CN2114824U - 多功能粮仓温度测控装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型为一种便携式的，由80C31单片机 为主机，由两片82C55作扩展接口，由外接PN结测 温二极管组成矩阵式布线测温电路和由液晶显示器 显示数据的多功能粮仓温度测控装置。有定时和时 间显示功能，可自动测量255个测点的温度和湿度， 测温误差±1℃。并可自动打印记录测量结果，还可 进行遥控检测。粮仓超温时可自动报警，并能控制相 应机械采取措施。该装置体积小巧，使用方便，功能 齐全，很有推广价值。

Description

本实用新型属于计算机控制应用领域。本实用新型的目的是提供一种新型的多功能粮仓温度测量和控制装置。粮仓温度的测量和控制是粮食仓储保管工作中的重要环节，由于测控手段落后等因素的影响，使得粮食霉变等现象时有发生，因此研制新型的粮温测控装置有其现实意义。目前微机应用在粮食测温中大致有以下三种类型：1、以日本SHARP公司生产的PC－1500袖珍机为基础扩展测温电路，构成便携式测温仪器，用PC－1500的液晶屏及打印机作为输出手段。由于SHARP公司已停产PC－1500袖珍机，因而今后将无法保证继续提供这种测温仪器。2、以单板机、单片机为核心测温仪器，它采用热敏电阻作为测温元件，LED七段显示器显示输出测温数据，这种便携式测温仪器的缺点是：由于采用热敏电阻作为测温元件，测温引入线很多。例如，要实现对256个点的温度测量，在共用一根地线条件下，需要257根引入线，并因此造成输入电路复杂，同时因为以LED为显示器件功率消耗较大。3、以IBM／PC机为基础扩展测温电路构成的测温装置。该装置只能放置在控制室中使用，是直接从总线扩展测温电路。由于电路结构复杂，且依赖于微机系统的支持，这种装置不但造价高，也无法便携式使用，因而也不适合于基层小型粮库。通过对上述三类测温仪器的分析比较，本实用新型的设计思想是：以80C31单片机为核心设计粮仓专用温度测控系统，以低功耗、低成本、多功能为目标，并兼有上述三类装置具有的功能。为此该装置全部采用低功耗的高速CMOS电路，用PN结测温二极管作为测温元件，由于PN结的单向导电性，在采用矩阵式布线方法时，对16×16个温度点的测温只需要16＋16根引入线，从而大大节约了仓房布线费用，并简化了输入电路的设计，本装置的技术指标如下：测温通道数为255个；测温范围－35℃－＋75℃；测温误差±1℃，控制输出24路。本装置除可用于粮仓温度的测控外，还可用于食品冷库及北方地区冬季混凝土热养护等领域的温度巡回检测和控制。

以下结合附图对本实用新型作进一步详细描述。

附图1是该粮仓温度测控装置的外观图。装置为宽20.2厘米、高8厘米、深20厘米的手提式标准仪器箱。在其前面板上，1是6位液晶显示器（LCD）；2－8是由6只功能键和1只复位键组成的按键组，其中2为测温键、3为标定键、4为时间显示键、5为区间选择键，6为置数键，7是功能选择键，8是复位键；9是欠压指示灯，10是充电指示灯，11是TP－μP16A面板式微型点阵打印机。在后面板上，16是36线PN结测温传感器连接插座，12是串行通讯连接插座，13是9V外接DC插座，机箱内装有5节可充电电池，14是电源开关。15是18V外插DC插座。

当13处于ON位置时，该装置加电运行，即显示提示符“P”，处于待命状态。当按下2后执行测温功能，可对预先设置好的测温区间内的测温点进行温度巡回检测。按下3后可对所使用的PN结温度传感器进行定标。按下4后可显示机内的实时时钟。5按下后，则可通过6对测温区间进行设置。在7按下后，以上各键则执行其第二功能。各键的第二功能如下：对应5实现对某一测温点进行测温；对应4实现对实时时钟的校对；对应6实现测温数据的顺序显示，以供无打印机条件下记录测温数据；而3实现测温数据的非现场打印或重复打印；2实现扩展湿度测量功能。本装置扩展湿度测量的方法是利用两只PN结测温二极管，一只置于空气中作为干球温度计，另一只置于水中作为湿球温度计，应用相对湿度测量原理可以测量出仓库内、或仓库外的相对湿度。

附图2是详细的电原理图。图中80C31、74HC373、27C128是具有16K程序存储器的MCS－51单片机基本系统，晶振频率为6MHZ。74HC138－1是系统地址译码电路，具体地址分配见表一。6264是一8K静态数据存储器，用于系统参数及现场测试数据

表 一

6264	0000H－1FFFH
		82C55－1	A000H－BFFFH
0804	C000H－DFFFH
		82C55－2	E000H－EFFFH

的存储，以每一测温点占用一字节计，它共可存贮8000以上的测温点的数据。实时时钟电路由秒脉冲发生器及80C31的T0计数器组成，二极管D1－D4为2CK1，R6为1K，R5为510欧，T1为3CG21，5G5544是秒脉冲集成电路，D1、D2、T1、R6用于电平变换，D3、D4、R5提供5G5544的3V直流电源，秒脉冲发生器每秒钟发出一脉冲，向T0计数一次，T0每60秒产生一次中断，进而对80C31内部的分、时、天、月、年软件计数单元累加计数，以此形成日误差为0.1秒的实时时钟。液晶显示电路由显示控制电路和驱动脉冲产生电路两部分组成。74HC138－2、74HC174、CD4055及CD4543×6组成液晶显示控制电路，应用存储器映象方式对6位数字位及2个时间分隔号“：”进行控制，共占用了6000H－6003H4个字节地址。由于CD4055液晶显示驱动电路本身没有锁存器，所以把74HC174六D锁存器其中的4D作为CD4055的锁存器，由此组合形成的首位LCD显示驱动器，除能显示0－9数字外，还可显示“P”、“L”、“H”、“A”、“－”等提示符，其余位的锁存驱动器采用CD4543锁存驱动器，仅能显示“0”－“9”数字。显示驱动脉冲电路由IC1－IC4及R3、R4、C4组成，驱动脉冲频率为40HZ，其中IC1－IC4为4只1／674HC04反相器电路，R3、R4均为510K，C4为0.047μ。键2－7及74HC30、R7－R12、IC5构成键盘输入电路，其中R7－R12取5.1K，IC5是1／674HC04，该电路采用中断方式，一旦有键按下在 INT1上即可产生中断请求信号，80C31在中断服务程序中对键盘信息进行处理。此键盘电路及实时时钟电路是依据主机低功耗运行方式设计的，在无测控任务、无键按下，及计时不满60秒时，80C31处于休闲状态，功耗仅15MW，只有当有键按下产生外部中断或计数器T0计满60个秒脉冲时才将80C31激活重新进入正常工作状态，也就是说当仪器处于定时状态时其所用功耗极低。在基本系统上还扩展了两块82C55可编程并行接口，其中82C55－2用于控制信号的输出，共计有24位开关量输出，控制字为80H，在其后配接诸如固态继电器等强电开关电路，可以推动24台空调机、通风机或电热管等外部设备。自80C31的P1.6、P1.7接入一压电陶瓷片，构成蜂鸣器电路，可产生报警信号。82C55－1的PA0－PA7、PC0、PC4构成标准CONTRNIC打印接口，PA0－PA7用于打印数据输出，PC0为 BUSY输入，PC4用于 STROBE选通信号输出。82C55－1的PB0－PB7，PC5、PC6及4067－1、4067－2两16路电子开关以及外接PN结测温二极管组成矩阵式布线的测温电路，它是本装置实现温度巡测的核心电路。该电路的基本功能是按程序要求接通相应电子开关后，使得由4DH1恒流源提供的100μA电流流过PN结测温二极管，此时PN结两端压降随该二极管所处环境温度线性变化，PC5、PC6分别是CD4067－1、CD4067－2的片选信号，为低时有效，当两电子开关被选中后，PB0－PB7的状态决定了各电子开关的相应通道被接通，例如，PB0－PB7＝“00H”，则CD4067－1的第0通道及CD4067－2的第0通道被接通。由于PN结的单向导电性，可以接入16×16个测量通道。因电子开关具有导通电阻，此阻值也是一随温度变化的量，为了修正它随温度变化时对测温结果的影响，在第255通道即CD4067－1的第15通道与CD4067－2的第15通道之间设计了一6.8K的参考电阻，其工作原理见下文。由此可知本装置实际可以接入测温通道的数目是255个。系统为82C55－1设置的控制字为81H。ADC0804、MC1403及A1、R13、R14、R15、W1、W2、C6组成A／D转换电路，其中A1是1／4LM324，R13为10K欧、R14为K欧、R15为1M欧、R16是50欧、电位器W1、W2各为100K欧，C6是150PF，该电路目的是把自A点输入的电压量转换为数字量，并处理为所测温度。ADC0804是一8位A／D变换器，R13、C6是其内部时钟电路的外接电阻、电容，其工作时钟频率是640KHZ，参考电压由MC1403精密稳压电源提供，图中接成低电压变换，其测量范围可通过W1、W2改变。80C31单片机具有串行通讯功能，利用此功能可实现有线遥测，为此本装置以光耦合器G0103为核心设计了串行数据输入、输出电路，其中T5为3DG12、R27为200欧，R23为11K，R29、R30均为1.1K，经实测在1公里内可以可靠传输。附图3是该装置的供电系统，系统供电为交直流两用，由集成稳压器7808或5节可充电电池提供。LM2931是低压差稳压器，为系统提供5V电压。7815是15V稳压器，见图5。在不使用遥测功能时不必接入18VDC变换器，A2、A3、R17－R22、T2、T3、及J组成自动充电电路，当电池电压低于5.6V，并有外接9VDC变换器时，此时7808对5节镍镉电池充电，发光二极管D7亮，表示正在充电。当充电至6.2V时自动断开。A2、A3为2只1／4LM324，R17为180K，R18、R20为100K，R19为120K，R21为20欧，R22为100欧，T2、T3用9014晶体管。系统还设计了由A4、R23－R26、T4组成的低电压指示电路见图4。该电路中虚线所围的电池组及基准稳压源1403是与供电系统合用，当系统由电池供电，且电压低于5.6V时，D8指示灯亮，提醒使用者，在充足电以后再工作，以保证测温结果的准确性。

下面详细说明该装置的测温过程。本装置采用相对测量原理，装置首次使用时，必须通过标定建立测温的参考基准，并将它们存入不掉电的RAM内备用。具体作法是：在应用程序控制下，对82C55－1的PC5、PC6置“0”，选中CD4067－1、CD4067－2，并对82C55－1的PB口置控制字FFH，此时CD4067－1的15通道及CD4067－2的15通道接通，亦即接于第255通道的6.8K参考电阻被接通，此时恒流源4DH1提供的100μA电流，流经4067－1的15通道，6.8K参考电阻、4067－2的15通道到地。接着ADC0804对A点电压进行转换，转换后所得数字量记为V1，其值包括有6.8K参考电阻两端的电压及被接通的两个通道上导通电阻上的压降。用同样的方法接通第239通道的PN结测温二极管，恒流源流经CD4067－1的15通道、测温二极管、CD4067－2的14通道到地，经ADC0804变换后测得A点电压，其数值记为V2，该值包括测温二极管的两端电压及CD4067－1的15通道和CD4067－2的14通道的导通电阻上的压降。在这之后由标定功能键输入温度转换系数V3，它定义为PN结二极管所测量的温度每改变一度，对应于ADC0804A／D转换结果所变化的数值，V3的值随每批二极管稍有差异。最后，还要从分辨率为0.1℃的精密温度计上读出在标定时被测PN结二极管所处的环境温度V4，也由标定功能键输入装置的RAM中。从以上描述可以看出标定过程的目的就是在本装置中记录V1、V2、V3、V4。

在测温时，由于电子开关的导通电阻亦会随温度变化，因此在测温前首先要对接通6.8K参考电阻时的A点电位进行测量，测得其值为O1，那么标定时6.8K电阻的测量值V1与O1的差值B＝V1－O1，差值B表示了由于温度的变化使得两通道导通电阻上压降产生的变化（认为6.8K电阻两端压降近似不变）。测温时分别接通各PN结二极管，令其测量值为O2。由此可得，此测温二极管由于温度的变化使得其两端电压的变化值为C＝V2－（O2－B），此式中已扣除了随温度的变化通道导通电阻上压降的变化。至此已测得该二极管由于环境的变化引起的两端电压变化值，最后从式T＝C／V3＋V4即可得到温度测量值。

本装置的核心是测温，至于报警、定时、控制等功能，则可以通过编制不同的软件来实现。

典型应用例：

一、使用机内电池供电，不用TP－μP16A面板式微打，进行低功耗，便携式测量，具体作法是：把仓库中的测温二极管矩阵式布线插头插入该装置的插座内，置入报警温度后，随后以每秒一点的速率顺序测量显示各点温度，所测结果全部存入内存，遇有测点温度越限时，则有蜂鸣器报警，并保持、显示该测量结果，只有按下任一键后，才继续测量下一点。如需记录，由于无打印机，可以用读出功能读出，抄写在记录纸上。

二、除增加配接TP－μP16A面板式微打外，其它配置与一、相同，因此使用方法也与一、相同，使用时在以每秒一点速率顺序测量显示各点温度值的同时，在微打上打印各测点的顺序号及测量值，遇有超限，除蜂鸣器报警外，在打印纸上用符号“◇”标出。

以上两种均为便携式使用，本装置也可以固定式使用。

三、定时自动测量。把此装置直接安装在仓房，设置好定时测量时间后，在到达设定时间就自动进行测量，并打印记录测量结果。

四、恒温仓的自动控制。恒温粮仓现已有出现，把本装置安装在仓房，通过它控制空调机、通风机，它每半小时测量一次温度、湿度，并根据所测结果与设定值比较后决定空调机、通风机的启停，使得机组运行在最佳状态，节约能源，避免浪费。

以上两例适用于中国南方地区黄霉季节的粮仓保管用。

五、主从式测控系统。由两台本装置，一台设置在办公室中，用串行通讯线与仓房中的另一台装置（不带显示、键盘、微打）构成主从式测控系统。仓房中的一台作为前端机，接受办公室中的另一台控制，以此实现有线遥测遥控，管理人员在办公室中通过显示或打印直接获得测温结果并可监控仓房中的空调机、通风机等设备的运行状态。由于80C31可以支持多机通讯，因此一台主机可以支持多台分机，从而大大扩展测点的数目。

Claims (6)

1、一种由80C31单片机为主机，由两片82C55作为扩展接口，由液晶显示器显示测量数据的多功能粮仓温度测控装置，其特征是由两个16路电子开关4067及外接PN结测温二极管组成矩阵式布线的测温电路，由恒流源4DH1提供测温二极管电流，由电子开关选定温度测量通道。

2、根据权利要求1所述的装置，其特征是由6264作数据存储器，74HC138作译码器，由5节可充电电池供给它们电源。

3、根据权利要求1所述的装置，其特征是由5G5544、3CG21和80C31的T0计数器组成脉冲发生器。

4、根据权利要求1所述的装置，其特征是由ADC0804、MC1403及LM324组成A／D转换电路。

5、根据权利要求1所述的装置，其特征是由光耦合器G0103和3DG12组成串行输入、输出电路。

6、根据权利要求1所述的装置，其特征是由MC1403、LM324、三极管9014、二极管2CP10和继电器J组成自动充电电路，MC1403、LM324和三极管9014及LED显示器组成的低电压指示电路。

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