基于rs485的温湿度数据集中处理和显示单元软件设计

本科生毕业设计（论文）基于RS485的温湿度数据集中处理和显示单元软件设计THESOFTWAREDESIGNOFTEMPERATUREANDHUMIDITYDATAPROCESSINGANDDISPLAYUNITBASEDONRS485总计28页表格1个插图10幅学院（系）电子与电气工程专业电子信息工程基于RS485的温湿度数据集中处理和显示单元软件设计摘要本课题设计的是基于RS485温湿度采集系统，能实现多点温湿度的分布式检测和集中式显示、报警功能。本设计完成温湿度数据采集的软件设计。温湿度数据采集器以51单片机作为控制中心，以数字温湿度一体传感器SHT11为温湿度检测器件，以RS485总线构成分布式温湿度监控总线。通过对这三部分的软件设计和与硬件设计相配合，达到了预期设计目标。关键词单片机；温湿度传感器；485总线技术；通信协议THESOFTWAREDESIGNOFTEMPERATUREANDHUMIDITYDATAPROCESSINGANDDISPLAYUNITBASEDONRS485ABSTRACTTHEDESIGNOFTHISSUBJECTISBASEDONTHETEMPERATUREANDHUMIDITYRS485ACQUISITIONSYSTEMTOACHIEVEMULTIPOINTTEMPERATUREANDHUMIDITYTESTINGOFDISTRIBUTEDANDCENTRALIZEDDISPLAY,ALARMFUNCTIONCOMPLETIONOFTHEDESIGNTEMPERATUREANDHUMIDITYDATAACQUISITIONSOFTWAREDESIGNTEMPERATUREANDHUMIDITYDATAACQUISITIONSYSTEMWITH51SINGLECHIPMICROCOMPUTERASTHECONTROLCENTERTOTHEDIGITALTEMPERATUREANDHUMIDITYINTEGRATEDSENSORFORTEMPERATUREANDHUMIDITYSHT11DETECTIONDEVICESINORDERTOCONSTITUTEADISTRIBUTEDRS485BUSBUSMONITORTEMPERATUREANDHUMIDITYTHROUGHTHETHREEPARTSOFTHESOFTWAREDESIGNANDHARDWAREDESIGNOFIT,TOACHIEVETHEDESIREDDESIGNGOALSKEYWORDSSINGLECHIPMICROCOMPUTERTEMPERATUREANDHUMIDITYSENSORS485BUSTECHNOLOGYCOMMUNICATIONPROTOCOL目录1引言111选题的背景和意义112本课题的主要工作113温湿度数据采集器软件总体设计22单片机控制系统电路软件设计421AT89C51单片机422单片机看门狗电路的软件设计423采集器地址选择电路软件设计63温湿度采集系统的软件设计631温湿度传感器7311STH11的内部结构7312STH11的通信协议832温湿度采集系统的软件设计104RS485通信的的软件设计1041MAX485简介11411MAX485主要特点11412MAX485主要技术性能1242RS485技术参数12421RS485接口标准12422节点数及半双工通信12423RS485通信原理以及通信规则1243通讯协议1444命令接收和数据发送的软件设计145系统调试1551系统软硬件环境1552系统现场调试15结束语16参考文献17附录17致谢231引言11选题的背景和意义随着人们生活质量的不断提高，以及楼宇智能化、自动化的不断兴起与普及，许多大型场所如购物中心、酒店、写字楼等都需要较为舒适的温湿度环境，因此，精确的温湿度数据在温湿度控制系统中显得极为重要。温度、湿度是农业生产的主要环境参数，对其进行适时准确的测量具有重要意义。温室温湿度测控系统是对温室环境因素（温度、湿度）进行相应地修正或调整，使植物生长处于最佳或相对最佳的生长环境条件中。而当今大多数对温室温度与湿度的控制采用人工管理，这不但大大增加了成本，浪费人力资源，而且很难达到希望的成效。在温室中，温度和湿度很大程度影响着植物的生长发育。适合的温湿度促进植物的生长发育，而不合适的温湿度不但对植物生长是不利的，还会增加病虫害。温室是一个比较密闭的环境，其温湿度条件与露天有很大不同。长期密闭或灌溉不当可能造成温湿度的不当，从而对作物生长不利还会增加病虫害。随着传感器的发展,可以利用传感器将温度和相对湿度非电信号转化为相应的电信号,从而便于测控,这种方法省力、耗能小、准确,能在空气中温湿度不合理时采取相应的补救措施。解决了人工检测的不准确性和经验性。目前，温湿度传感器正朝着集成化、智能化、系统化的方向发展；与此同时，温湿度测量技术也在不断进步。在工农业生产、气象、环保、国防、科研、航天等部门，经常需要对环境温度与湿度进行测量及控制。准确测量温湿度对于生物制药、食品加工、造纸等行业更是至关重要的。相比之下，测量湿度要比测量温度更复杂，这是因为温度是个独立的被测量，而湿度却受大气压强和温度的影响。本文利用集成温湿度传感器HM1500的测温快速、使用简便等特点，同时结合AT89C51片机强大的功能，设计了一个监控系统来对温湿度进行实时监控以进行超限报警。12本课题的主要工作本温湿度采集系统通过RS485总线相关的协议实现与智能传感器相结合，实现了温湿度数据采集器接收上位机通过RS485总线下传的命令，主要使上位机完成的数据接收数据采集；启动温湿度传感器；然后通过总线接收传输的温湿度数据，采集器把上位机下传的命令通过单总线下传给温、湿度传感器，然后通过单总线接收传感器的温、湿度数据。本系统以单片机AT89C51为核心，数据采集、存储、显示以及上传至计算机进行数据处理都要通过单片机。数据采集通过单总线的智能温湿度传感器SHT11完成；数据存储在计算机完成；本系统通过RS485相关的协议实现与智能传感器实现上位机温湿度数据数据采集和处理，主要使上位机完成的数据接收数据采集；启动温湿度传感器；然后通过总线接收传输的温湿度数据。在整个系统中采用了多种总线、协议技术，如智能温湿度传感器SHT11的单总线技术、存储扩展的I2C总线技术、单片机和计算机连接的RS485协议技术等。如图1所示本系统的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。本设计中的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。系统中为主机与各采集器之间的数据通信制定了完备的通信协议。数据采集板1数据采集板2数据采集板32数据采集板31数据采集板20RS232RS485网络RS232/RS485转换器下位机PC机（上位机）打印机蜂鸣器图1基于RS485温湿度采集整体框图系统中每台采集模块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模块通信。作为主机的工控机以命令的方式对下层的采集器统一管理，采集模块上传采集到的温湿度数据，主机与各采集模块之间的通信通道校验等，它们均要求被主机选中的采集模块上传应答信号，以确保通信。上位机把采集到的温湿度值通过应用程序管理界面显示给用户，用户可通过该界面设置每一个测试点的报警上限和下限。当采集回来的温湿度值超过其对应测试点的报警上下限时，系统给出报警信号。为了实现该系统的实时性，主机是定时向各采集模块发出温湿度数据采集与读回命令的，传送回来的温湿度数据以动态刷新的形式直观的显示在主机的用户管理界面上，用户可根据需要在界面上直接设置发送采集数据与读回命令以及数据刷新的时间间隔。为了保证传输数据的可靠性，所有的命令和数据传输都制定了严格的通信协议。系统会定时将采集结果存储到数据库中，以供今后的数据分析使用，该记录时间间隔也可由用户根据需要在界面上直接设置。13温湿度数据采集器的设计总体分析本系统中温湿度数据采集器主要完成以下一系列的工作上位机接收通过RS485总线下传的命令，采集器把上位机下传的命令通过单总线下传给温、湿度传感器，然后通过单总线接收传感器的温、湿度数据。通信时各机之间必须以相同的帧格式及波特率进行通信。通信协议中，帧格式和波特率的选择，它关系到通信的效率，传输的距离和通信的可靠性，是串行通信中的一个关键参数。根据通信距离和通信速率的要求，综合考虑，在实验中，我们将波特率设置为9600BPS。采集器结构框图如图2所示P00P01P02P03P04P05P06P07P20P27RXDTXDRX485采集器地址选择SHT11看门狗P10P11P12P13P14P15P16P17AT89C51图2数据采集系统框图由图2及可以看出，数据采集器以单片机为核心，本系统软件设计包括单片机看门狗和采集器地址选择开关电路软件设计、数据采集器软件设计、RS485通信件设计。下几章分别介绍上述每个单元软件相关设计。下面是整个系统的流程图，如图3所示由图3可知，整个系统在温湿度采集系统是通过RS485通信有紧密关系的，湿度数据采集器主要完成以下一系列的工作接收上位机通RS485总线下传的命令，首先要对温湿度进行采集，开始时应上电初始化，在通过RS485网络接收数据，对采集的数据的地址进行地址校验。通信通道校验命令，所有的命令都需要采集器返回应答信号，以表明采集器的工作状态。采集器把上位机下传的命令通过单总线下传给温、湿度传感器，然后通过单总线接收传感器的温、湿度数据。2单片机控制系统电路软件设计21AT89C51单片机本系统采用的AT89C51是一个低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含4KBYTES的FLASH只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISPFLASH存储单元。AT89S51具有如下特点40个引脚，4KBYTESFLASH片内程序存储器，128BYTES的随机存取数据存储器RAM,32个外部双向输入/输出I/O口，5个中断优先级2层中断嵌套中断，2个16位可编程定时计数器，2个全双工串行通信口，看门狗WDT电路，片内时钟振荡器。图3主程序流程图单片机有4个I/0端口，每个端口都是8位双向口，共占32根引脚。每个端口都包括一个锁存器即专用寄存器POP3、一个输入驱动器和输入缓冲器。通常把4个端口称为POP3。在无片外扩展的存储器的系统中，这4个端口的每一位都可以作为双向通用I/0端口使用。在具有片外扩展存储器的系统中，P2口作为高8位地址线，PO口分时作为低8位地址线和双向数据总线。在作为一般的通用1/0输入时，都必须先向锁存器写入“1“，以免误读数据。22单片机看门狗电路的软件设计工业现场情况复杂，电磁干扰严重，当干扰信号进入系统时，常导致程序的跑飞，而程序跑飞的根本原因是由于程序计数器PC错位引起的。在程序存储器中，指令码与存放指令码的地址是一一对应的，PC的内容是要执行的指令码的址，若修改了PC的内容，打破单片机的取指操作，导致程序的非正常运行，甚至出现致命的故障。因此为了克服这一问题，在系统中采用看门狗电路监视程序的运行。若程序跑飞，则看门狗电路产生复位信号，使单片机重新返回程序正常运行状态。为此，本设计选用X5045芯片大大简化了硬件设计，提高了系统的可靠性，减少了对印制电路板的空间要求，降低了成本和系统功耗，是一种理想的单片机外围芯片。X5045看门狗电路具有多功能、反应速度快、抗干扰能力强等特点。可以说X5045是一种性价比较高的电路芯片，并可非常方便地与许多常用CPU系列器件接口，非常适用于智能仪器、实时控制、微型化等场合。1X5045工作原理X5045是一种集上电复位、看门狗、电压监控和串行EEPROM四种功能于一身的可编程控制电路，它有助于简化应用系统的设计，减少电路板的占用面积，提高可靠性。A上电复位X5045加电时会激活其内部的上电复位电路，从而使RESET引脚有效。该信号可避免系统微处理器在电压不足或振荡器未稳定的情况下工作。当VCC超过器件的VTRIP限值时，电路将在200MS典型延时后释放RESET以允许系统开始工作。B低电压检测工作时，X5045对VCC电平进行监测，若电源电压跌落至预置的最小VTRIP以下时，系统即确认RESET，从而避免微处理器在电源失效或断开的情况下工作。当RESET被确认后，该RESET信号将一直保持有效，直到电压跌到低于1V。而当VCC返回并超过VTRIP达200MS时，系统重新开始工作。C看门狗定时器看门狗定时器的作用是通过监视WDI输入来监视微处理器是否激活。由于微处理器必须周期性的触发CS/WDI引脚以避免RESET信号激活而使电路复位，所以CS/WDI引脚必须在看门狗超时时间终止之前受到由高至低信号的触发。（2）看门狗电路的软件设计X5045芯片内包含有一个看门狗定时器，可通过软件预置系统的监控时间。看门狗定时器的预置时间是通过X5045的状态寄存器的相应位来设定的。X5045状态寄存器共有6位有含义，其中WD1、WD0和看门狗电路有关，其余位和EEPR0M的工作设置有关。WD10，WD00，预置时间为14SWD10，WD0I，预置时间为06SWD1L，WD00，预置时间为02S看门狗电路的定时时间长短可由具体应用程序的循环周期决定，通常比系统正常工作时最大循环周期的时间略长即可。编程时，可在软件的合适地方加一条喂狗指令，使看门狗的定时时间永远达不到预置时间，系统就不会复位而正常工作。当系统跑飞，用软件陷阱等别的方法无法捕捉回程序时，则看门狗定时时间很快增长到预置时间，迫使系统复位。设计T0溢出所对应的中断服务程序。此子程序只须一条指令，即在T0对应的中断向量地址000BH写入“无条件转移“命令，把计算机拖回整个程序的第一行，对单片机重新进行初始化并获得正确的执行顺序图4是看门狗喂狗程序流程图，要随时等待接收命令，要是所得的命令与接收的地址码相同时，进行数据采集，在进入喂狗子程序，恢复系统后直接返回，继续等待接收命令到状态。系统中容易出现的问题只是温湿度采集，及在温湿度采集的安排喂狗的指令，如果在采集中程序跑飞，则单片机自动复位。图4看门狗喂狗程序流程图在程序初始化中向看门狗寄存器（WDTRST地址是0A6H）中先写入01EH，再写入0E1H。即可激活看门狗。其程序段见附录123采集器地址选择电路软件设计本系统中可接入多个数据采集器，为了保证主机能够分别与各个采集器进行通信，必须为每个采集器设置一个地址，而且每个采集器的地址编码在系统中都是唯一的。这个地址是通过采集器中AT89C51的P2口接入地址码开关设置的，采集器初始化时会读入该地址并保存在RAM中。如图5所示其流程图如下因为每个采集器的地址编码是唯一的，系统中每台采集模块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模块通信。作为主机的工控机以命令的方式对下层的采集器统一管理，采集模块上传采集到的温湿度数据，主机与各采集模块之间的通信通道校验等，它们均要求被主机选中的采集模块上传应答信号，以确保通信。图中采集器的地址编码执行以下程序才能确保每个唯一地址被采集，然后送给上位机。图5采集地址程序流程图3温湿度采集系统的软件设计本系统结构简单、体积小、功耗低，且配有RS485通讯接口，可以独立编址，因此可以组成现场温湿多点检测系统，能实现多次温湿度的分布式检测和集中式显示、报警功能。其中每个温湿度传感器由一台数据采集器控制，每台数据采集器负责一定区域内的温湿度监测。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。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。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。此外，RS485收发器采用平衡发送和差分接收，因此具有很强的抑制共模干扰能力。每块采集板所发送的数据采用的是RS485标准，主机发送数据采用的是RS232标准，将系统中完成两者之间转换的模块称RS485/RS232模块。本系统中温湿度采集传感器是起重要作用，根据实际需要本系统中选用SHT11温湿度传感器，其内部原理下面将详细介绍到。图6现场温湿四点检测系统，本系统包括有一个主机、RS232/RS458转换器、RS485总线和四个温湿度采集点。图6现场温湿四点检测系统31温湿度传感器SHT11是瑞士SCNSIRION公司推出的一款数字温湿度传感器芯片。该芯片广泛应用于暖通空调、汽车、消费电子、自动控制等领域。311STH11的内部结构SHT11是一款高度集成的温度、湿度传感器芯片,采用专利的CMOSENS技术,提供全量程标定的数字输出。传感器包括1只电容性聚合体湿度敏感元件和1只用能隙材料制成的温度敏感元件,并在同一芯片上与14位的A/D转换器以及串行接口电路实现无缝连接,芯片与外围电路采用二线制连接而且,每个传感器芯片都在极为精确的恒温室中以镜面冷凝式湿度计为参照进行标定,校准系数以程序形式存储在OTP内存中。312STH11的通信协议微处理器采用二线串行数字接口和温湿度传感器芯片SHT11进行通信，所以硬件接门设计非常简单；然而，通信协议是芯片厂家自己定义的，所以在软件设计中，需要用微处理器通用I/O口模拟通信协议。微处理器和温湿度传感器通信采用串行二线接口SCK和DATA，其中SCK为时钟线，DATA为数据线。该二线串行通信协议和I2C协议是不兼容的。在程序开始，微处理器需要用一组“启动传输“时序表示数据传输的启动，如图5，SCK时钟为高电平时，DATA翻转为低电平；紧接着SCK变为低电平，随后又变为高电平；在SCK时钟为高电平时，DATA再次翻转为高电平。串行时钟输入（SCK）串行时钟输入应用于母机与子机（SHT11）之间的同步通讯，串行数据（DATA）串行数据三态针用于芯片读入与输出数据，串行数据必须在下降沿后更新在串行时钟上升沿有效，需要外部上拉电阻使信号升高，在微控制器I/O电路中常使用上拉电阻。初始化传输时，应发出“传输开始”命令，命令包括串行时钟高时，串行数据低；并在SCK为高时将DATA升高。在一个字节发送结束之后主机需要释放DATA线，因为在下一个SCK信号周期，SHT1L将会向DATA线发送一个握手应答信号表示正确接收了一个字节。后一个命令顺序包含三个地址位（目前只支持“000”）和5个命令位，通过DATA脚的ACK位处于低电位表示SHT11确收到命令。图7传输开始”命令SHT11有其固定的协议。SHT11的命令为一个字节，高3位为器件地址位，由于不是标准的I2C总线，SHT11命令的地址位现在只有000可用，低5位为实际的命令代码。如表1所示其中热启动命令将使SHT11进行复位，不但使通信接口复位，同时清除状态寄存器内容为默认值SHT11热启动过程所需时间最少为1LMS,所以热启动以后需要等待1LMS以上才可以进行下一步操作。在发送每一个命令之前需要有一个传输初始化信号，即一个传输起始序列由主机拉低DATA线，在DATA为低电平期间，SCK线发送一个高一低一高的序列。（1）连接复位顺序如果与SHT11列传感器的通讯中断，下列信号顺序会使串口复位当使DATA线处于高电平时，触发SCK9次以上（含9次），则必须随后发一个前述的“传输开始”命令。表1SHT11命令代码命令代码预留000X温度测量00011湿度测量00101读状态寄存器00111写状态寄存器00110预留0101X1110X软复位、复位接口、清空状态寄存器，即清空为默认值下一次命令前等待至少11MS11110（2）测量分辨率默认的测量分辨率分别为14BIT（温度）、12BIT（湿度），也可分别降至12BIT和8BIT。通常在高速或超低功耗的应用中采用该功能。（3）加热当接通芯片上的加热元件后，传感器温度大约提高了5。功率消耗在5V电压下提高8MA。应用A通过接通传感器前后的温湿度值的变化，它的功能可以得到检验。B在高湿度环境下加热传感器元件可避免冷凝。注意当传感器加热时，内置校准并不正确。（4）SHT1X的特性工作条件运行条件外的临时偏移量为湿度信号的3RH。在回到正常工作条件后，它自动回到校准状态。要加速这个过程。32温湿度采集系统的软件设计湿度数据采集器主要完成以下一系列的工作接收上位机通RS485总线下传的命令，首先要对温湿度进行采集，开始时应上电初始化，在通过RS485网络接受数据，对采集的数据的地址进行计算。因为接收到的数据用二进制表示，而在数码管显示一般用十进制比较直观而且方便，直接存储起来，然后返回主程序。所有的命令都需要采集器返回应答信号，以表明采集器的工作状态。采集器把上位机下传的命令通过单总线下传给温、湿度传感器，然后通过单总线接收传感器的温、湿度数据如图8所示图8温湿度数据采集流程图4RS485通信的的软件设计各个采集器能够连接到RS485总线网络上的前提是采集器上RS485总线接口电路的实现。RS485是应远距离数字通信的需要而研究得到的一种支持多节点、远距离和接收灵敏度高的总线标准。该标准是一种采用平衡传输方式的串行接口标准，由于采用平衡发送和差分接收，因此具有很高的抗共模干扰能力。接收器具有很高的灵敏度，能监测到低达200MV的电压，使传输数据能在千米以外得到恢复。当数据传输速率在100KBPS时，传输距离可达1200米,若传输速率下降，则传送距离可以更远。该标准允许一对双绞线上一个发送器驱动多个负载设备，因此使用RS485总线仅用一对双绞线就能实现多站联网构成分布式系统。它以设备简单、价格低廉以及能够进行长距离可靠通信等特点，在各种工业现场控制系统中得到了广泛的应用。41MAX485简介MAX485是MAXIM公司生产的一种差分平衡型收发器芯片，是用于1VRL协议与485协议的转换的小功率收发器，它含有一个驱动器和一个接收器。单5V电源供电；工作电流在120500UA；低电流关机模式。消耗01UA电流；驱动器有过载保护功能。411MAX485主要特点MAX485采用单一电源5V工作，额定电流为300A，采用半双工通讯方式。它完成将TTL电平转换为RS485电平的功能。MAX485芯片的结构和引脚都非常简单,内部含有一个驱动器和接收器。RO和DI端分别为接收器的输出和驱动器的输入端，与单片机连接时只需分别与单片机的RXD和TXD相连即可；/RE和DE端分别为接收和发送的使能端，当/RE为逻辑0时，器件处于接收状态；当DE为逻辑1时，器件处于发送状态，因为MAX485工作在半双工状态，所以只需用单片机的一个管脚控制这两个引脚即可；A端和B端分别为接收和发送的差分信号端,当A引脚的电平高于B时，代表发送的数据为1；当A的电平低于B端时，代表发送的数据为0。在与单片机连接时接线非常简单。只需要一个信号控制MAX485的接收和发送即可。同时将A和B端之间加匹配电阻，一般可选100的电阻。可以串行口取电，可以驱动MAX232与MAX485实现通信。没加负载时电压有516V，加负载后降制3V左右。412MAX485主要技术性能MAX485是一个8脚芯片，（1RO为接收器输出若AB200MA，则RO1；若AB/MICROCONTROLLERSPECIFICLIBRARY,EGPORTDEFINITIONSINCLUDE/KEILLIBRARYISUSEDFOR_NOP_OPERATIONINCLUDE/KEILLIBRARYINCLUDE/KEILLIBRARYTYPEDEFUNIONUNSIGNEDINTIFLOATFVALUE/MODULVAR/ENUMTEMP,HUMIDEFINEDATAP1_1DEFINESCKP1_0DEFINENOACK0DEFINEACK1/ADRCOMMANDR/WDEFINESTATUS_REG_W0X06/00000110DEFINESTATUS_REG_R0X07/00000111DEFINEMEASURE_TEMP0X03/00000011DEFINEMEASURE_HUMI0X05/00000101DEFINERESET0X1E/00011110/CHARS_WRITE_BYTEUNSIGNEDCHARVALUE/WRITESABYTEONTHESENSIBUSANDCHECKSTHEACKNOWLEDGEUNSIGNEDCHARI,ERROR0FORI0X80I0I/2/SHIFTBITFORMASKINGIFI/MASKINGVALUEWITHI,WRITETOSENSIBUSELSEDATA0SCK1/CLKFORSENSIBUS_NOP_NOP_NOP_/PULSWITHAPPROX5USSCK0DATA