（交通信息工程及控制专业论文）温湿度远程监控系统的设计与实现.pdf

摘要 现在许多需要进行温湿度监控的环境都是相互远距离分布的，而传统的基于现场总 线的温湿度监控系统又存在布线复杂和传输距离受限的问题，这些问题都不利于对分散 的温湿度监控地点进行统一的温湿度管理。而在通信领域，以太网正在蓬勃发展，延伸 到生产、生活的各个角落，如何利用已经广泛应用的以太网来改造传统的温湿度监控系 统是本文要解决的问题。 本文以电子防潮柜为实际的应用环境，以温湿度的实时监控为实际的应用目标，以 基于单片机的网络监控系统设计为实际的应用方案，以能够在任意地点通过网页来查询 温湿度信息并进行相关的参数设置为实际的达到效果。 本文的最终目的是要设计完成一个以温湿度数值为监控目标的通用平台。利用该平 台可以方便的去开发其它功能类似的参数监控系统。系统的硬件和软件均采用了模块化 设计，这样不仅提高了开发过程的清晰程度，并且增强了系统的通用性和可移植性，将 本系统的模块设计稍加剪裁就可以改造为适合多种不同场合和环境的参数监控系统。 伴随着单片机技术，计算机技术和网络技术的飞速发展，温湿度远程监控系统将出 现在生产生活的各个领域，如农业、食品行业、档案管理、建材管理、交通信息管理等 等，其最终目的都是使生活变得更加智能，更加高效。 本系统便于安装，现在已经开始使用，并且取得令人满意的效果，具有较好的实用 价值。 关键词：温湿度监控，单片机，以太网通信，b s 架构 a b s t r a c t n o w a d a y st h e r e a r eal o to fe n v i r o n m e n t sw h i c hn e e dt e m p e r a t u r ea n dh u m i d i t y m o n i t o r i n gh a v eal o n g - d i s t a n c ef r o me a c ho t h e r a n dt h et r a d i t i o n a lf i e l d b u s b a s e d m o n i t o r i n gs y s t e mf o rt e m p e r a t u r ea n dh u m i d i t yh a st h ep r o b l e m so fc o m p l e xw i r i n ga n d l i m i t e dt r a n s m i s s i o nd i s t a n c e a n dt h e s ep r o b l e m sa r en o ta d a p t i v et ot h eu n i f i e dm o n i t o r i n g t e m p e r a t u r ea n dh u m i d i t yi nt h ec o n d i t i o no fs p r e a dm o n i t o r i n gp l a c e s i nt h ef i e l do f c o m m u n i c a t i o n s ，e t h e m e ti sb o o m i n ga n de x t e n d i n gt oe v e r yc o m e ro fi n d u s t r ya n dd a i l yl i f e h o wt om a k eu s eo fe t h e m e tt ot r a n s f o r mt h et r a d i t i o n a lm o n i t o r i n gs y s t e mf o rt e m p e r a t u r e a n dh u m i d i t yi st h ep r o b l e mw i l lb es o l v e di nt h i st h e s i s i nt h i sd e s i g n ，t h ea c t u a le n v i r o n m e n to fa p p l i c a t i o ni se l e c t r o n i cm o i s t u r ec o u n t e r , t h e p r a c t i c a lo b j e c t i v eo fa p p l i c a t i o ni sr e a l - t i m em o n i t o r i n go ft e m p e r a t u r ea n dh u m i d i t y , t h e p r a c t i c a ls y s t e md e s i g n e di sm o n i t o r i n gs y s t e mb a s e do ns i n g l e c h i pa n dn e t w o r k ，a n dt h e f i n a le f f e c td e s i r e dt oa c h i e v ei st oq u e r yi n f o r m a t i o na n ds e ta c t u a lp a r a m e t e r so ft e m p e r a t u r e a n dh u m i d i t yt h r o u g ht h ew e b p a g ea ta n yp l a c e t h eu l t i m a t ea i mo ft h i st h e s i si st od e s i g na n dc o m p l e t eau n i v e r s a lp l a t f o r mf o r m o n i t o r i n gt e m p e r a t u r ea n dh u m i d i t y t h ep l a t f o r mc a nb ee a s i l yu s e dt od e v e l o pa p a r a m e t e r sm o n i t o r i n gs y s t e mw h i c hh a ss i m i l a rf u n c t i o n s t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo ft h e s y s t e mh a v eam o d u l a rd e s i g n ，s ot h a ti ti sn o to n l yi m p r o v e dt h ec l a r i t yo ft h ed e v e l o p m e n t a n de n h a n c e dt h ev e r s a t i l i t ya n dp o r t a b i l i t yo ft h i ss y s t e m i tw i l lb ee a s yt om a k ean e w m o n i t o r i n gs y s t e mt of i td i f f e r e n to c c a s i o n sb ym o d i f y i n ga l i t t l eo ft h ed e s i g n w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h es i n g l e c h i p ，c o m p u t e ra n dt h en e t w o r k ，r e m o t e m o n i t o r i n gs y s t e mf o rt e m p e r a t u r ea n dh u m i d i t yi se x t e n d i n gi ne v e r ys p h e r eo fy o u rl i f e ， s u c ha sa g r i c u l t u r e ，f o o di n d u s t r y , f i l em a n a g e m e n t ，b u i l d i n gm a n a g e m e n t ，t r a f f i ci n f o r m a t i o n m a n a g e m e n te t c t h eu l t i m a t eo b je c t i v ei st om a k el i f es m a r t e ra n dm o r ee f f i c i e n t t h es y s t e mi se a s yt ob ei n s t a l l e d n o wt h i ss y s t e mh a sb e g u nt ob eu s e da n do b t a i ng o o d r e p u t a t i o na n dp r a c t i c a lv a l u e k e yw o r d s ：t e m p e r a t u r ea n dh u m i d i t ym o n i t o r i n g ，s i n g l e c h i p ，e t h e m e t ，b ss t r u c t u r e 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 敝作者虢砂眺询亍如? 年6 月闪 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 导师签名： 节年6 月。日 砷气年6 玛t 。e l 垌 咨一ql厨诃 长安大学硕士学位论文 1 1 概述 第一章绪论 目前常用的温湿度监控系统是传统的基于集中式计算机控制技术和现场总线技术 相结合的温湿度监控系统。 在这种系统中上位机通过智能节点对监控环境的温湿度状况进行监测，当监控环境 的温湿度数据不符合要求时，上位机通过智能节点发出警报并且驱动监控环境中的温湿 度调节设备，从而对监控环境的温湿度进行调节。上位机可以将对监控环境的温湿度要 求发送到相应的智能节点，并且可以随时获取任意智能节点的温湿度数据。这种系统的 缺点是布线比较复杂、传输距离受到限制，对于温湿度监控中的许多实际问题已不能很 好解决。 考虑到模块直接上网的技术趋势和希望能够利用已经广泛应用的以太网资源，本论 文通过比较和方案论证，确定了采用以基于以太网的远程温度湿度监控为基本框架的设 计核心，并且将这一设计的功能扩展为可以在任意地点通过网页查询温湿度的信息并进 行相关参数设置。 本文以电子防潮箱为例，介绍了一种以温湿度监控为目的单片机远程监控系统的设 计方案。本系统是一种便于安装，基于现有以太网的远程温湿度监控系统。 1 2 课题的研究背景 人类的生存和社会活动与湿度密切相关，随着现代化的实现，很难找出一个与湿度 无关的领域来，而本课题的设计恰恰可以满足这一需求。 1 温湿度监控在农业中的应用 人工气候，塑料大棚环境中，温湿度变化值的大小直接影响农作物特别是幼苗期经 济作物的生长。采用温湿度监控系统，它将自动记录温湿度值，并通过p c 智能分析软 件对所记录的数值以图文表的形式输出，方便管理员分析管理。并有自带告警功能，当 温湿度超过设定的高低限时，报警器自动响应，及时提醒工作人员调节大棚或育苗温室 等环境中的温湿度。使用温湿度监控将简化人们的工作，也将节约成本，并不受过多的 人为因素的干扰，客观真实的反映记录过程。 2 温湿度监控在食品行业的应用 第一章绪论 在食品加工存储过程中，及时掌握食物所处的环境情况是否有处在食品安全条件下 是非常重要的。温度与湿度的超标能直接导致食物变质，如果过低或者过高也会使食物 口感变差降低品质。针对这种情况，要求实时记录温湿度变化，保证食品安全进入消费 者口中。 3 温湿度监控博物馆文物、档案管理中的应用 这是温湿度监控应用的另一个大的领域。档案的纸张在温湿度适宜的条件可以多存 放一些时间，而一旦温湿度的条件遭到了破坏纸张将要变脆，重要资料也将随之荡然无 存，对档案馆进行温湿度的记录是必要的，可以预防恶性事故的发生。使用温湿度监控 系统将使温湿度的记录工作得以简化，也将节约文物保管的成本，使这一工作得以科学 化，不受到过多的人为因素的干扰。从而保证了对艺术品的最小破坏的前提下，文物， 包括其色彩、形状不受损毁。 4 温湿度监控在建材实验方面的应用 在建材尤其是混凝土干燥过程中，我们应注意其干燥趋势，这是评价产品的指标之 一，也为建筑施工方提供了可靠的数据。应用温湿度监控可以将此数据记录并提供给建 材研究方，将为施工提供有益的帮助。尤其是在军事建筑中，时间就是生命，准确把握 混凝土干燥时间为先发致敌，为有效地将有生力量提供到战场上提供了保证。 5 温湿度监控在建筑验收方面的应用 主要体现在智能楼宇的验收。由于建筑行业的验收项目多，对于暖通空调指标等建 筑部要求符合人体健康指标也要监测，这些指标是直接关系到人体健康的。如果在这些 指标不明了的情况下，测试人员贸然进入这些场所并长期在其间进行记录，是对测试人 员的人身健康的不负责任，而应用合适的温湿度监控方式在就会保证在取得可靠数据的 同时对测试人员的人身安全进行最大保护。 6 温湿度监控在重要医药卫生场所的应用 按照医院洁净手术部建筑技术规范征求意见稿的要求手术室的温湿度必须控制 在一定的范围内。适宜的环境温湿度对操作者和病人都是非常重要的。因此这些都要求 卫生防疫部门通过自己的监测来确认各医院手术室的达标情况，在这里应用温湿度监控 是一种很好的方法，不仅减少了工作人员的浪费，并且还使温湿度的准确性得到了很好 的保证。 7 。温湿度监控在管路维护中的应用 管路里的湿气会促进微生物生长，管道上发霉就是这样形成的。这不但影响空气流 2 长安大学硕士学位论文 动，还会滋生大量细菌。这些遭到污染的区域对健康构成威胁，并最终导致室内空气质 量( i a q ，i n d o o ra i rq u a l i t y ) 恶化。而应用温湿度监控系统就会保证在取得可靠数据的同 时对克服了对监控环境的限制【l 】。 8 温湿度监控在交通信息监控系统方面的应用 科学系统地分析和改造现有的交通监控体系是成为缓解城市交通难的当务之急，而 有效地获取详细高精度的交通相关数据是分析掌握交通规律，优化交通体系的关键。目 前在交通工程领域实际道路数据的调查，采集和收集，往往需要大量的费用和人工干预， 其采样率及精度都非常有限，缺少足够的真实详细的交通数据的支持，给大范围和长时 段交通行为本质的深入研究带来困难。因此在交通监控系统中，使用参数的智能监控十 分有必要，而温湿度监控是交通信息参数监控的重要一部分。 1 3 国内外的研究现状 对于温湿度监控的研究要从监控模式和数据通信方式两方面来分析。温湿度监控技 术状况图如图1 1 所示。 监控模式 i 通信方式 i j 多t 弋7 | 入丁测帚。i 独立 - l 信号线i 弋7 f 分散仪表i 单总线i_ 弋7 集中式计- l 现场总线l 算机控缶ll 1 分布式ll 以太网i 图1 1 温湿度监控技术状况图 1 3 1 监控模式 1 基于温度计和湿度计的人工测量模式 对于温湿度监测来说，最早采用的测量方式是人工方式测量。但由于人工方式存在 人为误差的原因并且温度计本身也存在误差比较大，反应比较慢的原因，导致这种温湿 3 第一章绪论 度测量方式效率比较低，同时抽样也不具有代表性。并且这种测量方式的应用环境也有 很大的局限，进行监测的工作人员不可能直接到达一些危险的地带进行温湿度测量。 2 分散仪表控制模式 ( 1 ) 基于温湿度传感器以单片机为核心的监控模式 基于温湿度传感器以单片机为核心的监控模式是使用温度传感器和湿度传感器对 环境进行温湿度测量。温度传感器和湿度传感器的输出信号均为模拟信号，必须经过 a d 转换，转换所得的数字信号由单片机接收，通过单片机对温湿度进行监控。这种监 控模式的优点是温湿度的监控效率有了很大的提高，温湿度的实时数据可由l e d 数码 管进行同步的显示，缺点就是温度传感器和湿度传感器的初始输出信号均为模拟信号， 模拟信号在传输过程中容易发生损耗，使传输的信息产生误差，从而影响到了整体的监 控精度。 ( 2 ) 基于集成电路的监控模式 基于集成电路的监控模式主要体现了集成电路技术的提高对温湿度监控领域的影 响。随着集成电路技术的蓬勃发展，传统的基于模拟信号输出的温度传感器和湿度传感 器已经不能再满足监控环境对系统的要求，取而代之的是数字化的温度传感器和湿度传 感器。在这类新型的传感器当中，温湿度检测芯片，a d 转换模块，温度补偿模块等均 被集成于统一的整体，这样做不仅仅使整体系统的结构得以很大程度上的简化，并且降 低了温湿度信号在传输过程中所发生的损耗，提高了信号的抗干扰性，从而从整体上提 高了系统的精度。大规模集成电路技术的发展为温湿度的数字化，网络化监控提供了技 术上的可能。 虽然在系统的效率和结构上有了很大的提高和发展，但基于集成电路的温湿度监控 模式依旧仍是采用单片机监控的简单模式，属于分散的仪表控制模式。 3 集中式计算机监控模式 近些年来伴随着计算机技术的蓬勃发展，已有许多温湿度监控系统都纷纷采用了主 机终端的监控模式，该模式的实现方式是采用一个主机作为整个温湿度监控系统的 监控核心，各个监控环境的温湿度情况由分别的监控子系统进行测量，而监控主机会对 所有的子系统进行统一的监控管理，这种监控模式相对于以前的分散仪表监控模式已经 有了很大的提高和进步，突破了仅仅只是依靠单片机的分散式控制，从整体上显著扩大 了温湿度监控系统的使用功能和环境。 但主机终端模式在系统的实现过程中也存在很多的缺点与不足，这种监控模式 4 长安大学硕士学位论文 的布线相对复杂，传输距离也受到限制，从而很难做到对不同地点的温湿度监控，并且 这种模式应用起来不够灵活，对于温湿度的实时监控问题和子系统与中央监控系统的实 时通信问题并不能v 很z 好的解决2 1 。 4 分布式监控模式 分布式监控不同于分散式仪表式的监控，也不同于主机终端式的监控，而是弥 补了两个方式的缺点并且融合了两个方式的优点。 分布式监控模式是目前的主要发展方向。分布式监控系统( d i s t r i b u t e dc o n t r o l s y s t e m s ，简称d c s ) ，又称为分散监控系统，分散型监控系统，集散监控系统。由多台计 算机分别控制生产过程中多个控制回路，同时又可集中获取数据、集中管理和集中控制 的自动控制系统。分布式控制系统采用微处理机分别控制各个回路，而用中小型工业控 制计算机或高性能的微处理机实施上一级的控制。各回路之间和上下级之间通过高速数 据通道交换信息。分布式控制系统具有数据获取、直接数字控制、人机交互以及监控和 管理等功能。 在分布式的温湿度监控系统中，整个系统包括有许多分散的温湿度监控节点，任意 的温湿度监控节点都可以通过网络与服务主机或称为上位机进行数据通信。系统通过每 个温湿度监控节点处理所采集到的温湿度数值并进行监测，通过上位机进行数据存储并 且显示温湿度监控节点所传送来的温湿度数据，并且上位机可以通过网络通信向任意的 温湿度监控节点发送系统设置值或是其它的控制参数。这种温湿度监控模式的优点是故 障率较低，故障影响范围较小，从控制效果上来说这种监控模式易于实现系统的局部独 立监控效果 3 1 。 分布式监控是现代工业控制的标志，它的出现极大地推动了工业控制系统的发展。 随着各种高性能的工业设备的不断普及，分布式监控技术在现代工业控制领域中得到越 来越广泛的应用。 1 3 2 数据通信方式 1 独立的信号线通信 独立的信号线通常和基于温湿度传感器以单片机为核心的监控模式相结合使用。 其中每一个的智能测试点都需要通过各自独立的信号线进行通信，从而使得系统的 布线十分复杂。为了实现对多个检测环境的监控，系统不仅需要有很多的信号线，还需 要设置多个转换开关电路对相应的测试点进行监测控制，这些都使独立信号线支持的监 5 第一章绪论 控系统在应用上难以维护并且价格也很昂贵。 2 单总线( 1 w i r eb u s ) 通信 单总线( 1 w i r eb u s ) 通信技术通常是和基于集成电路的温湿度监控模式相结合使用。 单总线是美国的达拉斯半导体公司推出了一项技术。该技术采用单根信号线，既可 传输时钟，又能传输数据，而且数据传输是双向的，因而这种单总线技术具有线路简单， 硬件开销少，成本低廉，便于总线扩展和维护等优点。缺点是单总线只适用于单主机系 统，只能够控制一个或多个从机设备。 3 现场总线网络通信 现场总线网络通信通常是和集中式计算机控制模式相结合使用。 现场总线也常常被称为数字化、开放式、多点通信的底层控制网络，它所实现的是 双向串行多节点的数字通信功能，现场总线常常应用于生产现场，实现微机化测量控制 设备之间的通信【4 1 。 现场总线技术将专用微处理器置入传统的测量控制仪表，使它们各自具有了数字计 算和数字通信能力，采用可进行简单连接的双绞线等作为总线，把多个测量控制仪表连 接成网络系统，并按公开、规范的通信协议，在位于现场的多个微机化测量控制设备之 间及现场仪表与远程监控计算机之间，实现数据传输与信息交换，形成各种适应实际需 要的自动控制系统【5 1 。 现场总线是2 0 世纪8 0 年代中期在国际上发展起来的。随着微处理器与计算机功能 的不断增强和价格的降低，计算机与计算机网络系统得到迅速发展。现场总线可实现整 个企业的信息集成，实施综合自动化，形成工厂底层网络，完成现场自动化设备之间的 多点数字通信，实现底层现场设备之间以及生产现场与外界的信息交换。 现场总线的缺点是布线繁琐、传输距离受限。 4 接入以太网通信 将温湿度监控的智能节点接入网络通常是和分布式监控模式相结合使用，而模块的 直接入网也是当今智能监控发展的一个重要趋势。 以太网指得是基带局域网。以太网标准是一个古老而又充满活力的标准。之所以要 接入以太网而不是其它的网络是因为自从1 9 8 2 年以太网协议被i e e e 采纳成为标准以 后，已经历了2 0 年的风风雨雨，而在这2 0 年中，以太网技术作为局域网链路层标准战 胜了令牌总线、令牌环、a t m 等技术，成为局域网事实标准。以太网通过标准化和低 价格淘汰了令牌总线、令牌环、等技术，确立了在桌面网络的统治地位，之后以太网又 6 长安大学硕士学位论文 以高性价比和简洁的协议战胜a t m 技术，成为局域网主流建网技术。当其他网络出现 对i p 支持困难，标准争吵不休，价格居高不下，带宽升级困难等问题时，同期的以太 网却飞速向前发展【6 1 。 现今以太网技术在当前的局域网范围市场占有率超过了9 0 ，由于以太网十分普 遍，许多制造商把以太网卡直接集成安装进了计算机主板，因此，用以太网代替传统的 现场总线控制网络在工业控制中己成为一个技术趋势也是提高控制系统性价比的一个 表现。 1 4 课题的研究意义 目前常用的基于集中式计算机控制和现场总线技术的温湿度监控系统存在布线繁 琐、传输距离受限等问题，已不能解决许多实际问题。 本论文设计的温湿度远程监控系统便于安装、不用布线、基于的是现有以太网，并 且可通过网页直接查询数据和设计系统相关参数。 设计的目的在于开发设计一个通用的参数远程监控平台，可以用于多种类型的参数 监控，论文中采用的是模块化设计方式，适当修改就可适用于其他类似的参数监控系统。 本论文的设计通过封装和改善可广泛应用于农业，食品行业，博物馆文物j 档案管 理，建材，建筑验收，医药卫生场所，管路维护，交通信息监控等多个领域，可减少了 工作人员浪费，提高工作效率。 1 5 论文结构安排 本论文的研究工作主要分为以下几部分： 第一部分：在第一章中对课题进行整体的概述，了解课题的研究背景和应用环境， 总结课题相关技术的国内外发展现状，阐释课题的研究意义。 第二部分：在第二章中规划系统的整体设计，并对系统的硬件部分进行模块化设计 和实现，其中的主要设计工作是在p r o t e l9 9 设计平台上完成。 第三部分：在第三章中针对系统智能节点的网络通信功能进行智能节点的通信模块 设计，其中的主要工作是在n e p o r t 通信开发平台上完成。 第四部分：在第四章中根据智能节点需要实现的功能完成其底层软件的设计，其中 的大部分工作是在p r o t e u s 与k e i l 的联合开发平台上完成。 第五部分：在第五章中完成对系统上位机管理软件的设计，其中的大部分工作是在 7 第一章绪论 v i s u a ls t u d i o n e t 开发环境中完成。 第六部分：在第六章中对系统最后实现的效果和功能做出总结，提出系统的不足之 处和需要在未来提升和发展的方向。 8 长安大学硕士学位论文 第二章系统硬件的设计与实现 2 1 温湿度远程监控系统的整体结构 本系统的整体设计是基于分布式监控系统( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m s ，简称d c s ) 的设计，在结构上是由现场的温湿度智能监控节点，通信网络和上位控制机三部分组成。 其中温湿度监控智能节点是指系统将各个监测地点实现温湿度数值的测量并将这 些数值传输到网络的子系统。 本系统中实现通信的网络是以太网。 本系统中的上位机控制是基于表b s 架构的网站系统，用户可通过w e b 进行温湿度 信息查询，拥有相应权限的用户还可以进行监控参数设定。 温湿度远程监控系统的整体结构图如图2 1 所示。 图2 1 温湿度远程监控系统的整体结构图 2 2 分布式监控系统概述 本论文中系统的设计在整体上是基于分布式监控系统的设计，分布式监控系统又称 分散监控系统，分散型监控系统，集散监控系统。 分布式监控系统是一个计算机系统，网络通信为其通信纽带，分布式监控系统有两 个控制级过程控制级和过程监控级，是一个多级系统。在国内，分布式监控系统通 9 第二章系统硬件的设计与实现 常被称为集散控制系统。分布式监控系统的基本思想是分散控制、集中操作、分级管理、 配置灵活、组态方便。 分布式监控系统采用微处理机分别控制各个回路，而用中小型工业控制计算机或高 性能的微处理机实施上一级的控制。各回路之间和上下级之间通过高速数据通道交换信 息。分布式监控系统具有数据获取、直接数字控制、人机交互以及监控和管理等功能。 分布式控制系统是在计算机监督控制系统、直接数字控制系统和计算机多级控制系统的 基础上发展起来的，是生产过程的一种比较完善的控制与管理系统。 在分布式控制系统中，按地区把微处理机安装在测量装置与控制执行机构附近，将 控制功能尽可能分散，管理功能相对集中。这种分散化的控制方式能改善控制的可靠性， 不会由于计算机的故障而使整个系统失去控制。当管理控制级出现故障时，过程控制级 ( 控制回路) 仍具有独立控制能力，个别控制回路发生故障时也不致影响全局。与计算 机多级控制系统相比，分布式控制系统在结构上更加灵活、布局更为合理和成本更低。 分布式监控系统( d c s ) 是以微处理机为基础，以分散危险为控制目的，以集中化得 操作和管理为特性，集先进的技术于一体的新型控制系统。随着现代计算机和通讯网络 技术的高速发展，d c s 正在向着多元化、网络化、开放化、集成管理方向发展，使得不 同型号的d c s 可以互连，进行数据交换，并可通过以太网将d c s 系统和工厂管理网相 连，实现实时数据上网，成为过程工业自动控制的主流。 d c s 具有以下特点： 1 可靠性较高 d c s 的可靠性较高是因为在d c s 中，系统将控制功能分散到了各个独立的计算机 上实现，对于每一个独立的计算机来说，其所承担的任务和功能都是相对独立和单一的， 所以根据实际的要求，每台计算机都可以采取具有特定功能的软件和结构。这样做不仅 可以提高各个计算机的可靠性，还可以在其中一台计算机出现故障的时候不影响其它计 算机的工作和整体系统的功能。 2 开放性 d c s 在设计上基本都采取了开放式、标准化、模块化的设计方式，基于这种设计方 式，系统可以方便的将系统中已有的计算机卸出系统或是将新的计算机加入系统，而且 无论是卸出还是加入基本上都不会对整体系统产生影响，并且不会干涉到其它计算机的 正常工作。 3 易于维护 1 0 长安大学硕士学位论文 d c s 系统中一般都采用小型的专用计算机或者是功能单一的计算机，从而使得d c s 系统在整体上具有易于维护的特质。所以当单个计算机出现故障或是d c s 的局部系统 出现问题时，可以在不影响整体系统功能的情况下将单个计算机卸出系统或是将局部系 统的故障排除。 4 协调性 d c s 的各个工作站之间都是通过通信网络进行数据的发送和接收，整个系统可以通 过通信网络实现系统信息的共享，并且还可以通过通信网络来实现工作的协调，从而在 整体上实现了系统的高协调性和系统处理功能的优化性。 d c s 在组成方式上十分的灵活，这使其在实际应用上很占优势，d c s 的组成可以是 基于通用功能的编程控制器，控制计算机和一般的服务器，也可以是基于专业用途的数 据采集站，记录站和现场控制站。 d c s 监控功能的实现过程为：处于过程控制级的数据采集站或现场控制站对现场的 数据进行采集，所得数据通过通信网络传送给处于生产监控级的上位管理机，生位机对 所收到的采集数据进行统一的分析和管理【刀。 1 9 7 5 年美国霍尼韦尔( h o n e yw e l l ) 第一套分布式监控系统t d c s - 2 0 0 0 问世以来，分 布式监控系统已经在工业控制的各个领域得到了广泛的应用，以其高度的可靠性、方便 的组态软件、丰富的控制算法、开放的联网能力，逐渐成为过程工业自动控制的主流系 统。 迄今，全世界数百家厂商已经开发了各种类型的分布式控制系统1 5 0 0 余种，d c s 以其先进、可靠、灵活和操控简便以及合理的价格而得到广大工业用户的青睐，广泛应 用于冶金、电力、化工、石油和造纸等工业领域。 2 3 温湿度监控智能节点的结构 每个温湿度监控智能节点由主控单片机模块、温湿度传感器模块、时钟模块、l e d 显示模块、f l a s h 存储模块、驱动板等组成。 温湿度监控智能节点的结构图如图2 2 所示。 第二章系统硬件的设计与实现 图2 2 温湿度监控智能节点的结构图 2 4 温湿度监控智能节点的硬件实现 系统的硬件部分是系统进行开发、创新的基础，因此制定良好的硬件方案是系统实 施成功的可靠保证。 下面论文将逐个介绍各个模块的设计和原理，并且会从应用的角度介绍主要芯片的 硬件结构，主要特性，在开发中可能遇到的问题，从控芯片和主控芯片的连接方式等等。 并且为了适应温湿度监控的各种环境，尤其要注意选取宽温限的芯片，由于监控环 境的不可预测，选取的芯片也需要具有较好的抗干扰性，这样才能保证将来系统的准确 性和稳定性。 2 4 1主控单片机模块 1 主控单片机的选择 整个温湿度智能节点都以主控单片机为控制核心，因此主控芯片的选择和应用非常 重要。每一个温湿度监控智能节点主控芯片都采用上海宏晶科技公司的s t c 8 9 c 5 4 r d 单片机。 单片机是指一个集成在一块芯片上的完整计算机系统。尽管他的大部分功能集成在 一块小芯片上，但是它具有一个完整计算机所需要的大部分部件：c p u 、内存、内部和 外部总线系统，目前大部分还会具有外存。同时集成诸如通讯接口、定时器，实时时钟 等外围设备。而现在最强大的单片机系统甚至可以将声音、图像、网络、复杂的输入输 出系统集成在一块芯片上。 结合本课题的所做的开发系统，在开发中用到的对单片机的应用主要是单片机在智 1 2 长安大学硕士学位论文 能仪器仪表上的应用，单片机在工业控制中的应用和单片机在计算机网络和通信领域中 的应用： ( 1 ) 单片机在智能仪器仪表上的应用 单片机具有体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活、微型化和使用方便等优点， 广泛应用于仪器仪表中，结合不同类型的传感器，可实现诸如电压、功率、频率、湿度、 温度、流量、速度、厚度、角度、长度、硬度、元素、压力等物理量的测量。采用单片 机控制使得仪器仪表数字化、智能化、微型化，且功能比起采用电子或数字电路更加强 大。例如精密的测量设备( 功率计，示波器，各种分析仪) 。 ( 2 ) 单片机在工业控制中的应用 用单片机可以构成形式多样的控制系统、数据采集系统。例如工厂流水线的智能化 管理，电梯智能化控制、各种报警系统，与计算机联网构成二级控制系统等。 ( 3 ) 单片机在计算机网络和通信领域中的应用 现代的单片机普遍具备通信接口，可以很方便地与计算机进行数据通信，为在计算 机网络和通信设备间的应用提供了极好的物质条件，现在的通信设备基本上都实现了单 片机智能控制，从手机，电话机、小型程控交换机、楼字自动通信呼叫系统、列车无线 通信、再到日常工作中随处可见的移动电话，集群移动通信，无线电对讲机等。 本设计采用s t c 8 9 c 系列的s t c 8 9 c 5 4 r d 作为主控芯片是根据方案论证的结果。本 系统的监控参数较少，计算不是特别复杂，选择宏晶科技公司的s t c 8 9 c 5 4 r d 单片机 完全可以满足系统要求，并且s t c 8 9 c 系列的单片机价格便宜，开发简单，从开发周期 和研发费用上来说都是合理的选择。 2 主控单片机的特性 s t c 单片机是深圳宏晶科技公司的产品，对于s t c 8 9 c 5 4 r d 来说，它具有增强型 5 1 内核，有很高的指令运行速度，一个指令周期就可以完成一条指令。 s t c 8 9 c 5 4 r d 工作的电压范围为5 5 3 8 v ，温度范围为4 0 。c 8 5 。c ，并且它还受到 e s d 保护，可以轻松通过4 k v 的快速脉冲干扰，具有高抗静电性能。 s t c 8 9 c 5 4 r d 还是一款低功耗单片机，它备有空闲模式，掉电模式和正常模式，当 单片机处于空闲模式时，它的工作电流要小于1 3 m a ，而处于掉电模式时，它的工作电 流小于0 1 弘a ，因此非常适合用于低功耗的产品开发。 由于所要开发的是温湿度监控系统，所以对于智能监控节点的温湿度适应能力要求 1 3 第二章系统硬件的设计与实现 较高，而s t c 8 9 c 5 4 r d 的宽温限达4 0 c 8 5 ，可以适应绝大部分的监控条件，而其增 强型的5 1 内核代表了它与5 l 单片机的兼容性，在开发的过程中我们可以利用对5 1 单 片机的熟悉和大量已掌握的5 1 单片机开发资料来缩短开发周期，从而提高系统开发效 率。 3 主控单片机的内部资源 s t c 8 9 c 5 4 r d 的具有： e 5 1 2 字节片内r a m 数据存储器 e 1 2 k 字节片内e 2 p r o m ( 5 1 2 字节扇区) e l s p l a p ，在系统可编程，在应用可编程，无须专用编程器 1 0 位a d c ，8 通道 4 通道捕获比较单元( p w m p c c c u ) 2 个硬件1 6 位定时计数器 硬件看门狗( w d t ) 高速同步串行通信接口s p i ，全双工异步串行口u a r t , 3 2 个通用寄存器，硬件乘除法器 * 2 7 ( d i p 2 8 ，s o p 2 8 有2 3 个) 个通用i o 口，可设置成四种模式。每个i o 口的驱 动能力均能达至u 士2 0 m a ，但整个芯片最大不得超过5 5 m a 由于所开要发的是一个远程监控系统，所以监控节点与上位机的通信功能实现很为 重要，即要求单片机要有完善的通信机制，s t c 8 9 c 5 4 r d 单片机所具有的高速同步串行 通信接口为单片机与上位机的通信提供了条件和可能。 4 s t c 单片机在系统开发中的优越性 s t c 单片机有较高的处理速度和时钟频率，能轻松的实现各种移动算法；有s p i 和 u a r t 两个串行口，能实现与p c 机之间的数据交换；有掉电数据保护功能，其内部 e 2 p r o m 可用于掉电存放各种设置参数和其他数据；还有i s p i a p 功能，使芯片可以在 不脱板的情况下去下载程序，便于产品软件换代升级。 s t c 单片机还具有内部看门狗，使条屏可以工作在恶劣的电磁环境下；具有宽电压 范围，使条屏的负载端电压的波动不会影响其正常运行；具有丰富的i o 口；还具有可 以代替l e d 行扫描的通用行译码器，可以降低产品的开发成本。 并且s t c 单片属于小型封装，在制作p c b 时便于p c b 的紧凑化设计【8 1 。 除了s t c 8 9 c 5 4 r d 的主要特性，所具有的内部资源和在系统开发中的优越性之外， 1 4 长安大学硕士学位论文 s t c 8 9 c 5 4 r d 还有一个优势s t c 8 9 c 5 4 i m 内核为精简指令( r j s c ) 结构，其拥有 更高的工作速度。 r i s c 英文全称r e d u c e di n s t r u c t i o ns e tc o m p u t i n g ，中文翻译为精简执令运算集，它 的指令系统相对于传统的c i s c ( 复杂指令集) 要简单一些，它只要求硬件执行很有限 且最常用的那部分指令，大部分复杂的操作则使用成熟的编译技术，由简单指令合成。 r i s c 出现的结果是，相对少的晶体管可设计出极快的微处理器。通过研究发现， 只有大约2 0 的指令是最常用的，把处理器能执行的指令数目减少到最低限度，对它们 的执行过行优化，就可以极大地提高处理的工作速度。一般来说，r i s c 处理器比同等 的c i s c ( c o m p l e xi n s t r u c t i o ns e tc o m p u t e r ，复杂指令集计算机) 处理器要快5 0 7 5 ， 同时r i s c 处理器更容易设计和纠错。而对于s t c 8 9 c 5 4 r d 来说，只需一个指令周期就 可以完成一条指令，运行速度很快。 5 主控单片机的最小系统 主控单片机结合简单的接口电路即可构成单片机最小系统，它是本系统智能节点的 功能实现基础。主控单片机的最小系统如图2 3 所示。 图2 3 主控单片机的最小系统 1 5 第二章系统硬件的设计与实现 2 4 2 时钟模块 每一个温湿度监控智能节点都使用一片d a l l a s 公司的d s l 3 0 2 时钟芯片来获得测 量时间。d s l 3 0 2 是一种串行时钟芯片，也是目前较新型的一种时钟芯片。该芯片采用 s p l 三线接口与单片机进行同步通信，常用于长时无人值守的测控系统，以记录测控数 据所出现的时间9 1 ，而本设计中的温湿度智能监控节点的功能设计基本要求就是系统无 人值守，智能节点自动进行一定时间间隔的温湿度数据采集。 1 d s l 3 0 2 简介 d s l 3 0 2 是单片机系统开发中常用的一款时钟芯片。d s l 3 0 2 是d a l l a s 公司的一 种具有涓细电流充电能力的电路，主要特点是采用串行数据传输，可为掉电保护电源提 供可编程的充电功能，并且可以关闭充电功能。采用普通3 2 7 6 8 k h z 晶振。d s l 3 0 2 可 以对年、月、日、周日、时、分、秒进行计时，具有闰年补偿功能，工作电压为2 5 v 5 5 v 。采用三线接口与c p u 进行同步通信，并可采用突发方式一次传送多个字节的时 钟信号或r a m 数据。d s l 3 0 2 内部有一个3 l x 8 的用于临时性存放数据的r a m 寄存器。 d s l 3 0 2 是d s l 2 0 2 的升级产品，与d s l 2 0 2 兼容，但增加了主电源后背电源的双电源 引脚，同时提供了对后背电源进行涓细电流充电的能力。 2 d s l 3 0 2 的性能特征 d s l 3 0 2 具有能计算2 1 0 0 年之前的秒，分，时，日，星期，月，年的能力；具有闰 年调整的能力；具有3 1 x 8 位暂存数据存储r a m ；具有较宽的电压工作范围( 2 0 5 5 v ) ； 具有低功耗的性能( 2 0 v 时，工作电流小于3 0 0 n a ) ；具有读写时钟：还具有单字节传 送和多字节传送两种数据传送方式。 此外d s l 3 0 2 具有8 脚d i p 封装或可选的8 脚s o i c 封装；具有简单的3 线接口； 具有与t t l 兼容的功能；还具有宽温限的工作范围( 4 0 8 5 ) 。并且d s l 3 0 2 与 d s l 2 0 2 兼容。 由上述可知d s l 3 0 2 与s t c 8 9 c 5 4 r d 一样，都具有宽电压和宽温限的特点，都很适 合用于不同的温湿度监控环境，具有良好的适应性。其中需要应着重注意的应该是 d s l 3 0 2 的数据传送方式，它直接关系到系统中温湿度智能节点底层软件的开发。 3 d s l 3 0 2 与微处理器之间的数据传送方式 d s l 3 0 2 与微处理器之间的数据传送方式分单字节传送方式和多字节传送方式。 当d s l 3 0 2 与微处理器进行数据交换时，首先由微处理器向电路发送命令字节，命 令字节最高位m s b ( d 7 ) 必须为1 ，如果d 7 = 0 ，则禁止写d s l 3 0 2 ，即写保护；d 6 = 0 ， 1 6 长安大学硕士学位论文 指定时钟数据，d 6 = l ，指定r a m 数据；d 5 d 1 指定输入或输出的特定寄存器；最低 位l s b ( d o ) 为逻辑0 ，指定写操作( 输入) ，d 0 = i ，指定读操作( 输出) 。在d s l 3 0 2 的时钟 日历或r a m 进行数据传送时，d s l 3 0 2 必须首先发送命令字节。若进行单字节传送，8 位命令字节