1、本科毕业论文（20 届）远程粮仓湿度监测系统设计与实现下位机系统所在学院 专业班级 电子信息工程 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 目录摘要 .IIIAbstract.IV第一章 绪论 .11.1 课题意义 .11.2 课题现状 .11.3 课题设计方案 .2第二章 主要器件及工具 .32.1 湿度的基本概念 .32.2 湿度传感器 .32.3 微控制器 .52.4 集成开发环境 Keil.52.5 EDA 软件 Proteus .6第三章 总体设计 .73.1 设计思路 .73.2 总体设计 .73.2.1 硬件设计部分 .73.2.2 软件设计部分 .8第四章 详细设计 .
2、94.1 硬件设计 .94.1.1 频率采集模块 .94.1.2 单片机测频模块 .94.2 软件设计 .114.2.1 主体设计思想 .114.2.2 单片机测频模块软件设计 .11第五章 仿真与实现 .165.1 模拟仿真 .165.1.1 Keil 的调试 .165.1.2 Proteus 的电路模拟 .175.1.3 Keil 与 Proteus 的联合仿真 .185.1.4 串口的调试 .205.2 硬件实现 .21第六章 系统设计总结 .24参考文献 .25附录一 下位机电路图 .26附录二 下位机系统源码 .27致谢 .29远程粮仓湿度监测系统设计与实现下位机系统摘要中国是一个农
3、业大国，由于存储不当，造成大量的粮食浪费，给国家和人民造成了巨大的经济损失。粮食的储藏对环境温度和湿度的要求较高，因此对粮仓的湿度检测非常必要。早期粮仓的湿度监测主要采用湿度计测量法，它是凭经验将湿度计放入多个特定的位置，多点测量。管理人员定期现场记录数据，再根据湿度数据决定是否倒仓。此方法对粮仓湿度监测却有一定作用，但是由于湿度计精度、人工读数的误差等因素的制约，粮仓经常发生因局部粮食发霉变质所引起大面积坏粮情况。所以，本设计的目的就是设计并实现一个能实现异地粮仓湿度监测的远程分布式集散系统，以替代传统的人工检测手段，降低粮食储藏成本。首先，通过湿度传感器采集湿度信息，经振荡电路转化成频率信
4、号，接着通过单片机进行测频。每个单片机都有一个不同的地址，代表不同的测量点。然后将地址与频率信息通过串口直接传给计算机。最后，计算机通过软件把收到的信息进行图像化处理，简单、形象、直观的展现在管理人员眼前，管理人员就可以足不出户的实时查看每一个测量点的湿度信息。关键词: 湿度；Proteus ；MCU；传感器；串口Design and realization of Remote Measurement System of Granary HumidityLower Computer AbstractChina is a large agricultural nation, due to imp
5、roper storage and caused a lot of food waste, to the country and the peoples caused a huge economic losses.Grain storage to the ambient temperature and humidity requirement is higher, so the granary of the humidity detection is necessary. Early the humidity monitoring of granary is using of hygromet
6、er , it is putting the hygrometer into specific location empirically, multi-point measurements. Management personnel to record data regularly on site, and then according to humidity data decide whether to take grain out of the granary. This method of monitoring the humidity has certain effect, but t
7、he hygrometer accuracy, artificial reading errors and other factors, occur frequently due to local grain silos, degradation caused by bad grain situation in large areas Therefore, the purpose of this design is to design and implement a granary and humidity to achieve remote monitoring, remote distri
8、buted distribution system to replace the traditional manual testing methods, lowering the cost of grain storage. First, the humidity of the information collected through the humidity sensor, the oscillation circuit into a frequency signal, then frequency measurement by the microcontroller. Each micr
9、ocontroller has a different address, represents a different measurement points. Then address and frequency information directly to the computer through the serial port. Finally, the computer software to the information received by the image processing, simple, image, visual display in front of manag
10、ers, managers can view real-time without leaving home each measurement point and humidity information.Key words: Humidity, Proteus, MCU, Sensor, Serial Port 第一章 绪论1.1 课题意义全球粮食生产地区不平衡，粮食储备也是“贫富不均” 。印度正在吃粮仓不够的亏，最近几年有两三亿人挨饿， 但又有数千万吨粮食因露天存放不当而霉烂；巴西人沾了储备充足的光，当别的国家食品价格上涨五六成时，巴西涨幅只有 20%；为粮食储备投入过巨资的美国，冷战后放弃
11、战略眼光，现在的库存小麦“还不够每个美国人吃一小块饼干” 。俄罗斯为保障本国灾后有粮，断然停止谷物出口二战后，全球已发生7 次粮荒，每当粮食危机的阴影拉长，粮食储备就成了各国比较家底厚薄的一个重要指标。中国农业问题专家李国祥在接受强调，尽管人类农业生产水平越来越发达，但大宗粮食生产还是“靠天吃饭” ，所以各国都不敢怠慢粮食储备。近几年据海关统计结果显示,我国粮食进出口同比均呈下降趋势,我国粮食供求开始进入紧平衡阶段。在粮食供给能力逐渐弱化的情况下,我们必须注意到贮存粮食的科学性和有效性 1。但是，现实操作中，由于存储不当，造成大量的粮食浪费，给国家和人民造成了巨大的经济损失，粮仓的性能成为了粮
12、食质量的决定因素。而粮仓内的湿度是决定的粮仓的性能的一大关键因素。1.2 课题现状粮仓湿度监测属于监控系统范畴。早期粮仓的湿度监测主要采用湿度计测量法，他是凭经验将湿度计放入多个特定的位置，多点测量。管理人员定期现场记录数据，在根据数据决定是否倒仓。此方法对粮仓湿度监测有一定作用，但由于湿度计精度、人工读数的误差等因素的制约，粮仓经常发生因局部粮食发霉变质所引起大面积坏粮情况。近年来，由于传感器技术、计算机技术、超大规模集成电路技术和网络通信技术的发展，使粮仓湿度监测计数的研究在软硬件方面都有的一定的进展。随着科学技术的发展，粮情监测的准确性、稳定性要求越来越高。寻找最佳配置和最好的性价比成为
13、粮情监测研究的热点。目前，国内出现了丰富的数字传感器及其配套产品，技术逐渐成熟。1.3 课题设计方案现实生活中常用湿度监测方法主要有两种：干湿球计测湿法和电子式湿度传感器测湿法。干湿球测湿法原理简单，但其测量受到风速、温度计本身准确度、大气压力测量准确度等各种因素的影响 2。干湿球湿度计的准确度只有 57RH；电子式湿度传感器测湿法的湿度传感器的准确度可以达到 23RH。但是，湿度传感器对使用的环境温度有要求，超过其规定的使用温度将对传感器造成损坏。现实中粮仓内的环境一般是无风、温度相对稳定、干净而且对湿度监测的要求相对来说较高。所以本课题设计方案采用电子式传感器测湿法。普通的电子式传感器测湿
14、法采用的湿度传感器传出的信号是模拟信号，然后经过复杂的电路将湿度信息层层转化，最后通过数码管显示出来。这种系统电路极其复杂，只能单点测量，并且不能远程监测，功能扩展性差。本设计方案选用湿敏电容湿度传感器 HS1101 收集湿度信息，利用其湿度电容特性，将其接在振荡电路中产生不同的频率信号。然后将采集到的频率信号传送到单片机中，将频率信号的频率值计算出来。再将此频率值与单片机地址码一起通过串口发送给电脑。然后通过计算机上的 LabVIEW 软件对传送过来的数据进行处理，将其频率值，湿度值通过直观的图形化界面实时显示出来。通过以上可以看出，本方案的电路极其简单。其核心是选用了可编程的单片机（MCU
15、）系统，它将模拟的频率信号转化成了数字信号，而且实现了分布式系统内多个测量点的地址的识别功能，功能扩展的话只需加一些程序和简单的电路就能实现。所以本方案具有一定的创新性。第二章 主要器件及工具2.1 湿度的基本概念湿度，表示大气干燥程度的物理量。空气的干湿程度叫做“湿度”。在此意义下，常用绝对湿度、相对湿度、比湿以及露点等物理量来表示。绝对湿度就是单位体积空气内所含水蒸气的质量，也就是指空气中水蒸气的密度。绝对湿度一般用一立方米空气中所含水蒸气的克数表示。相对湿度是表示空气中实际所含水蒸气的分压(P W)和同温度下饱和水蒸气的分压(PN)的百分比，即HT(P W/PN)T100RH。通常，用
16、RH表示相对湿度 3。日常生活中所说的空气湿度，实际上就是指相对湿度而言。比湿是融化在空气中的水的质量与湿空气的质量之间的比。若湿空气与外界无质量交换，且无相变，则比湿保持不变。露点是空气湿度达到饱和时的温度。温度高的气体，含水蒸气越多。若将其气体冷却，即使其中所含水蒸气量不变，相对湿度将逐渐增加，增到某一个温度时，相对湿度达 100，呈饱和状态，再冷却时，蒸气的一部分凝聚生成露，把这个温度称为露点温度。湿度在生活中是一个极其重要的概念，湿度监测广泛应用于各领域，比如气象学和水文学、医学、生物学、储藏和生产、农业和林业、建筑等等。2.2 湿度传感器 要较好的测量粮仓湿度，选好湿度传感器是十分重
17、要的。湿敏元件是最简单的湿度传感器。湿敏元件主要有电阻式、电容式两大类。 湿敏电阻：其特点是在基片上覆盖一层用感湿材料制成的膜，当空气中的水蒸气吸附在感湿膜上时，元件的电阻率和电阻值都发生变化，利用这一特性即可测量湿度。湿敏电阻的优点是灵敏度高，主要缺点是线性度和产品的互换性差。湿敏电容：当环境湿度发生改变时，湿敏电容的介电常数发生变化，使其电容量也发生变化，其电容变化量与相对湿度成正比。湿敏电容的主要优点是灵敏度高、产品互换性好、响应速度快、湿度的滞后量小、便于制造、容易实现小型化和集成化，但其精度一般比湿敏电阻要低一些 4。所以，我们选择湿敏电容作为本系统的湿度传感器。国外生产湿敏电容的主
18、厂家有 Humirel 公司、 Philips 公司、Siemens 公司等。其中以 Humirel 公司生产的 HS1101型湿敏电容最为经典。其测量范围是（1%99%）RH，在 55%RH 时的电容量为 180pF（典型值） 。当相对湿度从 0 变化到 100%时，电容量的变化范围是 163pF202pF 。温度系数为0.04pF/，湿度滞后量为1.5% ，响应时间为 5s5。其湿度电容响应曲线如图 2.1 所示。图 2.1 HS1101 湿度电容响应曲线根据 HS1101 以上特性，我们就可以将其作为电容与典型的 555 振荡电路连接，从而实现湿度 电容 频率的转换。典型的 555 振荡
19、电路如图 2.2 所示 6。图 2.2 典型 555 电路2.3 微控制器555 振荡电路产生的频率信号并不能直接被电脑识别，因此，我们就需要用微控制器将其频率值测量出来，然后再加上测量点的信息（用单片机地址码表示） ，以数据包的形式通过串口传给电脑。要实现单片机测频的功能，我们需要用到三个定时器分别实现定时、计数和波特率发生的功能。然而早期的 51 系列单片机只有两个定时器。经过比较，我们选用 SST89E516RD 型单片机。SST89E516RD 单片机可靠性高，价格低廉，软硬件完全兼容 8051/52 系列单片机，原有资源均可使用。其内部有三个定时器，最高工作频率可达 40MHz，内部
20、具有64K+8KB 的 FALSH ROM 存储器，可反复读写超过十万次。在应用中基本无需再扩展程序储存器。此外内部数据 RAM 达 1K 字节，能满足大多数应用，比标准 51 机的RAM 大 8 倍 7。因其软硬件完全兼容 8051/52 系列单片机,其引脚功能同 8051/52 系列单片机的引脚功能相同，所以本文不再对其引脚功能赘述。其引脚图如图 2.3 所示。图 2.3 管脚图2.4 集成开发环境 Keil单片机要实现预定的功能除必要的硬件外，同样离不开软件的支撑。软件的编写一般有汇编语言和 C 语言。汇编语言的执行效率高，但是编程的要求高，难度大，不易调试。C 语言虽然执行效率不及汇编语言，但是 C 语言在功能上、结构性、可读性、
