朱會(huì)東, 趙洪瑞

1.阜新高等?？茖W(xué)校 機(jī)械系 遼寧阜新 1230002.煤科集團(tuán)沈陽(yáng)研究院有限公司 沈陽(yáng) 110015

糧食是人類生存的必需品,溫度與濕度是保存好糧食的先決條件,儲(chǔ)存大量糧食對(duì)穩(wěn)定國(guó)民經(jīng)濟(jì)起著至關(guān)重要的作用[1-2]。糧庫(kù)溫濕度控制系統(tǒng)可以對(duì)一個(gè)糧庫(kù)的溫濕度進(jìn)行控制,以保證糧庫(kù)儲(chǔ)糧的安全性[3]。筆者以AT89C51單片機(jī)為核心,設(shè)計(jì)糧庫(kù)多點(diǎn)溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)對(duì)糧庫(kù)溫濕度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與控制。

1 系統(tǒng)組成與工作原理

系統(tǒng)控制器采用AT89C51單片機(jī),硬件包括數(shù)據(jù)采集電路、傳感器測(cè)量電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、擴(kuò)展接口、鍵盤及顯示單元、通信電路、通風(fēng)控制電路和報(bào)警電路等,原理如圖1所示。

采用AT89C51單片機(jī)對(duì)所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,實(shí)現(xiàn)對(duì)采集數(shù)據(jù)的儲(chǔ)存、顯示和打印功能,直觀地再現(xiàn)所采集的數(shù)據(jù)?？撮T狗電路、復(fù)位電路和掉電保護(hù)由MAX690A監(jiān)控集成芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)。上位機(jī)接口電路采用MAX232電平轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換,并經(jīng)過DB9連接器與上位機(jī)相連,通過AT89C51單片機(jī)的串行口將數(shù)據(jù)向上位機(jī)傳輸。采用TPup-40A微型打印機(jī),實(shí)現(xiàn)采集時(shí)間和數(shù)據(jù)的打印。鍵盤及顯示單元采用8279接口芯片,實(shí)現(xiàn)溫度、濕度、時(shí)間的并行顯示。

圖1 系統(tǒng)原理

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 溫度檢測(cè)電路

溫度檢測(cè)電路選用DS18b20數(shù)字溫度傳感器,將三個(gè)溫度傳感器放置在房間的不同位置,實(shí)現(xiàn)對(duì)糧庫(kù)環(huán)境溫度的檢測(cè),可以很好地保持溫度的恒定[4]。獲得溫度信息時(shí),先由AT89C51單片機(jī)發(fā)送一個(gè)1 ms的復(fù)位脈沖,使溫度傳感器復(fù)位后向AT89C51單片機(jī)發(fā)送一個(gè)回應(yīng)脈沖。AT89C51單片機(jī)接收到回應(yīng)脈沖后,發(fā)送讀溫度傳感器序列號(hào)的命令,分別讀取三個(gè)溫度傳感器的序列號(hào)。由AT89C51單片機(jī)再發(fā)送定位命令,選擇在線的溫度傳感器并進(jìn)行溫度轉(zhuǎn)換。溫度測(cè)量原理如圖2所示。

圖2 溫度測(cè)量原理

2.2 濕度檢測(cè)電路

濕度檢測(cè)電路選用HIH3610濕度傳感器,濕度傳感器以探頭形式安裝在糧倉(cāng)內(nèi),其原理如圖3所示。濕度傳感器的工作原理為:將金屬氧化物粉末燒結(jié)成陶瓷物,由燒結(jié)的程度可得到一個(gè)多孔狀的物體;此多孔狀的物體表面會(huì)吸收水分子中的離子,使?jié)穸葌鞲衅鳟a(chǎn)生物理變化,進(jìn)而使感測(cè)部分的材料阻抗發(fā)生改變;當(dāng)濕度高時(shí),多孔狀物體表面的吸附層會(huì)變厚,阻抗變低,進(jìn)而使電流容易通過,因此可以很容易測(cè)量到濕度的大小[5-6]。

圖3 HIH3610濕度傳感器原理

2.3 定時(shí)與控制驅(qū)動(dòng)電路

定時(shí)主要用于提前預(yù)熱儀器設(shè)備和定時(shí)語(yǔ)音提醒等,這些功能的實(shí)現(xiàn)由AT89C51單片機(jī)來(lái)完成。時(shí)鐘頻率選擇為32.768 kHz,該頻率可使AT89C51單片機(jī)工作在最低功耗狀態(tài),并可簡(jiǎn)化分頻、定時(shí)程序的編寫。定時(shí)基準(zhǔn)選用內(nèi)部定時(shí)器?？刂乞?qū)動(dòng)電路控制風(fēng)機(jī)、加濕機(jī)等,可分別采用過零型固態(tài)繼電器來(lái)控制。為了便于擴(kuò)展裝置的功能,系統(tǒng)應(yīng)留有足夠的擴(kuò)展空間,因此,設(shè)計(jì)時(shí)可用AT89C51單片機(jī)的P.6口作為控制口。系統(tǒng)最多可控制16個(gè)設(shè)備,以滿足不同需要。繼電器采用交流固態(tài)繼電器,其內(nèi)部采用光電隔離方式,可有效避免電磁干擾[7-8]。當(dāng)AT89C51單片機(jī)檢測(cè)到溫濕度信號(hào)超過設(shè)定值時(shí),從P.6口發(fā)出控制信號(hào),并通過光耦產(chǎn)生大于5 mA的觸發(fā)電流,使固態(tài)繼電器啟動(dòng)相應(yīng)的電器工作,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的控制。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意各個(gè)電器不要同時(shí)啟動(dòng),以免沖擊電網(wǎng),這部分工作可由軟件延時(shí)完成。固態(tài)繼電器可選擇國(guó)產(chǎn)的H220D15型。

2.4 語(yǔ)音電路

語(yǔ)音電路由AT89C51單片機(jī)系統(tǒng)、語(yǔ)音芯片及音頻功率放大電路等組成。AT89C51單片機(jī)通過8255接口芯片與語(yǔ)音電路連接,如圖4所示。AT89C51單片機(jī)檢測(cè)是否有報(bào)警信號(hào)發(fā)出,如有,則再進(jìn)一步分析前端送來(lái)的數(shù)據(jù)信息,以判別報(bào)警類別,然后啟動(dòng)語(yǔ)音芯片,并發(fā)出相應(yīng)的報(bào)警提示信息。

2.5 通信電路

通信程序包括兩方面,一方面是AT89C51單片機(jī)的通信程序,另一方面是計(jì)算機(jī)的通信程序。MAX232接口電路如圖5所示,其中一路R1OUT接AT89C51單片機(jī)的RXD,T1IN接AT89C51單片機(jī)的TXD,T1OUT接計(jì)算機(jī)的RD,R1IN接計(jì)算機(jī)的TD。因?yàn)镸AX232接口具有驅(qū)動(dòng)能力,所以不需要外加驅(qū)動(dòng)電路。

2.6 模數(shù)轉(zhuǎn)換器

系統(tǒng)采用逐次逼近型ADC0809模數(shù)轉(zhuǎn)換器,原理如圖6所示。逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器是一種速度快、精度高的模數(shù)轉(zhuǎn)換器,通過最高位到最低位的逐次檢測(cè)來(lái)逼近被轉(zhuǎn)換的輸入電壓。

2.7 鍵盤及顯示單元

系統(tǒng)采用8279作為鍵盤及顯示單元的接口芯片,可簡(jiǎn)化系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì),充分提高中央處理器的工作效率。

2.8 打印機(jī)

打印設(shè)備選擇便攜式TP-up40A微型打印機(jī),打印機(jī)與8255接口芯片連接在輸入電路中,有鎖存器。在輸出電路中,由三態(tài)門來(lái)控制,因此在和AT89C51單片機(jī)的接口電路中,低八位地址不經(jīng)過鎖存器。打印機(jī)通過8255接口芯片的PB口進(jìn)行連接,如圖7所示。

圖4 語(yǔ)音電路

圖6 逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器原理

2.9 復(fù)位電路

對(duì)復(fù)位電路的基本要求是,在單片機(jī)通電時(shí)能可靠復(fù)位,在斷電時(shí)能防止程序亂飛而導(dǎo)致可擦寫可編程可讀存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)被修改。另外,系統(tǒng)在工作時(shí),由于干擾等各種因素的影響,有可能出現(xiàn)死機(jī)現(xiàn)象,導(dǎo)致AT89C51單片機(jī)無(wú)法正常工作。為了避免這一現(xiàn)象,除了充分利用AT89C51單片機(jī)自身的看門狗定時(shí)器外,還需外加看門狗電路[9]。除此以外,系統(tǒng)還要求在失電瞬間AT89C51單片機(jī)能將重要數(shù)據(jù)保存下來(lái),因?yàn)槭щ姷陌l(fā)生往往是隨機(jī)的,所以系統(tǒng)需要電源監(jiān)控電路[10],在失電剛發(fā)生時(shí)告知AT89C51單片機(jī)。MAX813L芯片可以滿足以上要求,其典型應(yīng)用電路如圖8所示。

圖7 打印機(jī)連接電路

圖8 MAX813L典型應(yīng)用電路

3 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)與硬件設(shè)計(jì)相對(duì)應(yīng),采用模塊化結(jié)構(gòu),共包括五個(gè)程序模塊:主程序模塊、上位機(jī)通信程序模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換程序模塊、搜索溫度傳感器系列號(hào)程序模塊、中斷程序模塊,程序流程如圖9～圖12所示。

通過主程序和中斷處理程序,將各程序模塊連接起來(lái),這樣有利于程序的修改和調(diào)試,增強(qiáng)程序的可移植性。

圖9 主程序流程

圖10 上位機(jī)通信程序流程

圖11 模數(shù)轉(zhuǎn)換程序流程

圖12 搜索溫度傳感器系列號(hào)程序流程

4 結(jié)束語(yǔ)

設(shè)計(jì)了糧庫(kù)多點(diǎn)溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng),采用先進(jìn)的AT89C51單片機(jī)和溫濕度傳感器,實(shí)現(xiàn)了對(duì)糧庫(kù)內(nèi)溫濕度的自動(dòng)測(cè)量和調(diào)節(jié)。所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)應(yīng)用場(chǎng)合廣泛,特別適用于多點(diǎn)溫濕度的測(cè)量與控制,可以增加傳感器的數(shù)量,具有很強(qiáng)的可擴(kuò)展性。使用時(shí)可以根據(jù)情況選用空調(diào)等加熱設(shè)備,與同類產(chǎn)品相比,不僅精度高,而且成本低,可靠性好。