温湿度实时监测系统设计与实现

长春理工大学毕业设计摘 要本文设计了一个计算机控制的温度、湿度实时监测与报警系统，可应用于多种需要采集温湿度数据的场合。数据采集器的核心部件为单片机，主要完成对其所连接传感器件的测量与控制以及与主机的通信等功能。各采集器以网络结点的方式挂接到 RS485 传输网络上，传输距离远，还可有效的抑制共模干扰。设计中的 RS232/RS458 转换器用来实现 RS485 总线网络与主机 RS232 串口通信的相互转换。本设计实现了温度、湿度的实时监测系统，该系统不仅能实时采集各抽样点的温度值与湿度值，而且能够迅速处理，并存储结果以方便以后的对比研究。关键词： 单总线 DS18B20 HIH3610 RS232/RS485AbstractA kind of real-time monitoring system for temperature and humidity controlled by computer is introduced in this paper， which is can be used for many applications. The kernel of data collector is MCU， which takes charge of measurement， control and communication with the host controller. The RS485 transmission net is made up of the data collection station， which can transmit for remote distance and restrain common mode interference. The RS232/RS485 converter is used for conversion between RS485 and RS232， which is used by the host controller. Design of the temperature and humidity of real-time monitoring system， The system can not only real-time acquisition of the sampling point temperature and humidity values， but also dealt with expeditiously， and store the results to facilitate future comparison. Key words：1-Wire DS18B20 HIH3610 RS232/RS485I目 录第一章 绪论 .11.1 引言 .11.2 温湿度检测发展方向 .11.3 本文主要研究内容 .2第二章 系统的总体设计 .32.1 系统的总体结构 .32.2 系统的工作过程 .32.3 温度、湿度监测的组成 .42.4 温湿度测量芯片 .42.5 测量数据的传输 .5第三章 温度、湿度传感电路设计 .63.1 温度传感器电路设计 .63.2 湿度传感器电路设计 .93.3 单总线系统 .13第四章 温湿度数据采集电路设计 .154.1 AT89C52 单片机 .154.2 数据采集器的结构与电路设计 .154.3 数据采集系统的软件设计 .184.4 RS232/RS485 转换器 .21结 论 .24参考文献 .25致 谢 .26附 录 .271第一章 绪论1.1 引言温度、湿度监测在人们现实生活生产中应用已日渐广泛，在发电厂、纺织、食品、医药、仓库、农业大棚等众多的应用场所，对温度、湿度参量的要求都非常严格，因此能否有效对这些领域的温、湿度数据进行实时监测和控制是一个必须解决的重要前提。在现代工业现场，随着科技的进步和自动化水平的提高，电缆的用量越来越大，电缆的安全保护已成为不可忽视的问题。从国内外有关电缆火灾的统计资料看，许多电缆火灾是由电缆头击穿绝缘引起的。因此为电缆配置线温度监测系统， 对于电缆接头多，电缆密集的场所，就显得尤为重要。粮食是人类生存的必需品，温度与湿度是保存好粮食的先决条件，我国的公粮现均集中存放在国家或地方的仓库中，最大粮库方圆几公里，仓库库房数为数十个，测点可达数千个。按照国家粮食保护法则，必须定期抽样检查各点的粮食温度与湿度，以确保粮食的存储质量。档案馆中的档案资料同样会受到外界空气温湿度变化的影响，纸张纤维热胀冷缩，使强度降低，湿度过大会使霉菌和害虫滋长，以致造成资料质变。本设计以上述问题为出发点，设计实现了温度、湿度的实时监测系统，该系统不仅能实时采集各抽样点的温度值与湿度值，而且能够迅速处理，将数据结果方便的显示给用户，并存储结果以方便以后的对比研究。1.2 温湿度检测发展方向温度传感器的种类很多，测温范围也很宽，高可以测量高达几千度，低也可以测量接近绝对零度，但在测量精度、稳定性、抗干扰等方面仍存在很多问题。如铂电阻温度计，虽然其测量范围宽，精度高但抗震动能力差;热敏电阻温度计灵敏度高、体积小、响应速度快但稳定性较差;热电偶温度传感器缺点是灵敏度低 ;因此进一步改进敏感元件的制作工艺及结构，充分利用微处理技术发展数字化、集成化和自动化的温度传感器，同时探索新的敏感机理，寻求新型温度敏感元件也是温度传感器的发展方向之一。湿敏传感器在工业、农业、气象、医疗以及日常生活等方面都得到了广泛的应用，特别是随着科学技术的发展，对于湿度的检测和控制越来越受到人们的重视并进行了大量的研制工作。通常，理想的湿敏传感器的特性要求是：适合于在宽温、湿范围内使用，2测量精度要高；使用寿命长，稳定性好；响应速度快，湿滞回差小，重现性好；灵敏度高，线性好，温度系数小；制造工艺简单，易于批量生产；转换电路简单，成本低；抗腐蚀，耐低温和高温 6特性等回。湿敏传感器正从简单的湿敏元件向集成化、智能化、多参数检测的方向迅速发展，为开发新一代湿度测控系统创造了有利条件，也将湿度测量技术提高到新的水平。1.3 本文主要研究内容本论文的研究对象是计算机控制的温度、湿度实时监测与报警系统的软硬件设计，它可应用于多种需要采集温湿度数据的场合。系统的技术指标：1）一台主机可最多管理 32 台数据采集器，若增设中继器，可使系统扩展大于 32台采集器；2）各温湿度测试点与其所属采集器的最远距离不超过 150 米；3）温度测量：(1)测量范围：-55 +125 ；(2)测量精度：0.5(-10 +85 )； 2.0(-55 +125 )；(3)分辨率： 0.1；4）湿度测量：(1)测量范围：199RH；(2)测量精度：5RH(25)；3第二章 系统的总体设计2.1 系统的总体结构如图 2.1 所示，整个监测系统从结构上分为三层：第一层是由工控机等组成的用户监测层作为上位机；第二层是由单片机 AT89C52 构成温湿度采集器作为下位机；最底层是由 DS18B20 构成的温度传感器结点和 DS2438 与 HIH3610 构成的湿度传感器结点。其中温度结点和湿度结点均为满足 1-Wire 通信规则。上位机与下位机之间的通信为总线结构的 RS485 通信网，下位机与数字化结点之间的通信由 1-Wire 网络完成。U P S报 警 器打 印 机R S 2 3 2 / R S 4 8 5 转 换 器R S 2 3 2R S 4 8 5 网 络采 集 器 1 采 集 器 2 采 集 器 a 采 集 器 a + 1 采 集 器 n测试点1 2单 总 线 网 络测试点2 1测试点n n测试点1 n测试点1 1图 2.1 系统组成结构图2.2 系统的工作过程系统中每台采集器都有一个唯一且固定的地址编码。由于系统的主机与下位机之间采用半双工的 RS485 通信标准，所以主机采用问答式的通信方式，通过不同的地址编码逐一同下层的采集器通信。采集器统一管理的命令包括：采集器搜索底层传感器的 64 位 ROM 序列码，采集器启动温度传感器和湿度传感器的数据转换，采集器上传采集到的温湿度数据，主机与各采集器之间的通信通道校验等。当采集回来的温湿度值超过其对应4测试点的报警上下限时，系统给出报警信号。2.3 温度、湿度监测的组成该系统的构成大体上可以分为三部分：一是温湿度参数的测量转换，二是测量数据的传输，三是数据的处理。其系统框图如图 2.2 所示。数据采集模块R S 2 3 2 / R S 4 8 5转换模块主机 报警模块图 2.2 系统组成原理图2.4 温湿度测量芯片该部分是系统的主要环节，由原理图中温湿度采集模块来完成数据的获取与处理，在系统中将各温湿度采集模块称为数据采集器。温度传感器的种类很多，根据其输出方式及接口方式的不同，大体可以分为模拟温度传感器和数字温度传感器。模拟温度传感器输出的模拟信号，必须经过专门的接口电路转换成数字信号后才能由微处理器进行处理。数字温度传感器输出的数字信号，一般只需少量外部元器件就可直接送至微处理器进行处理。美国 Dallas 半导体公司的数字化温度传感器 DS1820 是世界上第一片支持单总线接口的温度传感器。单总线独特而且经济的特点，使用户可轻松地组建传感器网络，为测量系统的构建引入全新概念。新一代的 DS18B20 体积更小、更经济、更灵活，而且由于芯片送出的温度信号是数字信号，因此省去了外部 A/D 转换，简化了硬件电路。湿度测量方法也是多种多样，但是与温度相比，它是比较难于测量的。其主要原因是，由于空气中所含的水蒸气相对空气来说是微量的，而且水蒸气对各种物质的影响也是错综复杂的。一直以来被广泛使用的湿度传感器从原理上主要分为吸附型和非吸附型，水分子吸附在物体表面和渗入物体内部后，直接影响物体的电气物理性能，利用这一特性可以制成多种吸附型湿度传感器。近年来，国内外在湿度传感器研发领域取得了长足进步。湿度传感器正从简单的湿敏元件向集成化、智能化、多参数检测的方向迅速发展，为开发新一代湿度、温度监测系统创造了有利条件，也将湿度测量技术提高到新的水平。其中由 Honeywell 公司开发生产的线性电压输出式集成湿度传感器，其典型产品有 HIH3605/3610、HM1500/1520，主要特点是采用恒压供电，内置放大电路，能输出与相对湿度呈比例关系的伏特级电压信号，响应速度快，重复性好，抗污染能力强。52.5 测量数据的传输各数据采集器在得到温湿度数据后，加以简单处理，然后将其传送给主机，这之间的数据可靠传送是该系统中另一个要解决的关键问题。由于各个数据采集器距离主机比较远，一般要上百米，因此数据传输实际是一个远程通信系统。数据在上传过程中往往易受干扰，干扰源主要有三个方面：一是现场用电设备产生的电磁干扰；二是电源线具有的 50Hz 工频干扰；三是各采集器之间的公共接地阻抗产生的干扰。将 RS232 转换成进行多点通信的 RS485 方式被应用到该系统中。RS485 具有带负载能力强，传输距离远（可达 1200 米），功耗小，传输速率高（最高可达 1Mbps）等特点。6第三章 温度、湿度传感电路设计该系统的特点之一是测量温湿度数据的传感器均采用 Dallas 公司的单总线器件，单总线器件的数据传输严格遵守单总线协议。本章首先介绍由单总线温度传感器 DS18B20 组成的温度采集结点，然后设计与实现了由单总线 A/D 转换器 DS2438 与湿度传感器HIH3610 构成的湿度采集结点，该湿度采集结点同样遵守单总线协议。最后介绍了单总线系统。3.1 温度传感器电路设计系统中温度测试点的数据采集 DS18B20 型单线智能温度传感器，属于新一代适配微处理器的智能温度传感器，可广泛用于工业、民用、军事等领域的温度测量及控制仪器、测控系统和大型设备中。它具有体积小，接口方便，传输距离远等特点。 3.1.1 DS18B20 功能特点（1）独特的单线接口方式，只需一个接口引脚即可通信；（2）每一个 DS18B20 都有一个唯一的 64 位 ROM 序列码；（3）在使用中不需要任何外围元件；（4）可用数据线供电，电压范围：+3.0V+5.5 V；（5）测温范围：-55 +125 ，在-10 +85范围内精度为0.5 ，分辨率 0.0625。等效的华氏温度范围是-67F+257F；（6）通过编程可实现 912 位的数字读数方式。温度转换成 12 位数字信号所需时间最长为 750ms，而在 9 位分辩模式工作时仅需 93.75ms；（7）用户可自设定非易失性的报警上下限值；（8）告警搜索命令可识别和定位那些超过报警限值的 DS18B20；（9）支持多点组网功能，多个 DS18B20 可以并联在惟一的三线上，实现多点测温。（10）电源极性接反时，DS18B20 不会因发热而烧毁，但不能正常工作。3.1.2 DS18B20 内部结构DS18B20 采用 3 引脚 TO92 小体积封装，其内部结构和管脚排列如图 3-1 所示，主要由 4 部分组成：64 位 ROM 序列码、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。7储 存 器 和 控 制 器高 速缓 存储 存 器8 位 C R C 生 成 器温 度 灵 敏 原 件低 温 触 发 器 T L高 温 触 发 器 T H配 置 寄 存 器6 4 位R O M和 单总 线接 口电源检测I / OU D D图 3.1（a）DS18B20 的内部结构D S 1 8 B 2 01 2 3G N DI / OU D D图 3.1（b）DS18B20 的管脚排列 3.1.3 DS18B20 工作原理 根据 DS18B20 的通讯协议，主机（单片机）控制 DS18B20 完成温度转换必须经过三个步骤：每一次读写之前都要对 DS18B20 进行复位操作，复位成功后发送一条 ROM 指令，最后发送 RAM 指令，这样才能对 DS18B20 进行预定的操作。复位要求主 CPU 将数据线下拉 500 微秒，然后释放，当 DS18B20 收到信号后等待 1660 微秒左右，后发出60240 微秒的存在低脉冲，主 CPU 收到此信号表示复位成功。 当 DS18B20 接收到温度转换命令后，开始启动转换。转换完成后的温度值以 16 位带符号扩展的二进制补码形式存储在高速暂存存储器的第 0，1 字节。主机可通过单线接口读到该数据。DS18B20 测温原理如图 3.2 所示。图中低温度系数晶振的振荡频率受温度影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给计数器 1。高温度系数晶振随温度变化其振荡频率明显改变，所产生的信号作为计数器 2 的脉冲输入。计数器 1 和温度寄存器被预置在55所对应的一个基数值。计数