基于rs485的温湿度数据集中处理和显示单元硬件设计

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硬件设计THEHARDWAREDESIGNOFTHETEMPERATUREANDHUMIDITYDATAPROCESSINGANDDISPLAYUNITBASEDONRS485总计26页表格0个插图11幅学院（系）电子与电气工程系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硬件设计摘要本课题设计的是一套计算机控制的温度、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，该系统主要由温湿度数据采集单元、数据的传输和温湿度数据的集中显示和处理三部分组成，本文完成了整个系统温湿度数据采集单元的硬件设计。系统采用数字式温湿度传感器和RS485传输网络的设计思想。其中每个温湿度传感器由一个数据采集单元控制，每台数据采集单元负责一定区域内的温湿度监测。数据采集单元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。各采集单元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。系统中为主机与各采集单元之间的数据通信制定了完备的通信协议，以保证通信的可靠性。关键词RS232/RS458；单片机；数据采集；通信协议THEHARDWAREDESIGNOFTHETEMPERATUREANDHUMIDITYDATAPROCESSINGANDDISPLAYUNITBASEDONRS485ABSTRACTTHISPAPERINTRODUCESAKINDOFREALTIMEMONITORINGSYSTEMFORTEMPERATUREANDHUMIDITYCONTROLLEDBYCOMPUTER,WHICHISCANBEUSEDFORMANYAPPLICATIONSTHESYSTEMMAINLYCONSISTEDOFTEMPERATUREANDHUMIDITYDATAACQUISITIONUNIT,THEDATATRANSMISSIONANDTEMPERATUREDATADISPLAY,THISPAPERHASCOMPLETEDTHEHARDWAREDESIGNOFTHETEMPERATUREANDHUMIDITYDATAACQUISITIONSYSTEMTHESYSTEMADOPTSDIGITALTEMPERATUREANDHUMIDITYSENSORSANDRS485TRANSMISSIONNETTECHNIQUEEACHTEMPERATUREANDHUMIDITYSENSORBYADATATERMINALCONTROLEACHDATACOLLECTORISRESPONSIBLEFORAREGIONTHEKERNELOFDATACOLLECTORISMCU,WHICHTAKESCHARGEOFMEASUREMENT,CONTROLANDCOMMUNICATIONWITHTHEHOSTCONTROLLERTHERS485TRANSMISSIONNETISMADEUPOFTHEDATACOLLECTIONSTATION,WHICHCANTRANSMITFORREMOTEDISTANCEANDRESTRAINCOMMONMODEINTERFERENCETHERS232/RS485CONVERTERISUSEDFORCONVERSIONBETWEENRS485ANDRS232,WHICHISUSEDBYTHEHOSTCONTROLLER,COMPUTERASELFCONTAINEDSERIALCOMMUNICATIONPROTOCOLISDEFINED,WHICHCANHELPTHEHOSTCONTROLLERCOMMUNICATEWITHTHEDATACOLLECTORGUARANTEETHEDEPENDABILITYINTHECOMMUNICATIONKEYWORDSRS232/RS485；MCU；DATACOLLECTION；COMMUNICATIONPROTOCOL目录1引言111课题研究的目的和意义112温度、湿度数据采集与监测技术的发展历程113温度监测与报警系统的组成2131温湿度数据采集2132测量数据的传输3133数据的集中显示和处理314本课题的主要特点32系统的总体设计421系统功能422系统主要技术指标423系统的总体结构43温湿度数据采集单元的硬件设计531温湿度传感器的硬件设计6311STH11的内部结构6312温湿度传感器SHT11性能特点7313温湿度传感器SHT11工作原理7314接口电路的设计7315SHT11温湿度传感器电路设计总结832看门狗电路的设计8321X5045芯片简介8322X5045的工作原理9323X5045看门狗电路的设计933采集单元地址选择开关电路的设计1134RS485总线接口电路的设计11341MAX485芯片介绍11342RS485的技术参数12343RS485通信原理以及通信规则12344RS485总线接口电路的构成1335电源电路的设计144系统实现1541上位机系统软硬件环境1542下位机系统开发所需的硬件资源1543下位机系统硬件调试1544系统现场测试16结束语17参考文献18附录119附录220致谢211引言本章首先介绍了课题研究的目的和意义，温度、湿度数据实时采集与监测技术的发展历程，然后简要描述了温度、湿度监测与报警系统的组成，最后介绍本课题的主要特点。11课题研究的目的和意义在现代工业现场，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。因此为电缆配置在线温度监测系统，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。由此可见，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。本课题即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，友好的将数据结果显示给用户，并存储结果以方便以后的对比研究。12温度、湿度数据采集与监测技术的发展历程最早的也是最简单的实现对温度、湿度的监测是采用人工的方式，这种方式不仅效率低，劳动时间长，而且会由于抽样的不具代表性使得监测结果失去其原有的意义。该方式还有一个弊端其应用场所有很大的局限性，工作人员不可能直接测量地下电缆的表面温度；去提取存有炸药、鞭炮等危险品仓库温湿度数据的工作人员还要承担一定的风险。后来随着电子技术的出现与进步，科研人员开始采用温度与湿度传感器代替原始的温度计与湿度计，开发了以单片机为核心的监测系统，并佐以接口芯片将结果显示在LED数码显示管上，单片机可直接控制打印监测数据。这种方式在很大程度上提高了工作效率，并扩展了应用范围。但其中所采用的温度、湿度传感器直接输出为模拟电压信号，该信号在传输过程中易损耗，影响系统精度，且传输距离较近，需要经过A/D转换芯片才能被单片机接收。每个测试点都需要各自独立的信号线，为了实现多点监测不仅需要成百上千条信号线，还需要多路模拟转换开关电路轮流对多个测试点进行连续监测，从而增加了整个系统的环节，使其难于维护，价格昂贵。近年来，伴随微处理器芯片和网络通信技术的发展，为了简化系统设计并降低成本，公司及科研机构开始致力于相关领域的探索，使得温湿度数据监测数字化、网络化的实现成为可能。其中瑞士SENSIRION公司生产的具有I2C总线接口的SHT11温湿度传感器，则接口电路变得非常简单。由于其具有数字式输出、免调试、免标定、一致性好的特点，一方面减少了系统环节，另一方面保证了系统的精度。非常适合于单片机温湿度测量与控制系统，同时各软件公司开发的可视化软件开发工具，更是向着效率高、功能强大的方向努力，从而为获得良好的用户界面奠定了基础。13温度监测与报警系统的组成该系统的构成大体上可以分为三部分一是温湿度数据的采集，二是测量数据的传输，三是数据的集中显示与处理。其系统框图如图1所示，下面对以上三部分分别加以介绍。温湿度数据采集模块RS232/RS485转换模块主机报警模块图1系统组成原理图131温湿度数据采集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单元。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。SHT11是由标准数字输出的湿度和温度传感器模块组成，先定做后加工的CMOS应用程序确保高度的可靠性和稳定性。该芯片包括两个已校准的微型温度和湿度传感器，14位的A/D转换器，放大器，线性校准电路和数字串行接口，一体化的结构使它具有质量好，反应快，抗干扰，价格低等特点。每一个传感器在精确的湿度室内校准，其校准系数被写到OTP存储器中，两线制的串行接口和内部电压校准使系统一体化，既容易又快捷，它的外形小巧，能耗低，适用于许多行业。如汽车，仪表，医疗器械，供暖系统，通风设备和空调系统。132测量数据的传输各数据采集单元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。管理各采集板和进行数据集中显示和处理的计算机主机采用的是RS232通信协议，该协议只允许点对点通信最大通信距离为15米，而且驱动器只允许有2500PF的电容负载，通信距离也将受此电容限制。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。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为RS485/RS232模块。133数据的集中显示和处理该系统的使用最终是要面向用户的，因此用户监测软件的开发将决定系统能否方便高效地运行。随着面向对象编程技术的发展，各种面向对象编程语言如VB、VC、DELPHI等逐渐成为用户软件开发的得力工具，在现有的一些监测系统软件设计中都有应用实例。本系统采用面向对象开发工具VISUALBASIC编写用户界面，力图画面美观，运行可靠，操作简便、直观。用户软件功能一般包括数据读取与显示、报警参数的设置、数据记录、报表打印等。经过主机处理过的温湿度数据若已超过报警参数的范围，则需要发出报警信号，将系统中完成报警功能的模块称为报警模块。综上所述，温度、湿度监测系统的设计方法虽然不尽相同，但最终目的是安全可靠的运行，这在计算机技术飞速发展的今天已经变得越来越容易。对于温度与湿度数据，采用分布式计算机监测系统，可以大大提高各应用现场的现代化管理水平，比如电缆沟温度在线监测、电机及其接线盒温度在线监测、仓储（粮仓、冷库、油罐）监测、空调与楼宇监测等。由此可见，温度、湿度的监测系统将具有很好的应用前景。14本课题的主要特点本课题采用基于RS485网络的设计思想来设计温度、湿度实时监测与报警系统。系统的主机和多个数据采集单元间采用RS485总线通信方式传输数据，在通信中制定了完备的通信协议，主机调度工作形式，以保证通信的可靠性。温度与湿度采集均采用数字化器件，简化了系统的设计，提高了数据监测的智能化程度。数据采集单元采用双隔离供电方式，保证了系统能在恶劣的环境条件下工作。本课题设计的用户界面使用面向对象编程语言VISUALBASIC来编写，具有良好的交互性，操作方便，并且具有监测、报警、数据记录、历史显示与打印等多种功能。本文主要设计基于RS485的温湿度采集模块。2系统的总体设计本章首先介绍了该系统的功能，然后详细描述系统的总体设计，结合其结构框图说明了系统的工作过程。21系统功能该系统的功能1）采集单元地址编码为8位，根据通信距离远近，一台主机最多可管理256个数据采集单元；2）主机与数据采集单元可远距离通信；3）用户监测软件，全图形界面，可随时查询历史数据；4）可对每一个测试点设定单独的报警限值，且当采集到的数据超过其上下限时给出报警信号，同时显示测试点位置。22系统主要技术指标1）温度测量1测量范围55125；2测量精度051085；2055125；3分辨率01；2）湿度测量1测量范围199RH；2测量精度5RH25；3分辨率1RH；23系统的总体结构如下图2所示，整个监测系统从结构上分为二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AT89C51构成温湿度采集模块作作为下位机。其中温湿度结点满足1WIRE通信规约的数字化结点。上位机与下位机之间的通信为总线结构的RS485通信网。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单元统一管理，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。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2系统总体结构图3温湿度数据采集单元的硬件设计本系统中，温湿度数据采集单元主要完成以下一系列的工作上位机通过RS485总线下传命令，这些命令包括搜索底层传感器件地址码命令，启动传感器进行温、湿度数据采集命令，上传采集到的温湿度数据命令。所有的命令都需要采集单元返回应答信号，以表明采集单元的工作状态。上位机下传的命令通过RS485网络下传给温湿度传感器，然后再通过RS485网络接收传感器的温、湿度数据。采集单元结构框图如图3所示。P00P01P02P03P04P05P06P07P20P27RXDTXDRX485采集器地址选择SHT11看门狗P10P11P12P13P14P15P16P17AT89C51图3数据采集系统框图由图3及附录1、附录2可以看出，数据采集单元以单片机为核心，外围主要包括以下几个单元电路SHT11接口电路；看门狗电路；采集单元地址选择开关电路；RS485总线接口电路；供电电路。下面分别介绍上述每个单元电路的功能及特点。31温湿度传感器的硬件设计在工业生产及日常生活的许多领域，进行温湿度测量与控制，首先要选择符合要求的温湿度传感器，然后根据所选择的传感器特性设计信号处理电路及A/D转换器与计算机的接口电路。这种信号处理及接口电路往往由于精度的要求而变得复杂，特别是进行测量控制系统产品的批量生产，则在调试与校准过程中，由于传感器的线性度、重复性、互换性、一致性等方面的差别，给调试与校准带来许多工作量。如果采用瑞士SENSIRION公司生产的具有I2C总线接口的SHT11温湿度传感器，则接口电路变得非常简单。由于其具有数字式输出、免调试、免标定、一致性好的特点，非常适合于单片机温湿度测量与控制系统。但是，大多数单片机不具备I2C总线接口，因此需要设计虚拟I2C总线接口，即编写模拟I2C总线协议的接口应用程序。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。312温湿度传感器SHT11性能特点1将温湿度传感器、信号放大、A/D转换、I2C总线线接口全部集成于同一芯片；2带有工业标准的I2C总线数字输出接口；3可给出全校准相对湿度及温度值输出；4具有露点值计算输出功能；5湿度值输出分辨率为14位，温度值输出分辨率为12位，并可编程为12位和8位；6具有数据传输校验功能；7片内装载的校准系数可保证100互换性；8具有卓越的长期稳定性；9电源电压范围为2455V；10电流消耗，测量时为550A，平均为28A，休眠时为3A；11体积小765508235MM，可表面贴装,共有8个管脚，其引脚说明如下1GND接地端；2DATA双向串行数据线；3SCK时钟输入端；4VDD0455V电源端；58NC空管脚。313温湿度传感器SHT11工作原理SHT11的湿度检测运用电容式结构，采用具有不同保护的“微型结构”检测电极系统与聚合物覆盖层来组成传感器芯片的电容，除保持电容式湿敏器件的原有特性外，还可抵御来自外界的影响。由于它将温度传感器与湿度传感器结合在一起而构成了一个单一的个体，因而测量精度较高且可精确得出露点，同时不会产生由于温度与湿度传感器之间随温度梯度变化引起的误差。CMOSENSTM技术不仅将温湿度传感器结合在一起，而且还将信号放大器、模/数转换器、校准数据存储器、标准I2C总线等电路全部集成在一个芯片内。SHT11的每一个传感器都是在极为精确的湿度室中校准的，SHT11传感器的校准系数预先存在芯片内存OTP中，经校准的相对湿度和温度传感器与一个14位的A/D转换器相连，可将转换后的数字温湿度值送给二线总线器件，从而将数字信号转换为I2C总线串行数字信号。314接口电路的设计图4是AT89C51单片机与SHT11的接口电路。由于AT89C51单片机不具备I2C总线接口，故使用单片机通用I/O口线来虚拟I2C总线利用P10来虚拟数据线DATA，利用P11口线来虚拟时钟线，并在DATA端接入一只47K的上拉电阻，同时，在VDD及GND端之间接入一只01F的去耦电容。89C51单片机P10P11DATAVDDSCKGNDSHT11R1CVCCVCCR2图4AT89C51单片机与SHT11的接口电路315SHT11温湿度传感器电路设计总结SHT11数字式温湿度传感器由于将温度传感器、湿度传感器、信号放大、模/数转换器、标定参数及I2C总线接口全部集成到传感器内部。因此，该传感器具有比其它类型的温湿度传感器有许多优越的性能。首先是增强了传感器的抗干扰性能，保证了传感器的长期稳定性，而由于A/D转换的同时完成，则降低了传感器对干扰噪声的敏感程度。其次在传感器芯片内装载的校准数据保证了每一只湿度传感器都具有相同的功能，即具有互换性，且简化了接口方式，从而减少了接口电路的硬件成本。对没有I2C总线接口的单片机可借助通用I/O口线来虚拟I2C总线，采用上述编程方法可实现与之接口。32看门狗电路的设计看门狗电路一般有软件看门狗和硬件看门狗两种。软件看门狗不需外接硬件电路，但系统需要出让一个定时器资源，这在许多系统中很难办到，而且若系统软件运行不正常，可能导致看门狗系统也瘫痪。硬件看门狗是真正意义上的“程序运行监视器”，本系统设计采用X5045硬件看门狗电路。321X5045芯片简介X5045是美国XICOR公司的生产的标准化8脚集成电路，它将EEPROM、看门狗定时器、电压监控三种功能组合在单个芯片之内，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。SO串行数据输出脚，在一个读操作的过程中，数据从SO脚移位输出，在时钟的下降沿时数据改变。SI串行数据输入脚，所有的操作码、字节地址和数据从SI脚写人，在时钟的上升沿时数据被锁定。SCK串行时钟，控制总线上数据输入和输出的时序。/CS芯片使能信号，当其为高电平时，芯片不被选择，SO脚为高阻态，除非一个内部的写操作正在进行，否则芯片处于待机模式；当引脚为低电平时，芯片处于活动模式，在上电后，在任何操作之前需要CS的一个从高电平到低电平的跳变。/WP当WP引脚为低时，芯片禁止写入，但是其他的功能正常；当WP引脚为高电平时，所有的功能都正常；当CS为低时，WP变为低可以中断对芯片的写操作，但是如果内部的写周期已经被初始化后，WP变为低不会对写操作造成影响。RESET复位输出端；VCC电源端；VSS接地端。322X5045的工作原理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。1）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。2）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。3）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。323X5045看门狗电路的设计X5045硬件连接图如图5所示。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14S；WD10，WD01，预置时间为06S；WD1L，WD00，预置时间为02S；WD1L，WD01，禁止看门狗工作。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。图5看门狗电路接线图实践证明，采用该电路的数据采集的性能稳定可靠。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。33采集单元地址选择开关电路的设计本系统中可接入多个数据采集单元，为了保证主机能够分别与各个采集单元进行通信，必须为每个采集单元设置一个地址，而且每个采集单元的地址编码在系统中都是唯一的。这个地址是通过采集单元中AT89C51的P2口接入地址码开关设置的，采集单元初始化时会读入该地址并保存在RAM中。地址选择开关电路如图6所示，管脚接地表示0，管脚悬空表示1，其中给P2口外接的上拉电阻R11为810K。图6采集单元地址选择开关电路34RS485总线接口电路的设计各个采集单元能够连接到RS485总线网络上的前提是采集单元上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。本系统RS485接口电路的设计采用MAX485芯片，完成单片机的逻辑电平与RS485差分信号的相互转换。341MAX485芯片介绍1）MAX485主要特点MAX485是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。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。2）MAX485主要技术性能MAX485是一个8脚芯片（1）RO为接收器输出，若AB200MA，则RO1；若AB2则RO0；（2）RE为接收器使能，RE0时，RO有效；（3）DI为驱动器输入端；（4）DE为驱动器使能端；DE1时，可发送信息；（5）A同相接收器输入，B反相接收器输入；（6）VET为47555V；（7）最高传递速率25MBPS。342RS485的技术参数1）RS485接口标准传输方式差分传输介质双绞线标准节点数32最远通信距离1200M共模电压最大、最小值12V；7V差分输入范围7V12V接收器输入灵敏度L200MV接收器输入阻抗12K2）节点数及半双工通信所谓节点数，即每个RS485接171芯片的驱动器能驱动多少个标准RS485负载。根据规定，标准RS485接口的输入阻抗为12K，相应的标准驱动节点数为32。为适应更多节点的通信场合，有些芯片的输入阻抗设计成1/2负载、1/4负载、甚至1/8负载，相应的节点数可增加到64、128和256。RS485接口可连接成半双工和全双工两种通信方式。半双工通信的芯片有SN75176、SN75276、SN75LBC184、MAX485、MAX1487、MAX3082、MAX1483等。343RS485通信原理以及通信规则1）通信原理在由单片机构成的多机串行通信系统中，一采用主从式结构从机不主动发送命令或数据，一切都由主机控制。并且在一个多机通信系统中，只有一台单机作为主机，各台从机之问不能相互通讯，即使有信息交换也必须通过主机转发。在总线末端接一个匹配电阻，吸收总线上的反射信号，保证正常传输信号干净、无毛刺。匹配电阻的取值应该与总线的特性阻抗相当。当总线上没有信号传输时，总线处于悬浮状态，容易受干扰信号的影响。将总线上差分信号的正端A和5V电源间接一个10K的电阻，正端A和负端B间接一个10K的电阻，形成一个电阻网络。当总线上没有信号传输时，正端A的电平大约为32V，负端B的电平大约为16V，即使有干扰信号，却很难产生串行通信的起始信号0，从而增加了总线抗干扰的能力。2）通信规则由于RS485通讯是一种半双工通讯，发送和接收共用同一物理信道。在任意时刻只允许一台单机处于发送状态。因此要求应答的单机必须在侦听到总线上呼叫信号已经发送完毕，并且没有其它单机发出应答信号的情况下，才能应答。半双工通讯对主机和从机的发送和接收时序有严格的要求。如果在时序上配合不好，就会发生总线冲突，使整个系统的通讯瘫痪，无法正常工作。要做到总线上的设备在时序上的严格配合，必须要遵从以下几项原则（1）复位时，主从机都应该处于接收状态。另外，在主从机软件上也应附加若干处理措施，如上电时或正式通讯之前，对串行口做几次空操作，清除端口的非法数据和命令。（2）控制端RE，DE的信号的有效脉宽应该大于发送或接收一帧信号的宽度。在RS485半双工通讯中，必须对控制信号进行切换。控制信号何时为高电平，何时为低电平，一般以单片机的TI，RI信号作参考。发送时，检测TI是否建立起来,当TI为高电平后关闭发送功能转为接收功能接收时，检测RI是否建立起来，当RI为高电平后。接收完毕，又可以转为发送。（3）总线上所连接的各单机的发送控制信号在时序上完全隔开为了保证发送和接收信号的完整和正确，避免总线上信号的碰撞。对总线的使用权必须进行分配才能避免竞争，连接到总线上的单机，其发送控制信号在时间上要完全隔离。总之，发送和接收控制信号应该足够宽，以保证完整地接收一帧数据，任意两个单机的发送控制信号在时间上完全分开，避免总线争端。344RS485总线接口电路的构成本系统在硬件设计上采用单片机AT89C51作为微处理器，采用MAX485芯片完成单片机的逻辑电平与RS485差分信号的相互转换。微处理器AT89C51不能直接与RS485接口，因此还须加上TTL电平与RS485电平的转换电路，转换芯片选用MAX485。连接电路图如图7所示。从图中可以看出，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。R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。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。图7RS485总线接口电路35电源电路的设计系统中各数据采集单元统一由5V电源供电，如图8所示图8供电电路这是一个输出正5V直流电压的稳压电源电路。IC采用集成稳压器7805，C7、C8分别为输入端和输出端滤波电容，104电容滤除电源中的高频杂波。当输出电流较大时，7805应配上散热板。4系统实现41上位机系统软硬件环境上位机系统设计所需要的软、硬件环境主要有1）VISUALBASIC60系统软件；2）温湿度监控应用软件；3）PC机。42下位机系统开发所需的硬件资源系统设计需要硬件资源主要有1）PROTEL电路板绘图软件；2）AT89C51单片机、MAX485、X5045、SHT11等系统设计所需元器件，详细的电子元器件需求根据系统设计需要购买。3）电路板调试、焊接工具，常用的仪器有万用表、稳压电源、示波器、信号发生器、烙铁等；4）单片机系统调试仿真器。43下位机系统硬件调试当电路板经过电子工艺加工完成之后，便进入了系统调试阶段，本系统对下位机系统调试分为两部分进行，硬件调试和软件调试，下面将详述调试过程。硬件调试的主要任务是排除电路板故障，其中包括设计错误和工艺性故障。调试的过程如下1）脱机检查，用万能表按照电路原理图检查电路板中电子元器件的电源及各引脚的连接是否正确，检查数据总线、地址总线和控制总线是否有短路等故障。对需要特别保护的芯片，先对各管座的电位或电源进行检查，确定其无误后再插入芯片检查。2）检查硬件电路是否工作正常，检查单片机的时钟电路，通过测试ALE信号判断晶体工作是否正常。44系统现场测试上、下位机分别测试完成后，则进入系统连机调试阶段。将上位机和下位机通过RS485/RS232相连，通过分模块调试的方法进行调试。系统调试完成后在我院电子与电气工程系教学楼内进行了测试运行，结果表明，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，友好的将数据结果显示给用户，并存储结果以方便以后的对比研究，具有很强实用性、可靠性和各类功能，能够满足生产实际的需要。成本也低于同类其它产品，并且系统的扩展与升级也很方便。具体测试数据如下图9所示图9温湿度测试数据结束语本文从理论设计和实际制作出发，对温度湿度监测与报警系统展开分析和研究。在传统的温度湿度监测与报警系统的基础上，从四个方面入手加以改进，设计出计算机控制的温度湿度监测与报警系统。1）在PC机端集中显示和处理，增强了实用性，也便于与其他系统相集成；2）把数字一体式温湿度传感器与集中式数据采集系统相结合，提高了系统的可靠性；3）各数据采集模块构成的RS485现场总线网络，在远距离传输的同时，保持了较强的抗干扰性；4）VISUALBASIC设计主机用户管理软件系统采用VISUALBASIC设计主机用户管理软件，界面直观，操作简单，并具有历史数据、报警信息的查询与打印功能，数据库功能强大，开发周期短，效率高，与采用VC等编程语言进行设计相比，大大缩短了软件的开发周期。实践证明，该温度、湿度监测与报警系统的设计方法是可行的，工作稳定，成本也低于同类其它产品，并且系统的扩展与升级也很方便。随着电子技术软硬件的飞速发展，新产品与新技术日新月异，每一产品都面临着新的挑战。本文设计的温度、湿度监测与报警系统也有不足之处有待改进，主要表现在以下几个方面。在硬件方面，由于大规模集成电路技术的发展，高速数字处理芯片DSP和可编程逻辑器件CPLD的应用越来越广泛，用它们来设计应用数字电路，可以取代大量分离的数字芯片。不仅开发周期短，外围电路简洁，而且如果批量生产成本也会更低。数据传输部分可以采用无线通信的方式。无线数据传输对于在那些布线困难、环境恶劣的工业控制场所，不失为一种行之有效的数据传输方法，从而可以扩大温度、湿度监测与报警系统的应用范围。无线传输方式的传输距离远，可以不受障碍物的影响，因此可以节省成本，使用上也比较灵活，但由于无线信号是向空间开放的，因此比较容易受到干扰，在进行系统改进时还要考虑合理的编码与校验措施。系统还可以扩展到由PC机和工作站组成的局域网和广域网，通过INTERNET实现更远距离的监测。在软件方面，该系统中用VISUALBASIC设计出来的用户管理软件，针对每个不同的应用对象都要重新设计或修改程序。目前在工业自动化领域流行的组态软件为用户建立全新的过程