杨方

摘要：针对粮仓环境温湿度监测工作量比较大的问题，设计了基于单片机的粮仓温湿度实时监控系统。该系统利用传感器节点采集粮仓环境温湿度参数，单片机对数据进行处理后，再利用无线传输技术将数据发送到主控机。该系统具有实用性强、稳定性好和价格便宜等优点，不仅能监测粮仓环境参数，也可推广到其他领域，具有较好的实用价值。

关键词：传感器；单片机；监测与控制；无线通信技术

中图分类号：TP277 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2016）09-2370-03

中国是产粮大国，粮食的存储工作尤为重要。在粮仓管理工作中最重要的是防潮、防霉和防腐，传统手段采用湿度试纸和温度计、干湿度表、毛发湿度计等人工进行温、湿度的监控工作。这些方法费时费力、效率低、测试结果不稳定、误差大。

近年来由于粮食产量不断增长，粮仓容量随之扩大，传统的粮仓温、湿度监控方式已不能满足需要，亟需设计一种便于操作、性能可靠的高效监控系统。为此，本研究设计了一种以PC机为核心，基于数字温、湿度传感器的自动监控系统，对粮仓中各重要位置的温度和湿度等参数进行实时自动监控，从而提高粮仓管理的科学化和自动化水平。

1 系统设计架构

基于单片机的粮仓温湿度实时监控系统结构如图1所示。由用户监控层、主控机控制层和分机测量层三部分构成，用户监控层由微型计算机系统构成。主控机控制层由单片机系统构成，分机测量层由传感器构成。分机与主控机采用主从式分布连接结构，通过无线通信技术实现数据传输。总体结构也可以分为温湿度采集模块、短距离无线通信模块、系统控制及数据处理模块。

2 系统硬件设计

系统硬件设计主要包括温湿度采集电路设计、无线通信子系统电路接口设计和温湿度显示电路设计三部分。

2.1 温湿度采集电路

在进行温湿度采集电路设计时首先要选取好传感器和单片机。传感器主要有数字和模拟两种。数字式传感器可得到数字信号，就能直接与数字设备进行信号的处理，具有抗干扰能力强、可靠性高、测量精度和分辨率高、稳定性好等优点。模拟式传感器的优点主要表现为测量速度快。测温范围宽：但对信号处理过程复杂，且模拟信号传输易受干扰。本系统从传感器的特点和设计成本综合考虑，温度传感器选取数字式的DS18820，湿度传感器选取模拟电压集成式的HM1500，DS18820能总线供电，具有使用方便、成本低、体积小、传输距离远和MCU的通信协议简单等优点。HM1500湿度传感器具有精度较高、测温面广、响应较快、稳定性好、使用方便、价格实惠、性价比高等优点。采用多只DS18820和HM1500建成的多点温湿度监测网络如图2。HM1500输出为模拟量，因此要用A/D转换器ADC0809将HM1500湿度传感器采集的模拟信号转换为数字信号。系统以16个温湿度监测点为例，则要用2个CD4051模拟开关进行扩展，CD4051选通地址A-C由单片机P2口的低位地址P2.2-P2.4进行控制。将选中的信号送到ADC0809的两个通道IN0和IN1后转换为数字信号，再由DO-D3口输出到89C51的P0口，送入单片机进行数据处理。

2.2 无线通信子系统电路接口

无线通信子系统电路接口如图3所示。无线射频收发芯片是无线通信模块的关键元件，主要有nRF401、nRF905、RF2915等。其中nRF401集成了高频发射、接收，FSK调制、解调，双频道切换等功能，具有性能优异、功耗低，且外围元件很少，使用方便等特点。因此本设计选用nRF401。CPU采用89C51，它接收上位机传来的数据，同时通过nRF401发送到各子系统，nRF401的DIN端与89C51的TXD端连接，需发射的串行数据由DIN输入：DOUT输出数字信号与89C51的微控制器的RXD相连，nRF401解调出来的信号由DOUT输出到微处理器：PWRUP为模式选择，与微处理器的P1.1相连。PWRUP=1时nRF401正常工作：当PWRUP=0时芯片处于待机模式，此时工作电流为8μA，不能进行接收和发射数据。TXEN为发射允许控制端，与微处理器的P1.0相连，TXEN=1时nRF401工作在发射模式，此时系统向外发送数据，当TXEN=0时为接收模式。CS为信道选择输入，通过微处理机P1.2端进行控制，CS=0表示芯片工作在信道0（433.92MHz），CS=1则工作在信道1（434.33MHz）。

2.3 显示电路

显示模块选择PS7219芯片，因为PS7219采用同步串行外设接口（SPI），与单片机连接方便，能驱动8位LED。显示器件主要有液晶显示器（LCD）和数码管显示器（LED）。考虑到要适合各种环境，因此本设计采用数码管显示器。把89C51的P1.6作串行数据的输出。与PS7219的DIN端口连接，P1.5和P1.7通过程序产生PS7219的LOAD信号及其CLK。PS7219的SA-SG、SDP端接各LED数码管的a-f和DP，DIG1-DIG8分别接LED的共阴极进行位选。

3 系统软件设计

系统的软件设计采用模块化结构，主要由参数设置模块、数据采集处理模块、数据存储管理模块和控制模块组成。

3.1 主控机主程序

主控机（上位机）的结构如图4。其中PC机负责数据存储和管理，主单片机负责数据收发。当主控机主单片机进入中断服务状态时，向分机（下位机）发出测试指令，当主控机接收数据完成后再置为接收数据模式，待数据接受完成后，由中断指令进行显示（或上传）并保持。新的中断指令到来时才结束。主控机主程序流程图如图5所示。

3.2 分机主程序

分机程序设计一般先要初始化，再循环执行主要功能。主控机定时收到监测点传来的数据存储且显示。上电复位后能显示各仓位号、监测数据和监测时间。分机程序设计的流程如图6所示。

4 小结

本研究设计的基于单片机和无线传输技术的多路温湿度数据监控系统，利用分时扫描监测区内的传感器，从而达到对数据的监测与控制。系统应用了传感技术、无线收发技术和计算机技术，实现多点温湿度数据的监测和无线传输。但是还存在很多不足。比如温度传感器的测温范围不宽、传输速率慢，湿度传感器反应慢，无线发射距离较近等。下一步将对系统进行优化，期望能对粮仓的更多参数实现精确监测与控制。