多点温湿度测控系统设计

1 引言

       粮食测温技术的研究始于20世纪70年代，是实现现代化储存粮食的一项重要技术。国内大多数粮库已经采用了计算机粮情测控系统，随着控制技术不断发展，目前粮情测控系统已具有粮食温湿度检测、超温报警、自动生成各种报表、自动存储历史数据并据此自动生成粮温变化曲线等功能。本文设计的粮情测控系统是以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。

2 系统总体方案设计

       粮情测控系统是计算机硬件与软件的结合体，实现了计算机对储粮的检测与预警。系统硬件由控制处理部分和信号检测部分组成，其中，控制部分包含六个模块：控制器模块、电机驱动模块、显示模块、键盘输入模块、通信模块和报警模块；信号检测部分包含三个模块：温度检测模块(DS18B20)、湿度检测模块(HS1101)、烟雾检测模块(SS-1)。系统总体框图如图1所示。

3 系统硬件设计

       本系统硬件主要包括控制电路与检测电路。控制电路负责处理按键、温湿度信息、控制电机、控制蜂鸣器、LED。检测电路负责检测温度信息、湿度信息、烟雾信息。此外，还有显示电路、键盘扫描电路等。

3.1 控制电路设计

       控制器是系统的核心部分，其性能好坏与系统功能的实现有密切的联系。它接收来自于键盘、温湿度传感器输出的数字信号和频率信号并对其进行处理，再以控制电压的形式将电压信号输出给电机驱动电路，以控制通风扇的开关。控制电路外接七段数码管电路、键盘扫描电路、信号检测电路和通风电机驱动电路，具体电路如图2所示。

        U110是单片机电源输入端，在此电路上安装了一个发光二极管以显示系统是否上电。J1是单片机ISP下载输入端，系统程序从该端口载入单片机内。尺101、C101和S101组成了单片机的复位电路。

3.2 传感器电路设计

       传感器电路的设计是本系统设计的重点，由于要对温度、湿度和烟雾进行检测，因此需要分别对三种传感器的检测电路进行设计。

3.2.1 温度检测电路设计

       采用数字温度传感器DS18B20检测温度。由于温度检测的对象是粮库，其面积较大，所以可对粮库进行分划，每一个库划分成8个区域，每个区域设置12个检测点。通过多路选择开关CD4051控制8个区域的检测信号进行选通输入。

       DS18B20是美国Dallas半导体公司的产品。它采用1-Wire总线技术，将地址线、数据线、控制线合为1根信号线，允许在这根信号线上挂接多个1-Wire总线器件。1-Wire总线技术具有节省I／O资源，结构简单、成本低廉，便于总线扩展和维护等特点。

       DS18B20采用特有的温度测量技术：可提供9～12位(二进制)数据来指示传感器温度；数据信息与DS18B20之间只需一根数据线(和地线)连接即可；DS18B20的测温范围为-55％～+125℃，在-10℃～85％之间的精度达±1／2℃，而在整个温度测量范围内具有±2℃的测量精度。

       基于DS18B20的粮仓温度检测电路如图3所示。

       图中R212为上拉电阻。CD4051的A、B、C端片选温度检测的8个区域。数字1～8表示8个区域的DS18B20数字信号输入端。当进行温度检测时单片机通过对A、B、C输入片选信号，分别选通8个区域的温度检测信号。同时单片机也是通过A、B、C的输入片选信号区分粮仓的8个检测区域。[page]

3.2.2 湿度检测电路设计

       湿度检测采用的是湿度传感器HS1101。在粮情测控系统中主要是检测室内与室外的湿度，一般一个粮仓有两个湿度检测点，且精度要求不高。对湿度检测点的控制采用控制温度的方法，采用CD4051实现片选控制。 

       湿度传感器HS1101是法国Humirel生产的电容式湿度传感器。HS1101是一种在高分子薄膜上形成的电容。高分子薄膜上的电极是很薄的金属微孔蒸发膜，水分子可通过两端的电极被高分子薄膜吸附或释放，随着这种水分子的吸附或释放，高分子的介电系数将发生相应的变化。由于介电系数随空气的相对湿度变化而变化，所以只要测定电容C值就可得到相对湿度。

       HS1101是基于独特工艺设计的固态聚合物结构，在电路中等效于一个电容器，其电容随所测空气的相对湿度增大而增大。具有极好的线性输出，在相对湿度为0～100％RH的范围内，电容的容量由163 pF变化到202 pF，其误差不大于±2％RH；湿度量程为1～99％RH，工作温度范围为-40℃～100℃；湿度输出受温度影响极小(温度系数仅为0.04 pF／℃)；常温下使用无需温度补偿，无需校准。

3.2.3 烟雾检测电路设计

       烟雾传感器是气体敏感元件，它遇可燃性气体时会产生特殊效应，从而达到检测烟雾的目的。现在大多数烟雾传感器都需要预热，而且功耗大、结构复杂，但是SS-1烟雾传感器则无需预热，并具有工艺结构简单、功耗小、成本低、灵敏稳定、寿命长等特点。该传感器工作电压为6 V～12 V，静态功耗小于0.2 W，环境条件：温度范围为-30℃～+50℃的相对湿度≤95％，清洁空气中电阻RL上的电压：V1≤2.5 V，标定气体中RL上的电压(0.2％的LPG)：V2≥5 V。

3.3 通信电路设计

       通信电路采用RS485总线协议实现与PC机的通信。单片机将采集到的温湿度数据通过RS485总线输送给上位机(PC机)进行实时记录。由于PC机只能用RS232协议进行通信，因此需要采用一个RS485和RS232的电平转换电路，该电平转换电路主要包括电源、RS232电平转换、RS485电路三部分。

3.4 显示电路设计 

       显示电路采用5个七段数码管动态显示，显示结果清晰。其中第一个数码管用于系统标定，即显示当前系统的工作状态；第二、三个数码管显示温湿度的分组，即所显示的数据就是哪组温度传感器或哪个湿度传感器；第四、五个数码管用于显示温度的给定值、温度检测值和湿度检测值。其驱动电路图如图4所示。

        在七段数码管的扫描过程中，任意时刻只有一个数码管被点亮，显示时间很短(仅1ms～3 ms)，并且是循环显示。由于人眼的视觉暂留效应，在显示刷新很快的时候，可以认为全部数码管持续点亮。

3.5 键盘电路设计

       键盘是计算机系统中最常用的输入设备之一，用户可以通过它向计算机输入指令和数据。计算机系统中的键盘按其连接方式的不同，可以分为非矩阵式键盘和矩阵式键盘两类。本系统由于功能的需要，并没有采用传统的行列扫描式矩阵键盘，而是采用了端口扫描检测高低电平的方法。

        ATmega16单片机有32个外部I／O端口资源。除去温度传感器4个I／O端口、湿度传感器3个I／O端口、LED显示13个I／O端口、烟雾传感器1个I／O端口以及电机控制1个端口，该系统只需要4个按键，其功能分别为设置、移位、自加和确认。其查询接口电路如图5所示。

4 结束语

       实践表明，该系统能够对温度、湿度、烟雾进行检测，同时也能控制电机与蜂鸣器；能够判断各个温度区域内平均温度值是否超过所允许的温度范围，也能显示各个区域内的温度平均值和湿度值。因此，粮情检测系统具有稳定性好、精度高等特点，具有一定的应用价值。