粮仓温湿度综合参数监测仪的设计

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 good food prerequisites, with China's accession to the WTO and food market gradually open, store largeamounts 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 description 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, monitoring 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 major ponents: the granary monitoring systems, sub-station system, PC host puter 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 puter system to achieve the overall 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I
AbstractII
1 引言1
1.1研究的背景和意义1
1.2国内外粮仓技术现状2
1. 2 .1按温度传感器分类3
1.2.2 按通讯方式分类4
1.3粮仓监测系统的发展趋势6
l.4本文的主要工作6
2 方案的选定及论证7
2.1 温度传感器的选择7
2.2 湿度传感器的选择7
2.3 信号采集通道的选择8
2.4 系统设计及技术要求8
2.4.1系统基本功能8
2.4.2 系统主要技术要求8
3系统总体设计9
3.1 信号采集11
3.1.1 温度传感器11
3.1.2 湿度传感器12
3.2 信号的分析与处理14
3.2.1 多路开关14
3.2.2 A/D转换16
3.2.3 单片机AT89S5119
3.3 分站信息的分析与处理26
3.3.1 分站主控单片机MSP430F14926
3.3.2 单片机与PC机和粮仓测控器通信电路31
3.4 RS485总线通信32
3.4.1 RS485总线的特点32
3.4.2 RS485总线的构成及工作方式32
3.4.3 RS485长距离传输特性33
4 程序设计34
4.1 粮仓测控器程序设计34
4.2 分站程序设计35
4.3 各部分程序分析36
4.3.1 复位初始化子程序36
4.3.2读出转化后温/湿度值的子程序37
4.3.2 写温/湿度子程序37
4.3.3 读温/湿度子程序38
结论39
致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
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，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2-3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X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XX分的关系。

用该模型编制电算程序，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，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X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3～4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X围为-55℃～+125℃，检测精度为±O 5℃。

Dsl8B20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/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X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
①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。

②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、X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。

⑨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：
①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，
②设计粮仓温湿度综合参数监控系统的整体组成方案，
③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。

④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X围在-55℃～+150℃之间，而且精度高。

M挡在测温X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%RHX 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。

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X围：-30℃-+50℃。