基于2051的庫房溫濕度控制系統(tǒng)設(shè)計

0 引 言

目前，國內(nèi)大中型庫房在倉儲管理中由于技術(shù)和資金上的原因，多數(shù)僅限于只對溫度進(jìn)行監(jiān)測，當(dāng)溫度超標(biāo)時進(jìn)行強(qiáng)制通風(fēng)和翻倉，即使如此，處理不及時或因設(shè)備人力條件有限仍會造成大量損失。實現(xiàn)庫房儲藏物的溫升主要是由于濕度引起的，庫房儲藏物本身的水分過高或連續(xù)的高濕天氣將導(dǎo)致儲藏物新陳代謝加快而放出熱量，放熱引起的溫升又使代謝進(jìn)一步加劇以至發(fā)霉變質(zhì)。這種惡性循環(huán)一旦形成很難進(jìn)行有效控制。因此，庫房在進(jìn)行溫度監(jiān)測的同時，必須重視對空氣濕度的檢測，以利于提前采取有效措施控制庫房儲藏物升溫而霉變。本文所介紹的溫濕度控制系統(tǒng)以AT89C2051單片機(jī)^[1]為控制核心，結(jié)合傳感器、通訊和數(shù)字電子電路技術(shù)，實現(xiàn)了溫度和濕度檢測與庫房溫度和濕度的有效控制，降低經(jīng)濟(jì)損失和勞動強(qiáng)度。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

應(yīng)用戶要求對若干個地理位置分散的庫房的溫濕度進(jìn)行實時的監(jiān)測與控制，為了適應(yīng)對多個測控點(diǎn)的監(jiān)控與管理，經(jīng)分析采用了分布式系統(tǒng)的控制方式，即在每個測控點(diǎn)配置能獨(dú)立工作的從機(jī)，多個從機(jī)由1個上位機(jī)進(jìn)行監(jiān)控管理，上下采用主從式監(jiān)控管理形式，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

系統(tǒng)的各個部分功能和關(guān)系如下：

1）主機(jī)為管理機(jī)，完成參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)存儲、處理及管理功能。

2）從機(jī)為控制機(jī)，采用單片機(jī)2051，直接實現(xiàn)各個模塊的控制功能，并能在主機(jī)關(guān)機(jī)的條件下實現(xiàn)所有的控制功能。

3） 通訊轉(zhuǎn)換機(jī)實現(xiàn)RS232信號和RS485信號的轉(zhuǎn)換，主機(jī)通過其向從機(jī)發(fā)送控制參數(shù)，從機(jī)將現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)通過其傳給主機(jī)。

4）數(shù)據(jù)采集實現(xiàn)對傳感器及運(yùn)行設(shè)備的檢測。

5）控制器及其設(shè)備根據(jù)系統(tǒng)輸出的信號對現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行控制。

6） 輸入輸出部分包括輸入模塊和輸出模塊，輸入模塊將采集的信號轉(zhuǎn)換后輸入到從機(jī)，輸出模塊將系統(tǒng)的控制信號輸出到控制器及其設(shè)備。

2 系統(tǒng)工作方式

系統(tǒng)以溫濕度監(jiān)控為核心，溫濕度參數(shù)和設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)由主機(jī)根據(jù)用戶要求定時向從機(jī)查詢，各控制模塊的設(shè)置參數(shù)修改時，將新的參數(shù)發(fā)送到從機(jī)。主機(jī)可以對從機(jī)進(jìn)行參數(shù)設(shè)置及控制，從機(jī)也可以獨(dú)立工作。從機(jī)通過數(shù)據(jù)采集裝置不間斷地采集溫濕度數(shù)據(jù)，根據(jù)控制模塊的設(shè)置參數(shù)做出控制決策，驅(qū)動設(shè)備運(yùn)行，并隨時準(zhǔn)備接受主機(jī)的指令，當(dāng)受到詢問時，將庫房的各項數(shù)據(jù)編碼通過串行通信方式傳輸?shù)街鳈C(jī)。主機(jī)接收到數(shù)據(jù)后，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，在監(jiān)控界面上顯示當(dāng)前的狀態(tài)信息，并將此信息實時地存儲到數(shù)據(jù)庫中，為用戶維護(hù)和管理準(zhǔn)備數(shù)據(jù)。對數(shù)據(jù)可以進(jìn)行查詢，也可以將一段時期的數(shù)據(jù)信息匯集成報表，報表包括各項統(tǒng)計數(shù)據(jù)，還可以將數(shù)據(jù)處理繪制成圖形曲線，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的分析與管理。

3 系統(tǒng)硬件組成

控制系統(tǒng)的主機(jī)采用一般的PC（64M以上即可），就完全可以滿足系統(tǒng)對數(shù)據(jù)處理、運(yùn)行速度的要求。從機(jī)部分以2051單片機(jī)為核心^[2]，外接數(shù)據(jù)采集輸入電路、輸出電路、狀態(tài)監(jiān)測電路等部分組成。

本系統(tǒng)對多個測控點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)控，l臺主機(jī)與多臺從機(jī)實現(xiàn)主從式通信，通過通訊接口機(jī)實現(xiàn)RS485標(biāo)準(zhǔn)總線通訊，系統(tǒng)的數(shù)據(jù)檢測是由各類傳感器來承擔(dān)，圖2所示為單片機(jī)控制平臺1系統(tǒng)原理圖。

此控制平臺主要實現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集，并將采集數(shù)據(jù)處理、存儲、發(fā)送給主機(jī)。2051是控制平臺的核心，溫濕度數(shù)據(jù)的采集通過多路傳感器獲得，采集的信號經(jīng)ADS1286實現(xiàn)轉(zhuǎn)換。為有效控制多路傳感器，在系統(tǒng)設(shè)計中使用4051實現(xiàn)擴(kuò)展，使控制平臺可以控制多路傳感器，采集的數(shù)據(jù)存放于24LC04。在控制平臺的驅(qū)動上，使用CMOS管1120提高2051的驅(qū)動能力^[3]，使控制平臺每路可以控制多個傳感器（主要是提高控制平臺對18B20、溫濕度采集器的驅(qū)動能力）。在與主機(jī)通訊時，為達(dá)到電平一致，控制平臺通過RS485芯片實現(xiàn)2051的引腳RXD、TXD的TTL電平與RS485的引腳A、B的485電平之間的轉(zhuǎn)換。把主機(jī)通過通訊接口機(jī)送來的RS485標(biāo)準(zhǔn)電平轉(zhuǎn)換為TTL電平傳送給2051，把2051送出的TTL電平轉(zhuǎn)換成RS485標(biāo)準(zhǔn)電平通過通訊接口機(jī)傳送給主機(jī)。

圖3 單片機(jī)控制平臺2接口電路

圖3所示為單片機(jī)控制平臺2接口電路，主要實現(xiàn)對現(xiàn)場設(shè)備（現(xiàn)場設(shè)備主要指通用空調(diào)、加/除濕機(jī)等）的控制，并將設(shè)備狀態(tài)情況發(fā)送給主機(jī)。該控制平臺的主要部分如下：

1）2051單片機(jī)

2051是控制平臺的核心。

2）24LC16存儲器擴(kuò)展

24LC16用于存放現(xiàn)場設(shè)備的狀態(tài)數(shù)據(jù)。

3）遙控

控制平臺通過HS0038和紅外發(fā)光管實現(xiàn)對現(xiàn)場設(shè)備的遙控?？筛鶕?jù)現(xiàn)場設(shè)備的不同，選用HS0038或紅外發(fā)光管遙控現(xiàn)場設(shè)備。

4）RS232通訊

控制平臺把80C196的串口引腳RXD、TXD和GND接到光電耦合電路，把8OC196串行口輸出的TTL電平轉(zhuǎn)換為RS232標(biāo)準(zhǔn)電平，把其它微機(jī)送來的RS232標(biāo)準(zhǔn)電平轉(zhuǎn)換為TTL電平給80C196，并實現(xiàn)RS232電平與TTL電平的隔離，在實現(xiàn)RS232電平與TTL電平轉(zhuǎn)換的同時保護(hù)計算機(jī)串口。

5）RS485通訊

控制平臺通過RS485芯片實現(xiàn)2051的引腳RXD、TXD的TTL電平與RS485的引腳A、B的485電平之間的轉(zhuǎn)換。把主機(jī)通過通訊接口機(jī)送來的RS485標(biāo)準(zhǔn)電平轉(zhuǎn)換為TTL電平傳送給2051，把2051送出的TTL電平轉(zhuǎn)換成RS485標(biāo)準(zhǔn)電平通過通訊接口機(jī)傳送給主機(jī)。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

軟件系統(tǒng)由兩個相對獨(dú)立的上位機(jī)軟件和下位機(jī)軟件部分組成，采用基于Smith-Fuzzy控制器的糧庫溫濕度測控算法^[5]，上位機(jī)監(jiān)控軟件模塊結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

圖4 上位機(jī)軟件模塊結(jié)構(gòu)圖

上位機(jī)監(jiān)控軟件主要實現(xiàn)以下功能：

1）串行通信：完成上位機(jī)的通信配置，實現(xiàn)上位機(jī)與下位機(jī)之間通信。

2）數(shù)據(jù)顯示：提供三維立體圖、曲線走勢圖和表格三種方式顯示。

3）數(shù)據(jù)存儲：對實時數(shù)據(jù)（包括最大值、最小值、平均值）按用戶要求存儲到數(shù)據(jù)庫的一張歷史數(shù)據(jù)表中；也可導(dǎo)出數(shù)據(jù)到文件，以文本方式保存到一個文本文件中。

4）數(shù)據(jù)查詢：允許用戶根據(jù)情況對實時數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢或進(jìn)行走勢曲線分析。

5）數(shù)據(jù)打?。焊鶕?jù)用戶要求，以表格方式打印實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)，亦可打印走勢曲線圖。

6）異常報警：當(dāng)實時溫濕度數(shù)據(jù)超越設(shè)定的上下限溫濕度數(shù)值時，報警鈴響。

7）系統(tǒng)設(shè)置：為保證用戶在任何情況下，都能良好地運(yùn)行，允許用戶對系統(tǒng)的測量時間間隔、溫濕度上下限、存盤時間間隔、登錄用戶名、口令等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。

系統(tǒng)的下位機(jī)主控模塊通過監(jiān)控模塊、人機(jī)交互模塊和通信模塊來完成實時監(jiān)控與管理任務(wù)，并且所有工作又分解在報警處理、控制決策、信息顯示、命令處理、參數(shù)設(shè)置和信息輸出子模塊來運(yùn)行。下位機(jī)應(yīng)用軟件包括主程序、數(shù)據(jù)采集子程序、數(shù)據(jù)處理子程序、發(fā)送子程序和顯示子程序等五個主要模塊。

5 結(jié)束語

庫房溫濕度控制系統(tǒng)，采用數(shù)字式的溫度傳感器和單片機(jī)，實現(xiàn)了對庫房內(nèi)溫濕度的自動測量和調(diào)節(jié)，AT89C2051單片機(jī)因其指令系統(tǒng)豐富、小巧、低價、靈活易擴(kuò)展等獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，在所設(shè)計的庫房溫濕度控制系統(tǒng)中使整個系統(tǒng)的性價比得以大幅度的提高。本文所介紹的系統(tǒng)已多次應(yīng)用在糧庫、檔案庫等行業(yè)中，系統(tǒng)運(yùn)行良好，有廣闊的推廣前景。

參考文獻(xiàn):

[1] 王寶庫. 多功能檢測控制系統(tǒng)的設(shè)計(J). 微計算機(jī)信息，2006，22(4-1)：103-105.
[2] 何立民. MCS-51系列單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計系統(tǒng)配置與接口技術(shù). 北京：航空航天大學(xué)出版社，1990.
[3] 閻石. 數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ). 北京：高等教育出版社，1997.
[4] 趙亮等. 單片機(jī)C語言編程與實例. 北京：人民郵電出版社，2003.
[5] 陳衛(wèi)東等. 基于Smith-Fuzzy控制器的糧庫溫濕度測控算法(J). 河南工業(yè)大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2006，27(1)：29-31.