粮仓管理系统设计

粮仓管理系统设计内容摘要：

DS18B20，它的测温范围在 55℃ ～ +150℃ 之间，而且精度高。 M 档在测温范围内非线形误差为 177。 ℃。 DS18B20 可以承受 44V 正向电压和 20V 反向电压，因而器件反接也不会损坏。 使用可靠。 它只需直流电源就能工作，而且，无需进行线性校正，所以使用也非常方便，借口也很简单。 作为电流输出型传感器的一个特点是，和电压输出型相比，它有很强的抗外界干扰能力。 DS18B20 的测量信号可远传百余米。 综合比较方案 7 一与方案二，方案二更为适合于本设计系统对于温度传感器的选择。 湿度传感器的选择 测量空气湿度的方式很多，其原理是根据某种物质从其周围的 空气吸收水分后引起的物理或化学性质的变化，间接地获得该物质的吸水量及周围空气的湿度。 电容式、电阻式和湿涨式湿敏原件分别是根据其高分子材料吸湿后的介电常数、电阻率和体积随之发生变化而进行湿度测量的。 方案一：采用 HOS201 湿敏传感器。 HOS201 湿敏传感器为高湿度开关传感器，它的工作电压为交流 1V 以下，频率为 50HZ～ 1KHZ，测量湿度范围为 0～ 100%RH，工作温度范围为 0～ 50℃ ，阻抗在 75%RH（ 25℃ ）时为 1MΩ。 这种传感器原是用于开关的传感器，不能在宽频带范围内检测湿度，因此，主要用于判断规定 值以上或以下的湿度电平。 然而，这种传感器只限于一定范围内使用时具有良好的线性，可有效地利用其线性特性。 方案二：采用 HS1100/HS1101 湿度传感器。 HS1100/HS1101 电容传感器，在电路构成中等效于一个电容器件，其电容量随着所测空气湿度的增大而增大。 不需校准的完全互换性，高可靠性和长期稳定性，快速响应时间，专利设计的固态聚合物结构，由顶端接触（ HS1100）和侧面接触（ HS1101）两种封装产品，适用于线性电压输出和频率输出两种电路，适宜于制造流水线上的自动插件和自动装配过程等。 相对湿度在 1%100%RH 范围内；电容量由 16pF 变到 200pF，其误差不大于 177。 2%RH；响应时间小于 5S；温度系数为 pF/℃。 可见精度是较高的。 综合比较方案一与方案二，方案一虽然满足精度及测量湿度范围的要求，但其只限于一定范围内使用时具有良好的线性，可有效地利用其线性特性。 而且还不具备在本设计系统中对温度 30～ 50℃ 的要求，因此，我们选择方案二来作为本设计的湿度传感器。 8 系统硬件设计 主控模块 单片机 系统的控制模块核心是单片机，本系统选用的是 AT89S52 单片机。 AT89S52 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。 使用 Atmel 公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业 80C51 产品指令和引脚完全兼容。 片上 Flash 允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。 在单芯片上，拥有灵巧的 8 位 CPU 和在系统 可编程 Flash，使得 AT89S52 为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。 AT89S52 具有以下标准功能： 8k 字节 Flash， 256 字节 RAM， 32 位 I/O 口线， 2个数据指针，三个 16 位定时器 /计数 器，一个 6 向量 2 级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。 另外， AT89S52 可降至 0HZ 静态逻辑操作，支持 2 种软件可选择节电模式。 空闲模式下， CPU 停止工作，允许 RAM、定时器 /计数器、串口、中断继续工 作。 掉电保护方式下， RAM 内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。 8 位微控制器 8K 字节在系统可编程 Flash。 图 31AT89S52 引脚图 9 时钟晶振电路和复位电路 时钟电路用于产生时钟信号，时钟信号是单片机内部各种微操作的时间基准，在此基础上，控 制器按照指令的功能产生一系列在时间上有一定次序的信号，控制相关的逻辑电路工作，实现指令的功能。 复位对单片机来说，是程序还没有开始执行，是在做准备工作。 时钟晶振电路和复位电路见图 32。 vc c40p0 .039p0 .138p0 .237p0 .336p0 .435P 0. 534P 0. 633P 0. 732E A / V P P31A L T / P R O G30P S E N29P 2. 728P 2. 627P 2. 526P 2. 425P 2. 324P 2. 223P 2. 122P 2. 021P 1. 01P 1. 12P 1. 23P 1. 34P 1. 45P 1. 56P 1. 67P 1. 78R S T / V P D9R S D / P 3. 010T X D / P 3. 111I N T 0/ P 3. 212I N T 1/ P 3. 313T 0/ P 3. 414T 1/ P 3. 515W R /P 3 .616R D / P 3 .717X T A L 218X T A L 119V S S20R?A T 8 9S 52A112 MC210 0U FR?R E S 2S?S W P BA3C A PA2C A PV C CS D AS C LDQV C C 图 32 时钟晶振和复位电路 看门狗功能的使用方法 看门狗复位电路监控程序的运行状态，在死机或 “程序走飞 ”时可使系统自动恢复到正常工作状态。 看门狗具体使用方法如下 :在程序初始化中向看门狗寄存器 (WDTRST 地址是OA6H)中先写入 0lEH，再写入 OEIH。 即可激活看门狗。 89S52 单片机 的看门狗必须由程序激活后才 开始工作。 所以必须保证 CPU 有可靠的上电复位。 否则看门狗也无法工作。 看门狗使用的是 CPU 的晶振。 在晶振停振的时候看门狗也无效。 89S52 只有 14 位计数器。 在 16383 个机器周期内必须至少喂狗一次。 而且这个时间是固定的，无法更改。 当晶振为12M 时每 16 个毫秒需喂狗一次。 10 信号采集模块 DS18B20 测温原理 温度传感器 DS18B20 主要由以下几部分组成： 64 位 ROM、温度灵敏元件、高温触发器 TH、低温触发器 TL 和配置寄存器。 其框图结构如图 33 所示。 图 33 DS18B20 内部结构 每个 DS18B20 内部都有一个 64 位的序列号固化在 ROM 中， ROM 中的这 64 位序列号是出厂前被光记好的，它可以看作是该 DS18B20 的地址序列码，每个 DS18B20 的 64位序列号 均不相同，使用序列号，可对指定的 DS18B20 进行操作。 64 位 ROM 的排列是：前 8 位是产品家族码，接着 48 位是 DS18B20 的序列号，最后 8 位是前面 56 位的循环冗余校验码（ CRC=X8+X5+X4+1） [18]。 ROM 作用是使每一个 DS18B20 都各不相同，这样就可实现一根总线上挂接多个传感器。 多个 DS18B20 可以并联到 3 根或 2 根线上， CPU 只需一根端口线就能与诸多 DS18B20 通信，占用微处理器的端口较少，可节省大量的引线和逻辑电路。 以上特点使 DS18B20 非常适用于远距离多点温度检测系统。 DS18B20 采用单总线工 作方式，由于所有信号（控制和数据）都通过单总线传输，因此总线的时序逻辑必须非常严格。 所谓单总线，即 1－ wire 技术是 DS18B20 的一个特点。 该技术采用单根信号线，既可传输时钟，又能传输数据，而且数据传输是双向的，因而这种单总线技术具有线路简单，硬件开销少，成本低廉，便于总线扩展和维护等优点。 单总线适用于单主机系统，能够控制一个或多个从机设备。 主机可以是微控制器，从机可以是单总线器件，它们之间的数据 11 交换只通过一条信号线。 当只有一个从机设备时，系统可按单节点系统操作；当有多个从机设备时，系统则按多节点系统操 作。 单总线即只有一根数据线，系统中的数据交换、控制都由这根线完成。 主机或者从机通过一个漏极开路或三态端口连至该数据线，以允许设备在不发送数据时能够释放总线，而让其他设备使用总线。 单总线通常要求外接一个约为 的上拉电阻，这样，当总线闲置时，其状态为高电平。 图 34 DS18B20的测温原理图 测温原理如图 34 所示，低温度系数振荡器是一个振荡频率随温度变化很小的振荡器，为计数器 1 提供一频率稳定的计数脉冲。 高温度系数振荡器是一个振荡频率对温度很敏感的振荡器，为计数器 2 提供一个频率随温度变化的计 数脉冲。 初始时，温度寄存器被预置成 55℃，每当计数器 1从预置数开始减计数到 0时，温度寄存器中寄存的温度值就增加 1℃，这个过程重复进行直到计数器 2 计数到 0 时便停止。 初始时，计数器 1 预置的是与 55℃相对应的一个预置值。 以后计数器 l 每一个循环的预置数都由斜率累加器提供。 为了补偿振荡器温度特性的非线性性，斜率累加器提供的预置数也随温度相应变化。 计数器 1 的预置数也就是在给定温度外使温度寄存器存值增加 1℃计数器所需的计数个数。 图中比较器的作用是以四舍五入的量化方式确定温度寄存器的最低有效位。 在计数器 2 停止计数后，比较器将计数器 1 中的计数剩余值转换为温度值后与 025℃进行比较，若低于 ℃，温度寄存器的最低位就置 0；若高于 ℃，就置 1，若高于 ℃，温度寄存器的最低位就进位后置 0。 这样，经过比较后所得的温度寄存器的值就是最终读取的温度值了，其最末 12 位代表 ℃，四舍五入最大量化误差为士 l/2LSB，即 ℃。 温度寄存器中的温度值以 9位数据格式表示，最高位为符号位其余 8 位以二进制补码形式表示温度值。 测温结束时，这 9 位数据转存到暂存寄存器的前两个字节中，符号位占用第 1 字节， 8 位温度数据占用第 2 字节。 DS1820 测量温度时使用特有的温度测量技术。 DS18B20 内部的低温度系数振荡器能产生稳定的频率信号，同样的，高温度系数振荡器则将被测温度转换成频率信号。 当计数门打开时， DS18B20 进行计数门开通时间由高温度系数振荡器决定。 芯片内部还有斜率累加器，可对频率的非线性度加以补偿。 测量结果存入温度寄存器中。 一般情况下的温度值应为 9 位 (包含一位符号 )，但因符号位扩展成高 8 位，故以 16 位补码形式读出，温度和数字量的关系如表 31 所示。 表 31 温度和数字量的关系 变量 输出的 2 进制码 对应的 16 进制码 +125 000000011111010 00FAH +25 000000000110010 0032H +1/2 000000000000001 0001H 0 000000000000000 0000H 1/2 111111111111111 FFFFH 25 111111111001110 FFCEH 55 111111110010010 FF92H 温度检测电路 温度检测系统原理如图 3－ 4 所示，采用寄生电源供电方式。 为保证在有效的 DS18B20时钟周期内，提供足够的电流，用一个 MOSFET 管和单片机的一个 I/O 口 ()来完成对DS18B20 总线的上拉。 当 DS18B20 处于写存储器操作和温度 A/D 变换操作时，总线上必须有强的上拉，上拉开启时间最大为 10μs。 采用寄生电源供电方式时 VDD 必须接地。 由于单线制只有一根线，因此发送接收口必须是三态的，为了操作方便用单片机的 口作发送口 Tx， 口作接收口 Rx。 通过试验发现此种方法可挂接数十个 DS18B20 片，距离可达到 50 米，而用一个口时仅能挂接 10 片 DS18B20，距离仅为 20 米。 同时由于读写在操作上是分开的故不存在信号竞 争问题。 图 3－ 5 是采用寄生电源供电方式的 DS18B20 与单片机的实际系统电路连接图。 13 vc c40P 0. 039P 0. 138P 0. 237P 0. 336P 0. 435P 0. 633P 0. 534E A / V P P31A L T / P R C G30P S E N29P 2. 728P 2. 627P 2. 526P 2. 425P 2. 324P 2. 223P 2. 122P 2. 021P 1. 12P 1. 23P 1. 34P 1. 45P 1. 56P 1. 67P 1. 78R S T / V P D9R S D / P 3. 010T X D / P 3. 111I N T 0/ P 3. 212I N T 1/ P 3. 313T 0/ P 3. 414T 1/ P 3. 515W R /P 3 .616R D / P 3 .717X T A L。