基于CAN的粮仓温湿度监控系统的设计.doc

毕业论文（设计）基于单片机的粮仓温湿度监控系统的设计系别自动化工程系 专业名称 自 动 化 班级学号5060509 学生姓名 卫 一 恒指导教师刘 云 静 老师 2010 年 06 月 16 日东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文）第 I 页基于单片机的粮仓温湿度监控系统的设计摘要在粮食的储藏的过程中，由于粮仓温湿度异常而造成粮食变质，带来的经济损失是 惊人的。目前我国许多粮食仓储单位采用测温仪器与人工抄录、管理相结合的传统方法， 消耗了大量的人力和财力，并且效果不佳，发霉变质等现象大量存在。因此设计智能粮 仓温湿度监控系统，提高了工作效率，实现粮仓温湿度的实时监控，是仓储单位亟待解 决的重要问题。在实际的生产过程中，温湿度监控问题是一个很复杂的问题。本文通过全面分析温 湿度监控问题的特点以及国内外研究发展状况，提出了一种温湿度监控系统的设计方 法。该系统采用单片机自动检测粮仓温湿度信息，并通过CAN总线与上位机进行通信， 来解决粮仓内温度和湿度的实时检测和可靠控制的问题。进而根据问题的特殊性，在检 测、存储和控制实现上，都做了改进，使问题可以在一个可行的时间范围内得到解决。 在仿真和模拟试验中，验证了该系统的可行性，分析了该系统在解决实际问题时的不足， 并提出了改进的办法。每个粮仓设有一个智能节点，该节点以 STC89C52 单片机为核心,主要完成粮仓内温 湿度的采集，处理，显示并做出判断实现超限报警和无差控制，还通过 CAN 总线传至 上位机有关信息。上位机通过接收智能节点传来的信息，了解各粮仓温湿度情况，并且 能根据各智能节点地址，设定任何一个粮仓温湿度的报警阈值，从而解决了多个粮仓的 温湿度监控问题。最后，对论文工作进行了总结，并说明了进一步开发和研究的方向。关键词：粮仓，温湿度控制，CAN 总线The Design of Barns Temperature and Humidity MonitorSystem based on SCMAuthor：Wei Yi HengTutor：Liu YunJingAbstractIn the process of grain storage, grain deteriorates due to the abnormal of the barns temperature and humidity, and the economic losses which brought about are amazing. At present many grain storage units in our country use the traditional methods which is combined of thermometer device, artificial transcription and artificial management, consuming a lot of manpower and financial resources, and the results are poor, the phenomena of mildewing and metamorphism exists in large quantities. Therefore, designing the temperature and humidity monitor system on barn, improving efficiency and achieving real-time monitoring of barns temperature and humidity, is an important problem demanding prompt solution by storage units.In the actual production process, the monitoring of temperature and humiditys is a very complex issue. In this paper, a method of designing the barns temperature and humidity monitor system after fully analysis the characteristics of temperature and humidity monitor issues and domestic and the research and development status both at home and abroad. The system uses microcomputer to detect the temperature and humidity information automatic, communicate with the host computer by the CAN bus and solve the problem of temperature and humiditys real-time detection and reliable control in the barn. Then according to the specificity of problem, an improvement is made on detection, storage and controls realizing, which solves the problem reasonably in relatively short time. In the simulation, the feasibility of the system is verified, the shortage of this system when processing actual problem is also analyzed and the new improvement is raised.Each barn has an intelligent node, which is based on STC89C52 microcontroller mainly complete the collection and processing of temperature and humidity inside the barn, anddisplay and make judgments on the over-limit alarm and No difference control. It also deliver the relevant information to PC by the CAN bus. Host computer find out each barn s temperatures and humidity through the information coming from intelligent nodes, and set temperature and humidity alarm threshold in every ban based due to every intelligent nodes address, and therefore the problem on Multiple barns temperature and humidity monitor has been solved.In the end, the work in this paper is summarized and the further step of this research is clarified.Key Words: barn, temperature and humidity control, CAN-bus目录1绪论 . 11.1 背景. 11.2 国内外研究现状与发展趋势. 31.3 设计的目的及意义. 41.4 设计的主要工作. 51.5 本文的研究内容. 52方案选择与总体设计 . 62.1 温湿度的相关概念. 62.2 温湿度的测量方法. 82.3 温湿度传感器的选取. 92.4 系统总体设计. 103系统硬件设计 . 153.1 STC89C52 简介. 153.2 数据采集电路. 163.2.1DHT21 性能说明. 173.2.2DHT21 引脚介绍. 183.2.3DHT21 数据格式. 183.2.4DHT21 时序. 183.3 键盘输入电路. 203.4 LCD 显示电路 . 213.4.1电路概述 . 213.4.2LCD1602 引脚 . 213.4.3LCD1602 控制器 . 213.4.4LCD1602 基本操作 . 223.5 实时时钟电路. 233.5.1电路及芯片概述 . 233.5.2DS1302 引脚 . 233.5.3DS1302 寄存器 . 243.5.4DS1302 控制字 . 243.5.5DS1302 时序 . 253.6 掉电保护电路. 263.7 CAN 总线通信. 283.7.1CAN 总线概述. 283.7.2CAN 控制器 MCP2515 . 293.7.3CAN 收发器 TJA1050 . 313.7.4光电隔离器 6N137 . 323.7.5上位机与 CAN 的连接. 333.7.6下位机与 CAN 的连接. 343.8 输出控制电路. 353.9 声光报警电路. 353.10 系统电源电路. 364系统软件设计 . 374.1 温湿度设置. 374.2 数据的采集与处理. 374.3 PWM 控制算法 . 384.4 系统通信程序. 394.5 人机界面设计. 404.5.1主要内容概述 . 404.5.2系统首页 . 424.5.3MDI 窗体首页 . 424.5.4实时数据窗口 . 434.5.5历史数据查询窗口 . 434.5.6标值设定窗口 . 444.5.7系统数据库 . 445系统的抗干扰问题 . 455.1 干扰因素. 455.2 硬件抗干扰措施. 455.2.1合理选择元器件 . 455.2.2抑制电源的干扰 . 455.2.3电场、磁场干扰的抑制 . 455.2.4接地技术 . 465.2.5通道技术 . 465.2.6布线抗干扰设计 . 475.3 软件抗干扰措施. 485.3.1数字滤波技术 . 485.3.2软件冗余技术 . 485.3.3软件陷阱技术 . 485.3.4数据的保护与恢复技术 . 485.3.5“看门狗”技术 . 49总 结 . 50 致 谢 . 52 参考文献 . 53 附录：英文原文及翻译 . 541绪论1.1背景“国以民为本，民以食为天”，“兵马未动，粮草先行”，这些都充分说明粮食对国 家的重要性。储粮是为了防备战争、保证非农业人口的粮食消费需求、调节国内粮食供 求平衡、稳定粮食市场价格、应对重大自然灾害及其它突发性事件而采取的有效措施， 因此，粮食的科学储藏具有重要的战略意义和经济意义。一般来说，粮食存放在粮仓中，大型的粮仓可存放数以万计的粮食，而且这些粮食 存放的时间有长有短。目前，我国地方及垦区的各种大型粮仓都还存在着不同程度的粮 食储存变质问题。根据国家粮食保护法规定，必须定期抽样检查粮仓各点的粮食温度和 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 量温度和湿度的方法，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 粮仓的温度和湿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，我国每年因粮食变质而损失的粮食达数亿千克，直接造成的经济损失是 惊人的。影响储粮安全的最主要因素是粮堆内的大气条件，即温度和相对湿度的日变化和季 节变化，而温度和湿度两者之间又是相互关联的。为了保证存放在粮仓中的粮食不致腐 烂变质，就必须使粮仓内的温度和湿度保持在一定的范围以内。利用制冷机产生的冷量对自然空气进行冷却降温、除湿，再通过风机及粮仓内的通 风管道使冷却后的空气穿过粮堆，使粮食温度降到 15以下进行低温储藏的一项科学、 先进的粮食储藏技术。运用该技术可使粮食的低温储藏不受气候条件的影响，即使在炎 热的夏季或雨季都可实现。目前在发达国家特别是西欧国家已获得了广泛的应用，对于 保证粮食品质，安全储藏粮食起着重要的作用。利用机械制冷方法将粮温降到515进行低温储藏是一种科学、先进的储粮方式， 具有以下特点：（1）与常温储藏相比，低温储藏使粮食的呼吸活动大大减弱，可延缓粮食的陈化， 保持粮食的新鲜度并降低储粮自然减量损失。粮食在10时储藏，由于呼吸产生的干物质损失要比在20和30 时储藏分别少4倍和15倍。（2）当粮温达到13时，害虫的繁殖和活动就基本停止，粮温降至10时完全停 止，因此低温储藏可以避免粮食遭受虫害而造成的损失。在一些西欧国家，低温储粮已 不需要进行化学药剂熏蒸杀虫，从而改善了粮仓工人的工作环境，避免残留药剂对人们 身体健康的危害。（3）因为霉菌等微生物喜温，所以低温储粮使霉菌的活动基本停止，可有效地防 止粮食发生霉变。（4）粮食在通常储藏过程中，含水量一般在12%以下为安全状态，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，由于粮粒受潮，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。而对粮食利用机械制冷方法进 行降温，使得粮食在高于安全水分时储藏成为可能，因此可以提高储粮和加工单位的效 益。对于稻谷，最适合的碾磨水分是15 %左右，但常温下稻谷储藏的安全水分是13.514 %，加工前需进行人工增湿， 使稻谷易于产生爆腰，碾磨的整米率下降。若采用人 工冷却降温方法， 稻谷可在15 %水分下安全储藏(见表1.1)，从而提高稻谷碾磨的整米 率，同时减少储粮水分减量损失。在西班牙的一个碾米厂，采用机械制冷低温储藏稻谷 后提高整米率20 %。对于10000 吨的粮食储量，在15 %的水分下储藏，可减少储粮单位 水分减量损失116173 吨。表1.1粮温为10时粮食水分与安全储藏期的关系粮食水分(%)粮食安全储藏期(月)12. 0 - 15. 58 - 1215. 5 - 17. 56 - 1017. 5 - 18. 54 - 618. 5 - 20. 01 - 420. 0 - 23. 00. 5 - 223. 0 - 25. 00. 25 - 0. 51.2国内外研究现状与发展趋势随着传感器技术、计算机应用技术、超大规模集成电路技术和网络通信技术的发展， 监控系统广泛应用于工农业生产等领域，在此同时，粮仓温湿度监控技术的研究在软、 硬件等方面都有了一定的进展。初期，以热敏电阻，湿敏电阻作为传感器件，通过检测电阻的变化来反映粮食温湿 度的变化，为粮食保管提供参考依据。采用人工测量与人工抄录、管理相结合的传统方 法，并且用人工的办法对粮食进行晾晒，通风，喷洒药剂防止因存储不当引起的温湿度 异常及虫害，消耗了大量的人力和财力，效率较低，然而往往由于判断失误和管理不力， 效果不佳，发霉变质等现象大量存在。广大科技工作者近 30 年的共同努力下，粮情检 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作用。目前，国内生产的粮仓温湿度监控系统品种繁多，系统结构各异，在粮仓内外温湿 度检测、粮食内部温湿度检测及分析、通风机械的控制等方面，比之前有了不少进步但 仍有进步空间。现场检测电路和上位机的通讯大多采用RS-485，使整个系统抗干扰能力 差，实时性和纠错能力不强，增加了节点困难。当某一通信节点出现故障时，还会影响 整个系统。国外的温湿度监控系统相对比较先进，主要体现在以下三个方面：（1）无论是传感器的测量精度、反应速度、稳定性、功能多样性还是使用环境方 面，国外的传感器都比较先进。（2）构成系统整体的测控技术和管理，无论是硬件还是软件，都已普遍采用相应 的标准模块集成，并且早已实现组态。（3）系统结构已经普遍采用网络连接的现场总线技术(FCS)，有些需要的场合，则 连接到Internet上，实现远程控制、远程诊断。温湿度监控系统主要应用于控制环境空间的温度和相对湿度，从系统控制的角度来 看，属于纯滞后控制，而这一技术已经相当成熟。目前研制高精度，高性能，多功能的 温湿度监控系统是主流，提高可靠性、灵活性和降低成本也是其考虑的重点，并且系统 在报警、记录、控制、通信等方面的自动化和智能化也将逐步完善。1.3设计的目的及意义科学储粮是粮食生产的一个重要环节，若管理不当，粮食发霉或生虫会造成极大浪 费，而粮仓管理中最重要的问题是监测粮堆中温度和湿度的变化。粮仓一般由几十个甚 至上百个由水泥或钢板构成的圆型仓组成，仓高 20-30m。现在，我国在粮仓建设上己 经实现了规范化，但是监测手段一直未能实现同步现代化。我国许多储备粮仓每年都因 测控设备的不完善而导致部分粮食霉变，许多大型储备粮仓的测控设备仍需高价进口， 因此国家准备在未来的几年内对全国所有的粮仓进行翻新和改造工作，要求规范粮仓管 理，实现粮仓管理现代化。影响储粮安全的最主要因素是粮堆内的温度和湿度，因此这就要求有一种经济实用 的粮仓温湿度监控系统能够及时监测粮仓温度和湿度分布，准确分析粮仓温湿度变化， 并及时采取相应控制措施，使得管理人员能够方便有效地进行监控操作。本文只阐述了对温湿度的检测和控制，以下所说粮情仅指温度和湿度，但涉及到的 一些方法也适合其他粮情检测情况。在综合研究国内粮仓管理现状和发展的前提下，吸 收了国内多种粮仓温湿度监控系统的成功经验后，我们设计了自己的粮仓温湿度监控系 统。该粮仓温湿度监控系统，