1、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
2、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
3、，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
4、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 IO 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 912 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+12
5、5，在-1085之间的精度达12，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 18 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。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
6、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 0100RH 的范围内
7、，电容的容量由 163 pF 变化到 202 pF，其误差不大于2RH；湿度量程为199RH，工作温度范围为-40100；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 V12 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
8、 RL 上的电压：V12.5 V，标定气体中 RL 上的电压(0.2的LPG)：V25 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
9、，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 1ms3 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 IO 端口资源。除去温度传感器 4 个 IO 端口、湿度传感器 3 个 IO 端口、LED 显示 13 个 IO 端口、烟雾传感器 1 个 IO 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。
