（农业电气化与自动化专业论文）基于嵌入式平台远程空调控制系统的研究.pdf

摘 要 i 摘 要 远程监控是指于本地进行操作，通过一定的网络系统对远端的设备进行监测与控制。传 统的远程监控系统采用 rs- 232 或 rs- 485 组网，作用距离短； 基于双音频电话(包括手机和固 定电话)的远程监控系统，不受操作距离限制，但是不便于实现大数量可控对象的集中管理和 控制。 随着计算机网络技术的发展， 基于 web的 b/s 模式远程监控技术日益成熟并广泛应用。 基于 web的远程监控系统通过将服务器嵌入现场设备，使得用户可借助标准的浏览器实现对 现场设备的监测与控制。 在构建基于 web的远程监控系统时，传统的单片机系统处理速度不能满足要求。与此同 时，嵌入式操作系统以其结构小巧、实时性强、稳定性高等特点而倍受关注。因此将嵌入式 应用于基于 web的远程监控系统就成为一种必然趋势。 本文设计的远程空调控制系统由客户端、嵌入式 web服务器、红外模块构成。客户端用 户可以使用 windows 自带的 ie浏览器，通过以太网远程访问嵌入式web服务器中的数据， 实现对现场温湿度参数的读取，以及远程对空调的设定、开启、关闭以及制冷制热等控制。 本系统适用于机房、温室、酒店等一切拥有空调的场所，更适用于对空调数量较多的场所进 行远程“集中”管理。 本设计中红外模块以 msp430f149 为控制核心，与上位嵌入式 web 服务器通过 rs- 485 进行通信，主要用于采集现场温湿度参数、通过红外通讯设定空调机，以及学习各型空调红 外控制指令功能。本系统中红外模块可以使本系统学习不同品牌空调的命令，实现多品牌空 调的远程控制。嵌入式 web 服务器利用基于 at91rm9200 处理器的应用板实现，用于对温 湿度数据的接收和通过温湿度参数发出相应的对空调的控制命令。 本文详细介绍了系统的硬件电路和软件流程，定义了嵌入式 web服务器和红外模块通信 的应用层协议，并对系统进行了调试、功能测试。 关键词：远程监控；红外模块；嵌入式 web服务器；捕获 abstract i based on embedded platform long- distance air conditioning control system abstract the long- distance monitoring refers to carry on the operation in the local aera, carry on the monitor and the control to the far- end equipment through certain network system.traditional long- distance monitoring system uses rs- 232 or rs- 485 network, short distance; long- distance monitoring system based on phones (including mobiles and fixed phones) is beyond the limit of operating distance. but it is not easy to achieve centralized management and control to a large number of objects. with the development of computer network technology, web- based b / s model of long- distance monitoring technology and extensive application of increasingly sophisticated. long- distance monitoring system based on the web allows users to use standard browser implementation monitoring and control equipment by embeding the server equipment in the scene. in building a web- based long- distance monitoring system, the traditional single- chip microcomputer system can not meet the requirements of processing speed. at the same time, embedded operating system ,for its compact structure, strong real- time, high stability has drawn greater attention. so embedded operating system will be used in embedded long- distance remote monitoring system ,it has become an inevitable trend. the client, embedded web server, air- conditioning modules compose the long- distance monitoring of the entire air- conditioning system. client users can use windows built- in ie browser remote access embedded web server data via ethernet.it can be achieved on the site to read temperature and humidity parameters, as well as setting air- conditioned open, and turn off heat. it can use in the places that have air- conditioning,such as computer room, greenhouse, hotel,but also apply to manage a large number of air- conditioning on focus. in this design, with msp430f149 as the core of control module to the of mid- infrared.it can communicate with the top embedded web server with 485. it can be completed that collect temperature and humidity parameters at the scene, study various types of air- conditioning remote control signals and send ir commands. the infrared receiver modules will enable this system to study air- conditioning orders of different brands, to achieve to controlmulti- brands remote air- conditioning. the embedded web server can be realizedapplication based on the at91rm9200 processor board .it can be used to receive temperature and humidity data and send control commands for air conditioning through the issue of temperature and humidity parameters corresponding . 东北农业大学工学硕士学位论文 ii this paper describes the system hardware and software processes in detail, defines the embedded web server and the application layer protocol of infrared communication module , and finishes system testing, functional testing. key words: remote monitoring; infrared module; air- conditioning control module; embedded web server ；capture candidate：li hongyu speciality：agricultural electrization and automatization supervisor：prof. ouyang binlin 研究生学位论文独创声明和使用授权书 独 创 声 明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含未获得 （注：如没有其他需要特别声明的，本栏可空）或其他教育机构的学位或证 书使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。 本人授权学校可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以 采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 （保密的学位论文在解 密后适用本授权书） 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 导 师 签 名： 日期： 年 月 日 引 言 1 1 引言 1.1 研究的目的与意义 随着我国经济快速发展，空调的市场需求呈现强劲的增长。人们根据不同场合、不同需 要控制空调相应动作。近年来随着生产力的进步，空调设备的使用数量越来越多、分布越来 越离散，大量的环境参数需要进行实时监测和自动控制。尤其在各类电信、银行、企业、学 校、政府等的电脑主机房，以及档案馆、图书馆、博物馆、以及精密医疗设备、科学试验设 备等对环境要求较高的场所，一般都需要配备温湿度空调。同时还需要监控人员有效的监视 空调系统的运行工况，实时的监测环境参数，并做出相应控制。那么如何减少监控人员的工 作量，使监控人员无需亲临现场就可以监控空调系统，提高读取环境参数的速度以提高工作 效率，就成为了一个新的研究方向（安涛，2006） 。 此时，空调的远程监控系统应运而生。远程监控是本地计算机通过网络系统如 internet 对远端进行监视和控制，完成对分散控制网络状态的监控功能。在现场设备分布广泛或数据 不易采集的场合要能够及时地监视设备的运行状态并进行有效控制,这就是远程监控技术在 生产生活上的需求。借助于远程监控可以实现现场运行数据的实时采集和快速集中，获得现 场数据，为远程故障诊断技术提供了物质基础；通过远程监控，技术人员无须亲临现场或恶 劣的环境就可以监视并控制生产系统和现场设备的运行状态及各种参数，使受过专业训练的 人员，虚拟地出现在许多监控地点，方便地利用本地丰富的软硬件资源对远程对象进行控制， 以维护设备的正常运营，从而减少值守工作人员，最终实现远端的无人或少人值守，达到减 员增效的目的（孟旭霞，2008） 。 作为一种广泛应用的远程监控系统，对设计的可靠性、安全性、可维护性等方面的要求， 具体表现在以下几个方面（关光富，2004） ： ( 1) 高可靠性。要求监控系统可长时间无故障不间断运行，且系统的维护快速简便； ( 2) 较强的实时性。监控系统对信息的传输要及时，不能有过大的延时，否则难以及 时跟踪被监控对象的当前状况； ( 3) 易用性和易维护性。监控系统应以 gui 的方式提供良好的人机界面，便于人机交互。 同时，监控系统要有通用性和灵活性，即可以在对系统进行少量修改或扩充就可增加新的监 控项目，扩充监测点数，以满足新的监控要求； ( 4) 丰富的系统功能。要求监控系统能对采集的当前数据进行记录且保存历史数据。 空调远程监控系统从诞生之日起迅猛发展，短短几年已发展为较为成熟的技术。对社会 生产生活有着重要意义： 首先，远程监控系统使技术人员无须亲临现场或恶劣的环境就可实时的监控系统，是社 会生产力水平迅速发展的标志； 其次，远程监控系统的应用取代了传统的人工的、单一的、各自独立的监测系统，加快 东北农业大学工学硕士学位论文 2 了我国实现工业现代化的进程； 第三，空调远程监控系统在企业中的应用，对企业提高劳动生产率，降低生产成本，提 高企业产品的科技含量，以及增强企业的综合竞争实力等方面都具有十分重要的意义； 第四，基于嵌入式系统的空调远程监控系统满足了现代监控系统在网络化、小型化、可 扩展性、分布式和实时性等方面的技术要求，研究如何构造一个安全、稳定、高效的嵌入式 远程监控系统，对改造传统产业、促进产业信息化有重要意义； 第五，基于嵌入式的远程监控满足了现代监控系统在系统可扩展性、分布式和实时性等 方面的技术要求，不仅成为计算机学科的重要门类，而且是实现国家工业生产自动化、优质 高产低耗、提高企业经济效益的重要技术手段。 1.2 空调远程监控系统国内外发展现状及趋势 1.2.1 空调远程监控技术国内外发展现状 在很长一段时期内，空调器远程监控一般采用有线方式，例如：采用 rs- 232 或 rs- 485 组网，存在作用距离短，成本高，维护难，扩展不便等弊端。这限制了有线远程监控的后续 发展。目前，另外一种远程监控空调的方法正在广泛使用，基于公用电话网和 plc的远程空 调监控系统。采用可编程逻辑控制器( programmable logic controller, plc) 实现现场空调系统 的控制，运用 can 总线的分布式房间温度监测系统监测温度变化，将二者结合起来，再通 过公用电话网络实现远程控制和数据传输，达到对空调的远程管理与控制。这种方法解决了 传统有线监控系统作用距离短等问题，但不适用于工业、商业等大数量可控对象的集中管理 和控制。 （胡啸，缪小平，彭福胜，2007） internet 的发展已经开始对传统的空调远程监控系统产生越来越大影响（王淑娟，2004） 。 目前，远程监控系统的设计思想明显受到计算机网络技术的影响，基于网络化、模块化、开 放性等原则，远程监控系统成为具有开放性、可互操作性、分散性、网络化、智能化的测控 系统。 美国国家仪器公司( ni 公司) 新近推出的 labview6.1增强了基于 web的远程监控功能， 它可以非常快速方便地从世界任何地方利用 web来控制自己的应用程序。 只需要用鼠标点几 下，工程师就能够立即将应用程序的前面板嵌入到 web浏览器中。 基于 internet 的空调远程监控系统主要有两种模式。传统的远程监控系统采用 c/s 模式， 由服务器( server) 和客户端( client) 应用程序组成，也称为“胖客户”模式。在这种模式下， 数据存放在服务器上，应用程序放在客户端计算机上。这样的系统虽然解决了数据共享等问 题，但存在着很多缺点，如需要开发专门的客户端应用程序，而且不同的系统需要不同的客 户端应用程序，操作风格不一致，可移植性差，难以维护，难以升级，系统更新所需要的工 作量非常大，而且能够处理的数据类型不易扩展。 随着网络应用系统的发展，传统 c/s 监控模式的缺点不断暴露出来，促使 b/s 监控模式 的产生和发展。b/s 模式监控系统由浏览器、应用服务器和数据库服务器组成，也称为“瘦 引 言 3 客户”模式。数据信息和应用程序都放在服务器上，客户端只需要安装通用的浏览器，其功 能可以通过服务器上应用程序得到动态扩展。采用 b/s监控模式，无须开发各种各样的客户 端应用程序，使客户端操作界面得到统一，简洁美观，客户端不需要维护，系统的维护工作 都集中在服务器上，有利于系统的维护与升级，数据类型可以动态扩展。因此，b/s 模式是 监控系统的发展方向（刘业亮，2005） 。 在国内，虽然基于嵌入式的远程监控系统应用、开发很广，但只有为数不多的几家公司 和科研院所及个人在从事这方面工作，其中相对比较有名的公司有深圳的英蓓特信息奇数有 限公司、合肥的华恒网络技术有限公司等。科研团体有中科院计算所、中国单片机公共实验 室等，高校有清华大学、中科大和上交大等（王淑娟，2004） 。 2003 年 8 月 20 日海尔集团公司王正太，刘志功等人发明的一种采用机作为高级控 制器的空调远程监控系统获得国家许可专利证明。其监控软件通过调制解调器、程控电话交 换网络、远程控制检测器或远程集中控制器和远程控制检测器，实现了空调器状态、故障的 远程自动检测及功能的远程设定，同时提供全中文图形操作界面，降低了工作强度，提高了 工作效率，且只须更换监控软件，就能适用于不同空调器的远程监控。 1.2.2 前景和展望 基于 web 方式是实现空调远程监控的一个趋势。 （刘业亮，2007）随着信息技术和网络 技术的发展，internet 在过去得到了飞速地发展，并围绕着 internet 出现了许多新的技术和新 的应用。www 系统就是在这种形势下，作为网络化信息服务的基础迅速地发展起来的。 www 是一个基于 internet 的全球连接的、分布的、动态的、多平台的交互式超媒体信息系 统。它利用多种协议传输，能检索分布在世界各地 www 服务器的信息资源。在基于 web 的空调远程监控系统中，客户端使用通用的 web浏览器，通过internet 对生产现场进行监控。 而且随着 internet 和以太网为代表的各类网络技术的应用和普及，拓展了空调监控系统 的作用空间，为新一代控制模式和系统体系结构的发展提供了基础。借助当前 internet 的低 成本接入技术，构建具有更高性能价格比的分布式远程空调自动化监控系统，在工农业生产、 移动通信、家用电器自动化等领域都具有广阔的应用前景。利用嵌入式 internet 技术，可以 比较方便地在各类嵌入式应用中，实现远距离操作、监控、控制和维护（王淑娟，2004） 。 这种方案具有显著的优点: ( 1) internet 技术发展至今，在开放性、通用性、易用性和安全性方面都具备了成熟可靠 的技术； ( 2) 不需要开发专门的客户端软件，将应用程序集中在服务器上，大大减少了客户端开发 的工作量，而且易于扩充和修改； ( 3) 系统具有统一的用户界面，用户不再需要为不同的控制系统安装不同的客户软件，也 不再需要针对不同的客户软件进行不同的培训，任何得到授权的用户都可以使用 web浏览器 来对现场进行实时监控； ( 4) 控制网络和数据网络的信息得以集成，有利于信息管理。随着因特网的继续发展，将 东北农业大学工学硕士学位论文 4 空调远程监控系统由传统的本地监视扩展到局域网和广域网远程监控有利于进一步发挥监视 和控制系统的功能，具有较大的价值和意义。这一技术必可以广泛的应用在工业、通信、电 力、商业、仓储等与国民经济休戚相关的领域（安涛，2006） 。 1.3 本论文的主要工作 本文设计的远程空调控制系统主要应用于大型机房、温室等空调数量大、需要集中管理 等场所。本论文的主要内容包括： ( 1) 在广泛搜集国内外相关文献资料的基础上，借鉴已有系统成功经验，结合本设计的实 际应用需求，进行控制系统总体方案的设计； ( 2) 针对本系统的特点制定嵌入式 web服务器与红外模块 rs- 485 通信协议； ( 3) 系统中嵌入式 web服务器软件流程； ( 4) 系统中红外模块硬件设计和软件设计； ( 5) 系统硬件布线及可靠性与抗干扰设计； ( 6) 对系统软硬件进行调试及对所做工作进行总结。 系统整体结构及功能概述 5 2 系统整体结构及功能概述 2.1 系统整体概述 远程空调控制系统是基于嵌入式 web服务器，采用 b/s 监控模式的嵌入式监控系统。由 监控人员利用远端 pc机上的客户端浏览器，经由网络通过访问嵌入式 web服务器的方式读 取现场温度、湿度参数，并根据参数适时的设定和控制空调动作。实现远距离对现场温湿度 参数的读取，以及对空调的设定包括：开启、关闭以及制冷制热控制等操作，适用于机房、 温室、酒店等一切拥有空调的场所，更适用于对空调数量较多的场所进行远程“集中”管理。 控制系统分为上位机（客户端） 、嵌入式 web 服务器和红外模块三部分。上位机（客户 端）即普通pc机，连入局域网内即可访问嵌入式 web 服务器，每个嵌入式web服务器都有 其相应的 ip 地址，输入 ip 地址即出现 web 控制界面（网页） ，远程监控客户端用户通过 ie 浏览器进行现场的实时监控，读取温湿度参数及控制空调相应动作。 红外模块采用 msp430 单片机设计，与上位嵌入式 web服务器通过 485进行通信，主要 用于采集现场温湿度参数、通过红外通讯设定空调机， 以及学习各型空调红外控制指令功能。 嵌入式 web服务器由基于 at91rm9200 的 arm嵌入式系统构成， 用于对温湿度数据的 接收和通过温湿度参数发出相应的对空调的控制命令。系统框图如图 2- 1。 图 2- 1 系统框图 fig.2- 1 the system structure diagram 客 户 端 嵌入式web服务器2 红外模块 1红外模块 1 红外模块 2红外模块 2 红外模块 x 红外模块 x 嵌入式web服务器n 红外模块x 红外模块2 红外模块1 internet 485 通信 嵌入式web服务器1 东北农业大学工学硕士学位论文 6 2.2 系统功能概述 监控系统采用浏览器端/服务器端( brower/server) 的结构,通过以太网接入设备将嵌入式 web 服务器与客户端 pc 机相连。远程客户端可以直接用 windows 自带的 ie 浏览器作为客 户端程序，随时随地的访问远端空调模块采集数据和进行远程控制。具体功能如下： ( 1) 远程客户端可以直接用 windows 自带的 ie浏览器作为客户端程序，随时随地的对空 调各种动作进行远程控制，实现远程控制空调； ( 2) 现场的红外模块上接有温湿度变送器，联网的远程上位机打开浏览器通过访问，即可 读取模块所处现场的温湿度参数； ( 3) 系统中红外模块的红外接收装置可以使本系统学习不同品牌空调的命令， 实现多品牌 空调的远程控制。 红外模块设计 7 3 红外模块设计 3.1 红外模块硬件电路 整个红外模块主要由以下几个部分构成： 红外模块 mcu：msp430f149； 温湿度变送器模块：用于采集现场温湿度参数，将温湿度参数转换为电信号； 传感器信号调理模块：对温度变送器输出的电信号进行取样、隔离、滤波等处理，变成 适合 msp430f149 内置 a/d模块处理要求的电信号； 红外接收管和前端处理模块：采用红外一体化接收头 hs0038 将红外信号转换为单片机 识别的 ttl信号，通过前端处理部分将波形整形，使输入单片机的波形为标准 ttl波形； 方波发生器模块：用于输出 38.4khz 的振荡信号作为载波； 调制电路模块：将单片机输出信号与相应载波进行调制，提高发送效率； 驱动电路模块：将完成调制的信号进行放大，便于驱动红外发射二极管，同时增加红外 发射信号的作用距离； 红外发射模块：将单片机命令转换成红外命令发送给被控对象 空调； 485 通信模块：用于单片机与嵌入式 web 服务器的通信，将现场温湿度参数通过嵌入式 web服务器传送给上位机或将上位机的命令传送给单片机。 本系统每个红外模块接收四路温湿度变送器信号，控制四路空调，红外模块结构框图如 图 3- 1。 图 3- 1 红外模块结构框图 fig.3- 1 air conditioning board structure diagram msp430 f149 嵌入式 web服务器 方波发 生器 调制 驱动电路 红外发射管 模拟量处理 前端处理 红外接收管 485 通信 温湿度变送器 东北农业大学工学硕士学位论文 8 3.1.1 电源模块 系统中的各器件对于各自的供电电源有着不同的需要，msp430f149 芯片的电源电压为 3.3v 供 i/o 接口使用；5v 电源主要提供光电隔离等器件的内部电压。总结后发现，系统需 要同时存在 3.3v以及 5v供电电压。 空调模块电源部分采用已有的嵌入式 web供电电源+24v 作为电源输入。通过北京华普莱特科技发展有限公司生产的 d240505s 将+24v作为输入，输 出两路+5v，为电路提供两路相互独立的电压。电源模块电路如图 3- 2。d240505s 特性： （1）定电压输入：5vdc/12vdc/24vdc； （2）非稳压双隔离双输出型：输出电压为两路 5v电压； （3）输入与输出之间隔离电压：1000vdc； （4）输出 1 与输出 2 之间隔离电压：1000vdc。 24vin a5v e301 100uf/25v gnd e302 100uf/25v b5v 1 2 3 4 5 6 7 d240505s- 2w 图 3- 2 电源模块电路 fig.3- 2 power supply electric circuit 另外利用 cystech电子公司生产的 lm1117- 3.3芯片来产生 3.3v电源， 输入为+5v，输出 为双路 3.3v。 lm1117 是一个低压差电压调节器系列。 其压差在 1.2v输出， 负载电流为 800ma 时为 1.2v。lm1117 有 5 个固定电压输出 1.8v、2.5v、2.85v、3.3v 和 5v。lm1117 提供电 流限制和热保护。 电路包含 1 个齐纳调节的带隙参考电压以确保输出电压的精度在1%以内。 输出端需要一个至少 10uf 的钽电容来改善瞬态响应和稳定性。线性调整率最大为 0.2%，负 载调整率最大为 0.4，温度范围为：0125。lm1117- 3.4 芯片电路图如图 3- 3。 c10 0.1uf +3.3v +3.3v vin 3 gnd 1 vo 2 vo 4 lm1117- 3.3 b5v 图 3- 3 lm1117- 3.4芯片电路图 fig.3- 3 lm1117- 3.4 chip electric circuit 红外模块设计 9 3.1.2 红外模块 mcu 红外模块的 mcu 是整个系统的核心，它承载着模拟信号的采集，数据的运算与上传， 以及对红外模块各部分的工作情况进行协调和控制的作用。由于红外模块需要采集模拟量， 需要对模拟量进行高精度的转换；需要单片机具有捕获功能，对红外数据进行捕获；红外数 据存储需要较大的容量的存储器。 鉴于以上原因本系统红外模块处理器采用美国德州仪器( ti) 公司的 msp430f149 单片机。 msp430 系列单片机是一种超低功耗的混合信号控制器，具有 16 位 risc 结构。其主要 特点为：低电压，低功耗。电源电压采用的是 1.83.6v电压。其在1mhz 的时钟条件下运行 时，芯片的电流在 0.1400ua之间；编程效率高。在 8mhz 晶体驱动下，指令周期为 125微 秒；系统工作稳定。上电复位后，首先由 dcoclk启动 cpu，以保证程序从正确的位置开 始执行，保证晶体振荡器有足够的起振以及稳定时间。然后软件可设置适当的寄存器的控制 位，来确定最后的系统时钟频率。如果晶体振荡器在用作cpu时钟 mclk时发生故障， dco 会自动启动，以保证系统正常工作；如果程序跑飞，可用看门狗将其复位；开发环境方便高 效。msp430f149 为 flash型器件，其采用先下载程序到flash内，再在器件内通过软件 控制程序的运行，由 jtag 接口读取片内信息供设计者调试使用的方法进行开发。这种方式 只需要一台 pc机和一个jtag 调试器，而不需要仿真器和编程器；工业级的产品。msp430 系列器件均为工业级的，运行环境温度为- 40+85 度。 msp430f149 单片机内部结构框图如图 3- 4。 图 3- 4 msp430f149 单片机内部结构框图 fig.3- 4 msp430f149 mcu inside structure diagram msp430f149 单片机集成了较丰富的片内外设。它们分别是看门狗（wdt） 、模拟比较 东北农业大学工学硕士学位论文 10 器 a、timer_a3（带 3 个捕获/比较寄存器和 pwm输出的16 位定时器） 、timer_b7（带 7 个 捕获/比较寄存器和 pwm 输出的16 位定时器） 、串口0、1（usart0、usrat1） 、硬件乘法 器、 内部温度传感器、 12 位 adc、 端口 p1p6、 基本定时器 （basictimer） 、 60kb flash rom 和 2kb ram 等。其中，看门狗可以使程序失控时迅速复位；模拟比较器进行模拟电压的比 较，配合定时器，可以设计为 a/d 转换器；16 位定时器（timer_a 和 timer_b）具有捕获/ 比较功能，大量的捕获/比较寄存器，可用于事件计数、时序发生、pwm 等；具有较多的并 行端口，最多达 6* 8 条 i/o 口线；p1、p2 端口能够接收外部上升沿或下降沿的中断输入；12 位硬件 a/d 转换器有较高的转换速率，最高可达 200kbps，能满足大多数数据采集应用。 msp430f149 单片机的这些片内外设为本系统的设计提供了极大的方便。 3.1.3 复位电路 单片机运行的可靠性是单片机系统中的一个重要问题。单片机运行时，若电源电压降低 或受到外界的电磁干扰，就会引起程序失控，出现“ 死机” 或其它不正常现象，导致整个系统 瘫痪。为保证系统运行的可靠性，复位电路很必要。红外模块复位芯片采用 imp811seus- t， 此芯片精密监视 5v、3.3v、3v电源电压, 最小复位脉宽为 140ms, 体积小, 超低功耗。 本系统的复位电路原理图如图 3- 5 所示： rst 引脚连接到 msp430f149 芯片的 rst/nmi 脚，一旦电源电压降至预置的复位门限 3.08v 以下时，该电路发出一个复位信号，并在电源 已经升高到此复位门限后至少保持这个信号 140ms。 imp811seus- t 芯片也具有去抖动的手动复位输入。手动调节方法为：当按键按下时， mrst 引脚变为低电平，激活 reset 引脚有效，强制系统复位。复位电路如图 3- 5。 c13 0.1uf +3.3v /rst 2 mr 3 vcc 4 gnd 1 imp811seus- t rst mrst sw- pb 图 3- 5 复位电路 fig.3- 5 reset electric circuit 3.1.4 温湿度变送器模块 客户端对现场空调进行远程控制时需要读取现场温湿度，可以通过温湿度变送器实现。 本设计选用北京中旺电子技术有限公司的经济型温湿度变送器( rohs) al。该温湿度变送器 可以将 090%的相对湿度和- 10+60的环境温度转换成两路 420ma dc的电信号。 红外模块设计 11 ( rohs) al的技术指标如表 3- 1。 表 3- 1 (rohs)al 技术指标 tab.3- 1 (rohs)al technique target 技术指标 数值 测量范围 - 10- +60 0- 90%rh 精度 0.5( 050) 3rh ( 5h95rh,25) 供电电压 24vdc（10%）/24 vac（10%） 输出信号（双通道模拟信号输出） 4- 20ma 长期稳定性 湿度0.1/年 湿度1%rh/年 3.1.5 传感器信号调理电路 温湿度变送器读取环境温湿度参数，将其转换成电信号。模数转换通过单片机内部 12 位 ad 实现。传感器信号调理电路对温湿度变送器输出的电信号进行取样、隔离、滤波等处 理，变成适合 msp430f149 内置 a/d 模块处理要求的电信号。调理电路将来自传感器的 420ma 电流信号从 ai1 端输入，通过等效阻值为 120 的取样电阻取样后进入带低通滤波电 路的电压跟随器。由 lm324作为电压跟随器，增强了传感器微弱信号的识别能力。由 adin1 端输出基准电压 2.5v之内的电压信号并送入单片机进行模数转换。 传感器信号调理电路如图 3- 6 所示，p6ke12ca是一个瞬间抑制二极管用于抑制由静电等原因产生的瞬间高压。r1 为 取样电阻， 使该点电压为 0.48- 2.4v， r3 与 lm324组成电压跟随器， 增加信号驱动能力。 lm324 与 c3 组成二级低通滤波器，消除信号的高频干扰。 0.1uf c1 ai1 c3 2uf c2 1uf 10 9 8 c 411 lm324d 12 13 14 d 411 lm324d adin1 b5v b5v 120 r1 1k r2 1k r3 1k r4 p1 p6ke12ca 图 3- 6 传感器信号调理电路 fig.3- 6 sensor signal disposal electric circuit 东北农业大学工学硕士学位论文 12 3.1.6 a d 转换电路 当输入的温湿度信号经过前面所介绍的传感器信号调理单元之后，就需要启动 adc 功 能采集各路信号，并进行计算和分析。基于采样精度和模拟通道数量等方面的考虑本系统采 用 msp430f149 芯片内部自带 a/d。 a/d转换器基准源的稳定性对其绝对精度有较大的影响， 因此使用其内部基准电源。 msp430f149内部集成一12位分辨率a/d转换器， 它属于逐次逼近式a/d转换器。 adc12 模块能够实现 12 位精度的模数转换，具有高速和通用的特点。由图所示 adc12由 5 大功能 模块构成，而且都可以通过用户软件独立配置。其功能模块为： ( 1) adc12的内核是一个带有采样与保持功能的 12 位转换器； ( 2) 内部参考电压发生器，同时有两种参考电压值可供选择； ( 3) 采样及转换过程中所需要的时钟源可以选择； ( 4) 采样及转换所需的时序控制电路； ( 5) 转换结果有专门的筒型缓存。 adc12 主要特点归纳如下: ( 1) 采样速度快，最高可达 200ksps； ( 2) 12 位转换精度，1 位非线性微分误差，1 位非线性积分误差； ( 3) 配置 8 路外部通道与 4 路内部通道； ( 4) 内置参考电源，而且参考电压有 6 种可编程组合； ( 5) 有多种时钟源可供给 adc12模块，而且模块本身内置时钟发生器； ( 6) 内置温度传感器； ( 7) 模数转换有 4 种模式，可灵活地运用以节省软件量及时间； ( 8) adc12内核可关断以节省系统功耗。 此外，adc12 带有丰富的寄存器，对 adc12 模块的所有操作都可以通过设置这些寄存 器完成。 adc12 模块的寄存器分4 类： 转换控制类、中断控制类、存储控制类和存储器类 （刘 玉龙，2008） 。 3.1.7 红外接收前端处理电路 如今市场上大部分家用电器遥控器发出的红外编码信号频率是 38khz，我们的实验对象 美的空调遥控器的频率也是 38khz。所以我们选用接收红外信号频率为 38khz 的红外一体化 接收头 hs0038。一体化的红外接收装置将遥控信号的接收、放大、检波、整形集于一身， 并且输出可以让单片机识别的 ttl信号， 这样大大简化了接收电路的复杂程度和电路的设计 工作，方便使用。在本系统中我们采用红外一体化接收头 hs0038，hs0038 外观图如图 3- 7 所示。hs0038 黑色环氧树脂封装，不受日光、荧光灯等光源干扰，内附磁屏蔽，功耗低， 灵敏度高。在用小功率发射管发射信号情况下，其接收距离可达 35m。它能与 ttl、coms 红外模块设计 13 电路兼容。hs0038 为直立侧面收光型。它接收红外信号频率为 38khz,周期约 26s，同时能 对信号进行放大、检波、整形，得到 ttl 电平的编码信号。hs0038 的解调可理解为：在输 入有脉冲串时，输出端输出低电平，否则输出高电平。 一体化红外接收头 hs0038 的外部结构很简单，其中， 1 脚 （gnd）接电源地， 2 脚 （vcc） 接+5v，3 脚( out) 为数据输出端( ttl 电平，反相输出) ，可直接与单片机相连，不需任何 外接元件，就可以把信号直接送入到微处理器等要求 ttl电平信号输入的芯片中。红外接收 头 hs0038 如图 3- 7。 图 3- 7 红外接收头 hs0038 fig.3- 7 infrared forepart hs0038 接收部分电路主要用于空调遥控信号的学习，选用 38khz 的一体化红外接收头 hs0038 来接收遥控信号，只需少量外接元件就能够将 38khz 的红外调制信号解调，直接输出串行数 字信号，hs0038 输出为高低电平脉冲，接收码也由一个低电平和一个高电平组成。利用不 同长短高低电平的组合，可构成不同的码。 为了降低电源干扰，在 hs0038 的供电脚上加上 4.7 f 滤波电容和电阻，r22 为上拉电 阻。74hc14 是六反相施密特触发器集成电路，其用于对输入信号进行波形整形，抑制干扰 信号，将输出为标准的 ttl电平由 p1.2口输入到单片机。红外接收前端处理电路如图 3- 8。 1011 u11e 74hc14 p1.2 1213 u12f 74hc14 r21 330 r22 10k e1 4.7uf/16v b5v 1 2 3 hs0038 图 3- 8 红外接收前端处理电路 fig.3- 8 infrared incept forepart disposal electric circuit 3.1.8 方波发生器电路 方波发生器由 cd4024 和 4.9152mhz 晶振组成， cd4024为 7 位二进制串行计数器/ 分配 器，其 ic内部有 7 个计数级，每个计数级均有输出端子，即 q1q7。cd4024计数工作时， q1 是 cp 脉冲的二分频；q2 又是 q1 输出的二分频q7 则为 cp 的 128 分频，所以有频 东北农业大学工学硕士学位论文 14 率 fq7=1/128fcp。cd4024 也可扩展更多的分频。清零端 mr加“1”电平时，各输出端都清 零；电路正常工作条件是 mr 加零电平，当 cp 脉冲下降沿时，cd4024 作增量计数。因此 cd4024 将输入的 4.9152mhz 的信号经 128 分频后输出 38.4khz 的振荡信号作为载波。方波 发生器电路如图 3- 9。 car c22 0.1uf cp 1 mr 2 q7 3 q6 4 q5 5 q4 6 gnd 7 q3 9 q2 11 q1 12 vcc 14 u10 cd4024 b5v b5v 1 2 3 4 4.9152mhz 图 3- 9 方波发生器电路 fig.3- 9 square wave generator electric circuit 3.1.9 调制电路和驱动电路 8 9 10 u21c sn74ls08d car iar1 2 3 6 5 8 u13 6n137b5v r32 470 r33 4.7k a5v r36 51 r34 5.1k r35 10k 1 23 q23 s8050d a5v 图 3- 10 调制电路和驱动电路 fig.3- 10 modulator and driver electric circuit 调制电路和驱动电路如图 3- 10。该电路中 74ls08 为一个与门，实现单片机 p5.0的输出 信号 iar1 与 cd4024 输出的 38.4k载波信号 car 进行“与”运算。为了增强输出信号的抗 干扰能力， 已调制到载波上的红外脉冲信号不是直接进入驱动电路， 而是通过高速光耦 6n137 后与驱动电路相连。 6n137 光耦合器是一款用于单通道的高速光耦合器， 其内部有一个 850nm 波长 algaas led和一个集成检测器组成，其检测器由一个光敏二极管、高增益线性运放及 一个肖特基钳位的集电极开路的三极管组成。具有较高的输入输出隔离，高速( 典型为 10mbd) ，lsttl/ttl兼容，5ma的极小输入电流。但是必须注意，光耦部分的电路所采用 红外模块设计 15 的两个电源必须完全隔离，否则采用光耦也就失去了意义。( 蔡月明，2001) 电源的完全隔离 在电源模块设计部分会详细介绍。 通过光耦的红外脉冲信号通过 8050 驱动电路进行放大以驱动红外发射管辐射出红外脉 冲信号。红外发射管实际上是一只特殊的发光二极管。由于其内部材料不同于普通发光二极 管, 因而在其两端施加一定电压时,它发出的便是红外线而不是可见光。目前大量使用的红外 发光二极管发出的红外线波长为 940nm 左右，外形与普通发光二极管相同，只是颜色不同。 3.1.10 串口通信电路 串口通信电路用来完成空调模块与嵌入式 web 服务器之间的数据传输。嵌入式 web 服 务器从串行口向 msp430f149 按照一定的数据格式发送命令帧，msp430f149 接收到命令帧 后按协议回复相应的数据帧。 msp430f149 单片机有两个串行通讯口， 本系统空调模块与 web 服务器之间通过 rs485 接口实现通信。 因为