怎样设计粮仓温湿度监控系统？

1.引言  在粮食储藏过程中，粮食温湿度的变化是影响粮食质量安全的主要因素。当粮仓内部的温湿度超过一定阈值时，粮食就易发霉变质。每年由于储藏不当造成大量的粮食浪费，给*和*造成巨大的经济损失。所以随时监测粮仓内部的温湿度变化，具有重要的实际意义。受经济条件限制，部分地区的*粮食储备库还采用传统的人工方式进行粮情监控，不及时、不准确[1]。本系统采用SHT15型多功能、自校准智能传感器，通过微控制芯片LPC1768采集温湿度信号，对信号进行处理判断，依据要求控制制冷器、加温机、加湿器、抽湿机启动，由此实现粮仓内温湿度的自动化控制与调节。  2.设计方案  2.1  系统设计要求  根据粮食的储藏条件，我国的气候条件和目前仓库的管理水平，通常规定粮仓温度不超过20℃，湿度不超过30%RH[2]。  系统可对温湿度进行自动调节控制。  当储藏温湿度超过要求范围时，系统进行报*，以提醒工作人员及时查看温湿度情况，在系统不能及时自动调控温湿度的情况下，可进行人工干预调控。  2.2  系统总体设计方案  根据系统的总体要求，本设计采用如下方案：整个系统由LPC1768微控制器、SHT15温湿度传感器、LCD显示模块、报*器以及温湿度调节系统等部分组成。系统功能原理图如图1所示。用户根据储存要求预先输入温湿度报*值到程序中，该值作为系统阈值。SHT15温湿度传感器监测值传输给LPC1768，当监测到的数值超出所设定阈值时，驱动蜂鸣器报*，并为温湿度调节系统提供相应的控制信号，实现自动控制。  3.硬件设计  3.1  微控制器  控制电路的核心器件是由NXP公司推出的基于Cortex-M3内核的LPC1768[3]微控制器，*作频率可达100MHz。有多组外设，3个I2C接口、512KB的Flash存储器等，每个外设都自带时钟分频器，在设置低功耗的基础上，可进一步节省功耗。另外，LPC1768芯片的体积只有14cm*14cm，适用于高度集成和低功耗的嵌入式应用，外设功能强，方便系统的功能扩展。  3.2  SHT15温湿度传感器  SHT15[4-5]型传感器是单片多用途的智能传感器，不仅包含基于湿敏电容器的微型相对湿度传感和基于带隙电路的微型温度传感器而且还有14位的A/D转换器和两线串行接口，可直接输出数字量。SHT15可直接通过I2C接口进行通讯。其性能如下：  ——相对湿度测量范围：0～100%RH；  ——温度测量范围：-40～+123.8℃；  ——相对湿度分辨率：0.03%RH；  ——温度分辨率：0.01℃；  ——相对湿度测量精度：±2%RH；  ——温度测量精度：±0.4℃；  ——相对湿度响应时间：8s（type）；  ——温度响应时间：5～30s。  3.3  显示模块  TS128×64点阵液晶显示屏的DB0～  DB7*总线连接到U1（LPC1768）的P2.0～P2.7引脚，CS1、CS2、D/I、RW和En控制信号引脚分别与P2.8～P2.12引脚直接相连。LCDAK通过电阻R7控制Q1（8550）的导通与截止来控制J1背光灯的开/关功能。电阻R8用于设置TS128×64的显示对比度。TS128×64与LPC1768硬件连接图如图2所示。  3.4  电源模块  本系统采用的电源供电模块如下所述：由USB接口提供+5V电压，为TS128  ×64、蜂鸣器和温湿度调节模块提供电源；并且为AS1117-3.3提供电源输入电压。由AS1117-3.2输出的+3.3V为LPC1768和SHT15提供电源。  3.5  报*模块  本设计系统采用声音提示报*。当实时温度或湿度高于设定的上限或低于下限时，触发报*蜂鸣器有节奏地发出*报声，提醒使用者注意温湿度变化。  3.6  与上位机接口电路设计  通过串行通讯接口UART0可实现与上位机通讯。由于PC机串口是RS-232电平，所以连接时需要使用MAX232芯片作RS-232转换器。由此，将系统采集*传给PC机。  3.7  温湿度调节模块的设计  微控制器通过对传感器采集的外界温度、湿度进行处理，并判断温湿度是否超出设定值。当温度大于20℃时，通过P1.0输出低电平，通过光电耦合器4N25，由三极管8550驱动固态继电器闭合，从而使制冷器工作；当湿度大于30%RH时，通过P1.1输出低电平，通过光电耦合器4N25，由三极管8550驱动固态继电器闭合，从而使抽湿机工作；同理，当温度低于10℃时，升温机工作；当湿度小于20%RH时，加湿器工作；直到粮仓内温湿度回到设定值范围内。  4.*设计  该系统*主要由主程序、中断子程序、I2C接口[6]子程序、LCD显示子程序、报*子程序等模块组成。本系统以Keil  uVision4为开发环境，系统*可实现以下功能：  ——LCD显示子程序对每次由SHT15所采集的数值经量化处理后所得到的标准值进行显示。  ——报*子程序是当出现异常情况时输出报*信号，例如湿度超过30%RH时，发出报*信号，以提醒工作人员注意，必要时采取人工干预。  ——系统可定期将*经UART0传给PC机；  ——根据温湿度值，调节控制制冷器、升温机、加湿器或抽湿机运行，以达到合适的温湿度。  系统*主程序流程图如图3所示。  对于SHT15，温度测量与湿度测量的基本流程是相同的。图4所示为读取温度测量值的子程序流程图。其中，延时时间根据不同分辨率有所不同。  5.测试结果  将本系统用于对某粮仓内某一天8：00到16：00期间进行温湿度测量，同时标准温湿度计及基于HTG3515CH模拟温湿度传感器的测量系统也在同一粮仓同一时间进行测量，得出测量结果分别如图5，图6所示。  由此可以看出，本文设计的基于SHT15的温湿度测量系统，其相对湿度测量精度及温度测量精度都比基于HTG3515CH温湿度传感器的测量系统高，该系统测量值更加精确，更适合应用于粮仓的温湿度监控。

系统总体设计    本系统从结构上由下到上分两级，第一级是下位机，即前端采集系统；第二级是上位机。下位机由单片机、温湿度传感器和报*模块组成，其任务是完成粮库中各个测量点的温湿度的测量，并且通过串行通信的方式向上位机传送测量*，温湿度超过阈值可实现报*。上位机主要实现对下位机进行控制，实现对一个粮库的不同方位温湿度值的循环采集，并对其进行处理、显示、存储。用户可通过上位机上的键盘输入温湿度的阈值，从而显示从下位机接收来的数值。下位机与上位机之间通过RS485串行通信方式进行*和*的传输。    此系统下位机采用模块化设计，由AT89C51主控芯片，温、湿度检测模块，上下位机通信模块以及报*模块等几部分组成。温、湿度检测模块使用数字传感器。DS18B20测量粮库的温度，湿度传感器HS1101测量湿度。其中外围设备采用RS485串行通信接口方式和上位机实现远程*交换，用以实现向用户发送*。该系统采用单片机机作为上位机监控单元。用户对设备进行*作处理等功能本设计将整个系统分为两级结构：上位机和下位机。由于这是针对一个小型粮库，所以一台上位机控制8个点，即控制8个下位机。一个下位机测量一个温湿度值。下位机系统    下位机即为前端采集系统，由单片机和各种传感器组成，其任务是完成粮库现场温度的采集与处理，并通过总线同上位机进行*传递。通常粮库面积比较大，故需多个下位机进行粮库中不同方位的温湿度*的采集。每个下位机有其唯一的地址（可由用户自行设置）。假设该粮库共有1个粮库，在每个粮库中要安装多个温湿度传感器，分布在该粮库的重要位置，每个温湿度传感器实际上是一个终端设备，也是该系统中的重要关键的设备。在每个设备中都有一个新型的温度传感器和湿度传感器，用于测量现场的温度和湿度，并将测量的温度湿度值，发送到上位单片机上，以便控制整个粮库的各个测试点的温度湿度加以全面监视和控制管理。上位机系统    上位机主要实现对下位机进行控制，实现对一个粮库的不同方向湿度的循环采集，并对其进行显示、存储。用户可通过上位机上的键盘输入各环境参量的阈值，从而把从下位机接收来的数值在LCD显示屏上显示出来。上位机仍由单片机担任，主要承担*的读取、存储以及温湿度值显示，以实现对下位机的统一管理。上位机与下位机之间通过RS485总线方式连接。    上位机*向下位机发出读取环境参数*命令。下位机接收到命令后，将存储在RAM中的的*通过串行口上传给上位的单片机，上位机机接收到并校验无误后，更新EEPROM中相应位置的保存*并显示在与其相连的LCD上，并将报**存储所有的命令和*传输都制定了严格的通信协议，采取了*校验，大大提高了传输的可靠性。

粮情测控系统是以ATmega16为检测与控制核心的单片机，由多个数字温度传感器DS18B20及模拟湿度传感器HS1101构成。