基于单片机的粮仓测控系统 - 图文

辽宁工程技术大学毕业设计（论文）

0 前言

粮食是一个国家生存的根本，为了防备战争、灾荒及其它突发性事件，粮食的安全储藏具有重要意义。根据国家粮食保护法规，必须定期抽样检查粮仓各点的粮食温度与湿度，以便及时采取相应的措施，防止粮食的变质。但大部分粮仓目前还是采取人工测温的方法，这不仅使粮仓工作人员工作量增大，且工作效率低，尤其是大型粮仓的温度检测任务如不能及时彻底完成，则有可能会造成粮食大面积变质。据有关资料统计，目前，我国各个地方及垦区的各种大型粮仓都还存在着程度不同的粮食储存变质问题。我国每年因粮食变质而损失的粮食达数亿斤，直接造成的经济损失是惊人的[1]。

对粮仓粮食安全储藏的主要参数是粮仓的温度和湿度，这两者之间又是互相关联的。粮食在正常储藏过程中，含水量一般在12%以下是安全状态，不会产生温度突变，一旦粮仓进水、结露等使粮食的含水量达到20%以上时，由于粮食受潮，胚芽萌发，新陈代谢加快而产生呼吸热，使局部粮食温度突然升高，必然引起粮食“发烧”和“霉变”，并可能形成连锁反应，从而造成不可挽回的损失[2]。

此次设计的是粮仓温湿度实时检测控制系统，是对一个粮仓的温湿度进行控制，以保证粮仓储粮的安全。粮仓温湿度控制系统是以AT89S52单片机为核心构成控制系统。本课题完成了整个系统的硬件设计，提出了一种可以应用于中小型粮仓的温湿度控制系统。

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高阳： 基于单片机的粮仓测控系统设计

1 单片机粮仓的发展概况

1.1 研究的背景与意义

农业是国民经济的基础，粮食是基础的基础。近年来，随着农业科学技术的不断进步，农业生产持续而稳定地增产。农户生产粮食数量也日益增多，绝大部分农民不仅解决了温饱问题，而且有了更多的粮食。我国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面发挥着重要作用。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。长期以来由于种种原因，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，如耕地面积进一步减少，水土流失日益严重，生态平衡遭到破坏，人口仍在增长的状况。而提高粮食总产量的空间已很小，还有我国到2040年人口将达到16.6亿。根据我国现有的光、热、水、土和气候资源，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计算，16.6亿人口是我国国土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，减少粮食的储藏损失无疑是利国利民的好事，是保证国家粮食安全的大事。在这样一种大形势下，国家投资兴建了大型现代化粮库，最大粮库方圆几公里，仓库房数为数十个。由于大型粮库中粮仓的容量和粮库的规模都是前所未有的，这些因素对原有小粮库的正常运行带来了一些新问题。主要存在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时间的保存期内不变质。

21世纪，人类社会发展有三个不可能逆转的趋势：第一是人口的增长，现今世界人口已突破60亿，2050年可能达到100亿；第二是耕地逐年减少，人均占有耕地将会更少；第三是人类对社会物质生活的需求越来越高。这三个趋势必然导致粮食危机，必然会提出怎么养活100亿人口的问题。据联合国世界粮农组织统计，每年粮食因储存不善造成霉烂损失占世界粮食总产量20亿吨的1.5％，可达3000万吨。按人均每年250kg口粮计算，相当于1.2亿人一年的口粮（世界目前有8亿人处于饥饿或半饥饿状态）；我国粮食总产量5亿吨，按这个百分比计算，霉烂粮食为750万吨，如果不霉烂，可解决3000万人一年的口粮。因此，人类必须千方百计地杜绝粮食的任何损失浪费，决不允许粮食在储存期间出现像现在这样的每年霉烂3000万吨的严重损失。做好粮食储备工作，对促进经济稳定发

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展和社会安定具有重要的意义。

粮仓测控系统包括：粮食检测、分析与通风控制。“粮食检测”在粮食储藏过程中所起的作用就像“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的处理措施，以确保粮食处在适宜的储藏状态，保证粮食储藏的安全。

粮食检测是对粮食储藏过程中粮堆温度、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、通讯电缆将计算机、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，使库房保管人员可以随时观察粮堆内的温度变化情况，并采取相应的处理措施，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，应本着一切从国情出发，从实际需要出发，从目前国内的技术水平出发，面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，经济实用地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始于20世纪70年代，它是科学保粮的重要技术之一。随着国家农业产业政策的不断完善，以及现代科学技术在农业生产中的应用和推广，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自建国以来却没有得到明显改善，全国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。但此工作靠人工一点一点测量，效率低，准确性差。在粮食部门各级领导的关怀和粮食行业科技主管部门的人力支持下，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。

法国储粮专家Je．Lasseran，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，在低温气候下，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300C降到SC（在英国气候条件下），在冬天粮温可保持不变，并在春天有所上升，经过一年的实践表明：不仅卫生状况良好，

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而且粮食的品质没有变化。澳大利亚Gib等专家最近研究了一种以PC机为基础的可遥控和监侧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、气象预报台和粮堆中的灵敏元件。它能灵活地、有效地控制通风系统，减少通风费用，并可以实行联网，从而不必依靠仓库管理人员收集的情况。就能得到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年我国吴子丹等报道了储粮机械通风的计算机控制系统。根据在仓房内通风试验得到的数据，建立一个数学模型表示粮食平衡水分的关系。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，确定控制通风的有效方式；2004年汤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年施伟祥研究了基于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。

1.3 粮仓测控系统的发展趋势

对比国内外温室环境控制研究及应用情况我们可以看出，温室环境控制系统正向着分布式、网络化、智能化方向发展。

1）分布式

目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、计算机参与的控制阶段、分散控制DCS（Distributed Control System）阶段、现场总线控制FCS（Field Bus Control System）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、范围、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。

3）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、模糊推理等人工智能技术在设施农业中得到重视并逐步发展。

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2 系统总体方案设计

储粮的主要物理参数是粮食的温度以及粮库内、外的温度、湿度，这些参数的快速、准确、自动监测对于减少粮食损耗具有重要意义。粮情检测系统是能够对粮食进行自动测温、测湿，实现粮情的自动监测，完成粮食状态的分析与评估的智能系统。该系统利用计算机构成整个粮食仓储区管理系统，系统设计成主从工作作方式，主机应具备通讯、数据显示、数据存储、数据分析等主要管理功能。下位机系统应该具备通讯、控制及参数输入等基本功能。

2.1 系统总体结构及方案

2.1.1 系统结构

该系统充分利用多点分布式控制系统的优点，是一个多变量的输入输出测控系统，PC机和转换模块放在微机房内，测控分机和传感器安装在粮仓内部。粮情测控系统主机结构图见图2-1。

上位机（PC） 检测主机 检测 分机 1 检测 分机 2 检测 分机 3 图2-1系统主机结构图 Fig.2-l Mainframe chart

检测 分机 4 检测 分机 5

上位机选用PC机作为主机，与多台下位机通过转换模块实现主从通讯，对多个粮仓进行网络化的检测、管理、和控制。由于PC机的串口是RS-232标准，传输距离短，容易受外界干扰，所以采用RS-485总线与测控分机连接。构成上位主机和若干分机的串行通信。它支持多点通信，传输距离长，可根据情况随时进行系统的调整和扩展。为避免通讯中可能出现的信息冲突与竞争，首先是对各从机进行编址，通讯时，主机先发送地址帧，各从机收到地址帧后，与自身地址相比较，如果相同则发送数据，不同则继续等待主机访问，主机收到数据后。发确认信号给从机，从机收到确认信号后一次通讯即告结束；若主

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