如何基于RS485總線設(shè)計(jì)溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)？

1 概述

環(huán)境條件中的溫濕度指標(biāo)是很多工作場(chǎng)合中的重要參數(shù)，不論是倉庫治理、圖書保存還是產(chǎn)業(yè)丈量與計(jì)量檢定，都需要符合操縱規(guī)定的溫濕度環(huán)境條件。而溫濕度也是最不輕易保障的指標(biāo)，針對(duì)這一情況，研制可靠且實(shí)用的溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)顯得非常重要。監(jiān)控系統(tǒng)以RS-485總線協(xié)議為基礎(chǔ)組成分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，采用PC機(jī)與單片機(jī)組成的多機(jī)系統(tǒng)完成丈量與控制任務(wù)。

2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)及工作原理

2.1網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖如圖1。系統(tǒng)采用兩級(jí)主從式總線型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。由1臺(tái)PC機(jī)(作為上位機(jī))、若干臺(tái)AT89S52單片機(jī)(作為下位機(jī))和RS-485總線通訊網(wǎng)絡(luò)組成。整個(gè)系統(tǒng)在監(jiān)控系統(tǒng)治理軟件的控制下，同一協(xié)調(diào)工作，完成設(shè)計(jì)功能。

2.2 主從式通訊網(wǎng)絡(luò)

監(jiān)控系統(tǒng)中網(wǎng)絡(luò)通訊采用RS-485串行總線連接，串行通訊具有傳輸間隔長、連接簡單、使用靈活方便、數(shù)據(jù)傳輸可靠性高的特點(diǎn)，在產(chǎn)業(yè)監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集和實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。其中采用差分通訊方式進(jìn)行信號(hào)發(fā)送與接收的RS-485(EIA-485Standard)總線協(xié)議較RS-232C協(xié)議進(jìn)步了抗共模干擾能力和傳輸速率，擴(kuò)大了傳輸間隔，更適合作為現(xiàn)場(chǎng)總線應(yīng)用于復(fù)雜的環(huán)境中的產(chǎn)業(yè)控制和實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)中[1]。

下位現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集與控制單元掛接于同一條數(shù)據(jù)通訊總線，總線為各現(xiàn)場(chǎng)單元共享，為避免總線通訊的競爭與沖突，系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通訊采用主從式和廣播式通訊控制方法。由主控微機(jī)決定一次通訊過程的啟動(dòng)和終止，通過給需要通訊的現(xiàn)場(chǎng)單元分配總線通訊使用權(quán)的方法來實(shí)現(xiàn)與下位單片機(jī)與主控微機(jī)之間的網(wǎng)絡(luò)通訊。網(wǎng)絡(luò)中的下位單片機(jī)請(qǐng)求通訊時(shí)必須等待主控微機(jī)將總線使用權(quán)分配給它后才能收發(fā)數(shù)據(jù)[2]。采用主從通訊控制方法固然速度稍慢，但由于現(xiàn)場(chǎng)單片機(jī)與主控微機(jī)間的信息交換不是特別頻繁，因此對(duì)于本監(jiān)控系統(tǒng)是適用的。

PC主控微機(jī)與各現(xiàn)場(chǎng)單元單片機(jī)之間所采用的通訊規(guī)約是自定義的、非標(biāo)準(zhǔn)的、比較簡單的格式。主控PC微機(jī)通過RS-232C串口向總線通訊協(xié)議轉(zhuǎn)換控制器發(fā)送命令幀信息，總線控制器接口電路負(fù)責(zé)RS-232C電平和RS-485電平之間的相互轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)發(fā)此通訊幀向RS-485總線網(wǎng)絡(luò)廣播。在通訊幀中包含主控微機(jī)所要求的下位現(xiàn)場(chǎng)單元編號(hào)，所有下位現(xiàn)場(chǎng)單元單片機(jī)都收聽廣播，在收到廣播幀后，進(jìn)行編號(hào)對(duì)比操縱，各下位單片機(jī)把收到的編號(hào)與自己的編號(hào)進(jìn)行比較，編號(hào)相同的下位單片機(jī)控制器為被選中的下位機(jī)，對(duì)接收到的幀信息進(jìn)行處理，其余下位單片機(jī)控制器皆為未選中的下位機(jī)，需要丟棄收到的幀信息并繼續(xù)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)偵聽工作[3]。同樣，下位現(xiàn)場(chǎng)單元單片機(jī)向主控微機(jī)發(fā)送信息幀時(shí)，由總線通訊協(xié)議轉(zhuǎn)換控制器轉(zhuǎn)換為RS-232C通訊協(xié)議電平向主控微機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)。在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)中，監(jiān)控系統(tǒng)在串行通訊波特率為9600bit/s，無奇偶校驗(yàn)位，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位的設(shè)置下通訊正常，沒有發(fā)生丟幀或錯(cuò)幀的現(xiàn)象。

2.3 下位機(jī)數(shù)據(jù)采集與控制單元

下位機(jī)是一個(gè)以AT89S52單片機(jī)為核心的數(shù)據(jù)采集與控制單元。AT89S52是一個(gè)低功耗，高性能CMOS 8位單片機(jī)，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)制造，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)及80C51引腳結(jié)構(gòu)，功能強(qiáng)大的AT89S52可為很多嵌進(jìn)式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高性價(jià)比的解決方案。 AT89S52具有如下資源：40個(gè)引腳，8k Bytes Flash片內(nèi)程序存儲(chǔ)(In system programmable可反復(fù)擦寫1000 次)，256 bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(RAM)，32個(gè)外部雙向輸進(jìn)/輸出(I/O)口，5個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)2層中斷嵌套中斷，2個(gè)16位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器，2個(gè)全雙工串行通訊口，看門狗(WDT)電路，片內(nèi)時(shí)鐘振蕩器?？赏ㄟ^軟件設(shè)置省電模式?？臻e模式下，CPU暫停工作，而RAM定時(shí)計(jì)數(shù)器，串行口，外中斷系統(tǒng)可繼續(xù)工作，直至外中斷激活或硬件復(fù)位[4]。下位機(jī)分別接有8路溫度濕度傳感器，進(jìn)行溫度濕度檢測(cè)，并根據(jù)各路的均勻溫度和均勻濕度，控制除濕機(jī)、空調(diào)機(jī)或其他設(shè)施，以使環(huán)境溫度與濕度控制在特定的范圍內(nèi)，并輪流顯示均勻溫度、濕度值。下位機(jī)還設(shè)有煙霧、火光和熱釋電紅外傳感器及其相關(guān)電路 ，組成防火、防盜報(bào)警系統(tǒng)。下位單片機(jī)通過TTL/RS-485通訊接口電路與總線網(wǎng)絡(luò)相連接構(gòu)成半雙工主從式串行通訊網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)下位機(jī)通過串行口與上位機(jī)交換數(shù)據(jù)。下位機(jī)是一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的智能型區(qū)域數(shù)據(jù)丈量與控制子系統(tǒng)，當(dāng)監(jiān)控主機(jī)與下位單片機(jī)之間的通訊發(fā)生故障時(shí)，各下位機(jī)仍可獨(dú)立完成相關(guān)區(qū)域的數(shù)據(jù)采集、告警和控制功能。

各溫度和濕度傳感器分別將檢測(cè)到的溫度和濕度物理量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)各自的低噪聲放大器放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換器(A/ D)后，送到AT89S52單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理。下位機(jī)可接受上位機(jī)的訪問，根據(jù)需要將溫度、濕度數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳遞給上位機(jī)，由上位機(jī)對(duì)各倉庫的溫濕度數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄并做相應(yīng)處理。由于不同武器裝備對(duì)環(huán)境溫、濕度要求不同，用戶可通過外加鍵盤，在所需要的范圍內(nèi)隨意設(shè)置系統(tǒng)監(jiān)控的溫、濕度指標(biāo)，以便系統(tǒng)適應(yīng)不同的需要。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)與開發(fā)

網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)與開發(fā)采用基于面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)思想和關(guān)系數(shù)據(jù)庫技術(shù)，在Windows9x/2000/XP系統(tǒng)平臺(tái)上采用 Borland C++ Builder編程語言開發(fā)而成。監(jiān)控系統(tǒng)軟件完成的主要任務(wù)和功能有:系統(tǒng)組態(tài)、串行通訊治理、圖形顯示治理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、報(bào)表打印、統(tǒng)計(jì)分析、異常處理等。倉儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)功能較多而復(fù)雜，而且層次比較多。因此在設(shè)計(jì)上首先基于Windows的多任務(wù)處理機(jī)制，前臺(tái)完成命令響應(yīng)、各模塊調(diào)用以及系統(tǒng)工作狀態(tài)的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)圖形化顯示等，后臺(tái)負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)監(jiān)視接收各下位現(xiàn)場(chǎng)單元發(fā)送的數(shù)據(jù)、定時(shí)巡檢或隨機(jī)抽檢工作現(xiàn)場(chǎng)的單片機(jī)控制器、進(jìn)行異常處理和報(bào)警處理等;在編程技術(shù)上采用VCL組件開發(fā)技術(shù)，應(yīng)用多線程技術(shù)進(jìn)行多任務(wù)處理;其次，采用模塊化程序設(shè)計(jì)，把一個(gè)大的程序劃分為若干個(gè)小的功能模塊，每個(gè)模塊之間既相互獨(dú)立又相互聯(lián)系，這樣可以進(jìn)步軟件的可維護(hù)性、可讀性、可靠性和高效性[2]。

3.2 下位機(jī)程序設(shè)計(jì)[5]