粮仓温度实时监测系统设计

时间：2024-08-31

姚小春

(吉林建筑工程学院电气与电子信息工程学院，长春 130118)

随着粮食产量的增加，储粮设备尤其是大型设备也逐年增加，传统的人工查看粮温的方法已逐步被电子检温设备所取代.小的储粮设备一般采用小型测温仪检测粮温，大型储粮设备已逐步配备微机测温系统.由于单片机具有体积小，重量轻，抗干扰能力强，环境要求不高，价格低廉，可靠性高，灵活性好等优点［1］，被广泛地应用于温度测控系统中.

1 系统简介

图1为粮仓温度监测系统框图.系统以单片机AT 89 C 51为粮仓温度监测系统的核心，通过多个温度传感器AD590对粮仓内多点温度进行测量，并由多路模拟开关依次采样各点温度值(也可通过键盘人为选择某测量点温度值)，经过放大后送入A/D转换电路，继而送入单片机，并进行温度显示.若此温度超过规定范围，报警器报警，进而控制通风装置的运行和停止.精确实现粮食仓储过程中所需的温度环境，为高质量的产品提供保证.

图1 系统框图

2 系统硬件设计及系统软件设计

2.1 传感器、RS－485通信模块

温度传感器是温度测控系统中的关键部件，其精度的高低、性能的好坏直接影响到整个测控系统的品质和运行状态.本系统选用若干个集成温度传感器AD 590接成矩阵形式，构成多点测温系统.

AD 590是一种电压输入、电流输出型集成温敏传感器，测温范围为－55℃ ～+150℃，非线性误差在±0.3℃，其输出电流与绝对温度成正比［2］，因而不必考虑多路模拟开关引入的附加电阻造成的误差，也不必考虑长距离传输线电压降的影响.它与DS 18 B 20相比，特别适合于信号的远距离传输.

系统采用RS－485通讯方式来实现上下位机的通讯.RS－485采用平衡式传送方式进行信号传输，其输入、输出均为差动方式，这种做法使通信模块在受到干扰时，两根信号线可能同时产生干扰电平，对差动输入不起作用，因此，RS－485传输距离较远.为了进行电平转换，本方案选用MAX 485转换模块，同时为了实现传输线末端的阻抗匹配，在MAX－485电路中接一个120Ω的电阻.

2.2 多路模拟开关

多路模拟开关实际上起一个波段开关的作用.对于一个良好的开关，要求开关接通时，开关两端电阻很小，而断开时此电阻很大，并希望开关速度高，对所传输的信号有良好的线性度，以减小传输失真，要求工作稳定性好且寿命长.

CC 4051是单八路模拟开关，它是由电平位移电路、带禁止端INH的8选1译码器和由该译码器对各个输出分别加以控制的8个CMOS双向模拟开关组成.AD 590矩阵的行、列分别与两个CC 4051相连，通过三位行、列选择数字码(由单片微机产生)就可使64个被测点中的任何一个接入测控电路.

2.3 模拟小信号放大电路

被测温度经传感器转换得到的电信号的幅度往往很小，无法进行A/D转换，因此，需对这些模拟电信号进行放大处理.为使电路简单又便于调试，一般都采用集成运算放大器.

本系统选用集成运放ICL 7650构成高增益、低漂移放大器，用于放大AD 590的输出信号.ICL 7650，采用CMOS工艺，开关电容斩波方式使其前置放大器的分辨率可小于10μV，能自动检测放大器的失调电压和共模电压引起的漂移，并自动动态校零.

2.4 A/D 转换器

从放大电路输出的信号须经过A/D转换器，转换成数字信号，然后才能进入以AT 89 C 51单片机为主控元件的单片机测控系统.选择A/D转换器件主要是从速度、精度和价格上考虑.逐次逼近型A/D转换器，在速度、精度和价格上都适中，是最常用的A/D转换器件.

ADC 0809是CMOS工艺，采用逐次逼近法的8位A/D转换芯片，片内还有多路模拟开关，以及相应的通道地址锁存和译码电路［3］.多路开关有8路模拟量输入端，最多允许8路模拟量分时输入，共用一个A/D转换器进行转换.

2.5 单片机

系统选用AT 89 C 51单片机作为主控元件，它可以提供一个8位CPU，4 KB的闪烁存储器Flash ROM，256字节RAM，4个8位并行I/O端口、2个16位定时器/计数器、1个可编程全双工串行口、5个中断源、片内振荡电路和时钟电路、64 KB总线扩展控制器.片内还含有时钟振荡器，其软件程序兼容标准MCS－51指令系统，硬件含有80 C 51引脚结构.芯片内集成了通用8位中央处理器和ISP Flash存储单元.它是一种低功耗、高性能的8位单片机［4］.采用了CMOS工艺和高密度非易失性存储器技术，而且其输出引脚和指令系统都与MCS－51兼容，具有系统硬件设计简单、软件设计方便等特点.经A/D转换电路转换后得到的数字信号，进入以AT 89 C 51为核心的单片机测控系统，进而完成数据的处理、显示、报警等功能.

AT89 S 51的工作电压为+5V，而照明电压为220 V，50 Hz的交流电，所以需要先通过一个变压器降压，再通过整流桥将电压转换成直流电压.由于变压后得到的直流电压可能含有交流分量，所以要通过滤波电路对其进行滤波处理，然后通过稳压器得到稳定的5 V电压.

2.6 键盘、显示、报警电路

系统采用行列式非编码键盘，操作人员可通过键盘输入数据或命令，实现简单的人—机通信.显示器采用LED数码管，它具有显示清晰、亮度高、寿命长、硬件结构简单、软件编程方便、价格低廉等特点［5］.

报警装置是声光报警，由发光二极管和蜂鸣器组成，当所测量的温度超过标准温度时，实现自动报警.

本方案设置了自动复位电路和手动复位电路，使整个系统在自动初始化时能从一个确定的状态运行.由于单片机受到周围环境的干扰出现程序跑飞或陷入死循环等不正常工作现象，因此，系统为单片机电路添加了一个外部看门狗电路.看门狗电路的硬件采用了一个定时器来控制主程序的运行，用以定时查询单片机的工作状态，一旦发现异常即对单片机延时重启，保证系统安全可靠的运行.本方案中采用MAX 813 L芯片作为硬件看门狗，其返回端与单片机复位端相连提供复位信号，由单片机的P 1.0口为看门狗模块提供信号.

系统软件部分主要完成对温度信号的采集、处理、显示等，其主程序流程图如2所示.

图2 主程序流程图