基于單片機(jī)的倉庫數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計

易燕，李海雁，戴祖誠

（1.昆明學(xué)院物理科學(xué)與技術(shù)系，云南昆明650214；2.昆明學(xué)院信息技術(shù)學(xué)院，云南昆明650214）

現(xiàn)代生產(chǎn)中，人們發(fā)現(xiàn)要長時間保存商品就要為其創(chuàng)造合適的存儲環(huán)境；對倉庫溫濕度的檢測和控制是其中最為重要的一環(huán)。傳統(tǒng)的方法是通過人工干預(yù)，使用濕度表、毛發(fā)濕度表、雙金屬式測量計和濕度試紙等檢測設(shè)備，對溫度和濕度不符合要求的庫房進(jìn)行通風(fēng)、去濕和降溫等操作[1]。但這種人工方法費(fèi)時費(fèi)力、效率低，且測試出的溫度及濕度誤差大，測量的精確度隨機(jī)性大。為此，筆者設(shè)計了一種經(jīng)濟(jì)、準(zhǔn)確并且可靠的智能倉庫數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)。

系統(tǒng)要求溫度檢測范圍為-35～+58℃、測量精度為0.5℃，濕度檢測范圍為10%～100%RH，檢測精度為1%RH；并可以對倉庫的溫度和濕度進(jìn)行實時的顯示，當(dāng)倉庫溫度和濕度超過預(yù)設(shè)的警戒值時，會發(fā)出報警并通知上位機(jī)系統(tǒng)以便進(jìn)行溫濕度的調(diào)節(jié)控制。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

1.1 溫度傳感器選型

DALLAS公司的DS18B20是采用1-Wire總線技術(shù)的溫度傳感器產(chǎn)品，具有以下的優(yōu)點(diǎn)[2]：

1）采用單總線的接口方式與微處理器連接時僅需要一條數(shù)據(jù)線即可實現(xiàn)微處理器與DS18B20的雙向通訊。單總線具有經(jīng)濟(jì)性好，抗干擾能力強(qiáng)，適合于惡劣環(huán)境的現(xiàn)場溫度測量，使用方便等優(yōu)點(diǎn)。

2）測量溫度范圍寬，測量精度高。測量范圍為-55～+125℃，精度為±0.5℃。

3）支持多點(diǎn)組網(wǎng)功能。多個DS18B20可以并聯(lián)在唯一的單線上，實現(xiàn)多點(diǎn)測溫。

4）供電方式靈活。DS18B20可以通過內(nèi)部寄生電路從數(shù)據(jù)線上獲取電源。當(dāng)數(shù)據(jù)線上的時序滿足一定的要求時，可以不接外部電源，從而使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更趨簡單，可靠性更高。

5）掉電保護(hù)功能。DS18B20內(nèi)部含有EEPROM，在系統(tǒng)掉電以后，它仍可保存分辨率及報警溫度的設(shè)定值。

DS18B20具有體積更小、適用電壓更寬、更經(jīng)濟(jì)、可選更小的封裝方式，更寬的電壓適用范圍，適合于構(gòu)建經(jīng)濟(jì)的測溫系統(tǒng)。DS18B20完全可以滿足系統(tǒng)需求，并且價格便宜，搭建系統(tǒng)容易，可靠性好，由此選擇其作為系統(tǒng)的溫度傳感器。

1.2 濕度傳感器選型

空氣濕度測量的原理一般是根據(jù)當(dāng)某種物質(zhì)吸收周圍空氣中的水分后，發(fā)生了物理或化學(xué)性質(zhì)的變化，從而可以間接地獲得此物質(zhì)吸收的水分含量，這樣根據(jù)物質(zhì)原來和現(xiàn)在的質(zhì)量，經(jīng)過計算就可以得出周圍空氣的相對濕度；使用電容式、電阻式和濕漲式濕敏元器件測量周圍空氣濕度，則是分別通過其中含有的高分子材料，在吸收周圍空氣水分后，電阻率、介電常數(shù)以及體積發(fā)生變化的情況進(jìn)行計算得出的。

HS1100/HS1101濕度電容式傳感器，在電路構(gòu)成中等效于一個電容器件，其電容量隨著所測空氣濕度的增大而增大[3]。不需校準(zhǔn)的完全互換性，快速響應(yīng)時間，高可靠性和長期穩(wěn)定性，專利設(shè)計的固態(tài)聚合物結(jié)構(gòu)；有頂端接觸（HS1100）和側(cè)面接觸（HS1101）兩種封裝產(chǎn)品，適宜于制造流水線上的自動插件和自動裝配過程等，適用于線性電壓輸出和頻率輸出兩種電路[4]。HS1100/1101元件可以測量的相對濕度在1%～100%RH范圍內(nèi)；其電容量的測量范圍為16～200 pF，誤差小于等于±2%RH；對濕度的變化響應(yīng)時間小于5 s；對電容的溫度系數(shù)為0.04 pF/℃[5]。圖1是HS1100/HS1101典型的電容值與空氣濕度對應(yīng)曲線。由此，可知HS1100/HS1101的空氣濕度靈敏度很高，符合本系統(tǒng)的應(yīng)用。

圖1 HS1100/HS1101典型反應(yīng)曲線Fig.1 Typical response curve of HS1100/HS1101

1.3 系統(tǒng)方案設(shè)計

系統(tǒng)主要完成的功能是對倉庫中各個節(jié)點(diǎn)的溫度和濕度數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，對數(shù)據(jù)的實時性、精確性以及可靠性都有很高的要求。所以設(shè)計的系統(tǒng)必須具有高度的靈敏性，可以對周圍環(huán)境的細(xì)微變化有較快的反應(yīng)，而還要有較強(qiáng)的魯棒性，可以在故障中較快地恢復(fù)工作。為此，筆者設(shè)計了如圖2所示的方案。

圖2 系統(tǒng)總體設(shè)計方案Fig.2 Entire design scheme of system

如圖2所示，系統(tǒng)采用以單片機(jī)AT89C52為核心控制；多個DS18B20芯片布置于倉庫各個角落作為溫度數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)，并通過單根數(shù)據(jù)線連接至AT89C52；在每個溫度檢測節(jié)點(diǎn)周圍布置一種HS1100/1101濕度檢測節(jié)點(diǎn)，并通過TLC555振蕩電路連接至單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理，空氣濕度通過555測量電路就轉(zhuǎn)變?yōu)榕c之呈反比的頻率信號。表1給出了其中的一組典型測試值。

表1 空氣濕度與電壓頻率的典型值Tab.1 Typical values of air humidity and voltage frequency

在系統(tǒng)采集溫度和濕度數(shù)據(jù)的同時，單片機(jī)控制倉庫LED顯示屏上的溫度和濕度值顯示，實時刷新數(shù)據(jù)；當(dāng)溫度和濕度超出預(yù)設(shè)的報警范圍時，單片機(jī)控制啟動報警電路；一般情況下，系統(tǒng)通過單片機(jī)實時地向上位機(jī)系統(tǒng)輸出倉庫溫濕度數(shù)據(jù)；根據(jù)溫濕度數(shù)據(jù)，上位機(jī)控制其他相關(guān)系統(tǒng)完成相應(yīng)的工作。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.1 DS18B20軟件設(shè)計

由于DS18B20與單片機(jī)之間采用1-Wire總線數(shù)據(jù)傳送，為了保證數(shù)據(jù)可靠地傳輸，任意時刻1-Wire總線上只能有一個控制信號或數(shù)據(jù)。進(jìn)行數(shù)據(jù)通信時應(yīng)符合1-Wire總線協(xié)議，否則將無法讀取測量結(jié)果[6]。其讀寫時序主要有初始化、讀時間片和寫時間片3種時序操作。訪問DS18B20的操作順序應(yīng)該遵循以下3步：1）初始化；2）ROM命令；3）DS18B20命令。其關(guān)鍵程序如下：

2.2 HS1100/1101軟件設(shè)計

使用HS1100/1101連接TLC555測量空氣濕度，只需要知道此刻的TLC555的振蕩頻率查表即可。編程中要注意，各個濕度值與頻率值的對應(yīng)關(guān)系不是連續(xù)的，即當(dāng)頻率值落在某個范圍內(nèi)時，取頻率值的下限。其關(guān)鍵程序如下：

2.3 系統(tǒng)軟件總體流程設(shè)計

系統(tǒng)中主要有5個功能模塊：1）溫度數(shù)據(jù)采集；2）濕度數(shù)據(jù)采集；3）LED顯示；4）報警系統(tǒng)；5）上位機(jī)數(shù)據(jù)傳輸。在系統(tǒng)的主體流程中，溫度和濕度數(shù)據(jù)應(yīng)該首先被采集，而后要據(jù)此判斷是否需要進(jìn)行報警，接著進(jìn)行LED顯示和上位機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸。軟件流程如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)軟件流程圖Fig.3 Flow chart of system software

3 結(jié)論

筆者設(shè)計了一種基于AT89C52單片機(jī)的倉庫數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可以動態(tài)地檢測倉庫中各個測試點(diǎn)的溫度和濕度變化，及時地進(jìn)行報警，并向上位機(jī)傳輸實時數(shù)據(jù)。經(jīng)過實踐證明，系統(tǒng)的各項性能指標(biāo)均符合要求，且所采集數(shù)據(jù)的精度高、系統(tǒng)穩(wěn)定性好，具有很好的實用價值。

[1]鄭海英，于鐵利，鄭宏偉.單片機(jī)在溫度控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].遼寧工學(xué)院學(xué)報，2005，25（6）：362-364.

ZHENG Hai-ying,YU Tie-li,ZHENG Hong-wei.Application of single-chip microcomputer in temperature control system[J].Journal of Liaoning Insititute of Technology,2005,25（6）:362-364.

[2]李志全.智能儀表設(shè)計原理及其應(yīng)用[M].北京：國防工業(yè)出版社,1998.

[3]張琳娜.傳感檢測技術(shù)及應(yīng)用[M].北京：中國計量出版社，1999.

[4]潘其光，黃國華，王有章，等.常用測溫儀表技術(shù)問答[M].北京：國防工業(yè)出版社,1989.

[5]Humirel.HS1100/HS1101 data sheet[EB10L]（2002-06-07）[2011-05-10]http://www.datasheetcatalog.ovg/datasheet/humirel/HS1100.pdf.

[6]胡漢才.單片機(jī)原理及接口技術(shù)[M].北京：清華大學(xué)出版社,1996：134-138.