粮仓温湿度监控系统设计

【摘要】为了更加精确、及时地对粮仓温湿度进行监测与控制，设计了一套以SHT15为温湿度传感器，以LPC1768为主控制器的监控系统。该系统主要由LPC1768微控制器、SHT15温湿度传感器、LCD显示模块、报警器以及温湿度调节模块等部分组成。SHT15传感器输出数字量，可直接与LPC1768的I2C接口相连接。系统将采集到的温湿度值转化为物理量并显示在LCD上，同时，根据温湿度值的大小，产生相应的控制信号，由此实现温湿度的自动调节。测试结果表明，与模拟式温湿度传感器相比，基于SHT15的温湿度监控系统具有电路结构简单、实时性强、精度高等特点。

【关键词】监测与控制；SHT15；LPC1768；粮仓

1.引言

在粮食储藏过程中，粮食温湿度的变化是影响粮食质量安全的主要因素。当粮仓内部的温湿度超过一定阈值时，粮食就易发霉变质。每年由于储藏不当造成大量的粮食浪费，给国家和人民造成巨大的经济损失。所以随时监测粮仓内部的温湿度变化，具有重要的实际意义。受经济条件限制，部分地区的国家粮食储备库还采用传统的人工方式进行粮情监控，不及时、不准确[1]。本系统采用SHT15型多功能、自校准智能传感器，通过微控制芯片LPC1768采集温湿度信号，对信号进行处理判断，依据要求控制制冷器、加温机、加湿器、抽湿机启动，由此实现粮仓内温湿度的自动化控制与调节。

2.设计方案

2.1 系统设计要求

根据粮食的储藏条件，我国的气候条件和目前仓库的管理水平，通常规定粮仓温度不超过20℃，湿度不超过30%RH[2]。

系统可对温湿度进行自动调节控制。

当储藏温湿度超过要求范围时，系统进行报警，以提醒工作人员及时查看温湿度情况，在系统不能及时自动调控温湿度的情况下，可进行人工干预调控。

2.2 系统总体设计方案

根据系统的总体要求，本设计采用如下方案：整个系统由LPC1768微控制器、SHT15温湿度传感器、LCD显示模块、报警器以及温湿度调节系统等部分组成。系统功能原理图如图1所示。用户根据储存要求预先输入温湿度报警值到程序中，该值作为系统阈值。SHT15温湿度传感器监测值传输给LPC1768，当监测到的数值超出所设定阈值时，驱动蜂鸣器报警，并为温湿度调节系统提供相应的控制信号，实现自动控制。

3.硬件设计

3.1 微控制器

控制电路的核心器件是由NXP公司推出的基于Cortex-M3内核的LPC1768[3]微控制器，操作频率可达100MHz。有多组外设，3个I2C接口、512KB的Flash存储器等，每个外设都自带时钟分频器，在设置低功耗的基础上，可进一步节省功耗。另外，LPC1768芯片的体积只有14cm*14cm，适用于高度集成和低功耗的嵌入式应用，外设功能强，方便系统的功能扩展。

3.2 SHT15温湿度传感器

SHT15[4-5]型传感器是单片多用途的智能传感器，不仅包含基于湿敏电容器的微型相对湿度传感和基于带隙电路的微型温度传感器而且还有14位的A/D转换器和两线串行接口，可直接输出数字量。SHT15可直接通过I2C接口进行通讯。其性能如下：

——相对湿度测量范围：0～100%RH；

——温度测量范围：-40～+123.8℃；

——相对湿度分辨率：0.03%RH；

——温度分辨率：0.01℃；

——相对湿度测量精度：±2%RH；

——温度测量精度：±0.4℃；

——相对湿度响应时间：8s（type）；

——温度响应时间：5～30s。

3.3 显示模块

TS128×64点阵液晶显示屏的DB0～ DB7数据总线连接到U1（LPC1768）的P2.0～P2.7引脚，CS1、CS2、D/I、RW和En控制信号引脚分别与P2.8～P2.12引脚直接相连。LCDAK通过电阻R7控制Q1（8550）的导通与截止来控制J1背光灯的开/关功能。电阻R8用于设置TS128×64的显示对比度。TS128×64与LPC1768硬件连接图如图2所示。

3.4 电源模块

本系统采用的电源供电模块如下所述：由USB接口提供+5V电压，为TS128 ×64、蜂鸣器和温湿度调节模块提供电源；并且为AS1117-3.3提供电源输入电压。由AS1117-3.2输出的+3.3V为LPC1768和SHT15提供电源。

3.5 报警模块

本设计系统采用声音提示报警。当实时温度或湿度高于设定的上限或低于下限时，触发报警蜂鸣器有节奏地发出警报声，提醒使用者注意温湿度变化。

3.6 与上位机接口电路设计

通过串行通讯接口UART0可实现与上位机通讯。由于PC机串口是RS-232电平，所以连接时需要使用MAX232芯片作RS-232转换器。由此，将系统采集数据传给PC机。

3.7 温湿度调节模块的设计

微控制器通过对传感器采集的外界温度、湿度进行处理，并判断温湿度是否超出设定值。当温度大于20℃时，通过P1.0输出低电平，通过光电耦合器4N25，由三极管8550驱动固态继电器闭合，从而使制冷器工作；当湿度大于30%RH时，通过P1.1输出低电平，通过光电耦合器4N25，由三极管8550驱动固态继电器闭合，从而使抽湿机工作；同理，当温度低于10℃时，升温机工作；当湿度小于20%RH时，加湿器工作；直到粮仓内温湿度回到设定值范围内。

4.软件设计

该系统软件主要由主程序、中断子程序、I2C接口[6]子程序、LCD显示子程序、报警子程序等模块组成。本系统以Keil uVision4为开发环境，系统软件可实现以下功能：

——LCD显示子程序对每次由SHT15所采集的数值经量化处理后所得到的标准值进行显示。

——报警子程序是当出现异常情况时输出报警信号，例如湿度超过30%RH时，发出报警信号，以提醒工作人员注意，必要时采取人工干预。

——系统可定期将数据经UART0传给PC机；

——根据温湿度值，调节控制制冷器、升温机、加湿器或抽湿机运行，以达到合适的温湿度。

系统软件主程序流程图如图3所示。

对于SHT15，温度测量与湿度测量的基本流程是相同的。图4所示为读取温度测量值的子程序流程图。其中，延时时间根据不同分辨率有所不同。

5.测试结果

将本系统用于对某粮仓内某一天8：00到16：00期间进行温湿度测量，同时标准温湿度计及基于HTG3515CH模拟温湿度传感器的测量系统也在同一粮仓同一时间进行测量，得出测量结果分别如图5，图6所示。

由此可以看出，本文设计的基于SHT15的温湿度测量系统，其相对湿度测量精度及温度测量精度都比基于HTG3515CH温湿度传感器的测量系统高，该系统测量值更加精确，更适合应用于粮仓的温湿度监控。

6.结论

SHT15是一款全新的含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器。该产品实现了温湿度传感器的数字式输出，且具有品质卓越、精度高、响应快、抗干扰能力强、性价比高等优点，极大地方便了在嵌入式测控领域的应用。控制器采用NXP公司生产的LPC1768芯片，对传感器所测温湿度信号进行数据处理并对外输出控制信号，以实现对粮仓的温湿度控制。如此设计的控制系统实时性强、精度高，能达到很好的控制效果，具有较高的推广价值。

参考文献

[1]侯俊才，胡耀华等.数字式粮仓温湿度监测系统设计[J].农机化研究，2012（9）：103-106.

[2]田素贞，屈芳升.基于单片机的粮仓温湿度检测系统的设计与研究[J].河南科学，2012，30（1）：90-93.

[3]孙安青.ARM Cortex-M3嵌入式开发实例详解：基于NXP LPC1768[M].北京：北京航空航天大学出版社，2012，10.

[4]王冬霞，张玉辉，洪耀球.温湿度传感器SHT15及其在嵌入式系统中的应用[J].电子设计工程，2011， 19（2）：40-43.

[5]向红军，雷彬.基于SHT15型智能传感器的弹药库温/湿度监控系统的设计[J].国外电子元器件，2006（1）64-66.

[6]杨海.基于AT89C52单片机的药品库房温湿度控制系统设计[J].机械与电子，2010（7）：82-83.

作者简介：牛贾贾，中北大学信息与通信工程学院国家重点实验室2011级硕士研究生，研究方向：动态测试与智能仪器。