粮仓温湿度远程监控设计方案.docx
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粮仓温湿度远程监控设计方案
粮仓温湿度远程监控设计方案
1.1研究背景及意义
随着以计算机和网络为代表的信息技术的快速发展,以计算机软件为平台的测量系统被广泛应用于各行各业中,“软件就是仪器”的思想得到广泛的认同和实践。
美国国家仪器公司(NationalInstruments,NI)提供的虚拟仪器·程序设计语言LabVIEW,已经成为开发测量控制系统的重要工具,在各个领域得到了普遍的应用【1】。
虚拟仪器的主要特点有:
尽可能采用通用的硬件,各种仪器的差异主要是软件;可充分发挥计算机的能力,有强大的数据处理功能,可以创造出功能强大的仪器;用户可以根据自己的需要定义和制造各种仪器,并且购置费用低、可重复利用;技术更新非常快、开发与维护费用较低、系统开放、方便与外设、网络连接。
民以食为天,随着全世界人口的不断增加,需要的粮食将会越来越多,粮食存储就将成为亟待解决的问题。
怎样将粮食完好的存储成为了现在所需解决的问题。
众所周知,温度和湿度是粮食存储是否良好的两大因素。
温度与湿度数据测量也步入自动化。
传统的温湿度测量系统繁琐且耗费人力,所需要的人力资源较多,使用时受时间、地点、空间等诸多因素的影响较大。
而且这类测量系统和传统仪器一样,功能、作用都由生产商在生产时定义好,一旦成型,用户就无法在使用过程中根据自身的需要对仪器的功能和作用进行重新定义。
而如果借助虚拟仪器技术的易开发、灵活性强和使用方便等优点,将其和传统测量系统结合起来,来完成温湿度的数据采集和处理功能,还可以根据用户自身的需要来对系统的功能和作用进行自我定义和修改,节省了大量的人力、物力,使得对于气象要素的数据采集和处理变得更加简单、方便。
粮食在存储期间,由于环境、气候和通风条件等因素的变化,粮仓的温度或湿度会发生异常,这极易造成粮食的腐烂或发生虫害。
同时粮仓中粮食储存质量还受到粮仓中气体、微生物以及其他虫害等因素的影响。
为保证粮食仓库具有一个正常的温湿环境,有必要对仓温度,包括粮食里面的温湿度进行监测,所以设计出一个简单方便的温湿度检测系统具有十分重要的意义。
1.2国外研究现状
20世纪70年代,因为个人电脑技术的出现,人们开始考虑用电报来处理传统仪器测试的数据,同时GPIB技术也发展起来,促进了IEEE488.2标准的诞生;20世纪80年代,随着计算机技术进一步发展,计算机主板上有多个扩展槽,,并出现了插在计算机里的数据采集卡,这样的系统已经可以进行一些简单的数据采集工作,将采集到的数据直接由计算机软件进行处理,这就是虚拟仪器技术的雏形;20世纪90年代,计算机总线速度进一步提高,PCI总显得数据传输速率达到了132Mbps,1996年底,NI在PCI数据总线的基础上提出了第一代PXI(PCIeXtensionsforInstrumentation)系统的技术规。
到21世纪初,全球已有超过25000用户在使用虚拟仪器技术,其中不乏国际知名的大公司,像Nokia、Simens、Tektronix等。
在世界财富500强中的制造业厂商,95%都采用了虚拟仪器技术。
虚拟仪器在国外发展都很快,以美国NI公司为代表的很多企业都已已经推出了基于虚拟仪器设计的仪器产品。
同时在国外虚拟仪器都是相关理工科大学生的必须要学习的一门课。
近几年来,世界各大虚拟仪器公司开发了很多虚拟仪器开发平台软件,供使用者组建适合自己的虚拟仪器以及测试系统。
其中尤其以美国NI公司的LabVIEW和Labwindows/CVI开发最早且最具影响力。
LabVIEW采用的是图形化编程方案,是非常实用的开发软件;Labwindows/CVI是采用C语言进行编程的、在Windows环境下的标准ANSIC开发软件。
除了上述几种软件,还有美国HP公司开发的H-VEE和HPTIG软件,美国Tektronix公司开发的Ez-Test和Tek-TNS软件,以及美国HEMData公司开发的Sanp-Master软件,都是国际上公认的非常优秀虚拟仪器开发软件。
当今虚拟仪器的系统开发采用的总线包括GPIB通用接口总线、传统的RS-232串行总线、RS-485串行总线、VXI总线,以及USB总线等。
世界各国的公司,特别是美国的NI公司,为了使虚拟仪器能适应各种总线的配置,开发了大量的软件和适应要求的硬件,从而可以使使用者灵活地组建各种各样的不同复杂程度的虚拟仪器自动测控系统。
虚拟仪器的开发公司,在测量结果的数据处理、表达模式及其变换方面不断地改革和创新,发布了各种软件,建立了开发工具库和数据处理的高级分析库,进一步扩大了虚拟仪器的功能。
随着微型计算机技术的发展,虚拟仪器将逐步取代传统仪器而成为测试仪器的主流。
据专家预测,到2015年我国有70%的仪器为虚拟仪器。
虚拟仪器将在航天、通信、医疗、电力、石油、铁路等行业普及及应用。
1.3主要研究容
本文重点介绍了利用LabVIEW开发环境设计上位机的检测界面,温湿度传感器通过RS-232串行总线与电脑相连接介入上位机,从而实现对粮仓温湿度的检测。
1.4本章小结
1、论述了智能温湿度检测系统的课题目的及意义,智能温度检测系统的国外发展概况及本论文的主要容。
2、温湿度检测系统的设计思路及方案,对系统软件开发平台进行选择。
3、粮仓温湿度检测系统软件整体设计方案,及上位机和下位机的设计过程。
4、对所做工作进行了总结,对未来的研究作了展望。
第二章虚拟仪器概述
2.1虚拟仪器定义及特点
虚拟仪器是一种以计算机和测试模块的硬件为基础、以计算机软件为核心所构成的,并且在计算机显示屏幕上虚拟的仪器面板,以及由计算机所完成的仪器功能,都可由用户软件来定义的计算机仪器。
虚拟仪器与传统仪器相比,有以下特点:
1、虚拟仪器在仪器功能方面是一种创新的计算机仪器,而非一种传统意义上的具体仪器。
它是一种功能意义上而非物理意义上的一起,仪器功能可由用户软件定义,柔性结构,灵活组态,给了用户一个充分发挥自己能力和想象力的空间。
一台计算机被设计成多台不同功能的测量一起,能集多种功能于一体构成多功能和多用途的综合一起,极丰富和增强了传统仪器的功能。
有着极其丰富的软件资源、极高的运算速度和庞大的存储空间。
2、虚拟仪器在用户界面方面中友好的人机交互界面使仪器的使用操作十分简单,图形化的用户界面形象、美观,可以方便地由用户自己定义,使之更具个性化。
软面板上虚拟的显示器件和操作元件的种类与形式不受“标准件”和“加工工艺”的限制,通过编程可随时从库中取用。
3、在系统集成方面虚拟仪器的硬件和软件都制定了开放的工业标准和基于计算机的开放式标准体系结构,用户可以讲仪器的设计、使用和管理统一到一个标准上来。
基于标准化的计算机总线和仪器总线,仪器硬件实现了模块化、系列化,大大方便了系统集成。
基于计算机网络技术和虚拟仪器网络话技术,广泛支持各种网络标准。
2.2虚拟仪器发展概况
虚拟仪器技术的三大组成部分,首先是高效的软件,软件是虚拟仪器技术中最重要的部份。
使用正确的软件工具并通过设计或调用特定的程序模块,工程师和科学家们可以高效地创建自己的应用以及友好的人机交互界面。
NI公司提供的行业标准图形化编程软件——LabVIEW,不仅能轻松方便地完成与各种软硬件的连接,更能提供强大的后续数据处理能力,设置数据处理、转换、存储的方式,并将结果显示给用户。
此外,NI提供了更多交互式电子产品世界的测量工具和更高层的系统管理软件工具,例如连接设计与测试的交互式软件SignalExpress、用于传统C语言的LabWindows/CVI、针对微软VisualStudio的MeasurementStudio等等,均可满足客户对高性能应用的需求。
有了功能强大的软件,您就可以在仪器中创建智能性和决策功能,电子产品世界从而发挥虚拟仪器技术在测试应用中的强大优势。
其次是模块化的I/O硬件,面对如今日益复杂的测试测量应用,NI提供了全方位的软硬件的解决方案。
无论您是使用PCI,PXI,PCMCIA,USB或者是1394总线,NI都能提供相应的模块化的硬件产品,产品种类从数据采集、信号条理、声音和振动测量、视觉、运动、仪器控制、分布式I/O到CAN接口等工业通讯,应有尽有。
NI高性能的硬件产品结合灵活的开发软件,可以为负责测试和设计工作的工程师们创建完全自定义的测量系统,满足各种独特的应用要求。
目前,NI已经达到了每2个工作日推出一款硬件产品的速度,大大拓宽了用户的选择面:
例如NI新近推出的新一代数据采集设备——先期推出的20款M系列DAQ卡,就为数据采集领域设定了全新的标准。
最后是用于集成的软硬件平台。
NI首先提出的专为测试任务设计的PXI硬件平台,已经成为当今测试、测量和自动化应用的标准平台,它的开放式构架、灵活性和PC技术的成本优势为测量和自动化行业带来了一场翻天覆地的改革。
由NI发起的PXI系统联盟现已吸引了68家厂商,联盟属下的产品数量也已激增至近千种。
PXI作为一种专为工业数据采集与自动化应用度身定制的模块化仪器平台,建有高端的定时和触发总线,再配以各类模块化的I/O硬件和相应的测试测量开发软件,您就可以建立完全自定义的测试测量解决方案。
无论是面对简单的数据采集应用,还是高端的混合信号同步采集,借助PXI高性能的硬件平台,您都能应付自如。
这就是虚拟仪器技术带给您的无可比拟的优势。
2.3虚拟仪器的软件开发环境
LabVIEW是一种程序开发环境,由美国国家仪器(NI)公司研制开发,类似于C和BASIC开发环境,但是LabVIEW与其他计算机语言的显著区别是:
其他计算机语言都是采用基于文本的语言产生代码,而LabVIEW使用的是图形化编辑语言G编写程序,产生的程序是框图的形式。
LabVIEW软件是NI设计平台的核心,也是开发测量或控制系统的理想选择。
LabVIEW开发环境集成了工程师和科学家快速构建各种应用所需的所有工具,旨在帮助工程师和科学家解决问题、提高生产力和不断创新.与C和BASIC一样,LabVIEW也是通用的编程系统,有一个完成任何编程任务的庞大函数库。
LabVIEW的函数库包括数据采集、GPIB、串口控制、数据分析、数据LabVIEW标志LabVIEW标志
显示及数据存储,等等。
LabVIEW也有传统的程序调试工具,如设置断点、以动画方式显示数据及其子程序(子VI)的结果、单步执行等等,便于程序的调试。
LabVIEW(LaboratoryVirtualInstrumentEngineeringWorkbench)是一种用图标代替文本行创建应用程序的图形化编程语言。
传统文本编程语言根据语句和指令的先后顺序决定程序执行顺序,而LabVIEW则采用数据流编程方式,程序框图中节点之间的数据流向决定了VI及函数的执行顺序。
VI指虚拟仪器,是LabVIEW的程序模块。
LabVIEW提供很多外观与传统仪器(如示波器、万用表)类似的控件,可用来方便地创建用户界面。
用户界面在LabVIEW中被称为前面板。
使用图标和连线,可以通过编程对前面板上的对象进行控制。
这就是图形化源代码,又称G代码。
LabVIEW的图形化源代码在某种程度上类似于流程图,因此又被称作程序框图代码。
第三章系统总体方案设计
本论文设计开发的是基于LabVIEW的粮仓温湿度检测系统,根据从总体到局部的设计原则,通过对系统功能的分析,将整个系统分解为实现不同功能的几个部分,然后分别对每个部分进行设计。
为了能够实现温湿度检测系统所提出的各项具体的功能,可以将整个系统分解为上位机和下位机两个部分:
上位机为装有LabVIEW2013软件的PC机,下位机为单片机组成的小系统。
两个部分是通过RS-232串口进行通信的。
其中下位机部分主要完成温湿度信号的采集以及温湿度数据的输出;上位机部分完成对数据的接收,温湿度数据显示、数据处理与存储,温湿度超限报警及人机交互操作界面的生成。
3.1系统功能
传统的温湿度测量系统繁杂,所需要的硬件设备人力资源较多,使用时受人员、地点、空间等诸多因素的影响较大。
而且这类测量系统和传统仪器一样,功能、作用都由生产商在生产时定义好,一旦成型,用户就无法在使用过程中根据自身的需要对仪器的功能和作用进行重新定义,另外这类测量系统与其它仪器设备的连接也十分有限,并且图形界面较小,人工读取数据信息量很小,数据无法编辑、存储,同时系统封闭、可扩展性差,技术更新速度慢,开发和维护费用较高。
基于以上传统仪器的缺点,本论文设计了一个基于LabVIEW的粮仓温湿度检测系统。
此温度检测系统主要实现以下功能:
1、单片机与PC机的串口通信,能及时地将温度数据传给PC机,并将在上位机界面行程曲线,直观的表现温湿度变化。
2、检测参数的显示:
如测试时间、设定温湿度、当前温湿度等,当温湿度超出某个围进行报警等。
3、温湿度实时监测曲线显示,而且具有数字显示和波形图显示。
4、测试结果的数据保存:
用户可以将采集到的温湿度数据的一部分或者全部保存在Excel表格中,方便查询和打印。
3.2系统组成框图
温度数据传输
湿度
传感器把被测量的物理量转换为电量;信号调理电路对传感器转换的电信号进行放大、滤波、隔离等预处理;调理电路的电压信号通过RS-232串口,转换成计算机能处理的数字信号;将数字信号读入计算机,再由LabVIEW编写上位机界面。
第四章下位机设计
4.1器件的选择
4.1.1STC89C52单片机
1简介
单片机是指一个集成在一块芯片上的完整计算机系统。
尽管他的大部分功能集成在一块小芯片上,但是它具有一个完整计算机所需要的大部分部件:
CPU、存、部和外部总线系统,目前大部分还会具有外存。
同时集成诸如通讯接口、定时器,实时时钟等外围设备。
而现在最强大的单片机系统甚至可以将声音、图像、网络、复杂的输入输出系统集成在一块芯片上。
单片机也被称为微控制器(Microcontroler),是因为它最早被用在工业控制领域。
单片机由芯片仅有CPU的专用处理器发展而来。
最早的设计理念是通过将大量外围设备和CPU集成在一个芯片中,使计算机系统更小,更容易集成进复杂的而对提及要求严格的控制设备当中。
INTEL的Z80是最早按照这种思想设计出的处理器,从此以后,单片机和专用处理器的发展便分道扬镳。
早期的单片机都是8位或4位的。
其中最成功的是INTEL的8031,因为简单可靠而性能不错获得了很大的好评。
此后在8031上发展出了MCS51系列单片机系统。
基于这一系统的单片机系统直到现在还在广泛使用。
随着工业控制领域要求的提高,开始出现了16位单片机,但因为性价比不理想并未得到很广泛的应用。
90年代后随着消费电子产品大发展,单片机技术得到了巨大的提高。
随着INTELi960系列特别是后来的ARM系列的广泛应用,32位单片机迅速取代16位单片机的高端地位,并且进入主流市场。
而传统的8位单片机的性能也得到了飞速提高,处理能力比起80年代提高了数百倍。
目前,高端的32位单片机主频已经超过300MHz,性能直追90年代中期的专用处理器,而普通的型号出厂价格跌落至1美元,最高端的型号也只有10美元。
当代单片机系统已经不再只在裸机环境下开发和使用,大量专用的嵌入式操作系统被广泛应用在全系列的单片机上。
而在作为掌上电脑和手机核心处理的高端单片机甚至可以直接使用专用的Windows和Linux操作系统。
STC89C52RC是由宏晶公司推出的一种小型单片机,是电子工程师常用器件。
其主要特点为采用Flash存贮器技术,降低了制造成本,其软件、硬件与MCS-51完全兼容,且采用高密度非易失存储器制造技术制造,将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中,可以很快被中国广大用户接受。
其程序的电可擦写特性,使得开发与试验比较容易,为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案
2.技术性能描述
STC89C52RC有很宽的工作电源电压,可为2.7~6V,当工作在3V时,电流相当于6V工作时的1/4。
STC89C52RC工作于12Hz时,动态电流为5.5mA,空闲态为1mA,掉电状态仅为20nA。
这样小的功耗很适合于电池供电的小型控制系统。
STC89C52RC具有以下几个特点:
STC89C52RC与MCS-51系列的单片机在指令系统和引脚上完全兼容;
片有4k字节在线可重复编程快擦写程序存储器;
全静态工作,工作围:
0Hz~24MHz;
三级程序存储器加密;
128×8位部RAM;
32位双向输入输出线;
两个十六位定时器/计数器
五个中断源,两级中断优先级;
一个全双工的异步串行口;
间歇和掉电两种工作方式
超强抗干扰:
高抗静电(ESD保护),轻松过2KV/4KV快速脉冲干扰;
宽电压,不怕电源抖动;
宽温度围,-40℃~85℃;
禁止ALE输出;;
超低功耗:
1、掉电模式:
典型功耗<0.1μA;
2、空闲模式:
典型功耗2mA;
3、正常工作模式:
典型功耗4mA-7mA;
4、掉电模式可由外部中断唤醒,适用于电池供电系统,如水表、气表、便携设备等.;
STC89C52RC引脚功能
1电源:
①VCC-芯片电源,接+5V;
②VSS-接地端;
2.时钟:
XTAL1、XTAL2-晶体振荡电路反相输入端和输出端。
3.控制线:
控制线共有4根:
ALE/PROG:
地址锁存允许/片EPROM编程脉冲
①ALE功能:
用来锁存P0口送出的低8位地址
②PROG功能:
片有EPROM的芯片,在EPROM编程期间,此引脚输入编程脉冲。
PSEN:
外ROM读选通信号。
RST/VPD:
复位/备用电源。
①RST(Reset)功能:
复位信号输入端。
②VPD功能:
在Vcc掉电情况下,接备用电源。
EA/Vpp:
外ROM选择/片EPROM编程电源。
①EA功能:
外ROM选择端。
②Vpp功能:
片有EPROM的芯片,在EPROM编程期间,施加编程电源Vpp。
4.I/O口线:
P0、P1、P2、P3共四个八位口。
P0口是三态双向口,通称数据总线口,因为只有该口能直接用于对外部存储器的读/写操作。
P0口也用以输出外部存储器的低8位地图1址。
由于是分时输出,故应在外部加锁存器将此地址数据锁存,地址锁存,信号用ALE。
P1口是专门供用户使用的I/O口,是准双向口。
P2口是从系统扩展时作高8位地址线用。
不扩展外部存储器时,P2口也可以作为用户I/O口线使用,P2口也是准双向口。
P3口是双功能口,该口的每一位均可独立地定义为第一I/O功能或第二I/O功能。
作为第一功能使用时操作同P1口。
:
图4-1-1STC89C52RC的引脚图
4.1.2DHT11温湿度传感器
1简介
DHT11数字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器。
它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术,确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。
传感器包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件,并与一个高性能8位单片机相连接。
因此该产品具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高等优点。
每个DHT11传感器都在极为精确的湿度校验室中进行校准。
校准系数以程序的形式储存在OTP存中,传感器部在检测信号的处理过程中要调用这些校准系数。
单线制串行接口,使系统集成变得简易快捷。
超小的体积、极低的功耗,信号传输距离可达20米以上,使其成为各类应用甚至最为苛刻的应用场合的最佳选则。
产品为4针单排引脚封装。
连接方便,特殊封装形式可根据用户需求而提供
2传感器性能说明
参数
条件
Min
Typ
Max
单位
湿度
分辨率
1
1
1
%RH
16
Bit
重复性
±1
%RH
精度
25℃
±4
%RH
0-50℃
±5
%RH
互换性
可完全互换
量程围
0℃
30
90
%RH
25℃
20
90
%RH
50℃
20
80
%RH
响应时间
1/e(63%)25℃,1m/s空气
6
10
15
S
迟滞
±1
%RH
长期稳定性
典型值
±1
%RH/yr
温度
分辨率
1
1
1
℃
16
16
16
Bit
重复性
±1
℃
精度
±1
±2
℃
量程围
0
50
℃
响应时间
1/e(63%)
6
30
S
3接口说明
建议连接线长度短于20米时用5K上拉电阻,大于20米时根据实际情况使用合适的上拉电阻
图4-1-2DHT11应用电路图
4封装信息
4-1-3DHT11封装信息图
5DHT11引脚说明
DHT11的供电电压为3-5.5V。
传感器上电后,要等待1s以越过不稳定状态在此期间无需发送任何指令。
电源引脚(VDD,GND)之间可增加一个100nF的电容,用以去耦滤波。
Pin
名称
注释
1
VDD
供电3-5.5VDC
2
DATA
串行数据,单总线
3
NC
空脚,请悬空
4
GND
接地,电源负极
6串行接口(单线双向)
DATA用于微处理器与DHT11之间的通讯和同步,采用单总线数据格式,一次通讯时间4ms左右,数据分小数部分和整数部分,具体格式在下面说明,当前小数部分用于以后扩展,现读出为零.操作流程如下:
一次完整的数据传输为40bit,高位先出。
数据格式:
8bit湿度整数数据+8bit湿度小数数据
+8bi温度整数数据+8bit温度小数数据
+8bit校验和
数据传送正确时校验和数据等于“8bit湿度整数数据+8bit湿度小数数据+8bi温度整数数据+8bit温度小数数据”所得结果的末8位。
用户MCU发送一次开始信号后,DHT11从低功耗模式转换到高速模式,等待主机开始信号结束后,DHT11发送响应信号,送出40bit的数据,并触发一次信号采集,用户可选择读取部分数据.从模式下,DHT11接收到开始信号触发一次温湿度采集,如果没有接收到主机发送开始信号,DHT11不会主动进行温湿度采集.采集数据后转换到低速模式。
7电气特性
VDD=5V,T=25℃,除非特殊标注
参数
条件
min
typ
max
单位
供电
DC
3
5
5.5
V
供电电流
测量
0.5
2.5
mA
平均
0.2
1
mA
待机
100
150
uA
采样周期
秒
1
次
注:
采样周期间隔不得低于1秒钟。
8应用信息
8.1工作与贮存条件
超出建议的工作围可能导致高达3%RH的临时性漂移信号。
返回正常工作条后,传感器会缓慢地向校准状态恢复。
要加速恢复进程/可参阅7.3小节的“恢复处理”。
在非正常工作条件下长时间使用会加速产品的老化过程。
8.2暴露在化学物质中
电阻式湿度传感器的感应层会受到化学蒸汽的干扰,化学物质在感应层中的扩散可能导致测量值漂移和灵敏度下降。
在一个纯净的环境中,污染物质会缓慢地释放出去。
下文所述的恢复处理将加速实现这一过程。
高浓度的化学污染会导致传感器感应层的彻底损坏。
8.3恢复处理
置于极限工作条件下或化学蒸汽中的传感器,通过如下处理程序,可使其恢复到校准时的状态。
在50-60℃和<10%RH的湿
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