高校出版社 ,19903 李志全等 . 智能外表设计原理及应用. 国防工业出版社 ,1998.64 李建民 . 单片机在温度掌握系统中的应用. 江汉高校学报 ,1996.65 潘其光 . 常用测温外表技术问答. 国防工业出版社 ,1989 6潘立民 , 王燕芳 . 微型运算机掌握技术 . 人民邮电出版社 ,1990 6潘立民 , 王燕芳 . 微型运算机掌握技术 . 人民邮电出版社 ,19907 陈汝全 . 有用微机与单片机掌握技术. 电子科技高校出版社,1995.78 刘笃仁、韩保君. 传感器原理及应用技术；机械工业出版社，2003.89 杨振江等 . 智能仪器与数据采集系统中的新器件及应用. 西安电子科技高校出版社， 2001.12