粮仓温度控制系统课程设计

1引言1.1课题研究的目的和意义粮食是人类赖以生存的基本物质，是关系国民生计的重要物资，也是军需民食的特殊商品。

中国有句老话：“常将有日思无日，莫待无时想有时”，居安思危，未雨绸缪，永远不会过时。

随着粮食流通体制改革的不断深化、粮食市场全面放开已成定局,随着人民生活水平的提高，全社会对粮食质量问题提出了新的要求；加入世界贸易组织后粮食贸易的全球化，客观上也要求粮食质量工作与国际接轨。

面对新形势，如何加强储粮工作，发挥粮食部门在粮食储存方面的优势，是摆在粮食储备工作面前的一个重要课题。

目前我国地方各大型粮库都存在着不同程度的粮食储存变质的问题。

大部分粮库还采取人工测量温度的方法，不仅增大了粮库工作人员的工作量，而且工作效率底，尤其是大型粮库的温度测量不能及时而彻底的完成，导致大面积坏粮的情况时有发生。

据统计，我国每年因粮食储存不当而发霉变质的粮食就达上亿斤，造成无法估量的的经济损失。

粮食的温度是影响粮食储藏的重要参数，两者之间是相互关联的，粮食在正常储藏条件下（即安全条件下），含水量一般在12％以下，不会使粮食温度发生突变，一旦粮食受潮含水量增加，超过20％以上时，就满足了粮粒发芽的条件，新陈代谢加快而产生呼吸热，使局部粮温升高，必然引起粮食发热和霉变，且极易产生连锁反应，从而造成难以挽回的损失因此，粮食温度监控技术在农业上的应用是十分重要的。

1.2粮仓温度监控技术的研究现状随着计算机科学和自动化水平的不断提高，在各种应用领域都大量采用自动控制系统。

自动控制系统在现代化的进程中有着极其重要和广泛的应用。

自动控制技术的采用使各种被控对象成生明显令人惊羡的结果：减轻人的劳动强度，提高生产效率，改进了产品质量，改善了工作环境，减少了能量的损耗，增加了资源材料的利用率。

特别是20世80年代以来，控制理论的进一步发展和计算机在控制系统中的应用，使自动控制取得了辉煌成果。

单片机的应用，使嵌入式自动控制系统成为一种崭新的形式，大大扩大了自动控制的应用领域，使自动控制成为无处不在的一种技术。

早期粮情监测主要采用温度计测量法，它是将温度计放入特制的插杆中，根据经验插在粮堆的多个测温点，管理人员定期拔出读数，确定粮温的高、低，决定是否倒粮。

这种方法对储粮有一定的作用，但由于温度计精度、人工读数的人为因素等原因，温度检测不仅速度慢，而且精度低，抽样不彻底，局部粮温过高不易被及时发现，导致因局部粮食发霉变质引起大面积坏粮的情况时有发生。

1.3温度传感器技术传感器技术是现代信息技术的主要内容之一，信息技术包括计算机技术、通信技术和传感器技术。

计算机和通信技术发展极快，相当成熟，而传感器应用技术因为需要使用模拟技术，而模拟技术还有很多问题难以解决，因此传感器应用技术也有待进一步发展。

为了适应现代科学技术的发展，世界众多国家都把传感器技术列为现代的关键技术之一。

通常将能把非电量转换为电量的器件称为传感器，其实质上是一种功能块，作用是将来自外界的各种信号转换成电信号。

它是实现测试与自动控制系统的首要环节。

如果没有传感器对原始参数进行精确可靠的测量，那么无论是信号转换或信息处理，或者最佳数据的显示和控制都将无法实现。

温度传感器，使用范围广，数量多，居各种传感器之首。

温度传感器的发展大致经历了以下三个阶段：传统的分立式温度传感器（含敏感元件），主要是能够进行非电量和电量之间转换；模拟集成温度传感器/控制器；智能温度传感器。

目前，国际上新型温度传感器正从模拟式向数字式、集成化、智能化及网络化的方向发展。

温度传感器按传感器与被测介质的接触方式可分为接触式温度传感器和非接触式温度传感器两大类，其中，接触式温度传感器的测温元件与被测对象要有良好的热接触，通过热传导及对流原理达到热平衡，这个示值即为被测对象的温度。

这种测温方法精度比较高，并可测量物体内部的温度分布。

但对于运动的、热容量比较小的及对感温元件有腐蚀作用的对象，这种方法将会产生很大的误差。

非接触测温的测温元件与被测对象互不接触。

常用的是辐射热交换原理。

此种测温方法的主要特点是可测量运动状态的小目标及热容量小或变化迅速的对象，也可测量温度场的温度分布，但受环境的影响比较大。

温度传感器的发展大致可分为以下几种：（1）热电偶传感器。

热电偶传感器是工业测量中应用最广泛的一种温度传感器，它与被测对象直接接触，不受中间介质的影响，具有较高的精度；测量范围广，可从-50℃～1600℃进行连续测量,特殊的热电偶如金,铁,镍,铬最低可测到-269℃，钨,铼最高可达2800℃。

（2）模拟集成温度传感器。

采用硅半导体集成工艺制成的，因此亦称硅传感器或单片集成温度传感器。

模拟集成温度传感器是在20世纪80年代问世的，它将温度传感器集成在一个芯片上、可完成温度测量及模拟信号输出等功能。

模拟集成温度传感器的主要特点是：功能单一、测温误差小、价格低、响应速度快、传输距离远、体积小、微功耗等，适合远距离测温，不需要进行非线性校准，外围电路简单。

（3）光纤传感器。

光纤测温技术可分为两类:全辐射测温法，单辐射测温法，双波长测温法，多波长测温法等。

特点是：光纤挠性好、透光谱段宽、传输损耗低，无论是就地使用或远传均十分方便而且光纤直径小，可以单根、成束、Y型或阵列方式使用，结构布置简单且体积小。

缺点是：测量起来困难,难于实现较高的精度，工艺比较复杂,且造价高，推广应用有一定困难。

（4）半导体吸收式光纤温度传感器。

半导体吸收式光纤温度传感器是利用了半导体材料的吸收光谱随温度变化的特性实现的。

一种传光型光纤温度传感器，是指在光纤传感系统中，光纤仅作为光波的传输通路，而利用其它如光学式或机械式的敏感元件来感受被测温度的变化。

在这类传感器中，半导体吸收式光纤温度传感器是研究得比较深入的一种。

（5）智能温度传感器。

智能温度传感器(亦称数字温度传感器）是在20世纪90年代中期问世的。

它是微电子技术、计算机技术和自动测试技术（ATE）的结晶。

目前，国际上已开发出多种智能温度传感器系列产品。

智能温度传感器内部包含温度传感器、A/D传感器、信号处理器、存储器（或寄存器）和接口电路。

有的产品还带多路选择器、中央控制器（CPU）、随机存取存储器（RAM）和只读存储器（ROM）。

智能温度传感器能输出温度数据及相关的温度控制量，适配各种微控制器（MCU），并且可通过软件来实现测试功能，即智能化取决于软件的开发水平。

随着科学技术的不断进步与发展，温度传感器的种类日益繁多，数字温度传感器更因适用于各种微处理器接口组成的自动温度控制系统具有可以克服模拟传感器与微处理器接口时需要信号调理电路和A/D转换器的弊端等优点，被广泛应用于工业控制、电子测温计、医疗仪器等各种温度控制系统中。

其中，比较有代表性的数字温度传感器有DS1820、MAX6575、DS1722、MAX6635等。

相比较而言，传统的温度检测以热敏电阻为温度敏感元件，热敏电阻成本低，但需要后续信号处理电路，而且热敏电阻的可靠性相对较差，测量温度的准确度低，检测系统的精度差。

数字式温度传感器的种类也不少，并且在实际工程设计中具有上述诸多优点。

2系统总体方案设计本章首先进行系统需求分析，然后介绍系统实现方案。

2.1系统需求分析本系统主要进行温度的控制，温度对粮食储藏的影响是巨大的，因此，从温度对粮食储藏的影响的角度进行系统需求分析。

粮食入库后，在通常情况下，粮堆水分会不断发生变化。

其主要原因是：第一，外湿引起粮堆水分变化。

外湿一般只影响到粮食的表层，表层以下无明显的日变化，只有幅度不大的年变化，年变幅度平均为1％左右。

第二，粮堆内部水分的转移引起水分变化。

不同水分的粮食混同入库后，根据吸湿平衡的规律，原来水分含量高的粮粒会散发部分水汽而减少水分，而原来水分含量低的粮粒则会吸收水汽而增加水分，一直达到水分相对平衡，这种现象叫“水分再分配”。

另外一种现象叫“湿热扩散”，也能引起粮堆水分变化。

当粮堆局部温高湿大时，其湿热空气由于水汽压力较大，便会根据热量传导的方向移动，即由高温部位向低温部位移动，导致低温部分湿度增加，水分增大。

粮堆各部分之间温差越大，湿热扩散就越严重，即使粮食水分较小，如温差过大，也可能发生湿热扩散。

第三，温差结露引起粮堆水分变化。

粮食在贮藏过程中，由于外界温度的变化和粮堆内生物成分的生命活动而引起粮堆各部位出现温差时，在湿热扩散和空气对流的作用下，粮堆内外均易产生结露现象。

它是引起粮堆外层和局部水分增加的最重要原因。

粮堆结露，能使局部水分迅速增加，造成贮粮发热霉变以至发芽的严重后果。

因此，必须注意防止结露。

若出现局部水分突然上升，则要采取措施，果断处理，以防事故扩大。

气温、粮温和仓温之间的相互影响如表2.1所示。

表2.1三温的一般规律变化表粮温的高低，直接影响到贮粮的安全。

在一定的温度范围内，粮食的呼吸强度随着温度的上升而增加，粮食的劣变速度也随着温度的上升而加快。

实验表明，常温下贮藏的小麦经过一段时间都会导致品质下降，在化学成分上一般是干物质的分解，而在低温下（指15℃以下）贮藏的小麦，其劣变速度明显减缓。

另外，在低温下贮藏小麦，可以保持其新鲜程度，改进小麦的工艺、食用和烘焙品质。

低温还能抑制虫、霉的生长，对安全贮粮十分有利。

因此，在生产实践中常常使用低温贮粮技术解决面粉、大米等成品粮度夏难的问题。

粮食入库后，正常的粮温主要随大气温度的变化而变化，即气温影响仓温，仓温影响粮温。

但由于仓库具有一定的密闭、隔热性能，粮堆又是热的不良导体，粮温、仓温的升降速度及升降幅度均滞后于气温。

粮温受气温影响的大小，还与粮堆的孔隙度和仓库的隔热和密闭性能、堆装方式以及入库的时间等多种因素有关。

因此，在分析粮温变化时，必须综合多方面的情况加以考虑，才能准确地判断粮温是否正常，以便及早发现问题，做好预防工作。

2.2系统框架系统主要由温度传感器、单片机、串口通讯电路、上位机、控制电路、时钟电路、键盘输入电路、显示电路、执行装置等组成。

后面的控制电路用FPGA（可编程逻辑门阵列）对温度信号进行处理，以及对执行机构进行控制。

本系统进行了如下结构设计：粮仓温度监控系统组成框图2.1所示。

图2.1 粮仓温湿度监控系统组成框图由单片机通过温度传感器控制采集温度信息，并将温度信息送入控制电路；单片机选用51系列单片机AT89S52，除用于采集温度信息外，还通过串口通讯电路，将温度信息传入上位机；上位机为PC机，用于存储温度信息；串口通讯采用异步全双工通讯方式，考虑到通讯距离问题，采用485通讯方式，并在上位机端进行485/232电平转换；控制电路中设定了度的期望值，键盘输入电路根据实际需要，用于改变该期望值；显示电路用于显示温度信息的期望值和实测值；时钟电路为单片机和控制电路提供工作时钟；控制电路除进行输入、显示控制外，还通过模糊控制理论控制执行电路进行升温/降温。