毕业设计（论文）-区域温湿度环境特性采集系统设计

1、 中北大学2013届本科毕业设计说明书1. 绪论1.1 引言1.1.1 测控技术简介 测控技术是研究信息的获取和处理，以及对相关要素进行控制的理论与技术；是电子、光学、精密机械、计算机、信息与控制技术多学科相互渗透而形成的一门高新技术密集型综合学科；是在自动化系统上的将信号加以采集、处理、而后进行显示或者发出控制信号的过程。测控技术分为以下两个专业方向：方向一以集电子技术、先进控制理论、计算机控制技术、自动检测技术、光电技术以及网络技术于一体为特色，以生产过程的机电装备运行状态及其信息为研究对象。方向二以光机电仪器计算机技术一体化为特色，以传感器技术、信息获取与处理技术、自动化精密机械以及智能仪器仪表为主要研究对象。1.1.2 测控技术的发展 测控技术在现在的科学技术和国防科学技术等许多领域中都应用十分广泛，它的发展被认为是科学技术、国防科技现代化的重要的条件和明显的标志。在以往的工业现场各种数据都是采用人工读数和记录，无法做到对大量的实验数据的实时采集和实时分析。随着现代计算机和微电子等技术的高速发展，结合高精度、高性能的数据采集传感器的应用，使得多路数据采集实现了人工智能化，大量数

2、据采集和分析都由计算机自动完成，大大的提高了测量精度和测量速度。1.2 温湿度采集系统的发展背景1.2.1 温湿度采集系统的发展 随着计算机技术的快速发展，数据采集与处理系统在工业生产中迅速地得到应用。数据采集与处理技术是信息科学的重要分支之一，它研究数据的采集、存储、处理等问题。温湿度采集系统以传感器信号的测量与处理、微型计算机为基础形成的一门综合性技术。其任务是对生产现场各种参数进行采集，然后送入计算机，根据不同的需要由计算机进行相应的计算和处理，得到所需的数据。与此同时，将计算机得到的数据按要求进行显示，以便实现地对某些物理量的观察。数据采集系统一般需要长时间、高速度地进行数据采集，将会产生大量的数据，需要组织、存储、处理数据，并对生产进行有效的控制，提高生产效率1。温度作为一个重要的物理量，是工业生产过程中最普遍、最重要的工艺参数之一。随着工业的不断发展，对温度测量的要求越来越高，而且测量的范围也越来越广，对温度的检测技术要求也越来越高。因此，温度测量和温度测量技术的研究也是一个重要的课题2。在冶金、化工、电力、机械和食品生产中都需要对温度进行测量和控制。尤其是在炼钢的过程中，

3、温度更是一个至关重要的参数，合理的钢水温度范围以及准确地测量生产过程中的钢水温度对提高产品的质量、产量、降低消耗和实现冶金自动化，具有较大的积极作用3。湿度被定义为气体中水蒸汽的含量，是一个重要的环境参数。湿度测量和控制广泛应用于电力、航空航天、微电子、原子能、石油化工、气象、仓储等领域。气体湿度的精确测量对烟草、制药、火电厂的汽轮机等都具有重要意义4。常规电站中大型冷凝式蒸汽透平的末几级和核电站中透平的全部级都在湿蒸汽状态下工作。蒸汽湿度的大小直接影响汽轮机运行的安全性和经济性，蒸汽湿度增加，一方面会对汽轮机叶片产生强烈的侵蚀与冲击，使叶片变的粗糙，出现凹坑，甚至造成叶片扭曲断裂，严重威胁汽轮机的安全运行，同时还会使汽轮机的热效率降低5。因此在工业生产中要重视对湿度的检测与控制。20世纪80年代后期，数据采集系统发生了极大的变化。工业计算机、单片机和大规模集成电路的组合，用软件管理，使系统的成本降低，体积减小，功能成倍增加，数据处理能力大大增强。数据采集系统简称DAS系统，是对工业过程数据进行显示、储存、运算及各种管理的装置。在冶炼、食品生产、气象、核电站等行业应用较广。该系统利用温

4、度传感器、湿度传感器、单片机系统、PC终端、EIA RS-232C总线等构成数据采集与处理设计。过程对象需要把检测参数经转换元件转换成可测信号，再经变送器变换成420mA或15V信号送入系统的I/O模块。I/O模块也可设计成直接接收现场来的电压、电流或脉冲信号，经过A/D转换器转换成数字信号由CPU处理。数据采集系统在硬件配置上的独特要求，在进行具体结构设计时应综合考虑各种因素以满足用户的需求为目的。20世纪90年代至今，由于集成电路制造技术的不断提高，出现了高性能、高可靠性的单片机控制的数据采集系统。数据采集技术已经成为一种专门的技术，在工业领域得到了广泛的应用，数据采集系统采用更先进的模块式结构，根据不同的应用要求，通过简单的增加和更改模块，并结合系统编程，就可扩展或修改系统，迅速地调节系统的设置，因此通用性好。温度采集系统所采集的温度通常通过RS485、CAN总线通信方式传输至上位机，但这种方式维护较困难，不利于工业现场生产；而无线通信GPRS技术传输距离长，通信可靠稳定，但设计复杂、成本昂贵。这里采用工业级内置硬件链路层协议的低成本单芯片nRF24L01型无线收发器件实现系统间

5、的无线通信6，完成无线信号的接收、显示及报警功能。该数据采集系统应用于工业现场的数据采集与处理，系统运行稳定、可靠，使用简便，成本经济。1.2.2 国内外温湿度采集系统发展现状随着工业的日益发展，温度和湿度测量技术不断发展，目前国内外的温度和湿度测量的测量元件种类繁多、应用范围也很广泛。温度测量大致包括以下几种方法：利用物体的热胀冷缩原理制成的温度计，如玻璃温度计、双金属温度计、压力式温度计等；利用热电效应技术制成的温度测量装置元件，如热电偶等；利用热阻效应技术制成的温度测量装置元件，如电子测温元件等；利用红外测温技术制成的温度测量装置元件；利用热辐射原理制成的高温计；利用声学原理进行温度测量等等7。该设计使用的DS18B20传感器利用的是红外线测温的原理。湿度测量大致包括以下几种方法：热力学法，热力学湿度探针在测量时几乎都采用的是抽汽采样法，即从汽轮机的排汽中抽取部分汽样引向测量段进行处理，可以分为节流法、加热法、凝结法、空气-蒸汽混合法等8；光学法，当光线通过含有细微颗粒或雾滴的介质时将产生散射现象，若入射光波波长已知，则散射光的光强分布、偏振状态与消光系统与水滴直径有关，光学法湿

6、度测量就是依据这一原理设计的，可以分为角散射法和全散射法。该设计使用的HS1101传感器利用的是它的电容值随着湿度的变化而变化的原理。数据采集系统发展过程中逐渐分为两类，一类是实验室数据采集系统；另一类是工业现场数据采集系统。就使用的总线来说，实验室数据采集系统一般采用并行数据总线，并行数据总线传输数据的速度快；工业现场数据采集系统一般采用串行数据总线，串行总线传输数据的距离长9。由于目前局域网技术的发展，一个工厂管理层局域网，车间层的局域网和底层的设备网已经可以有效地连接在一起，可以有效地把多台数据采集设备连在一起，以实现生产环节的在线实时数据采集与处理。1.3 系统的组成及其功能描述在工业现场以及实际生产过程中经常会需要采集现场数据，如温度、湿度、光强等等，以便于实现生产过程的实时控制和生产监督管理。本系统就是基于现场的数据采集系统，主要包括温度数据采集模块、相对湿度数据采集模块、电机驱动控制模块、无线数据传输模块、LED显示模块等部分。其中主单片机控制无线收发模块与LED显示模块，从单片机控制温度数据采集模块、相对湿度数据采集模块、LED显示模块、无线发射模块与无线接收模块。系统

7、的结构框图如图1.1所示。 温度数据采集模块相对湿度数据采集模块 从单片机 LED显示 模块 无线发 射模块无线收发模块主单片机 LED显示 模块步进电机驱动器ULN2003无线接收模块从单片机 图1.1 区域温湿度环境特性采集系统框图1.4 该系统要完成的主要工作 基于AT89C52RC单片机和无线收发系统的数据采集和监控系统在设计时需要解决如下主要问题：A. 现场与远程控制在工业现场由温度传感器DS18B20组成的温度采集电路和湿度传感器HS1101组成的相对湿度采集电路采集到数据后，通过无线收发模块传至主单片机以及通过LED显示模块显示出来，便于实时监控。小车在指定区域要通过主单片机和无线收发模块来控制小车的前进、后退、左转、右转等。B. 无线收发模块的编程与调试作为发送方：射频芯片nRF24L01经从单片机启动工作后，将来自于从单片机的数据打包（加字头、CRC 校验码）后高速发射。作为接收方：射频芯片将接收到的正确的数据包除去字头和CRC 校验码，由主单片机把数据从nRF24L01 中移出。C. 电机驱动模块的编程通过程序控制小车的前进、后退、右转、左转等。2. 数字温度传感器

8、DS18B20的测量原理2.1 数字温度传感器DSl8B20的特点 本设计采用DALLAS半导体公司生产的单线数字温度传感器DS18B20，该温度传感器的特点： A. “一线总线”接口的温度传感器，用户可以组建传感器网络，现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性，适合在恶劣环境现场的温度测量； B. 测量温度范围为-55至+125，在-10至85范围内，精度为0.5； C. DS18B20可以程序设定912位的分辨率，精度为0.5； D. 可选更小的封装方式，电压适用范围3V至5.5V，使系统设计更加灵活、方便；E. 分辨率的设定，及用户设定的报警温度存储在EEPROM中，掉电后依然保存；F. 测量温度需要很少的外部电路；G. 负压特性：当电源极性接反时，温度传感器不会因过度发热而烧毁，但是不能正常工作。DS18B20传感器封装结构如图2.1所示： 图2.1 DS18B20的封装结构2.2 DSl8B20的结构主要由四部分组成：64位光刻ROM、温度传感器、非易失性的温度报警触发器TH和TL、配置寄存器10。其中，VDD为电源输入端，DQ为数字信号输入/输出端

9、，GND为电源地。2.2.1 64位光刻ROM光刻ROM中的64位序列号是出厂前被光刻好的，它可以看作是该DSl8B20的地址序列码。64位光刻ROM的排列是：开始8位(28H)是产品类型标号，接着的48位是该DSl8B20自身的序列号，最后8位是前面56位的循环冗余校验码。光刻ROM的作用是使每一个DSl8B20都各不相同，这样就可以实现一根总线上挂接多个DSl8B20的目的11。2.2.2 温度传感器 DS18B20中的温度传感器可完成对温度的测量，当从外界接收到温度后，可以直接在芯片内部进行A/D转换，温度传感器DS18B20上要加一个5V的电源12。以12位转化为例：用16位符号扩展的二进制补码读数形式提供，以0.0625/LSB形式表达。测试的温度转化后得到的12位数据，存储在DSl8B20的两个8比特的RAM中，二进制中的前面5位是符号位，如果测得的温度大于O，这5位为O，只要将测到的数值乘于O.0625即可得到实际温度；如果温度小于0，这5位为l，测到的数值需要取反加l再乘于0.0625即可得到实际温度。DSl8B20温度传感器的内部存储器包括一个高速暂存RAM和一个非易失性的可电擦除的EEPRAM，后者存放高温度和低温度触发器TH、TL和结构寄存器。2.2.3 非易失性的温度报警触发器TH和TL 一条控制操作命令指示DS18B20完成一

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