基于MCU的水果貯藏室溫濕度監(jiān)測及報警系統(tǒng)設(shè)計

王登貴

（攀枝花學(xué)院 交通與汽車工程學(xué)院，四川 攀枝花 617000）

水果產(chǎn)業(yè)是種植業(yè)中繼糧食和蔬菜之后的第三大產(chǎn)業(yè)，水果增加農(nóng)民收入等方面發(fā)揮著重要的作用。在對各類水果儲藏時，為了減少腐爛，延緩成熟，保持鮮度品質(zhì)，貯藏室對溫度和濕度有嚴(yán)格的要求。目前，大多數(shù)貯藏室溫度和濕度的測量通常采用的方法是在貯藏室不同位置懸掛溫度濕度表來人工讀數(shù)檢測，根據(jù)數(shù)據(jù)手動控制室內(nèi)溫濕度，這種檢測方法繁瑣且不具備智能報警功能[1]。文中設(shè)計了一種基于MCU的水果貯藏室溫濕度測控系統(tǒng)，采用高精度的溫濕度傳感器，能夠自動準(zhǔn)確測量、控制貯藏室的溫濕度，并在無人值守的情況下自動監(jiān)測貯藏室的溫濕度，報警時，可通過無線GSM網(wǎng)絡(luò)，短信傳輸給相關(guān)管理者，以便及時處理，提高了水果貯藏效率。

1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

整個溫濕度測控系統(tǒng)采用STC89C52單片機為核心控制器，該單片機是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 8 K在系統(tǒng)可編程存儲器。512字節(jié)RAM，32位I/O口線，看門狗定時器，內(nèi)置4 KB EEPROM，MAX810復(fù)位電路，3個16位定時器/計數(shù)器，4個外部中斷，一個7向量4級中斷結(jié)構(gòu)，兼容傳統(tǒng)51的5向量2級中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口[2]。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)Fig.1 Overall diagram system

系統(tǒng)中，溫濕度監(jiān)測電路、時鐘及復(fù)位電路、液晶顯示電路、鍵盤輸入電路、聲光報警電路、GSM短信報警電路和溫濕度過高自動調(diào)節(jié)電路構(gòu)成了外圍電路。由溫濕度傳感器采集現(xiàn)場溫濕度數(shù)據(jù)傳送給單片機，單片機及其他外圍電路主要完成對傳感器傳送來的數(shù)據(jù)的分析處理、顯示、聲光報警、短信報警及根據(jù)預(yù)先設(shè)定的溫度、濕度預(yù)警值確定是否啟動溫濕度控制設(shè)備等功能。

2 主要硬件電路

測控系統(tǒng)主要硬件設(shè)計電路圖如圖 2所示。主要包括：溫濕度監(jiān)測電路、鍵盤輸入電路、液晶顯示電路、短信報警電路、聲光報警電路及控制溫濕度控制設(shè)備電路等。

圖2 系統(tǒng)硬件電路Fig.2 Overall circuit design

2.1 溫濕度監(jiān)測電路

溫濕度監(jiān)測電路選用了單總線溫濕度傳感器DHT11采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)傳送給單片機處理。該傳感器是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號輸出的溫濕度復(fù)合傳感器，包括一個NTC測溫元件和一個電阻式測濕元件，該傳感器工作電壓為3.5～5.5 V，工作電流為平均0.5mA，溫度與濕度測量范圍分別為0～50℃與 20～95%RH，濕度分辨率：1%RH（8 位），溫度分辨率：1℃（8位），采樣周期為1 s[3]。其電路如圖2所示，為了提高數(shù)據(jù)采集的穩(wěn)定性，在Dout引腳和正電源5 V之間接一個4.7 kΩ的上拉電阻。

2.2 短信報警電路

系統(tǒng)GSM短信報警電路采用TC35模塊，通過短信的方式告知管理者相關(guān)信息。TC35模塊是德國SIEMENS公司生產(chǎn)的高性能通信模塊，主要由GSM基帶處理器、GSM射頻模塊、供電模塊（ASIC）、閃存、ZIF連接器、天線接口 6部分組成[4]。滿足本系統(tǒng)設(shè)計的功能同時可為擴展功能做準(zhǔn)備。單片機 STC89C52的 RXD，TXD，GND引腳分別與 GSM模塊的TXD、RXD、GND引腳相連接就可通過串口發(fā)送AT指令來控制模塊。

2.3 鍵盤輸入與液晶顯示電路

系統(tǒng)設(shè)計了4×4鍵盤輸入功能和液晶顯示功能，用戶可通過鍵盤設(shè)定溫度和濕度的警戒范圍，設(shè)置短信息報警時，短信接收者的手機號碼以及啟動報警狀態(tài)和解除報警狀態(tài)等操作，鍵盤采用中斷掃描方式。

液晶顯示選用LCD1602字符型液晶，引腳E、RW和RS分別接到單片機的P2.7、P2.6、P2.5引腳上，電阻R2調(diào)節(jié)液晶偏壓[4]，在系統(tǒng)中主要顯示當(dāng)前貯藏室的溫度、濕度以及短信報警的電話號碼及信息發(fā)送狀態(tài)燈信息，與STC89C52接口電路較簡單。

2.4 聲光報警及溫濕度過高自動調(diào)節(jié)電路

當(dāng)貯藏室實時溫度或濕度超出設(shè)置的上下限值時，系統(tǒng)會發(fā)出聲光報警信息，聲音報警采用5 V蜂鳴器，光電報警采用紅色發(fā)光二極管。報警同時，單片機可控制溫濕度過高自動調(diào)節(jié)電路打開溫濕度控制設(shè)備馬達(dá)進(jìn)行升溫或降溫、加濕或除濕，起到自動調(diào)節(jié)的作用，此處未給出電路，需根據(jù)需要設(shè)計。聲光報警有單片機P2.4引腳控制，控制設(shè)備馬達(dá)由單片機P2.0～2.3引腳控制。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 總體設(shè)計

主程序流程圖如圖3所示。

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

當(dāng)系統(tǒng)接通電源，首先進(jìn)入啟動界面，按下 “設(shè)置（S13）”鍵，可依次進(jìn)入溫度上限報警值設(shè)置界面、溫度下限報警值設(shè)置界面、濕度上限報警值設(shè)置界面、濕度下限報警值設(shè)置界面與進(jìn)入發(fā)送手機號碼設(shè)置界面。通過按下 “+（S14）”鍵、“-（S15）”鍵可增加、減少溫濕度的上、下限報警值；通過鍵盤 “1”～“9”（S1～S9） 鍵輸入手機號碼。 期間按下 “退出（S16）”鍵可退出設(shè)置界面回到歡迎界面，GSM模塊開始工作，此時系統(tǒng)所有模塊正常工作。如電話號碼輸入錯誤可按下“清除（S12）”鍵清除，繼續(xù)設(shè)置。如已設(shè)置正確的電話號碼，當(dāng)溫度度傳感器檢測到貯藏室實時溫度或濕度值超出上下限值時，便向單片機傳遞信號，單片機控制控制聲光報警，同時控制GSM模塊以短信息的方式將報警信息發(fā)送給管理者手機上。系統(tǒng)軟件采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，在Keil C51集成開發(fā)環(huán)境下采用C51語言編程設(shè)計[6]。軟件主要由主程序和液晶顯示子程序、聲光報警子程序、自動調(diào)節(jié)控制設(shè)備子程序及GSM短信報警子程序等組成。

3.2 GSM發(fā)送短信程序設(shè)計

GSM模塊支持標(biāo)準(zhǔn)的AT命令及增強AT命令，使用AT指令來設(shè)置GSM讓其能實現(xiàn)發(fā)送短信的功能，將GSM連接到電腦的串口，打開串口調(diào)試助手可進(jìn)行設(shè)置[7]。當(dāng)啟動了GSM短信報警功能后，貯藏室實時溫濕度超出報警上下限值時，單片機便控制TC35向設(shè)置好的手機號碼發(fā)送短信，其部分程序如下：

void send_PUD_fdbj（uchar*p） //發(fā)送報警信息{

chang_phone（TC_PUD_4，p）；

TC_send（TC_MSXZ_0，sizeof（TC_MSXZ_0）－1）；

delay_1ms（400）； //延時

send_uart0_dat （TC_CMGS，sizeof （TC_CMGS） －1）；TC_send（TC_CMGS_NUM_fdbj，sizeof（TC_CMGS_NUM_fdbj）－1）； //發(fā)總長度

delay_1ms（400）；

send_uart0_dat（"00"，2）；

send_uart0_dat（TC_PUD_4，sizeof（TC_PUD_4） －1）；//對方手機號

send_uart0_dat （TC_PUD_6_long_fdbj，sizeof（TC_PUD_6_long_fdbj） － 1）； //信息長度

send_uart0_dat （TC_PUD_7_fdbj，sizeof（TC_PUD_7_fdbj）－ 1）； //信息內(nèi)容

delay_1ms（300）；

send_uart（0x1A）；

send_uart（0x0D）；

send_uart（0x0A）；

flag_gsm_text=1；

}

4 試驗與分析

系統(tǒng)試驗分兩部分，第1部分測試系統(tǒng)各模塊是否正常工作，主要測試系統(tǒng)的報警功能及GSM模塊是否能正常發(fā)送報警短信。測試效果達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)，如圖4所示為溫度報警上限為30℃時的報警情況。

圖4 系統(tǒng)實物測試效果圖Fig.4 System testing

第2部分主要測試系統(tǒng)采集溫濕度效果，將本系統(tǒng)與市場上購置的一款性能比較好的溫濕度計同時放到某一倉庫進(jìn)行試驗，在同一天的早上8:00到18:00測得數(shù)據(jù)繪制成曲線對比如圖5所示。

由此可以看出，與傳統(tǒng)測量方法相比較，本系統(tǒng)能準(zhǔn)確測量水果貯藏室內(nèi)的溫濕度，測量值能直觀地顯示給人們讀取，當(dāng)實時溫濕度超出設(shè)定值時，系統(tǒng)能及時發(fā)出聲光報警信息并開啟相應(yīng)的溫濕度控制設(shè)備進(jìn)行調(diào)節(jié)室內(nèi)溫濕度，同時通過GSM模塊可向相關(guān)管理員發(fā)送報警短信，以使管理員能及時處理，適合應(yīng)用于各類水果貯藏室的溫濕度監(jiān)控。

5 結(jié)束語

以STC89C52單片機為核心控制器設(shè)計的水果貯藏室溫濕度測控及報警系統(tǒng)能準(zhǔn)確測量室內(nèi)溫濕度，具有實時聲光報警與短信報警功能，除可用于水果貯藏室外，還可適用于蔬菜及糧食貯藏室及禽舍等有一定環(huán)境溫濕度要求的場所。對系統(tǒng)軟硬件進(jìn)行適當(dāng)更改還可設(shè)計成防盜、防火等無線報警系統(tǒng)，具有推廣價值。

圖5 溫濕度曲線Fig.5 The curve of temperature and humidity

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