仓库温湿度控制调查研究报告

本科生毕业论文(设计)调研报告书
题目: 智能仓库控制系统设计
学生XX: 王枭
学号: 6
专业班级: 建筑电气与智能化11102班
指导老师: 敖章洪
完成时间：2014年12月12 日
智能仓库控制系统设计
一、主要目标任务
设计一智能仓库控制系统，包括硬件电路和软件编程，硬件电路可选单片机或PLC，软件部分包括流程图和程序。

通过使用实验室的已有的PLC、单片机等实验设备设计智能仓库控制系统，能够显示并控制仓库的温湿度，当温度异常时，能进行报警。

进一步巩固所学专业知识，通过设计，将所学的知识综合运用，增强动手能力、创新能力和综合分析能力，学会专业软件的应用，能熟练的使用计算机。

二、技术性能指标
根据系统设计任务书及生活实际的需要，确定本产品的主要性能指标为：
（1）温度测量X围：－20—＋45℃；
（2）湿度测量X围：0—100%Rh；
（3）温度测量精度：±0.01ºC；
（4）湿度测量误差：≤5%Rh；
（5）电源电压的工作X围：DC4.5～5.5V；
由用户自主设定温度、湿度值，当温度、湿度不正常（超出或者低于预设值）时，由蜂鸣器发出报警信号。

三、简要工作原理
根据系统设计的总体要求及上述的分析，本次选择如下的方案：整个系统由控制芯片AT89S51、温湿度传感器、液晶显示模块、蜂鸣器、看门狗以及温湿度调节系统等6 部分组成。

用户预先设定并输入温度、湿度报警值到程序中,该值
作为系统阈值；温湿度传感器将监测值传输给单片机，当单片机监测到的数值超出所设定阈值时,驱动蜂鸣器报警,并为温湿度调节系统提供控制信号,由此实现自动控制。

该温湿度测控系统以温湿度监控为重点，温湿度参数和设备运行状态由用户根据仓库存储要求自行设定，并在液晶显示屏上显示当前的温湿度信息。

此控制平台主要实现现场温湿度数据的采集并实时调整环境的温湿度，AT89C2051是控制平台的核心，温湿度数据的采集通过温湿度传感器SHT11获得，当温湿度高于或者低于用户设定值时，由单片机将信号传给蜂鸣器，此时蜂鸣器报警，从而温湿度调节系统进入工作状态，控制环境温湿度并使其恢复到正常值。

四、课题文献综述
文献1《集成温度传感器的电路原理及其在测温和温控中的应用》
1）作者：游冠军
2）引言：温度传感器的发展大致经历了以下3个阶段：传统的分立式温度传感器(含敏感元件)，主要是能够进行非电量和电量之间转换；模拟集成温度传感器/控制器；智能温度传感器。

目前，国际上新型温度传感器正从模拟式向数字式、由集成化向智能化、网络化的方向发展。

3）温度传感器分类：
（1）传统的分立式温度传感器——热电偶传感器：热电偶传感器是工业测量中应用最广泛的一种温度传感器，它与被测对象直接接触，不受中间介质的影响，具有较高的精度；测量X围广，可从-50~1600℃进行连续测量,特殊的热电偶如金铁——镍铬，最低可测到-269℃，钨——铼最高可达2800℃。

（2）模拟集成温度传感器：集成传感器是采用硅半导体集成工艺制成的，
因此亦称硅传感器或单片集成温度传感器。

模拟集成温度传感器是在20世纪80年代问世的，它将温度传感器集成在一个芯片上、可完成温度测量及模拟信号输出等功能。

模拟集成温度传感器的主要特点是功能单一（仅测量温度）、测温误差小、价格低、响应速度快、传输距离远、体积小、微功耗等，适合远距离测温，不需要进行非线性校准，外围电路简单。

（3）智能温度传感器：智能温度传感器(亦称数字温度传感器）是在20世纪90年代中期问世的。

它是微电子技术、计算机技术和自动测试技术的结晶。

目前，国际上已开发出多种智能温度传感器系列产品。

智能温度传感器内部包含温度传感器、A/D传感器、信号处理器、存储器（或寄存器）和接口电路。

有的产品还带多路选择器、中央控制器（CPU）、随机存取存储器（RAM）和只读存储器（ROM）。

智能温度传感器能输出温度数据及相关的温度控制量，适配各种微控制器（MCU），并且可通过软件来实现测试功能，即智能化取决于软件的开发水平。

智能温度传感器包括数字温度传感器和石英温度传感器。

数字温度传感器被广泛应用于工业控制、电子测温计、医疗仪器等各种温度控制系统中。

用石英作为温度传感器的数字温度计可实现多种功能：用于热化疗仪中对药液的温度进行测量，能获得较好的测温效果；用于温度检测系统，测温系统可用于各行各业中。

文献2《基于单片机的智能系统设计与实现》
1）编著：电子工业
2）应用背景及需求：
微处理器早已广泛应用于多种领域，尤其是在智能仪器仪表中的应用更是如此，不仅引起了产品本身的变革，也深深地影响了设计理念的变革。

智能仪器仪
表作为一种智能系统，其核心在于微处理器。

基于微处理器的智能系统设计，已经成为广大电子设计工程师或相关领域设计者关注的热点。

由于智能系统面向不同的应用领域，采用不同的实现途径，使用不同的开发技术，涉及不同的学科背景，因此其设计调试过程往往是复杂而且痛苦的。

智能系统是一个复杂系统，一般包含微处理器、按键与显示人机界面、A/D 转换、D/A转换等基本功能部件，同时也可能包含与应用领域相关的其他特殊部件。

由于具体的系统对每一种部件有不同的要求，决定了其实现形式的多样性。

智能系统一般需要在恶劣工况下长期连续运行，因此在满足功能的基础上，其可靠性也成为一个需要重点关注的问题。

在多年的设计实践中，作者积累了许多可以引以为鉴的经验，摸索出了许多在智能系统设计中的共性问题，按照“完整性、公开性、实践性、典型性”的成稿原则，力图将这些毫无保留地体现在著作中。

作者相信，书中涉及的许多设计理念、实现方法以及具体方案必将对阅读者产生重要影响。

文献3《单片机课程设计指导》
1)编著：航空航天大学
2)AT89S51介绍：AT89S51是一个低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含4k Bytes ISP(In-system programmable)的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISP Flash存储单元，AT89S51在众多嵌入式控制应用系统中得到广泛应用和认可，AT89S51具有以下几个标准功能：它是4k Bytes Flash片内程序存储器128 bytes 的随机存取数据存储器（RAM）；32个外部双向输入/输出（I/O）口；2个中断
优先级、2层中断嵌套中断；5个中断源；2个16位可编程定时器/计数器；两个全双工串行通信口；看门狗（WDT）电路；片内振荡器和时钟电路；与MCS-51兼容；、全静态工作：0Hz-33MHz；三级程序存储器XX锁定；可编程串行通道；低功耗的闲置和掉电模式。

3)AT89S51单片机的优势：具有强大的性能优势和强大的工控能力,AT
89S51系列单片机编写程序的基本流程其语法结构与我们常用的计算机C语言基本相同，所以易于学习,AT89S51芯片价格便宜，适合对大批量的计量仪器进行规模化改造。

文献4《I^2C总线数字式温湿度传感器SHT11及其在单片机系统的应用》1）编著：《国外电子元器件》
2）摘要：SHT11是瑞士Sensirion公司生产的具有I2C总线接口的单片全校准数字式相对湿度和温度传感器.该传感器采用独特的CMOSensTM技术,具有数字式输出、免调试、免标定、免外围电路及全互换的特点.文中对传感器的性能特点、接口时序与命令进行了详细的阐述,给出了SHT11与单片机的接口电路及相应程序.
3)性能特点：
（1）将温湿度传感器、信号放大调理、Ａ／Ｄ转换、Ｉ２Ｃ总线接口全部集成于一芯片；
（2）可给出全校准相对湿度及温度值输出；
（3）带有工业标准的Ｉ２Ｃ总线数字输出接口；
（4）具有露点值计算输出功能；
（5）具有卓越的长期稳定性；
（6）湿度值输出分辨率为１４位，温度值输出分辨率为１２位，并可编程为１２位和８位；
（7）小体积（７．６５×５．０８×２３．５ｍｍ），可表面贴装；
（8）具有可靠的ＣＲＣ数据传输校验功能；
（9）片内装载的校准系数可保证１００％互换性；
（10）电源电压X围为２．４～５．５Ｖ；
（11）电流消耗测量时为５５０μＡ，平均为２８μＡ，休眠时为３Ａ。

4）总结：温湿度的测量在仓库储存管理、生产制造、气象观测、科学研究以及日常使用中被广泛应用，传统模拟式湿度传感器一般都要设计信号调理电路并需要经过复杂的校准和标定过程，因此测量精度难以保证。

SHT11是瑞士Sensirion公司生产的基于独特的CMOSensTM技术的新型温湿度传感器，可以避免传统温湿度传感器的不足之处，在温湿度的测量具有高准确性。

文献5《基于信息融合技术和DSP实现的温湿度控制系统设计》
1）编著：《XX大学自然科学学报》
2）摘要：信息融合技术是智能信息处理中的一个重要环节,多传感器信息融合可以充分提取对象的信息特征。

采用信息融合技术,对温室温、湿度信号进行融合,得到温室控制信号，并用DSP(数字信号处理器)实现对温、湿度的控制。

3）DSP设计的温湿度控制系统发展：利用DSP强大的高速运算能力，以及其片内集成的丰富的控制外围部件和电路,从而简化了电路的硬件设计,可以实现各种控制算法和控制策略,并通过异步串行通信接口来读取用户所需要的数据,便于用户分析实验结果。

此外，还具有脱离DSP的高温硬件保护功能．可消除由于DSP系统意外失控所造成的系统超温危险，提高了温度控制系统工作的可靠
性和使用安全性。

信号采集电路是温度控制系统的重要组成部分．其对温度测量的精确性直接影响整个温度控制系统的精度。

4）系统硬件：由数据处理单元(DSP)、人机接口单元、上层监控单元组成。

DSP单元主要完成数据的采集和大量的数学运算，发挥运算能力强的特点。

人机接口承担着键盘的响应和负责液晶的显示以及与监控中心的通讯，通过人机接口单元的控制，还可以使得PC机能够直接和DSP进行通信，人机接口单元还可以通过网卡将数据送到监控中心，监控中心记录并详细分析数据。

5）总结：由于在温度测量过程中，不可避免的由于外界因素的干扰而造成温度信号的上下波动，从而造成测量结果的不准确。

而该控制系统充分考虑到了信息数据的处理，对温度、湿度信号进行融合计算，通过多组数据的记录和计算，得到一个较为准确温湿度信号，并结合了DSP对温湿度的调节进行有效的控制，从而达到了良好的控制效果。

文献6《浅析智能温湿度控制系统发展》
1）编著：《XX科技信息》
2）摘要：随着现代农业的快速发展,大棚温室栽培为人们提供了许许多多的绿色健康的农产品,大力开发温室栽培作物可以为社会创造良好的社会效益和经济效益,而温室的智能控制系统将直接影响温室栽培作物的产量和质量,近年来,
单片机技术和各种传感器技术的快速发展使得温室智能控制系统更加完善,虽然现在很多大型农场对于温室的智能控制系统有了一定的应用,但由于其高昂的成本还是不能全面普及到一些偏远的小农场.针对这一实际情况,开发一套低廉且高性能的温室温湿度控制系统,在郊区和一些小农场具有非常广泛的应用前景和实际意义。

3）温湿度控制系统的缺陷：现在社会越来越多的实验都是在严格要求的环境下进行的，而温度和湿度是实验室最基本的环境条件，也是对实验影响较大的因素一般温湿度控制系统中的温湿度测量均采用热敏电阻与湿敏电容，这种传统的模拟式温湿度传感器一般都需要设计信号调理电路并经过复杂的校准和标定过程，因此测量精度难以保证，且在线性度、重复性、互换性等方面也存在一定问题。

这种传感器只适合那些测量点数较少，对精度要求不高的场合。

因此设计出一款精度高、稳定好、成本低的温湿度检测控制系统将具有一定的市场。

（1）精度不足
早在18世纪人类就发明了干湿球和毛发湿度计，传统方法是使用湿度表、毛发湿度表、双金属式测量计湿度试纸等测试器材，再进行人工检测，对不达标的库房进行人工通风、加湿、降温等操作。

其操作方式费时费力，控制效果也可想而知。

随着时代的发展，科研、农业、暖通、纺织、机房、航空航天、电力等工业部门，越来越需要采用湿度传感器，对产品质量的要求越来越高，对环境温、湿度的控制以及对工业材料水份值的监测与分析都已成为比较普遍的技术条件之一。

（2）成本高
普通的控制器是一个整体的模块，无法把某个部件用具有相同功能不同接口的其他部件替代，如果要更换某个局部功能只有更换整个控制器，而这样就增加了维护、升级的成本。

故障判断不便。

在检修某些特殊故障时，无法准确地判断控制器的故障。

4）解决办法：提高精度、降低成本。

5）结论：电子产品自二十世纪发展最迅速应用最广泛，是近代科学发展的
一个重要环节，也是传感器发展空间得以升华的根源。

传感器整体发展目前处于高端产品进口比例严重、竞争激烈的状态下，温湿度传感器的发展同样也会面临着这样的困境，但这并不代表着传感器的发展会束缚在传统的发展模式下。

传感器的应用不仅是时代进步的产物，更是智能时代前进的助推力。

随着消费电子领域和物联网领域的不断展，温湿度传感器的应用领域也会不断的有所延伸。

文献7《单片机发展的新动态》
1）编著：纪宗南
2）摘要：单片机，亦称单片微电脑或单片微型计算机。

它集成度高、体积小、功能强、速度快、功耗低、抗干扰能力强、使用方便、性价比高、容易产品化。

在很多行业得到广泛应用于智能仪器仪表、工业测控、家电、汽车、航空航天器等。

3）发展动态：
（1）低功耗S化
随着对单片机功耗的要求越来越低，现在的各个单片机制造商基本都采用了S（互补金属氧化物半导体工艺）。

80C51就采用了HMOS（高密度金属氧化物半导体工艺）和CHMOS（互补高密度金属氧化物半导体工艺）。

S虽然功耗较低，但由于放弃物理特征决定其工作速度不够高，而CHMOS则具备了高速和低功耗的特点，这些特征，更适合在要求低功耗，电池供电的应用场合。

所以这种工艺僵尸今后一段时期单片机发展的主要途径。

（2）微型单片化
现在常规的单片机普遍都是将中央处理器（CPU）、随机存取数据存储（RAM）、只读程序存储器（ROM）、并行和串行通信接口、中断系统、定是电
路、时钟电路集成在一块单一的芯片上，增强型的单片集成了如A/D转换器、PMW （脉宽调制电路、有些单片机将LCD（液晶）驱动电路都集成在单一的芯片上，这样单片机包含的单元电路就更多，功能就越强大。

甚至单片机厂商还可以根据用户的要求量身定做，制造具有自己特色的单片机芯片。

此外，现在的产品普遍要求体积小、重量轻，这就要求单片机出了功能强和功耗低之外，还要求体积要小。

现在的许多胆前级都有具有多种封装形式，其中SMD（表面封装）越来越受欢迎，使得由单片机构成的系统正朝微型化方向发展。

（3）主流与多品种共存
现在虽然单片机的品种繁多，各具特色，但仍以80C51为核心的单片机占主流，而其他公司的产品也会占有一席之地。

在一定时期内，这种情形将得以延续，将不存在某个单片机一统天下的垄断局面。

（4）大容量、高性能
以往单片机内的ROM为1KB~4KB，RAM为64~128B。

但在需要复杂控制的场合，该存储容量是不够的必须进行外界补充。

为了适应这种领域的要求，与运用新的工艺，使片内存储器大容量化。

目前，单片机内ROM最大可达64KB，RAM 最大为2KB。

另外单片机进一步改变了CPU的性能，加快指令运算的速度和提高系统控制的可靠性。

采用精简指令集（RISC）结构和流水线技术，可以大幅提高运行速度。

（5）串行扩展技术
在很长一段时间内，通用型单片机通过三总线结构扩展外围器件成为单片机应用的主流结构。

随着低价位OTP（One Time Programmable）及各种特殊类型片内程序存储器的发展，加之外围接口不断进入片内，推动了单片机“单片”应用结构
的发展。

特别是I2C、SPI等串行总线的引入，可以使单片机的引脚设计的更少，单片机系统结构更加简化及规X化。

文献8《单片机与可编程控制器》
1）编著：朱家建
2）引言：以我国广泛使用的MCS-51系列8位单片微机和FX2系列可编程控制器为对象，介绍了它们的内部结构、工作原理、指令系统和编程方法，重点介绍了单片机的实用接口技术以及可编程控制器在工业控制系统中的实际应用，为构成多种工业生产过程控制系统奠定了基础。

3）概念：单片机可编程控制器是一种以计算机技术为基础的新型工业控制装置。

它实际上是PLC序逻辑控制器(Programmable logic Controller)的一种。

同一般PLC有所不同的是，它采用支持通用的C语言或者汇编语言的处理器，通过循环扫描来处理逻辑语言语句的方式来处理数字或模拟式输入/输出，控制各种类型的机械或生产过程。

4）工作原理：三菱FX系列PLC控制的温度控制系统，由PLC作为核心构成的系统可方便地运用软件设置、调整参数，利用模拟功能模块和功能指令，在外围电路的配合下实现温度模拟信号采集、Ａ／Ｄ转换与处理。

5）应用前景：温度控制系统广泛运用在工业控制的各个领域，温控系统控制方法的好坏、运行性能的合适与否，直接影响到产品质量、运行效率等。

PLC在温度控制系统中得到了有效的运用，为温控系统提供安全可靠和比较完善的解决方案。

三菱FX系列PLC控制的温度控制系统，由PLC作为核心构成的系统可方便地运用软件设置、调整参数，利用模拟功能模块和功能指令，在外围电路的配合下实现温度模拟信号采集、Ａ／Ｄ转换与处理。

6）总结：PLC的应用趋势向小型化、专用化方向发展，向大型化、复杂化、高功能、分散型、多层分布式工厂自动化网络方向发展和编程语言和编程工具朝着标准化和高级化方向发展。

PLC的主要优点可概括如下: 1、高可靠性2、丰富的I/O接口模块3、采用模块化结构4、编程简单易学5、安装简单，维修方便。

文献9《“看门狗”电路配套程序设计原理与技巧》
1）编著：周杏鹏
2）摘要：集中讨论了硬件电路及接口正确的“看门狗”应用电路在CPU发生程序跑飞后不能可靠翻转,从而造成系统“死机”的原因。

系统介绍了如何从根本上避免“看门狗”电路非正常失效的(配套)程序设计原理、方法与技巧。

3）工作原理：看门狗电路的应用，使单片机可以在无人状态下实现连续工作,其工作原理是:看门狗芯片和单片机的一个I/O引脚相连,该I/O引脚通过程序控制它定时地往看门狗的这个引脚上送入高电平(或低电平),这一程序语句是分散地放在单片机其他控制语句中间的，一旦单片机由于干扰造成程序跑飞后而陷入某一程序段进入死循环状态时,写看门狗引脚的程序便不能被执行,这个时候,看门狗电路就会由于得不到单片机送来的信号,便在它和单片机复位引脚相连的引脚上送出一个复位信号,使单片机发生复位,即程序从程序存储器的起始位置开始执行,这样便实现了单片机的自动复位。

4）注意事项：在系统运行以后也就启动了看门狗的计数器，看门狗就开始自动计数，如果到了一定的时间还不去清看门狗，那么看门狗计数器就会溢出从而引起看门狗中断，造成系统复位。

所以在使用有看门狗的芯片时要注意清看门狗。

5）应用背景：大多数51 系列单片机都有看门狗,当看门狗没有被定时清零时,将引起复位。

这可防止程序跑飞。

设计者必须清楚看门狗的溢出时间以决定在合
适的时候，清看门狗。

清看门狗也不能太过频繁否则会造成资源浪费。

程序正常运行时，软件每隔一定的时间(小于定时器的溢出周期)给定时器置数，即可预防溢出中断而引起的误复位。

看门狗是恢复系统的正常运行及有效的监视管理器（具有锁定光驱，锁定任何指定程序的作用，可用在家庭中防止小孩无节制地玩游戏、上网、看录像）等具有很好的应用价值.
文献10《An Automatic Measuring System Based onAtmosphericalMeasurement Used for Temperature Relay》
1)Author:HU Hong-bin
2)Abstract: For temperature relay, it is very important to measure its temperatures for action and reversion. In this paper, anautomatic measuring system based on atmospherical measurement is discussed, which is very simple andprecise in practical application. In atmospherical measurement, it is crucial to design a favorable temperaturefield. The resistance stove is designed for simulating temperature field. The even temperature is improved bylong-time warm-up and placing orifice-board in testing room. According to the enactment controllingtemperature curve, the algorithm of fuzzy control is used to control the temperature in temperature field. Theregulating voltage mode of double-direction Bi-directional thyristors is used for controlling temperature.Themeasuring precision is improved by using the minimum two-multiplication to calibrate the error. At present,the system has been practically applied in manufacture, which has gained obvious economy benefit and will bewidely applied in the future.
The automatic measuring system used for temperature relay has been checked and accepted. The critical resultis shown as follows. Thus it can be seen that the system has gained obvious economy benefit and will be widelyapplied in the future.
五、方案论证
方案一、基于单片机的仓库控制系统
整个系统由控制芯片AT89S51、温湿度传感器、液晶显示模块、蜂鸣器、看门狗以及温湿度调节系统等6 部分组成。

用户预先设定并输入温度、湿度报警值到程序中,该值作为系统阈值；温湿度传感器将监测值传输给单片机，当单片机监测到的数值超出所设定阈值时,驱动蜂鸣器报警,并为温湿度调节系统提供控制信号,由此实现自动控制。

库房温湿度测控系统的原理框图如图所示：
图1.基于单片机的温湿度测控原理框图
该温湿度测控系统以温湿度监控为重点，温湿度参数和设备运行状态由用户根据仓库存储环境要求自行设定，并在液晶显示屏上显示当前的温湿度信息。

此控制平台主要实现现场温湿度数据的采集并实时调整环境的温湿度，AT89C2051
是控制平台的核心，温湿度数据的采集通过温湿度传感器SHT11获得，当温湿度高于或者低于用户设定值时，由单片机将信号传给蜂鸣器，此时蜂鸣器报警，从而温湿度调节系统进入工作状态，控制环境温湿度并使其恢复到正常值。

方案二、基于DSP的仓库控制系统
通过选择合适的DSP芯片型号，传感器和外围电路，如复位电路，电源电路，时钟电路，信号采集电路等，实现对温度信号的采集，信号处理及温度的控制。

图2.基于DSP的温湿度测控原理框图
温度信号采集及放大电路：温度用温度传感器来测量，信号采集电路是温度控制系统的前向通道，所采集温度数据的精确性决定了温度系统的精度。

本系统采用五个温度传感器采集五路温度信号，再对这五路信号取平均值。

时钟电路：DSP芯片工作是需要外部提供合适频率的时钟信号，给DSP芯片提供时钟一般有两种方法：—种是利用DSP芯片内部提供的晶振电路，另一种方法是采用外部振荡源。

复位电路:当芯片工作时遇到问题时或工作结束时需要复位，对于实际的DSP。