基于51单片机的粮仓温湿度检测系统毕业设计

基于51单片机的粮仓温湿度检测系统

[摘要]粮仓温度湿度监测控制系统是基于STC12C52A60S2的数据采集、对比、控制的系统。以STC12C52A60S2单片机为控制器，对温度传感器DS18B20传送的数字量信号和对湿度传感器HR202传送的模拟量信号进行采集和处理，当前值和设定温度上限值进行对比，进而执行控制作用，通过对继电器的控制进而控制设备的启停，对粮仓温度湿度进行调节，使其维持在适当范围，维护粮仓正常运行。 [关键词] 单片机、温湿度、检测、控制

Abstract:The granary’s temperature and humidity control and detect system

is based on the micro control unit of STC12C5A60S2,the system is used for date acquisition,comparison,and control.In this system,STC12C5A60S2 is the controller,the controller is designed to deal with temperature and humidity signal from the temperature sensor and humidity sensor.Then compare these data with limits the value of temperature and humidity.If the date is out of limits,then the controller send a control signal to warn people,besides,the controller will make the fan running to make the temperature and humidity lower.In this way,the granary can be working at usual status.

Key words: MCU、temperature and humidity、control

目录

第一章 绪论 ................................................................ 1

1.2相关领域国内外应用的现状及发展趋势 ................................... 1 1.3 粮仓温湿度检测控制系统原理 .......................................... 2 1.4 本章小结 ............................................................. 2 第二章：系统分析、设计要求及模块选择 ......................................... 3

2.1 设计要求 ............................................................ 3 2.2 单片机型号的选择 .................................................... 3

2.21 采用STC89C52单片机 ............................................ 3 2.22 采用STC12C5A60S2单片机 ........................................ 3 2.3 显示系统模块的选择 .................................................. 3

2.31采用LED数码管显示 .............................................. 3 2.32采用1602液晶显示 ............................................... 3 2.4 测温模块的选择 ...................................................... 4

2.41 采用模拟量温度传感器 ........................................... 4 2．42 采用数字量温度传感器 ......................................... 4 2.5 测湿模块的选择 ...................................................... 4 2.6 控制模块的选择 ...................................................... 4 2.7 通讯模块的选择 ...................................................... 4 2.8本章小结 ............................................................. 4 第三章 系统总体方案及硬件电路模块设计 ...................................... 5

3.1 系统总体设计思路： .................................................. 5 3.2 系统硬件设计 ........................................................ 5

3.2.1 单片机最小系统 ................................................ 5 3.2.2 温度信号采样电路模块 .......................................... 9 3.2.3 湿度采样电路模块 ............................................. 12 3.3 串口模块 ........................................................... 14 3.4显示模块 ............................................................ 15 3.5 控制模块 ........................................................... 16 3.6 继电器模块 ......................................................... 17 3.7 本章小结 .......................................................... 18 第四章 系统的软件设计 ..................................................... 19

4.1 流程图设计 ........................................................ 19

4.1.1系统总体流程图 ................................................ 19 4.1.2温度检测流程图 ................................................ 19 4.1.3湿度检测流程 .................................................. 20 4.2系统的程序设计 ...................................................... 20

4.2.1 DS18B20测温程序 ............................................. 20 4.2.2 A/D转换程序 ................................................ 25

4.2.3 1602显示程序 ................................................ 26 4.3 本章小结 ........................................................... 29 第五章 硬件调试部分 ....................................................... 30 结束语 ..................................................................... 31 参考文献.................................................................... 32

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第一章 绪论

1.1 本课题的研究意义及必要性

民以食为天，粮食是社会安定的保证，自1990年我国建立粮食储备制度以来，储备粮在国家宏观调控中占据了重要地位，无论何时，必须时刻保持储备粮的调控作用不动摇，是维持社会安定、粮食市场稳定、农民增收的重要保证。而保持粮仓维持在适当的温度及湿度值则是维持储备粮长久保存的关键所在。

储粮系统中温度因素主要有仓温和粮温，而粮温在很大程度上是由仓温决定的，粮仓适时合理通风对流散热，降低粮温，从而不影响安全储量。此外，温度对微生物的生长也密切相关，在有效温度范围内，环境温度越高，微生物的生长及繁殖速度就越快，对粮食的危害作用就越大，大多数微生物的适宜生长温度在28℃~30℃之间，当环境温度低于20℃时，大部分微生物的生长速度显著降低，当温度低于15℃时，微生物的生长受到明显抑制。较低的环境温度也可降低粮食自身呼吸作用产生的消耗，最大程度保持粮食的质量，利于储量安全。

粮仓粮粒间隙湿度主要受到仓内湿度、粮食温度及粮食水分的影响。通常高温低水分粮食籽粒粮堆湿度小，低温高水位部分粮堆湿度大，这一部分容易引起发热霉变，使粮食品质变坏。粮食内部的新陈代谢如呼吸作用受湿度影响也比较明显，粮食湿度大、水分高，呼吸作用也就越明显，消耗干物质速度加快，储粮稳定性降低。储粮害虫高湿环境下生长及繁殖速度明显加快，维持适宜湿度在正常水平有利于抑制粮食内部微生物的活动。从储粮管理角度来说，湿度作用在粮仓中的重要性在很大程度上大于温度在储粮过程中的重要性，因此，维持适当的湿度是粮仓系统正常运行的重要保障。

本系统设计主要是利用温度传感器及湿度传感器对温湿度进行检测，通过和设定值的对比作用，采取相应的控制措施，使粮仓温湿度维持在合理范围内。

1.2相关领域国内外应用的现状及发展趋势

粮仓温湿度检测技术随科技水平的发展也在不断变化，早期粮仓温湿度检测主要靠人工测量，将温度计固定在插杆上，在粮仓适当位置中多点测温，读取数据，确定粮温高低，进而决定是否进行通风降温或者倒粮降温，湿度则是通过放置在粮仓中的多个湿度计来进行检测，对读取的数据进行对比，决定是否采取措施降低湿度。但人工检测由于温湿度计的精度及读数误差等的因素，温湿度检测在速度精度上受到局限，检测不彻底准确，不能有效阻止粮食霉变引起大规模损失。

随着科技的进步及电子元器件制造工艺水平的提高，粮仓检测系统得到了长足进步，进入80年代后电阻式温度传感器、湿度传感器、采样器、模数转换器等在粮仓检测系统中大量应用，对粮仓的各个测温测湿点巡回检测，提高检测效率和检测精度，由于工艺问题，致使检测精度和系统可靠度不能达到理想水平。至90年代初期，检测系统得到改善，单片机技术开始应用，数据处理和数据传输能力得到提高，半导体热电偶等器件也大量应用，通过软件和硬件的组合使用，使得系统的检测控制精度及可靠性取得极大进步。

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目前粮仓检测控制系统已经相当成熟，传感器大都采用数字式传感器，单片机等控制器所在控制电路、检测电路等高度集成，节约成本提高控制效率，控制信号作用于执行器，控制风扇等的启停，提高控制效率。在信号传输方面，由于传感器直接采用数字量信号，解决模拟量信号在长距传输过程中的衰减及干扰造成的精度降低等问题，通过和上位机进行通信，实现远程监测和控制。

1.3 粮仓温湿度检测控制系统原理

本系统通过对温度传感器检测的温度值和湿度传感器检测的湿度值传送给单片机进行处理，进而和温湿度上下限值进行比对，如果在正常范围内，则不执行动作，若超过限值，则执行相应动作实现控制作用。本系统中的温度传感器DS18B20是数字量传感器，其信号段DQ可通过接上拉电阻连接单片机I/O口实现数据传输。湿度传感器HR202是模拟量传感器，需要对模拟量信号AO进行A/D转换，本系统采用STC12C52A60S2，P1口内置A/D，通过软件设定P1中一个口为A/D模式，将HR202输出模拟量进行A/D转换后进行数据处理，同湿度上下限值进行比对，进而采取控制措施。单片机通过MAX-232芯片进行电平转换后和上位机进行通讯，实现数据传输及上位机对下位机的控制作用。

1.4 本章小结

本章是简单介绍了粮仓温湿度检测控制系统的原理及控制要求，说明了系统的检测控制方法及采用的元器件型号，对系统进行了设计要求进行了说明。

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第二章：系统分析、设计要求及模块选择

2.1 设计要求

对环境温度的检测与显示 对环境湿度的检测与显示 单片机对数据进行处理和判断

与上位机进行通讯实现上位机对下位机的控制作用

2.2 单片机型号的选择

2.21 采用STC89C52单片机

STC89C52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 8K 在系统可编程Flash 存储器应用较为广泛的单片机。可用ISP进行在线编程下载，也可用串口或USB下载，使用方便，是比较成熟的单片机

2.22 采用STC12C5A60S2单片机

STC12C5A60S2系列单片机是宏晶科技生产的单时钟/机器周期(1T)的单片机，是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051,但速度快8-12倍。内部集成MAX810专用复位电路,2路PWM,8路高速10位A/D转换(250K/S),针对电机控制，强干扰场合。此次设计需要对湿度信号进行A/D处理，而STC12C5A60S2内部带A/D模块，方便信号的转换及处理，故选择STC12C5A60S2。

2.3 显示系统模块的选择

2.31采用LED数码管显示

LED数码管能在低电压、小电流条件下驱动发光，能与CMOS、ITL电路兼容。发光响应时间极短(<0．1μs)，高频特性好，单色性好，亮度高。体积小，重量轻，抗冲击性能好。寿命长，使用寿命在10万小时以上，甚至可达100万小时。成本低。通常LED数码管显示需要大量I/0口。

2.32采用1602液晶显示

通常使用的液晶是16脚的LCD显示，市面上的1602大都是集成模块，使用方便，技术也非常成熟，故采用1602液晶显示。

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2.4 测温模块的选择

测温模块分为数字量温度传感器和模拟量温度传感器。

2.41 采用模拟量温度传感器

常用模拟量温度传感器有PTC热敏电阻、NTC热敏电阻、CTR热敏电阻等，热敏电阻灵敏度高、工作范围宽、使用方便、易加工成复杂形状，稳定行好、过载能力强，但阻值和温度的关系非线性严重、互换性查、易老化、绝大多数热敏电阻仅适合0~150℃范围内，有一定局限性。此外还需对热敏电阻配置A/D转换电路，实际应用相对复杂。

2．42 采用数字量温度传感器

数字量温度传感器中最具代表性的是DS18B20，管脚配置类似于三极管，使用快捷方便，信号输出端DQ输出温度值的数字信号，方便单片机进行采集和处理，而且现在DS18B20技术非常成熟，可靠性高，综合对比选择DS18B20温度传感器。

2.5 测湿模块的选择

湿敏电阻是利用湿敏材料吸收空气中的水分而导致本身电阻值发生变化这一原理而制成的，工业上流行的湿敏电阻主要有:氯化锂湿敏电阻,有机高分子膜湿敏电阻，现在应用比较多的湿度传感器是HR202，可输出数字量高低电平及模拟量湿度值，相对数字式湿度传感器来说价格低廉，应用方便，故选择HR202.

2.6 控制模块的选择

本次设计需要在超过温湿度限值时采取一定的控制措施，体现在单片机端口发出信号，控制电器的启动停止，是温湿度维持在正常水平，故选用继电器来控制电器的通断，而单片机本身输出电流不足以驱动继电器电路，故采用9012三极管来放大电流，驱动继电器运行。

2.7 通讯模块的选择

实现上位机与下位机通讯，本次设计使用单片机的最小系统，而最小系统本身不带有通讯端口，故使用MAX232芯片进行TTL和232电平转换，采用九针232串口来做信号发送和接受，下位机和上位机之间采用USB-232信号线来传输数据。

2.8本章小结

根据系统的设计要求，采用STC12C5A60S2单片机进行数据的处理，采用DS18B20温度传感器采集温度信号，采用HR202湿度传感器采集湿度信号，采用1602液晶来显示温度和湿度值，采用MAX232及USB-232来进行电平转换和数据传输

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第三章 系统总体方案及硬件电路模块设计

3.1 系统总体设计思路：

系统设计思路是单片机直接采集温度传感器DS18B20的温度值，通过A/D模块采集湿度传感器的湿度值，对送来的信号进行处理后进行1602显示和执行器动作，实现对温度、湿度的检测控制，数据经过MAX-232电平转换通过USB-232通讯线和上位机进行通信。 总体设计框图为 上位机显示控制 湿度传感器 温度传感器 HR202 温度传感器 DS18B20 A/D转换 单片机最小系统 温度显示、湿度显示、 报警及控制 报警及控制

本系统可完成以下功能：对环境温度和湿度的检测、显示、报警，超过温湿度上下限设定值时，对应报警灯亮，报警上下限通过软件来进行设定。系统的硬件促成为：信号采集电路、单片机最小系统电路、显示电路、执行电路。

3.2 系统硬件设计

3.2.1 单片机最小系统

STC12C5A60S2系列单片机是宏晶科技生产的单时钟/机器周期(1T)的单片机，是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051,但速度快8-12倍。内部集成MAX810专用复位电路,2路PWM,8路高速10位A/D转换(250K/S),针对电机控制，强干扰场合。

1.增强型8051 CPU，1T，单时钟/机器周期，指令代码完全兼容传统8051 2.工作电压：STC12C5A60S2系列工作电压：5.5V- 3.3V（5V单片机）STC12LE5A60S2系列工作电压：3.6V- 2.2V（3V单片机）

3.工作频率范围：0 - 35MHz，相当于普通8051的 0～420MHz

4.用户应用程序空间8K /16K / 20K / 32K / 40K / 48K / 52K / 60K / 62K

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5.片上集成1280字节RAM 6.通用I/O口（36/40/44个），复位后为：准双向口/弱上拉（普通8051传统I/O口） 可设置成四种模式：准双向口/弱上拉，推挽/强上拉，仅为输入/高阻，开漏 每个I/O口驱动能力均可达到20mA，但整个芯片最大不要超过55mA 7. ISP（在系统可编程）/IAP（在应用可编程），无需专用编程器，无需专用仿真器 可通过串口（P3.0/P3.1）直接下载用户程序，数秒即可完成一片 8.有EEPROM功能(STC12C5A62S2/AD/PWM无内部EEPROM) 9. 看门狗

10.内部集成MAX810专用复位电路（外部晶体12M以下时，复位脚可直接1K电阻到地）

11.外部掉电检测电路:在P4.6口有一个低压门槛比较器 5V单片机为1.32V，误差为+/-5%,3.3V单片机为1.30V，误差为+/-3% 12.时钟源：外部高精度晶体/时钟，内部R/C振荡器(温漂为+/-5%到+/-10%以内)

1用户在下载用户程序时，可选择是使用内部R/C振荡器还是外部晶体/时钟 常温下内部R/C振荡器频率为：5.0V单片机为：11MHz～15.5MHz 3.3V单片机为： 8MHz～12MHz 精度要求不高时，可选择使用内部时钟，但因为有制造误差和温漂，以实际测试为准

13.共4个16位定时器 两个与传统8051兼容的定时器/计数器,16位定时器T0和T1，没有定时器2，但有独立波特率发生器 做串行通讯的波特率发生器 再加上2路PCA模块可再实现2个16位定时器

14. 2个时钟输出口，可由T0的溢出在P3.4/T0输出时钟，可由T1的溢出在P3.5/T1输出时钟

15.外部中断I/O口7路,传统的下降沿中断或低电平触发中断,并新增支持上升沿中断的PCA模块， Power Down模式可由外部中断唤醒， INT0/P3.2, INT1/P3.3, T0/P3.4, T1/P3.5, RxD/P3.0, CCP0/P1.3(也可通过寄存器设置到P4.2 ), CCP1/P1.4 (也可通过寄存器设置到P4.3) 16. PWM(2路）/PCA（可编程计数器阵列,2路），也可用来当2路D/A使用，也可用来再实现2个定时器，也可用来再实现2个外部中断(上升沿中断/下降沿中断均可分别或同时支持)。

17.A/D转换, 10位精度ADC，共8路，转换速度可达250K/S(每秒钟25万次) 18.通用全双工异步串行口(UART)，由于STC12系列是高速的8051，可再用定时器或PCA软件实现多串口。

19. STC12C5A60S2系列有双串口，后缀有S2标志的才有双串口，RxD2/P1.2(可通过寄存器设置到P4.2)，TxD2/P1.3(可通过寄存器设置到P4.3)

20.工作温度范围：-40 - +85℃(工业级) / 0 - 75℃(商业级)21.封装：PDIP-40,LQFP-44,LQFP-48 I/O口不够时，可用2到3根普通I/O口线外接 74HC164/165/595（均可级联）来扩展I/O口, 还可用A/D做按键扫描来节省I/O口，或用双CPU,三线通信，还多了串口。

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