溫濕度監控系統設計

(江陰職業技術學院 電子信息工程系，江蘇 江陰 214405)

0 引言

環境溫濕度的變化會時刻影響著人們的日常生活，而伴隨著氣候和環境問題的日益嚴峻，人們對于溫濕度這一基本環境要素愈加關注，更希望可以實時獲知一定范圍內具體溫濕度要素信息。多點分布式監控系統能夠適用于該采集控制領域。但其具有采樣節點多，傳輸距離相對較遠，且工作環境較為惡劣的特點。

本課題根據設計需要，構建了以STC12C5A60S2單片機為控制核心，基于RS-485總線的溫濕度監測與控制系統，實現了PC上位機與多個終端檢測節點之間的遠距離通信功能。

主要設計內容有：

1)提出一種基于RS-485總線的遠程溫濕度監測與控制系統的方案，該監控系統主要由PC上位機、232/485轉換接口以及終端溫濕度檢測節點組成；

2)完成終端檢測節點的硬件電路與軟件設計，溫度精確到0.1 ℃，濕度精確到1%，在檢測到數據之后，通過控制風扇或加濕器實現對溫濕度遠程監測和控制，將溫濕度控制在設定閾值范圍之內；

3)設計基于RS-485總線通訊的通信協議，完成多個終端檢測點對環境溫濕度的采集并通過RS-485總線傳輸到PC上位機；

4) 設計完成PC上位機監控界面，能夠對溫濕度數據進行實時波形和數值顯示，此外還能夠對環境溫濕度設定閾值，當環境溫濕度變化超出了預設情況時，工作人員可以通過系統對終端部分的溫濕度進行實時調控。

本系統實現了多個終端檢測節點環境溫濕度的采集，實現了采集數據的遠距離通信，基于RS485總線通信基礎上的監控系統，實現了環境溫濕度的采集、處理、對所采集到的數據進行遠距離的傳輸和處理，通過對測試表明該系統的可靠性高、傳輸速度快、誤碼率低等優點，基本上完成了實際工作需求。基于RS485總線構成通信網絡能夠支持該系統的穩定運行和可靠傳輸，可以實現主機對從機的監測和控制。

1 系統結構及原理

1.1 RS-485串行總線標準

單片機、PC及其他設備之間進行的信息交換稱為數據通信，數據通信的方式有并行數據通信和串行數據通信兩種，實際應用中具體采用哪種方式，要根據數據傳送的距離來決定。如果是PC和外圍設備之間的數據通信，距離小于30 m時，可以采用并行數據通信；而距離大于30 m時，則應采用串行數據通信。如果是單片機或PC與測量儀器之間的數據通信，距離小于15 m時，可以采用并行數據通信；而距離大于15 m時，則應采用串行數據通信[1]。

在通信距離要求為幾十米到上千米時，通常采用RS-485串行總線標準格式。485總線采用了平衡發送和差分接收的接口標準。在發送端將串行口的TTL電平信號轉換成差分信號由A、B兩線輸出，經過雙絞線傳輸到接收端后，再將差分信號還原成TTL電平信號。由于總線上傳輸的是一對差分信號，為穩定信號傳輸，通常采用外加屏蔽層的雙絞線傳輸數據，屏蔽層可靠接地。同時，總線上的收發器靈敏度相對較高，具有較強的抗共模干擾能力，因此傳輸的數據信號經過遠距離傳輸也都可以完好恢復。

本設計是基于RS485的遠程溫度監測系統，屬于遠距離的數據通信，所以采用串行數據通信的通信方式

1.2 多機通信

多機通信是目前通信控制領域里的主流通訊方式，點對點的的通信形式相較于多機通信而言已經無法滿足人們對于現代數據通訊的需要。基于單片機的多機通信的網絡拓撲結構由兩臺及以上的單片機構成，單片機之間的相互通訊以及對于某一過程的控制采用串行通信方式實現。主流的多機通信的形式有以下4種形式及星型、環型、串行總線型以及主從多機型[2]。

RS-485總線能夠支持多機通信模式，其工作方式是半雙工方式。對于遠距離信號傳輸而言，總線上會產生影響數據穩定的反射回波信號，因此，為了能夠穩定工作，RS-485總線通常在總線網絡的首尾兩端即開始端口和結束端口都并接120 Ω的電阻，構成終端匹配的總線型網絡拓撲結構。

本系統的通信方式是一點對多點的通信方式，也就是說主機讀取從機的信息，并且可以控制從機做出相應動作。為了區別各從機，需要對每臺從機進行編號，如1號機是0x01、2號機是0x02、3號機是0x03，主機根據相應的編號識別從機，而從機也根據編號識別由主機通過485總線上發送的命令是否是本機的。

本系統以STC12C5A60S2單片機為核心設計電路，采用主從式多機型，是一種分散型的拓撲網絡布線結構。本設計采用軟硬件相結合的方式，具有接口簡單和使用靈活等優點。圖1為主從式基于RS485總線的單片機多機通信系統框圖。

圖1 基于RS-485總線單片機多機通信系統框圖

主控機通過RS485轉RS232與上位機進行串口通訊，借助RS485總線與從機電路構成采集、控制通訊網絡。每個從機都能實時對環境周圍的溫濕度進行采集，并且將所采集到的數據發送給主控機；而主控機可以對接收到的每個從機所發送的信息進行相應的處理后轉發給上位機，并且向所需要控制的從機發送上位機的相應命令。

1.3 RS232/RS485

由于上位機和主控機之間的串口電氣特性不同，不能直接相通，因此需要將RS232C接口信號轉換為RS485接口信號。本系統借助MAX232和MAX485芯片來實現兩者之間的電平轉換，轉換器能夠將RS-232串行口的TXD和RXD信號轉換成平衡的半雙工的RS-485信號實現串口通信鏈接[3]。

具體電路圖如圖2所示。

圖2 RS232/RS485電路原理圖

2 系統硬件電路設計

整個監測系統硬件電路部分主要分為兩個部分：主控機系統和從機系統兩部分。

2.1 主控機部分

根據系統的要求，主控機部分需要完成的功能：是讀取并轉發從機采集回來的實時數據信息，并且對從機的外設進行控制。主控機系統原理圖如下圖3所示。

圖3 主控機系統原理圖

在主控機系統中，STC12C5A60S2單片機是整個主控機系統的核心，整個主控機系統運行的控制由單片機進行處理。它既協調整機工作，又處理數據，是軟硬件系統連接的橋梁。

該單片機有兩個串口，其中串口1用來和從機進行通訊，串口2用來和上位機進行通訊。

2.2 從機部分

從機部分負責采集相關信息，等待主控機的控制命令。以STC12C5A60S2單片機為核心，溫濕度傳感器采用DHT21。主要的功能是：正常模塊下循環采集傳感器的數據，并且處于監聽狀態，通過串口1來監聽主控機是否發送上傳數據命令或者控制繼電器命令[4]。根據這些要求，從機系統的原理圖如下圖4所示。

圖4 從機系統原理圖

2.2.1 溫度采集電路設計

DHT21數字溫濕度傳感器是一款含有已校準數字信號輸出的溫濕度復合傳感器。它應用專用的數字模塊采集技術和溫濕度傳感技術，以保證產品具有極高的可靠性與卓越的長期穩定性。

圖5 DHT21外觀和接線

圖5(a)為DHT21傳感器的外形和內部結構圖，該傳感器內部含有一個8位的高性能的單片機，它與傳感器內嵌的電容型的感濕器件和NTC型感溫器件相互連接，采集到的溫濕度值以數字形式輸出。每個DHT21傳感器都經過校驗，內部在信號處理的過程中通過調用標準系數來修正測量數值，從而確保產品的測量數據穩定和可靠。該傳感器的數據輸出接口采用單總線制型，傳輸有效距離可達20米以上，其抗干擾和性價比相對較高。通常，產品的封裝采用4針單排結構，與單片機連接的參考方式可以如圖5(b)所示。

在本系統中，該單總線制輸出的DHT21溫濕度傳感器與STC12C5A60S2單片機連接的外圍電路相對較為簡單， 1號腳5 V電源，3號腳接電線，2號腳是數據腳，為信號的穩定輸出，數據腳接了一個上拉電阻S3(4.7 K)與STC12C5A60S2單片機的P2.0口相連，通過這條數據線接收數字式的溫濕度測量值。4號腳懸空不用。

2.2.2 繼電器控制電路設計

該部分主要是對所采集到的溫濕度指標來做出相應的響應。該電路直接與單片機的P2.7口相連，由單片機的P2.7口進行直接控制。設置為低電平時吸合繼電器，即當P2.7為低電平時，三極管(Q1)工作，此時三極管(Q1)的集電極為高電平，這樣線圈就得電吸合繼電器。如果P2.7為高電平，此時三極管(Q1)不工作，三極管(Q1)的集電極為低電平，繼電器不工作

3 系統軟件程序設計

控制系統主要由三部分組成：上位機部分、主控機部分和從機部分。其中上位機部分采用C++語言編寫。從前面可以看出，本系統的上位機采用C++語言編寫，從機端軟件包括溫濕度采集和RS-485總線通信程序，主控端軟件主要包括RS-485總線通信程序。整個程序的流程和協議設計密切相關[5]。

3.1 通信協議設計

對于任何涉及通信或者數據交換的系統，通信協議的設計都是軟件設計的前提和關鍵。整個系統軟件分為上位機端和主控機(單片機)端、主控機(單片機)端和從機(單片機)端兩部分。

對于協議設計而言，最重要的就是數據幀結構的設計。本系統中數據幀結構的定義如下列表格所示。

上位機端和主控機端之間的數據幀協議如下：

R濕度十位濕度個位.濕度小數位T溫度十位溫度個位.溫度小數位設備代碼

其中：濕度以R開頭，含一個小數位，溫度以T開頭，含一個小數位，設備代碼如1號從機則為A，2號從機則為B。

如當前溫度為16.1度，濕度為73.9%，1號機上傳，那么它的數據幀表示為：

設備代碼指令代碼

上位機端和主控機端之間的控制幀協議如下：設備代碼指令代碼其中：設備代碼如1號從機則為A，2號從機則為B。增加濕度為0xf1、降低濕度為0xf2 停止為0xf3。

主控機端和從機端之間的協議如下：

0xf7濕度十位濕度個位濕度小數位溫度十位溫度個位溫度小數位0xf3

其中：0xf7為數據幀頭，0xf3為數據幀尾，總共8個字節。

如當前溫度為16.1度，濕度為73.9%，1號機上傳，那么它的數據幀表示為：

3.2 下位機程序設計

主控機主導整個通信過程。由主控機輪詢各個節點處的從機，并要求這些從機提交其相對應的采集溫濕度信息，同時根據上位機的控制命令，對相應從機轉發控制命令[6]。

3.2.1 主控機程序設計

系統主控機主要軟件設計思想是：先進行相關參數的初始化(串口、看門狗、當前狀態)，然后依次輪循發送從機地址，在等待過程中，主控機將從機上傳的溫濕度數據按照幀格式的要求上傳至上位機，同時主控機接收上位機發送的控制命令[7]。主控機的主流程圖如圖6所示。

圖6 主控機主流程圖

3.2.2 從機程序設計

對于從機而言，它的工作與主機密切相關，它是完全被動的，根據主機的指令執行相應的操作。總的流程是：先進行相關參數的初始化(串口、看門狗)，然后實時收集環境的溫濕度信息，當從機收到主機發送的從機地址時，首先判斷是不是它的地址，如果是，則從機按照數據幀要求發送溫濕度數據給主控機，如果不是，該從機將不發送。同時從機還接收主控機發送的控制命令[8]。從機的主流程圖如圖7所示。

圖7 從機主流程圖

3.3 上位機結構拓撲圖

在上位機C++程序的編寫中，最重要的是串口的初始化程序和接收觸發程序的設計。本程序使用C++6.0的通用串口控件MSComm來對發送到串口的數據進行采集處理。主要結構拓撲圖如圖8所示。

圖8 上位機系統拓撲圖

打開上位機軟件，開始設置串口，在上位機接通正常的情況下，上位機可以數字和實時曲線兩種方式顯示當前的從機溫濕度信息，并能夠指示從機號，調制溫濕度上下限制，系統可以自動發送或手動發送控制命令。同時，在 系統運行期間能夠實時顯示系統時間[9]。

4 系統調試

整個系統調試是本設計中的關鍵部分所在。主要分為主、從機硬件部分和上位機軟件部分兩部分的調試。

4.1 主、從機硬件調試

本系統的硬件分為主控機和從機兩部分，但基本的調試方法都大致相同。具體方法是：先檢查電路，并且確認無短路或斷路的地方。如果都正常，則可以給電路進行通電檢測。在進行通電連調時要結合軟件調試進行，此時出現的問題往往可能不是硬件的問題，有些地方也有軟件的設置問題。

4.2 上位機軟件調試

上位機軟件調試主要是結合串口調試助手測試。整個軟件調試時的難點是通信協議方面的調試。

圖9所示的是1號從機向上位機傳送當前的采集溫度是16.1 ℃，濕度是73.9%。同時系統能夠比較當前濕度和上、下限值來自動或手動發送控制命令。

圖9 1號從機向上位機傳送當前的采集數據信息

5 結論

人們一直在追求并提高通信性能，本系統以STC12C-5A60S2和MAX485為核心部件，使用數字溫濕度傳感器DHT21芯片，實現對周圍環境的溫濕度進行監測，并對相應的監測結果做出相應的處理。本系統最主要的核心在于串口通信協議的設置，重點設計的內容是單片機之間的串行異步多機通信[10]。

單片機多機通信在實際應用中，其性能的優越性和穩定性已逐漸被不少用戶所認可，可以預見，支持高速率、遠距離、性能穩定的通信標準將在激烈的市場競爭中脫穎而出，并隨著技術進步而更加完善，它必將得到更廣泛的應用和推廣。