基于單片機(jī)的糧倉(cāng)溫濕度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)教材

1、摘要：本文提出的糧倉(cāng)溫、 濕度測(cè)控系統(tǒng)采用 AT89C51 單片機(jī)為測(cè)控核心 ,以“一線(xiàn)式” 數(shù)字溫度傳感器 DS18B20 和電容式濕敏傳感器 HS1100/HS1101 為溫、濕度數(shù)據(jù)采集 部件，通過(guò) PC 機(jī)作為人機(jī)接口，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集與測(cè)控指令參數(shù)的設(shè)置。具有界面 友好、控制靈活、硬件系統(tǒng)集成度高、電路簡(jiǎn)單、功能強(qiáng)、性能可靠、成本低等特點(diǎn)。本 系統(tǒng)解決了傳統(tǒng)溫、 濕度測(cè)試器材及人工去濕、 降溫的諸多弊端。并可實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)溫、 濕度 參數(shù)的測(cè)量與控制。關(guān)鍵詞： AT89C51;DS18B20;HS1100/HS1101;PC 機(jī);人機(jī)接口A(yíng)bstract : The paper deve

2、lops a temperature and humidity controlling system for grain depot .The system is based on a chip microprocessor AT89C51,uses one-line type digitaltemperature sensor DS18B20 and the capacitance humidity sensor HS1100/HS1101 to collect humiture data,realizes the collecting of remote data as well as t

3、he setting of measuring and controlling order parameter.The system has the following advantages:its interface is friendly,it is controlled easily,its hardware system is integrated highly,the circuitry is simple,its function is strong,it has good performance,the cost is lower and so on.The system set

4、tles many defects of traditional humiture testing equipments as well as manual dewetting and cooling.Meanwhile,the system realizes the measuring and controlling of multiple-point humiture parameters.Keywords: AT89C51;DS18B20;HS1100/HS1101;PC;personal digital assistant(PDA)1. 系統(tǒng)功能說(shuō)明本設(shè)計(jì)以糧倉(cāng)室內(nèi)外溫、濕度測(cè)控電路為

5、核心，以上位 PC 機(jī)為系統(tǒng)人機(jī)接口，測(cè)控 電路與上位 PC 機(jī)通過(guò)串行通信方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。 測(cè)控電路通過(guò)數(shù)據(jù)采集裝置定時(shí)采集 糧倉(cāng)溫濕度數(shù)據(jù)， 并根據(jù)控制參數(shù)做出控制決策， 驅(qū)動(dòng)設(shè)備運(yùn)行 （自動(dòng)啟動(dòng)或關(guān)閉空調(diào)設(shè) 備或風(fēng)機(jī)系統(tǒng)），并隨時(shí)準(zhǔn)備接受上位 PC 機(jī)的指令，當(dāng)受到詢(xún)問(wèn)時(shí)，將糧倉(cāng)的各項(xiàng)數(shù)據(jù) 編碼通過(guò)串行通信方式傳輸?shù)缴衔?PC 機(jī)。上位 PC 機(jī)可根據(jù)用戶(hù)要求定時(shí)向測(cè)控電路查詢(xún)糧倉(cāng)溫、濕度數(shù)值和設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)。 并可以對(duì)從機(jī)進(jìn)行參數(shù)設(shè)置（包括：空調(diào)起、停參數(shù)；風(fēng)機(jī)起、停參數(shù)；加濕機(jī)起、停參 數(shù)；溫、濕度報(bào)警門(mén)限等）及控制（強(qiáng)制打開(kāi)空調(diào)風(fēng)機(jī)與加濕機(jī)） ，從機(jī)也可以獨(dú)立工作。上位 PC 機(jī)通

6、過(guò)串口電路接收到數(shù)據(jù)后， 進(jìn)行數(shù)據(jù)處理， 在監(jiān)控界面上顯示當(dāng)前的狀 態(tài)信息， 并將此信息實(shí)時(shí)地存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中， 為用戶(hù)維護(hù)和管理準(zhǔn)備數(shù)據(jù)。 也可以將一段 時(shí)期的數(shù)據(jù)信息匯集成報(bào)表， 還可以將一段時(shí)間的數(shù)據(jù)繪制成圖形、 曲線(xiàn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的 分析與管理。2.系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)2.1.系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)根據(jù)系統(tǒng)功能要求，本硬件系統(tǒng)包括四個(gè)功能模塊：1、上位 PC 機(jī)。完成參數(shù)設(shè)置及控制、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、處理及管理功能。2、串行通信模塊。應(yīng)用 RS-485 通信方式完成測(cè)控電路與上位 PC 機(jī)的數(shù)據(jù)交換。3 、測(cè)控電路模塊。主要由 AT89C51 組成主控電路，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)收集與控制功能，并能在主 機(jī)關(guān)機(jī)的情況下獨(dú)立實(shí)

7、現(xiàn)所有的控制功能。4、數(shù)據(jù)采集模塊。實(shí)現(xiàn)溫、濕度實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如下：圖 1 ：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖2.2.通信方案選擇RS-485 以遠(yuǎn)距離、多節(jié)點(diǎn)（ 128 個(gè)）以及傳輸線(xiàn)成本低的特性成為工業(yè)應(yīng)用中數(shù)據(jù) 傳輸?shù)氖走x標(biāo)準(zhǔn)?？紤]到本系統(tǒng)傳輸距離及多糧倉(cāng)控制的擴(kuò)展方向等因素，本系統(tǒng)選用 RS-485 通信方式， RS-485 通信的特點(diǎn)如下：（1）RS-485 的邏輯“ 1”以?xún)删€(xiàn)間的電壓差為 +2+6 V 表示；邏輯“ 0”以?xún)删€(xiàn) 間的電壓差為 -2-6 V 表示，該電平與 TTL 電平兼容，可方便與 TTL電路連接；（2 ）RS-485 接口的最大傳輸距離標(biāo)可達(dá) 3000 米，

8、 RS-485 接口在總線(xiàn)上是允許 連接最多達(dá) 128 個(gè)收發(fā)器， 可以利用單一的 RS-485 接口建立起單元用戶(hù)設(shè)備網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)采用 RS-485 總線(xiàn)半雙工通信方式。 標(biāo)準(zhǔn) RS-485 接口的輸入阻抗為 12K ， 相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)驅(qū)動(dòng)節(jié)點(diǎn)數(shù)為 32 個(gè)。MAX1487 芯片的輸入阻抗設(shè)計(jì)成 1/4 負(fù)載（48K ）， 相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)數(shù)可增加到 128 個(gè)。 MAX1487 是半雙工通信芯片，且具有抗靜電及抗雷擊 的功能，因此本設(shè)計(jì)選用了 MAX1487 芯片。3.系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)本系統(tǒng)硬件包括： 溫度檢測(cè)、濕度檢測(cè)、 A/D 轉(zhuǎn)換、單片機(jī)及附屬電路、 控制接口（空 調(diào)、風(fēng)機(jī)）、鍵盤(pán)及顯示、報(bào)警

9、電路、通信串口、 PC 機(jī)等部分的設(shè)計(jì)。系統(tǒng)整體電路框 圖如圖 2 所示。圖 2 ：系統(tǒng)整體電路框圖3.1.數(shù)據(jù)采集電路設(shè)計(jì)3.1.1.溫度采集接口電路.DS18B20 介紹：DALLAS 最新單線(xiàn)數(shù)字溫度傳感器 DS18B20 “一線(xiàn)總線(xiàn)器件” 體積小、適用電壓寬、2經(jīng)濟(jì)。現(xiàn)場(chǎng)溫度直接以“一線(xiàn)總線(xiàn)”的數(shù)字方式傳輸，大大提高了系統(tǒng)的抗干擾性，適合 于惡劣環(huán)境的現(xiàn)場(chǎng)溫度測(cè)控，支持 35.5V 的電壓范圍。DS18B20 具有如下特點(diǎn)：（1 ）獨(dú)特的單線(xiàn)接口只需 1 個(gè)接口引腳即可通信。（2 ）在 DS18B20 中的每一個(gè)器件上都有獨(dú)一無(wú)二的序列號(hào)可實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測(cè)量。（3）不需要外部元

10、件即可實(shí)現(xiàn)測(cè)溫。（4）由數(shù)據(jù)線(xiàn)供電，不需外接電源。（5）測(cè)量范圍從 -55 至+125 ，在-10 +85 范圍內(nèi)保證 0.5 的精度。 （6 ）用戶(hù)可以從 9 位到 12 位選擇數(shù)字溫度計(jì)的分辨率。（7）內(nèi)部有溫度上、下限告警設(shè)置。（8）用戶(hù)可定義的非易失性的溫度告警設(shè)置圖 3：是 TO-92 封裝和 SSOP 封裝的 DS18B20 的外部結(jié)構(gòu)圖。圖 3： DS18B20 外觀(guān)DS18B20 引腳功能描述如下：DQ：數(shù)據(jù)輸入 /輸出引腳。開(kāi)漏單總線(xiàn)引腳。當(dāng)被用在寄生電源下，可向器件供電 VDD ：電源引腳，可選擇使用。當(dāng)工作于寄生電源時(shí)，此引腳必須接地。NC ：空引腳。DS18B20 內(nèi)部

11、結(jié)構(gòu)主要由六部分組成：電源電路、 64 位光刻 ROM 及 1 wire 接 口、溫度傳感器、非易失的溫度報(bào)警觸發(fā)器 TH 和 TL、配置寄存器和 CRC 校驗(yàn)碼產(chǎn)生器。64 位光刻 ROM 的排列是：開(kāi)始 8位（ 28H ）是產(chǎn)品類(lèi)型標(biāo)號(hào)，接著的 48 位是該 DS18B20 自身的序列號(hào)，最后 8 位是前面 56 位的循環(huán)冗余校驗(yàn)碼 （CRC=X8+X5+X4+1 ）。 DS18B20 高速存儲(chǔ)器包含了 9 個(gè)連續(xù)字節(jié)，前兩個(gè)字節(jié)是測(cè) 得的溫度信息， 第一個(gè)字節(jié)的內(nèi)容是溫度的低八位， 第二個(gè)字節(jié)是溫度的高八位。 第三個(gè) 和第四個(gè)字節(jié)是 TH 、TL的易失性拷貝， 第五個(gè)字節(jié)是配置寄存器的易

12、失性拷貝， 這三個(gè) 字節(jié)的內(nèi)容在每一次上電復(fù)位時(shí)被刷新。 第六、七、八個(gè)字節(jié)用于內(nèi)部計(jì)算。 第九個(gè)字節(jié) 是冗余校驗(yàn)字節(jié)。其中，配置寄存器的內(nèi)容如下： “TM R1 R0 1 1 1 1 1 ”低 5位一直都 是 1 ，TM 是測(cè)試模式位， 用于設(shè)置 DS18B20 在工作模式還是在測(cè)試模式。 在 DS18B20 出廠(chǎng)時(shí)該位被設(shè)置為 0，用戶(hù)不要去改動(dòng)。 R1 和R0 用來(lái)設(shè)置分辨率，如下表 1 所示： （ DS18B20 出廠(chǎng)時(shí)被設(shè)置為 12 位）R1R0分辨率溫度最大轉(zhuǎn)換時(shí)間009位93.75ms0110 位187.5ms1011 位375ms1112 位750ms表1 分辨率設(shè)置表DS18

13、B20 中的溫度傳感器可完成對(duì)溫度的測(cè)量， 以 12 位轉(zhuǎn)化為例 :用 16 位符號(hào)擴(kuò)展 的二進(jìn)制補(bǔ)碼讀數(shù)形式提供，以 0.0625 /LSB 形式表達(dá)， S為符號(hào)位。如下表 2 所示。表 2 12 位的溫度轉(zhuǎn)化形式表這是12位轉(zhuǎn)化后得到的 12位數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)在 18B20 的兩個(gè)8比特的 RAM 中，二進(jìn) 制中的前面 5位是符號(hào)位，如果測(cè)得的溫度大于 0，這5位為 0，只要將測(cè)到的數(shù)值乘于 0.0625 即可得到實(shí)際溫度；如果溫度小于 0，這 5 位為 1，測(cè)到的數(shù)值需要取反加 1 再 乘于 0.0625 即可得到實(shí)際溫度。DS18B20 依靠一個(gè)單線(xiàn)接口通信。 在單線(xiàn)接口情況下， 必須先建立

14、 ROM 操作協(xié)議， 才能使用存貯器和控制操作。因此，控制器必須首先提供五種ROM 操作命令之一：（1 ）ReadROM（ 讀ROM）；（2）Match ROM（ 匹配ROM）；（3）Search ROM（ 搜索 ROM）； （4）Skip ROM（ 跳過(guò) ROM）；（5）Alarm Search（ 告警搜索）。這些命令對(duì)每一器件的 64 位光刻 ROM 部分進(jìn)行操作。如果在單線(xiàn)上有許多器件，那么可以挑選出一個(gè)特定的 器件并給總線(xiàn)上的主機(jī)指示存在多少器件及其類(lèi)型。 在成功地執(zhí)行了 ROM 操作序列之后 可，使用存貯器和控制操作，然后控制器可以提供六種存貯器和控制操作命令之一。DS18B20 依

15、靠一個(gè)單線(xiàn)接口通信。單線(xiàn)總線(xiàn)的空閑狀態(tài)是高電平。.接口電路AT89C51 與 DS18B20 的接口電路如圖 4 所示圖 4:AT89C51 與 DS18B20 的接口電路圖中 ,DS18B20 的 I/O 端口 DQ 通過(guò)一個(gè) 4.7K 的外部上拉電阻與單片機(jī)連接。多片 DS18B20 共用一條總線(xiàn)，通過(guò)光刻序列號(hào)的區(qū)分實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測(cè)溫。本設(shè)計(jì)中 DS18B20 采 用寄生電源方式，故 GND 與 VDD 端均接地。3.1.2. 濕度采集電路.HS1100/HS1101 濕度傳感器介紹：HS1100/HS1101 濕度傳感器特點(diǎn)：高可靠性和長(zhǎng)期穩(wěn)定性，快速響應(yīng)時(shí)間，適

16、用 于線(xiàn)性電壓輸出和頻率輸出兩種電路，其相對(duì)濕度在1%-100%RH 范圍內(nèi)；電容量由16pF 變到 200pF ，其誤差不大于 2%RH ；響應(yīng)時(shí)間小于 5S；溫度系數(shù)為 0.04 pF/ ， 精度較高。 濕度測(cè)量電路設(shè)計(jì)：HS1100/HS1101 電容傳感器，其容量隨著所測(cè)空氣濕度的增大而增大。將電容的 變化量準(zhǔn)確地轉(zhuǎn)為計(jì)算機(jī)易于接受的信號(hào)， 常有兩種方法： 一是將該濕敏電容置于運(yùn)放與 阻容組成的橋式振蕩電路中，產(chǎn)生的正弦波電壓信號(hào)經(jīng)整流、直流放大、再 A/D 轉(zhuǎn)換為 數(shù)字信號(hào)；另一種是將該濕敏電容置于 555 振蕩電路中，將電容值的變化轉(zhuǎn)為與之成反 比的電壓頻率信號(hào)，可直

17、接被計(jì)算機(jī)所采集。集成定時(shí)器 555 芯片外接電阻 R1、 R3 與濕敏電容 C，構(gòu)成了對(duì) C 的充電回路。 7 端通過(guò)芯片內(nèi)部的晶體管對(duì)地短路又構(gòu)成了對(duì) C的放電回路，并將引腳 2、6 端相連引入 到片內(nèi)比較器，便成為一個(gè)典型的多諧振蕩器，即方波發(fā)生器。另外， R21 是防止輸出 短路的保護(hù)電阻。該振蕩電路兩個(gè)暫穩(wěn)態(tài)的交替過(guò)程如下：首先電源 v 通過(guò) R1、R3 向 HS1100 充 電，經(jīng) t 充電時(shí)間后， Uc 達(dá)到芯片內(nèi)比較器的高觸發(fā)電平，約 0.67V ，此時(shí)輸出引腳 3 端由高電平突降為低電平， 然后通過(guò) R3 放電，經(jīng) t 放電時(shí)間后， Uc 下降到比較器的低觸發(fā)電平，約 0.3

18、3V 此時(shí)輸出，此時(shí)輸出引腳 3 端又由低電平突降為高電平，如此翻 來(lái)覆去，形成方波輸出。其中，充放電時(shí)間為 t 充電=C（R1+R3 ）Ln2 ，t 放電=CR3 Ln2 因而，輸出的方波頻率為： f=1/（t 放電+t 充電）=1/C （R1+2R3 ）Ln2 可見(jiàn)，空氣濕度 通過(guò) 555 測(cè)量電路就轉(zhuǎn)變?yōu)榕c之呈反比的頻率信號(hào)， 表 3 給出了其中的一組典型測(cè)試值。表 3 ：空氣濕度與電壓頻率的典型值 多路濕度檢測(cè)信號(hào)的實(shí)現(xiàn)為了能夠?qū)崿F(xiàn)濕度信號(hào)的多點(diǎn)測(cè)量，本設(shè)計(jì)采用 2 片 8 選1 模擬開(kāi)關(guān) CD4051 組成 矩陣測(cè)量網(wǎng)絡(luò)，可實(shí)現(xiàn) 64 路濕度信號(hào)的采集。矩陣測(cè)量網(wǎng)絡(luò)由濕

19、度頻率變換電路及 2 片 CD4051 組成，其硬件電路如圖 5 所示。圖中，每片 CD4051 有 3 條地址碼控制線(xiàn)， 通過(guò)單片機(jī)的控制每片 CD4051 可實(shí)現(xiàn) 8 選 1 功能，2 片 CD4051 組合使用就可實(shí)現(xiàn) 64 路濕度信號(hào)的采集。 U2 的 INH 端直接接地， U1 的 INH 端通過(guò)單片機(jī)端口控制， 在進(jìn)行 濕度信號(hào)采集的時(shí)候該端口置為低電平， 允許多路開(kāi)關(guān)選通。 U1 的 X 端子與單片機(jī) P3.4 端口相連，實(shí)現(xiàn)濕度信號(hào)的采集。3.1.3. 多路開(kāi)關(guān)介紹多路開(kāi)關(guān)，又稱(chēng)“多路模擬轉(zhuǎn)換器” 。多路開(kāi)關(guān)通常有 n 個(gè)模擬量輸入通道和一個(gè)公 共的模擬輸入端，并通過(guò)地址線(xiàn)上不

20、同的地址信號(hào)把 n 個(gè)通道中任一通道輸入的模擬信 號(hào)輸出，實(shí)現(xiàn)有 n 線(xiàn)到一線(xiàn)的接通功能。反之，當(dāng)模擬信號(hào)有公共輸出端輸入時(shí)，作為 信號(hào)分離器，實(shí)現(xiàn)了 1 線(xiàn)到 n 線(xiàn)的分離功能。在本設(shè)計(jì)中，選用的是 8 選 1 多路開(kāi)關(guān) CD4051 ，它是一種單片、 COMS 、8 通道開(kāi)關(guān)。 該芯片由 DTL/TTL-COMS 電平轉(zhuǎn)換器， 帶有禁止端的 8 選 1 譯碼器輸入，分別加上控制的 8 個(gè) COMS 模擬開(kāi)關(guān) TG 組成。圖 6 ：CD4051 的內(nèi)部原理框圖圖 5 ：濕度矩陣測(cè)量網(wǎng)絡(luò)圖中功能如下：通道線(xiàn) IN/OUT （4、2、5、1、12、15、14、13 ）：該組引腳作為輸入時(shí)，可實(shí)現(xiàn)

21、 8 選1 功能。作為輸出時(shí)，可實(shí)現(xiàn) 1 分8 功能。 XCOM （3）：該引腳作 為輸出時(shí)，則為公共輸出端；作為輸入時(shí)，則為輸入端。 A、B、C（11、10、9）：地址控制引腳。INH （6）：禁止輸入引腳。若 INH 為高電平，則為禁止各通道和輸出端 OUT/IN 接至； 若 INH 為低電平，則允許各通道按表 3-2 關(guān)系和輸出段 OUT/IN 接通。VDD （16 ）和 VSS（8）：VDD 為正電源輸入端，極限值為 17V ；VSS為負(fù)電源輸入端， 極限值為 -17V 。VGG（7）；電平轉(zhuǎn)換器電源，通常接 +5V 或-5V 。CD4051 作為 8 選 1 功能時(shí)，若 A、B、C均

22、為邏輯“ 0”（INH=0 ），則地址碼 00013 經(jīng)譯碼后使輸出端 OUT/IN 和通道 0 接通。3.2.單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)本系統(tǒng)中，我們采用美國(guó) ATMEL（愛(ài)特梅爾）公司生產(chǎn)的 AT89C51 是一種帶 4K 字 節(jié) FLASH 存 儲(chǔ) 器 （ FPEROM Flash Programmable and Erasable Read Only Memory ）的低電壓、高性能 CMOS 8 位微處理器。 AT89C2051 是一種帶 2K 字節(jié)閃存 可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器的單片機(jī)。 該器件采用 ATMEL 高密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制 造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的 MCS-51 指令集和輸出管腳相兼容

23、。 由于將多功能 8 位CPU 和閃速存 儲(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中， ATMEL 的 AT89C51 是一種高效微控制器， AT89C051 是它的 一種精簡(jiǎn)版本。 AT89C51 單片機(jī)為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方 案。AT89C51 與 MCS-51 兼容4K 字節(jié)可編程 FLASH 存儲(chǔ)器壽命：1000 寫(xiě)/ 擦循環(huán)數(shù)據(jù)保留時(shí)間：10 年全靜態(tài)工作：0Hz-24MHz三級(jí)程序存儲(chǔ)器鎖定128 8 位內(nèi)部 RAM32 可編程 I/O 線(xiàn)兩個(gè)16 位定時(shí)器 / 計(jì)數(shù)器5 個(gè)中斷源可編程串行通道低功耗的閑置和掉電模式片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路圖7 所示為 AT89C51 單片機(jī)最小系

24、統(tǒng)原理圖。圖 8： RS-485 串口電路3.3.2.控制參數(shù)存儲(chǔ)器本系統(tǒng)測(cè)控端，溫、濕度調(diào)控參數(shù)存儲(chǔ)在串行 EPROM AT24C04 中。單片機(jī)的 P1.0 、圖 7 ： AT89C51 最小系統(tǒng)3.3.其它外圍接口電路設(shè)計(jì)3.3.1.RS-485 串口電路本系統(tǒng)中， P3.0、P3.1、P3.2、P3.3 分別與 RS-485 串口芯片 MAX1487 的 DI、RO、 RE、DE 相連，然后通過(guò) MAX1487 的 A 、B 端實(shí)現(xiàn)與遠(yuǎn)端上位管理端的連接。 RS-485 串口電路見(jiàn)圖 8 。P1.1、分別與 IC 總線(xiàn)接口 EPROM 芯片 AT24C04 的 SCL、SDA 相連，

25、AT24C02 的器 件地址線(xiàn) A1、A2 接地，A0 懸空，單片機(jī)對(duì) AT24C02 數(shù)據(jù)的訪(fǎng)問(wèn)必須遵循 IC 總線(xiàn)通信 協(xié)議，由軟件模擬實(shí)現(xiàn)。硬件接口電路見(jiàn)圖 9 。圖 9 ：串行 EPROM 電路3.3.3.鍵盤(pán)及顯示電路.鍵盤(pán)電路在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)中， 通過(guò)按鍵實(shí)現(xiàn)控制功能和數(shù)據(jù)輸入是非常普遍的。 由于本 系統(tǒng)所需按鍵數(shù)量不多，故采用 5 個(gè)獨(dú)立式按鍵。它們分別用來(lái)進(jìn)行功能選擇、參數(shù)輸 入和強(qiáng)行控制等功能（一般情況下可采用上位 PC 機(jī)進(jìn)行操作）。硬件電路見(jiàn)糧倉(cāng)溫、濕 度測(cè)控整體原理圖（附錄一） 。 顯示電路本系統(tǒng)用八位數(shù)碼管分別顯示當(dāng)前溫度（四位）和濕度

26、（四位）數(shù)值。其驅(qū)動(dòng)電路采 用一片串行輸入輸出共陰顯示驅(qū)動(dòng)芯片 MAX7219 來(lái)完成。MAX7219 是一種集成化的串行輸入 /輸出共陰極顯示驅(qū)動(dòng)器 ,它連接微處理器與 8 位 數(shù)字的 7 段數(shù)字 LED 顯示，也可以連接條線(xiàn)圖顯示器或者 64 個(gè)獨(dú)立的 LED。其上包括 一個(gè)片上的 B 型 BCD 編碼器、多路掃描回路，段字驅(qū)動(dòng)器，而且還有一個(gè) 8*8 的靜態(tài) RAM 用來(lái)存儲(chǔ)每一個(gè)數(shù)據(jù)。只有一個(gè)外部寄存器用來(lái)設(shè)置各個(gè) LED 的段電流。MAX7221 與 SPI（TM） 、QSPI（TM） 以及 MICROWIRE（TM） 相兼容， 同時(shí)它有限制回轉(zhuǎn)電流的段驅(qū)動(dòng) 來(lái)減少 EMI （電磁干

27、擾）。一個(gè)方便的四線(xiàn)串行接口可以聯(lián)接所有通用的微處理器。每個(gè) 數(shù)據(jù)可以尋址在更新時(shí)不需要改寫(xiě)所有的顯示。 MAX7219 同樣允許用戶(hù)對(duì)每一個(gè)數(shù)據(jù)選 擇編碼或者不編碼。整個(gè)設(shè)備包含一個(gè) 150A 的低功耗關(guān)閉模式，模擬和數(shù)字亮度控制，一個(gè)掃描限制 寄存器允許用戶(hù)顯示 1-8 位數(shù)據(jù)，還有一個(gè)讓所有 LED 發(fā)光的檢測(cè)模式。MAX7219 功能特點(diǎn)如下： 10MHz 連續(xù)串行口； 獨(dú)立的 LED 段控制； 數(shù)字的譯碼與 非譯碼選擇； 150 A 的低功耗關(guān)閉模式；亮度的數(shù)字和模擬控制；高電壓中斷顯示；共 陰極 LED 顯示驅(qū)動(dòng)； 24 腳的 DIP 和 SO 封裝。10管腳名稱(chēng)功能1DIN2，3

28、，5-8，DIG0-DIG710，114,9GND12LOAD13CLK14-17 ，SEGA-SEGG ，20-23DP18SET19V+串行數(shù)據(jù)輸入端口。在時(shí)鐘上升沿時(shí)數(shù)據(jù)被載入內(nèi)部的 16 位寄存器八個(gè)數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)線(xiàn)路置顯示器共陰極為低電平。關(guān)閉時(shí)輸出高電平。地線(xiàn)（ 4 腳和 9 腳必須同時(shí)接地） 。 載入數(shù)據(jù)。連續(xù)數(shù)據(jù)的后 16 位在 LOAD 端的上升沿時(shí)被鎖定。時(shí)鐘序列輸入端。最大速率為 10MHz. 在時(shí)鐘的上升沿，數(shù)據(jù)移入內(nèi)部移位寄存器。下降沿時(shí)，數(shù)據(jù)從 DOUT 端輸出。7 段和小數(shù)點(diǎn)驅(qū)動(dòng)，為顯示器提供電流。當(dāng)一個(gè)段驅(qū)動(dòng)關(guān)閉時(shí)，此端呈低電平。通過(guò)一個(gè)電阻連接到 VDD 來(lái)提高段

29、電流。正極電壓輸入， +5VDOUT 串行數(shù)據(jù)輸出端口， 從 DIN 輸入的數(shù)據(jù)在 16.5 個(gè)時(shí)鐘周期后在此端有效。MAX7219 與 AT89C51 單片機(jī)接口電路如圖 11 所示：11MAX7219 管腳配置如下圖 10 所示：圖 10 ： MAX7219 管腳配置MAX7219 管腳功能描述如下表 4 ：表 4 管腳功能描述24圖 11 ： MAX7219 與 AT89C51 接口電路3.3.4.控制設(shè)備驅(qū)動(dòng)電路 風(fēng)機(jī)、空調(diào)機(jī)、加濕機(jī)驅(qū)動(dòng)電路糧倉(cāng)溫、濕度的控制是通過(guò)空調(diào)器與風(fēng)機(jī)實(shí)現(xiàn)的。打開(kāi)進(jìn)出口的風(fēng)機(jī)，在糧倉(cāng)內(nèi)形成 通風(fēng)氣流； 如果風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)達(dá)不到控制要求， 則使用空調(diào)進(jìn)

30、行降溫與排濕。 濕度的調(diào)整還可 配合加加濕機(jī)進(jìn)行調(diào)節(jié)。 風(fēng)機(jī)、空調(diào)機(jī)、加濕機(jī)的控制是由單片機(jī)和光電耦合器驅(qū)動(dòng)雙向 晶閘管完成的。其驅(qū)動(dòng)電路如圖 12 所示。圖中，發(fā)光二極管是用來(lái)指示設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)情況的。 當(dāng)單片機(jī)輸出端口為低電平時(shí)， LED1 亮，光耦通，雙向晶閘管導(dǎo)通，應(yīng)用晶閘管驅(qū)動(dòng)設(shè) 備避免了機(jī)械觸點(diǎn)式繼電器驅(qū)動(dòng)的一些缺點(diǎn)。其中，單片機(jī)的P1.2、P1.3 、P1.4 端口分別接空調(diào)機(jī)、風(fēng)機(jī)、加濕機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路。12圖 12 ：風(fēng)機(jī)、空調(diào)機(jī)、加濕機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 報(bào)警接口電路本設(shè)計(jì)采用峰鳴音報(bào)警電路。峰鳴音報(bào)警接口電路的設(shè)計(jì)只需購(gòu)買(mǎi)市售的壓電式蜂鳴 器，然后通過(guò) MCS-51 的1 根口

31、線(xiàn)經(jīng)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)蜂鳴音發(fā)聲。壓電式蜂鳴器約需 10mA 的驅(qū)動(dòng)電流，可以用一個(gè)晶體三極管驅(qū)動(dòng)，如圖 13 所示。在圖中， P2.3 接晶體管基極輸 入端。當(dāng) P2.3 輸出高電平“ 1”時(shí)，晶體管導(dǎo)通，壓電蜂鳴器兩端獲得約 +5V 電壓而鳴 叫；當(dāng) P3.2 輸出低電平“ 0 ”時(shí)，三極管截止，蜂鳴器停止發(fā)聲。3.4.RS485-RS232 電平轉(zhuǎn)換電路上位 PC 機(jī)串行接口采用標(biāo)準(zhǔn) RS232 接口，而溫、濕度測(cè)控電路的通信方式為 RS485 串行通信方式（為了提高通信距離和實(shí)現(xiàn)多糧倉(cāng)測(cè)控） 。二者不能直接連接，需要進(jìn)行電 平轉(zhuǎn)換方可將測(cè)控電路與 PC 機(jī)相連。圖 14 所示為 RS485-R

32、S232 電平轉(zhuǎn)換電路。分別 采用一片 MAX232 與 MAX1487 來(lái)完成。轉(zhuǎn)換電路供電部分由 PC 機(jī) RS232 端口的 4 、 7 腳通過(guò) V1、V2、 V3 、R4 和電容 C6 來(lái)實(shí)現(xiàn)的。整個(gè)電路可做在 RS232 接頭盒內(nèi)。圖 13 ：三極管驅(qū)動(dòng)的峰鳴音報(bào)警電路13圖 14 ： RS485-RS232 電平轉(zhuǎn)換電路4.系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)軟件系統(tǒng)主要包括：糧倉(cāng)溫、濕度測(cè)控系統(tǒng)軟件、上位 PC 機(jī)數(shù)據(jù)通信及人機(jī) 交互接口軟件二部分。4.1.糧倉(cāng)溫、濕度測(cè)控系統(tǒng)軟件糧倉(cāng)溫、濕度測(cè)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要由初始化、溫濕度數(shù)據(jù)采集、信號(hào)顯示、設(shè)備驅(qū)動(dòng)信號(hào)處理、鍵盤(pán)處理、數(shù)據(jù)通信等幾部分組成。

33、程序流程如圖圖 15 ：溫、濕度測(cè)控系統(tǒng)程序流程圖其中，初始化主要完成對(duì)單片機(jī)各功能部件初始狀態(tài)的配置以及開(kāi)戶(hù)軟件看門(mén)狗功 能；數(shù)據(jù)采集完成對(duì)環(huán)境溫、 濕度的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集及相關(guān)處理； 信號(hào)顯示部分通過(guò)單片機(jī) 控制實(shí)現(xiàn)了對(duì)溫、 濕度參數(shù)的實(shí)時(shí)顯示； 設(shè)備驅(qū)動(dòng)信號(hào)處理則通過(guò)對(duì)溫、 濕度實(shí)時(shí)參數(shù)與 存儲(chǔ)在 EEPROM 15 所示。中的控制參數(shù)進(jìn)行比較，并適時(shí)輸出相應(yīng)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)信號(hào)；鍵盤(pán)處理模14 塊用于現(xiàn)場(chǎng)控制信號(hào)的設(shè)定以及特殊情況下強(qiáng)制執(zhí)行信號(hào)的操作； 數(shù)據(jù)通信完成溫、 濕度 測(cè)控系統(tǒng)與上位 PC 機(jī)之間的協(xié)議化通信，按照通訊規(guī)約的要求來(lái)實(shí)現(xiàn)與上位 PC 機(jī)的可 靠通訊，同時(shí)可以接受上位 PC

34、機(jī)設(shè)定的控制參數(shù)并將其存儲(chǔ)于電路 EEPROM 中。4.1.1.濕度檢測(cè)子程序相對(duì)濕度的檢測(cè)采用相對(duì)濕度傳感器 HS1101 ，該傳感器的測(cè)量精度為 3RH ，將 單片機(jī)定時(shí)到 1s ，用 T0 計(jì)數(shù)器記錄“濕度頻率轉(zhuǎn)換電路”中的輸出方波數(shù)，定時(shí)時(shí) 間到時(shí)，停止 T0 計(jì)數(shù)，此時(shí) T0 所計(jì)的方波數(shù)即為“濕度頻率轉(zhuǎn)換電路”的頻率，對(duì) 照表 3-1-1 （空氣濕度與電壓頻率的典型值） ，判斷該頻率所屬區(qū)域，將每個(gè)區(qū)域等分為 100 份，即相當(dāng)于 0.1 RH的精度，如在 0RH10RH之間均分 100 份，對(duì)應(yīng)的頻 率分為 100 份，即用相對(duì)濕度為 0RH 時(shí)對(duì)應(yīng)頻率（7351Hz ）減去相對(duì)

35、濕度為 10 RH 時(shí)的對(duì)應(yīng)頻率（ 7224Hz ），用該差值除以 100 ，公式如下：為了方便計(jì)算和保證計(jì)算精 度，將增量擴(kuò)大 100 倍，進(jìn)行計(jì)算。在計(jì)算前將每段的增量計(jì)算好，存入表中，在實(shí)際 計(jì)算中，分段進(jìn)行查找，計(jì)算只涉及到加減，計(jì)算時(shí)間短，精度高。濕度檢測(cè)的流程如圖 16 所示。4.1.2.溫度檢測(cè)子程序溫度檢測(cè)子程序主要完成的是初始化 DS18B20 ，從 DS18B20 中讀出一個(gè)字節(jié)的數(shù) 據(jù)，向 DS18B20 中寫(xiě)入一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，配置 DS18B20 溫度轉(zhuǎn)換的精度等，讀出 SCRACHPAD 存儲(chǔ)器中的九個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，讀出 ROM 中的 64 位 CODE 值，對(duì)讀出的

36、SCRACHPAD 數(shù)據(jù)進(jìn)行 CRC 校驗(yàn)，然后根據(jù)讀出的數(shù)據(jù)得到測(cè)量出的十進(jìn)制溫度值。 從 DS18B20 中讀出九個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)的流程圖如圖 17 所示。15圖 17 ： DS18B20 溫度采集流程圖圖 16 ：濕度檢測(cè)子程序流程圖4.2.上位 PC 機(jī)接口軟件上位管理 PC 機(jī)利用 Visual Basic 6.0 的通信控件 MSComm 實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。 本設(shè)計(jì) 中的數(shù)據(jù)幀包括 8 位數(shù)據(jù)位， 1 位停止位，無(wú)奇偶校驗(yàn)。下面是 MSComm 控件的初始化程序：MScomm1.ComPort=1 ；設(shè)置串行端口 (com1)MScomm1.Settings=2400,N,8,1 ；設(shè)置波特

37、率及數(shù)據(jù)幀格式MScomm1.InputMOde=1 ；數(shù)據(jù)接受按字節(jié) (binary) 方式MScomm1.InbufferSize=4000 ；數(shù)據(jù)接受緩沖區(qū)大小為 4000 字節(jié)MScomm1.InputLen=0 ；INPUT 讀取緩沖區(qū)的所有內(nèi)容Mscomm1.PortOpen=True ；打開(kāi) COM1數(shù)據(jù)發(fā)送程序：Private Sub Command1_Click()Dim outbuf(1 To 6)As ByteDim lstr1 As StringDim hstr2 As StringDim len1 As IntegerCommand1.Enabled=False len1=Len(Hex(Val(Text2.Text)End Sub 數(shù)據(jù)接受程序：Private Sub MScomm1_OnComm() Select Case MScomm1.CommEvent Case comEvReceive Dim inbuf()As Byte,i%,buf$