变电站温湿度采集单元的设计与实现.doc

变电站温湿度采集单元的设计与实现【摘要】本文介绍了一种由瑞士罗卓尼克公司(ROTRONIC AG)研发HygroClip-CP01-3RH型温湿度传感器和AT89S52单片机组成的温湿度采集单元。该单元体积小、精度高、简单可靠。在此基础上，采用了Visual Studio2003环境下的PC机与单片机的串口通信方案，该方案设计了一套完整的通信协议，保证了通讯过程中数据的正确性。由于上位机串口通信软件采用Windows API串口通信函数来实现，因此灵活性很强。与此同时，利用一系列ODBC API函数访问SQL SERVER数据库数据，能实现对数据的实时分析、处理等。【关键词】AT89S52；串口通信；温湿度传感器； RS4851.绪论现实生活中,变电站对环境温度和湿度提出了很高的要求，因此能否有效地对这些领域的环境温度和湿度进行实时监测和控制是一个必须解决的重要课题。 本文利用传感器，单片机以及串口通讯对温湿度进行实时监测与采集。1.1 课题背景与目的温湿度作为变电站监控系统中一个极其重要的物理参量，关系到变电站各设备的正常运行，以及民生大计的事情，不可轻视.。主要表现在以下几个方面：（1）在盛夏高温季节，由于环境温度本身就较高，再加上内部电器部件发热，从而使设备超高温运行，容易发生的事故，且加速设备的老化，缩短设备的使用寿命， 因此监控数据也会产生错误。（2）在雨后及梅雨季节环境中湿度较高的情况下，高压电器柜壳体及内部机构会产生凝露水滴，当积累一定程度后会滴水，从而造成局部放电或断路，引发事故。因此，如何正确及时的监测温湿度参量，对设备的维护及措施的实施具有重要的指导作用。1.2 论文构成及研究内容温湿度采集单元作为比较成熟的技术在工业中得到广泛应用，但普遍存在一个问题。软硬件结合度不高，数据处理过程很不友好。而本系统，将硬件、串口通讯和数据库技术有机的集合在一起，实现对数据的采集、传输、分析处理等环节，实现了工业过程的自动化，解决了上述弊端。研究内容如下：1. 底层采集单元的设计。该单元具有温湿度信号的AD转换及RS485接口。2. 远程通信软件设计。该软件应能实现上位机与下位单片机的通信功能。3. 数据库应用分析软件。该软件能实现对数据的分析、处理等功能。2.温湿度采集单元的硬件实现温湿度传感器采集的温湿度两路模拟信号通过ADC0809转化为数字信号输入到单片机中心处理后，采用RS485方式输送。其整体结构如图2-1：1HygroClip-CP01-3RH型温湿度传感器ADC0809RS485AT89S52单片机RS485转RS232图2-1 温湿度采集单元整体结构图2.1 温湿度传感器随着时代的发展,科研、农业、暖通、纺织、机房、航空航天、电力等工业部门,越来越需要采用温湿度传感器,对产品质量的要求越来越高,对环境温、湿度的控制以及对工业材料水份值的监测与分析都已成为比较普遍的技术条件之一。本设计选用的是HygroClip型温湿度传感器。2表2-1 HygroClip CP01技术指标HygroClip CP01技术指标传感器温度ROTRONIC Hygromer AC-1薄膜聚酯电容湿度Pt100 1/3DIN测量范围湿度0.100%RH温度-40.85(DIO输出)测量精度湿度0.5,可提高到0.3温度3%RH，可提高到1.5%RH模拟输出湿度0.100%RH 0.+1VDC温度-40.60 0.+1VDC数字输出单总线数字输入输出DIO,协议开放重 复 性0.3%RH，0.1稳 定 性每年优于1%RH，0.1响应时间0.6S输出负载 10k供电电压3.5-24VDC,推荐5VDC供电电流损耗4mA过 滤 器PVC探头尺寸15 100mm防护等级IP65图2-2 HygroClip CP01温湿度传感器外观结构图表2-2 引线定义引线定义绿色供电正，推荐+5VDC黑色GND白色湿度模拟输出棕色温度模拟输出黄色数字DIO输入输出2.2 主要芯片介绍本温湿度采集单元采用以AT89S52单片机作为核心芯片，配置以温湿度传感器、转换器ADC0809、RS485外围接口电路，完成数据的采集与输出。2.2.1 AT89S52 3AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。AT89S52具有以下标准功能：8k字节Flash，256字节RAM，32 位I/O 口线，看门狗定时器，2 个数据指针，三个16 位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外，AT89S52 可降至0Hz 静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。2.2.2 ADC08094A/D转换器中，因为输入的模拟信号在时间上是连续的而输出的数字信号是离散的，所以转换只能在一系列选定的瞬间对输入信号的模拟采样，然后再把这些取样值转换成输出的数字量。ADC0809是CMOS单片型逐次逼近式AD转换器。它由8路模拟开关、地址锁存与译码器、比较器、8位开关树型DA转换器、逐次逼近寄存器、三态输出锁存器等其它一些电路组成。因此，ADC0809可处理8路模拟量输入，且有三态输出能力，既可与各种微处理器相连，也可单独工作。输入输出与TTL兼容。其具有以下特点：（1）8路8位AD转换器，即分辨率8位。 （2）具有转换起停控制端。 （3）转换时间为100s（4）单个5V电源供电 （5）模拟输入电压范围05V，不需零点和满刻度校准。 （6）工作温度范围为-4085摄氏度 （7）低功耗，约15mW。2.2.3 RS2325计算机与计算机或计算机与终端之间的数据传送可以采用串行通讯和并行通讯二种方式。由于串行通讯方式具有使用线路少、成本低，特别是在远程传输时，避免了多条线路特性的不一致而被广泛采用。 在串行通讯时，要求通讯双方都采用一个标准接口，使不同的设备可以方便地连接起来进行通讯。接口的电气特性在RS-232-C 中任何一条信号线的电压均为负逻辑关系。即：逻 辑“1”即-5-15V；逻辑“0”即+5+15V。由于RS-232-C 接口标准出现较早，难免有不足之处，主要有以下四点： （1）接口的信号电平值较高，易损坏接口电路的芯片，又因为与TTL电平不兼容故需使用电平转换电路方能与TTL电路连接。 （2）传输速率较低，在异步传输时，波特率为20Kbps。 （3）接口使用一根信号线和一根信号返回线而构成共地的传输形式，这种共地传输容易产生共模干扰，所以抗噪声干扰性弱。 （4）传输距离有限，最大传输距离标准值为50 英尺，实际上也只能用在50 米左右。2.2.4 RS485针对RS232接口的不足，于是就不断出现了一些新的接口标准，RS-485就是其中之一，它具有以下特点：（1）RS-485的电气特性：逻辑“1”以两线间的电压差为+（26） V表示；逻辑“0”以两线间的电压差为-（26）V表示。接口信号电平比RS-232降低了，就不易损坏接口电路的芯片，且该电平与TTL电平兼容，可方便与TTL 电路连接。（2）RS-485的数据最高传输速率为10Mbps。（3）RS-485接口是采用平衡驱动器和差分接收器的组合，抗共模干能力增强，即抗噪声干扰性好。（4）RS-485接口的最大传输距离标准值为4000英尺，实际上可达 3000米，另外RS-232接口在总线上只允许连接1个收发器，即单站能力。而RS-485接口在总线上是允许连接多达128个收发器。即具有多站能力,这样用户可以利用单一的RS-485接口方便地建立起设备网络。5因为RS485接口组成的半双工网络，一般只需二根连线（我们一般叫AB线），所以RS485接口均采用屏蔽双绞线传输，如图2-3:图2-3 RS485工作站接线示意图2.3 电路设计由于变电站对温湿度的精度要求并不高，但温湿度变化趋势可以用做对其他参数的参照物，因为在不同温湿度背景下其他设备（母线、CVT、CT等）所采集的信号是没有可比性的。因此要想分析并排除无用信号需借助温湿度值。本文采用8位的ADCO8O9，在精度上可以满足现实要求，并结合AT89S52单片机，极大降低了成本，设计简单、方便。2.3.1 温湿度传感器与ADC的接口电路设计由于HygroClip-CP01-3RH型温湿度传感器输出的温湿度模拟信号的电压为0-1V,而ADC0809的基准电压为0-5V，因此需要将模拟入电压放大5倍。本调理电路采用运算放大器LM358同相比例放大电路来实现电压信号的放大。输入信号加入同相输入端,电路如图2-4所示2。图2-4 同相比例放大电路同相比例放大电路其输入端与输出端的关系:只要就可以使模拟输入信号放大5倍，取，根据。同相比例电路的特点：输入电阻高、集成运放的共模抑制比要求高。2.3.2 ADC0809与AT89S52接口电路设计ADC0809与AT89S52连接可采用查询方式、也可采用中断方式。由于ADC0809片内有三态输出缓存器，因此可直接与之相连，本设计采用中断方式，如图2-5这里将ADC0809作为一个外部扩展并行口，采用线选法寻址。由P2.7与联合控制启动转换信（START）ALE端，低三位地址线加到ADC0809的ADDA、ADDB、ADDC端。图2-5 ADC0809与AT89S52接口电路2.3.3 RS232与AT89S52的接口电路设计用MAX232就能够实现单片机的RS232接口，如图2-6。图2-6 RS232与AT89S52的接口电路2.3.4 RS232与RS485接口电路设计由于有的设备是232接口的，有的是485接口的，如果有一台232接口的设备与一台485接口的设备通信，那就需要一个转换器，把232接口的设备的232信号转换成485信号，然后再与485接口的设备通信，这个转换器就是RS232/RS485转换电路。如果是两台232接口的设备要进行远距离的通信，那只要加上两个RS232/RS485转换电路就可以了，如图2-76。以上的RS232/RS485转换电路上采用从计算机串口偷电技术，市场上称之为“无源RS232/RS485转换电路”，而“有源RS232/RS485转换电路”，电路原理图与上图差不多，只是电源部分改点而已。 图2-7 RS232与RS485接口电路2.3.5 电源模块电路设计在工农业生产和科学实验中，主要采用交流电，但在某些场合例如电解、蓄电池的充电、直流电机等，都采用直流电源供电。此外，在电子线路和自动控制系统装置中，需要电压较稳定的直流电源。为了得到直流电源，除了用直流发电机外，目前广泛采用的是各种半导体直流电源。下图就是半导体直流电源的原理方框图他表示把交流电变换成直流电的过程。各环节的功能如图2-8所示：变压整流滤波稳压交流电源图2-8 半导体直流电源的原理与方框图应用电路：(a) 15V电路设计原理图(b) 5V电路设计原理图图2-9 电源设计原理图2.3.6 总体电路原理图及PCB板设计8 HEADER中的第1、2两个接口用来输入温度、湿度模拟信号。余下的其他接口直接接入到ADC0809的IN2-IN7端。温度、湿度模拟信号经调理电路（即LM358构成的同相比例放大电路），将模拟信号放大5倍后分别输入ADC0809的IN0、IN1两个端口中进行转化。ADC0809与AT89S52连接可采用查询方式、也可采用中断方式。由于ADC0809片内有三态输出缓存器，因此可直接与之相连。这里将ADC0809作为一个外部扩展并行口，采用线选法寻址。由P2.7与联合控制启动转换信号端（START）ALE端，低三位地址线加到ADC0809的ADDA、ADDB和ADDC端，所以选中IN0和IN1端的地址分别为：表2-3 温湿度传感器地址信号源通道号P2.7ADDAADDBADDC其他位地址温度00000湿度10001不妨设其他几位都是1，则可确定其两路输入端的通道地址分别为：7FF8H和7FF9H。启动ADC0809的工作过程是：先送通道地址到ADDA、ADDB和ADDC中，由ALE信号锁存通道地址，后让START有效，启动A/D转换，即执行一条MOVX A，DPTR指令产生写信号，使ALE，START有效，锁存通道号后并启动AD转换。AD转换完毕，EOC端发出一正脉冲，申请中断。在中断服务程序中，执行MOVX DPTR，A，产生读信号，使OE端有效，打开输出缓存器三态门，8位数据变读入CPU中。ADC0809的时钟取自AT89S52的ALE经74LS74双D触发器后的信号接CLK端。当A/D转换完毕，AT89S52读取转换后的数字量时，需执行MOVX DPTR，A。总体原理图和PCB图见附录3串口通信软件的设计与实现随着计算机技术的发展及工业自动化水平的提高,在许多场合采用单机控制已不能满足现场要求,因而必须采用多机控制的形式。串行通信作为计算机之间常用的通信方法之一,由于其通信编程灵活、硬件简洁并遵循统一的标准,而在工业控制领域得到了广泛的应用。温湿度采集单元RS485MAX232工控机图3-1 通信结构串行通信只用一位数据线，即使加上几条通信联络信号线，也用不了很多电缆线。因此串行通信适合远距离数据传输，如大型主机与其远程终端之间、处于两地之间的计算机之间采用串行通信就非常经济。串行通信是指一位一位按顺序传送的通信方式，他的突出优点是只需一对传输线（利用电话线可作为传输线），这样就大大降低了传送成本，特别适用于远距离通信；缺点是传送速度较低。通信在变电站在线监测系统中占有非常重要的地位。其内容包括变电站现场智能化监测装置与变电站监控管理层之间的通信，变电站当地与远方信息管理中心之间的通信。通信模块和现场智能化监测装置采用模块化设计，都是能独立运行的设备，彼此间通过现场总线通信线联系。这样一个设备故障后不会影响其他设备，系统具有较好的可靠性和可扩展性7。Windows现已成为当今计算机操作系统的主流,在其平台下利用Microsoft公司推出的功能强大的C+编程语言,开发出界面友好、操作简便的多机串行通信软件显得尤为重要。本设计采用VS2003开发平台下的vc+语言作为上位机的通信设计语言。引入了重叠机制和多线程技术，提高了通信的效率。温湿度采集单元数据库软件远程计算机中心工控机RS485接口（串口线）SOCKET技术（网络）数据库技术（ODBC API）图3-2 数据传输链路各环节3.1通信协议通信协议是对数据传送方式的约定，包括数据格式定义和数据位定义等。通信双方必须遵守统一的通信协议。3.1.1 波特率选择和数据位定义在变电站中，对温度、湿度信号的及时性要求并不是很高，数据的采集时间间隔一般都是在几分钟以上，只要选取适当的波特率就能够满足要求，波特率一旦规定后，很少去修改波特率。7由于协议中已经采用了同余校验法已经对数据进行了校验，所以对于数据位中的校验位可以不要求。本通信软件采用的波特率是9600bit/s和数据位规定如下：表3-1 数据位格式起始位数据位奇偶校验位停止位08位不要求15位但是对于那些对实时性要求比较高的领域，就希望能够动态修改波特率。要动态修改波特率也必须规定一套协议，可以这么约定。见表3-2：表3-2 下行数据位格式（针对修改波特率）起始位B（2字节）地址位A（1字节）命令位（2字节）波特率大小（2字节）校验位C（1字节）当下位机收到上行数据时，就去判断命令位，如果命令位代表的是修改波特率命令，则设置下位机的波特率为后面字段所指定的值。3.1.2 发送位规约上行数据（下位机发给上位机的数据）规定见表3-3：表3-3 上行数据位格式起始位B（2字节）地址位A（1字节）温度值T（2字节）湿度值H（2字节）校验位C（1字节）说明如下：起始位：是一固定值，在变电站中通常取0xEB、0x90 。地址位：根据地址位可以确定对应的设备号。温度值、湿度值：采用2个字节，精度可以达到16位。校验位：用来校验上行数据的正确性。校验算法（同余法）：C =（A+T+B）MOD 256。校验过程（同余法）分为以下三个步骤：第一步：先判断起始位,若不是0xEB、0x90，不接受。 第二步：若是0xEB、0x90，则对接收的数据进行同余计算，若计算的值等于校验位C的值，则接受。第三步：若不等于校验位C的值，则不接受。3.1.3 接收位规约下行数据（上位机发给下位机的数据）：表3-4 下行数据位格式起始位B（2字节）地址位A（1字节）说明如下：起始位：是一固定值，在变电站中通常取0xD7、0x09 。地址位：根据地址位可以确定对应的设备号。工作原理：下位机先判断起始位，若满足条件，再根据地址位启动相应的设备，进行数据采集。3.2 单片机通信软件设计国外某公司在宣传自己的产品时提出“软件就是仪器”（The Software is the Instrument）。这种说法虽然有些偏颇，但是充分说明了软件在智能仪器中的地位是非常重要的。系统软件是系统得一个重要组成部分，没有系统软件的支持，系统将瘫痪。本系统软件的功能主要包括系统的初始化，主程序、A/D转换子程序、串口通信子程序等8。系统流程图:如图3-3和图3-4。开始串行口初始化置初值开中断等待中断串口中断子程序接收下行数据接收3个字节？取出第1个字节0XD7？7？后两个字节前移恢复字节数取出2第个字节取出第3个字节0X09？7？0X43？7？恢复首地址字节数清0中断返回AD转换子程序图3-3 单片机模拟发送端子程序流程图开始开INT1中断送通道数送地址启动转换等待中断INT1中断子程序保存数据通道号加1地址加1启动转换发送下行数据通道全部打开?中断返回图3-4 A/D转换流程图3.3 PC机通信软件设计采用vs2003平台下的vc+开发应用程序，可以开发出高质量的串口通信程序，且操作灵活。在VS2003中，串口资源都被虚拟成文件，所有的操作虚拟成对文件的读写。这样给开发者一个统一的编程界面，简化了编程接口9。3.3.1 VS2003模拟温湿度采集单元软件该软件用rand()函数产生随机数据，发送到上位机中。3.3.2 上位机软件与模拟采集单元软件的串口通信大多数计算机都只带有一个可用串口，而串口是不允许共享的。而要实现上位机软件与模拟采集单元软件的串口通信则还需要扩展出一个串口。USB转串口就可以实现串口的扩展。在调试之前，将USB转串口驱动程序放入光区中，接着将USB转串口设备插入USB口，计算机就会发现硬件并自动安装USB转串口驱动程序。安装完后，用一根串口线将两个串口连接起来。接下来就能够进行调试了10。分别运行上位机软件和模拟采集单元软件，运行如图3-5：图3-5 上位机软件与模拟采集单元软件的串口通信4控件编程控件是构成软件的基本元素，是数据显示的基础，直接关系到软件的美观和可操作性。友好的界面具有良好的互操作性，操作方便、快捷，易于理解。一般来说，数据的显示方式有两种：列表显示和图形显示。列表显示不具有直观性，很难分析、处理数据之间的关系；而图形显示直观、形象，易与分析、处理，找出大量数据之间的关系。但目前，网络上很少有关于图形方面的控件或第三方图形控件的支持，即使有的话，也是以动态链接库或自动化组件形式提供，源代码并没有公布，受第三方产家限制，用起来很不灵活。数据库处理软件的设计该数据库软件可以实现实现对数据的再线修改，基准值和警报值的校订。数据显示方式采用列表与图形显示相结合的方式，并能够实现截图功能。执行界面如图4-1和图4-2。图4-1图4-25.总结本设计在硬件的调试中经过软件的仿真与实际的运行，证实了可行性，软件运用了和盛公司的SPM-2变电站监测软件，所得的数据截图是我随公司的维护部门员工下至各变电站维护时候截取的数据资料，具备真实性与可靠性！该设计对变电站温湿度的变化进行实时监控，能够及时有效的发现问题并通过监测数据进行处理。参考文献1 胡在华，彭楚武，夏一翔.监控系统中智能式温湿度传感器的实现J.传感器世界，2001：20-22.2 HygroClip CP01中文资料手/sale/show/133015.aspEB/OL.3 AT89S52中文资料/pingyi168/blog/item/5a9f3af5146aae24bd310928.HtmlEB/OL.4 ADC0809中文资料手册ttp://detail/?article_id=55783EB/OL.5 /0432108985/blog/item/bff294f45429dbea7609d7be.htmlEB/OL.6 /huiqiang620/blog/item/9d8b02220bab92a04723e8e0.htmlEB/OL.7 鲁邵坤，王正程.嵌入式系统中PC机和单片机通信协议的设计与实现J.电子计算机，2002，（155）： 59-60. 8 刘爱荣.单片机在温湿度测量中的应用J.水利电力机械，2001，23（3）：41-42.9 宋向荣，韩克敏，陈梦华.给予VC+6.0的PC机与多台单片机的串行通信J.西安农林科技大学学 报，2002，30(2)：123-125.10 鲁志康.温湿度自动测控系统及其传感技术研究J.电子技术杂志，2000，（3）：12-13.11 陶春铭.单片机实用技术M.北京：人民邮电出版社，2008，77-91.12 刘笃仁.传感器原理及应用技术M.西安：西安电子科技大学出版社，2003，18-43. Substation Temperature and Humidity Acquisition Unit Design and ImplementationElectronic and Information Engineering Department Major of Information Engineering 118542004009 Cheng Hu Mentor： MeiYing Pan【Abstract】This paper introduces a unit in sampling temperature and humidity,which is composed of a temperature and humidity sensor developed by ROTRONIC AG and MCU of AT89S52. The module with small size and high precision, is simple and reliable. On this basis, using Visual Studio2003 program to slove PC and SCM serial communication.The program designs a complete set of communication protocols,ensuring the accuracy of the data in the communication processing. 0wning to the PC serial communication software using Windows serial communication API function, the program has a strong flexibility. Meanwhile, a series of ODBC API is applied to access SQL Server database, achieving the real-time data analysis, processing and so on.【Key Word】AT89S52；Serial communication；Temperature and humidty sensor；Rs485；附录一 单片机程序 BEGINBITH EQU 0EBH BEGINBITL EQU 90H TEMPH EQU 00H ;模拟发送的温度高八位 HUMH EQU 00H ;模拟发送的湿度高八位 ADDRESS EQU 43H ADC0809 EQU 7FF8H ORG 0000H AJMP MAIN ORG 0013H AJMP INT1 ORG 0023H AJMP SERIAL ORG 0100HMAIN: CLR RS0 CLR RS1 ;选寄存器组0 MOV R0, #30H ;用来存放接受的数据 MOV R1, #03H ;用来记录数据的个数 SETB IT1 MOV TMOD, #20H ;打开定时器1,工作方式2,0010 0000 MOV TH1, #0FDH;9600波特率需要的时间 MOV TL1, #0FDH MOV SCON, #50H;串口工作方式3,允许接受, 无奇偶位 MOV PCON, #00H;电源控制寄存器,波特率不倍增 SETB EA;打开CPU总中断 SETB ES SETB TR1HERE: SJMP HERE;等待中断SERIAL: JBC RI, RECV_DATA;判断中断类型,为接收中断 CLR TI;为发送中断,则清除中断后返回 RETIRECV_DATA: MOV A, SBUF ;取出下行数据放在30H,31H,32H中 MOV R0, A INC R0 DJNZ R1, ENDT ;判断是否接收了3个字节 CLR ES MOV R0, #30H MOV A, R0 ;等于3个字节，开始判断起始位 XRL A,