基于C#的溫濕度監控系統軟件設計

王子權，陳偉男，吳開祥，姚瀟駿

（上海衛星裝備研究所，上海 200240）

航天產品生產、制造過程必須保證環境溫濕度在要求的范圍內，因此對環境溫濕度的檢測極為重要[1-2]，同時為測量或監測控制產品的溫濕度，從而通過試驗方法得出溫濕度的變化規律等，通常需研制某些溫濕度測量設備，以供監測使用[3-7]。目前，常用的溫濕度同時測量設備主要采用目前較成熟的溫濕度測量一體機，各行業工程技術人員或學者對工業用溫度、濕度檢測設備的研制及研究層出不窮，其主要研制思路基本可概括為以某種類型的微控制器作為通信與數據處理的核心，以某種類型的傳感器或變送器作為設備的末端敏感裝置，以某種界面設計系統進行設備的人機交互設計[8-14]。而溫濕度監測設備常用的通信協議或通信接口為串行通信的RS232、RS422 或RS485 等，其中以串口DB-9的RS232 接口最為常用，總線僅需連接RX、TX 和GND 即可完成異步串行通信，而無需額外的通信芯片，因此可基于RS232 通信協議，進行本文的軟件設計，以兼容市面上大多數的溫濕度監測終端機。在C#編程語言及Visual Studio 中，提供了一種IO端口串口通信類System.IO.Ports.SerialPort，通過該類可實現對計算機串口的配置，包括串口端口、波特率、奇偶檢驗位、數據位數、停止位數，并可將串口讀寫數據通過字符或字符串的方式保存或發送，實現軟件與終端設備的串口通信功能，同時通過Visual Studio 窗體開發工具，可方便地進行軟件界面的開發，為本文的軟件系統設計提供了有利保障。

本文為實現對部組件級航天產品溫濕度監測與實驗研究，并對溫濕度監測終端機發出的溫濕度量進行曲線顯示、開環或閉環控制，基于C# 編程語言開發了一種溫濕度監控系統軟件，軟件以RS232為與終端機通信的接口協議，在Visual Studio2013中設計了軟件的主界面、串口調試助手界面、控制參數設置界面、溫濕度監控界面、開環控制系統界面、閉環控制系統界面等，為航天產品的溫濕度監控提供了一種兼容性良好的上位機系統。

1 系統界面設計

1.1 主界面

啟動軟件進入主界面，如圖1所示。主界面包括菜單欄 “文件”、“串口配置”、“參數設置” 組成；“文件”下拉菜單欄包括“退出”、“關于系統”，通過“退出”退出整個軟件，通過“關于系統”查看關于系統信息；“串口配置”下拉菜單包括“串口調試”、“查看配置信息”，通過“串口調試”打開串口調試助手界面，通過“查看配置信息”查看串口配置信息；“參數設置”下拉菜單包括“開環控制參數”、“PID 控制參數”，通過“開環控制參數”進入開環控制參數設置界面，通過“閉環控制參數”進入閉環控制參數設置界面；界面中包括“串口配置”組框，組框中包括“端口”、“波特率”、“校驗”、“數據”、“停止位” 文本框及其對應下拉列表框；“端口”下拉列表用于顯示串口號信息（“COMi”，i=1，2，…，20），最大顯示20個可用串口；“波特率” 下拉列表用于顯示串口波特率信息（"600"，"1200"，"2400"，"4800"，"9600"，"14400"，"19200"，"115200"）；“校驗”下拉列表用于顯示串口奇偶校驗位信息（"None"，"Odd"，"Even"）；“數據”下拉列表用于顯示串口數據位信息（"5"，"6"，"7"，"8"）；“停止位”下拉列表用于顯示串口停止位信息（"1"，"1.5"，"2"）； 系統默認串口配置為：COM1，115200，None，8，1，并將配置信息保存至文件“config Pro.ini”；通過“打開串口”按鈕將串口打開，若串口打開成功則“打開串口”按鈕的文本顯示為“關閉按鈕”，否則彈出"串口打開錯誤"提示框；從主界面可選擇進入子界面，通過“串口調試助手”按鈕進入串口調試界面；通過“控制參數設置”按鈕進入開環或閉環控制參數設置界面，系統默認第一打開為開環控制系統界面，若用戶通過“PID 控制參數”下拉菜單功能進行了PID 控制參數的設置，則通過“控制參數設置”按鈕打開閉環控制參數設置界面，則通過“開環控制系統”按鈕進入開環監控界面；通過“閉環控制系統”按鈕進入閉環監控界面。

圖1 軟件主界面Fig.1 Main interface of software

1.2 串口調試助手界面

如圖2所示，串口調試助手界面，進行串口收發數據顯示；收發模式均包括數值型和字符型；通過“清空發送區”按鈕清空發送區的可編輯文本框內所有數據；通過“清空接收區”按鈕清空接收區的不可編輯文本框內所有數據；通過“發送”按鈕將發送區的數據發送至終端機；通過“關閉調試”按鈕關閉串口調試助手界面。

圖2 串口調試助手界面Fig.2 Interface of serial port debugging assistant

1.3 PID 控制參數設置界面

如圖3所示，其中圖3（a）為開環控制參數設置界面，包括“溫度控制參數”組框、“濕度控制參數”組框、“閉環控制參數”組框，但“閉環控制參數”組框失能，“控制溫度”和“控制濕度”文本編輯框失能；通過可編輯文本框設置開環溫度、濕度控制參數的最小、最大控制溫度、濕度；通過“鎖定溫度參數”和“鎖定濕度參數”按鈕將最小溫度、最大溫度、最小濕度、最大濕度文本編輯框失能，此時“鎖定溫度參數”和“鎖定濕度參數”按鈕文本顯示為“解鎖溫度參數”和“解鎖濕度參數”，此時最小溫度、最大溫度、最小濕度、最大濕度文本編輯框使能；通過“發送至控制器”按鈕將開環溫度、濕度控制參數發送至終端機，若串口未打開，則彈出“串口未打開！請在主界面打開串口”提示框，否則判斷文本編輯框中的文本是否為浮點型數據，若不為浮點型數據，則對應彈出數據非法提示框，否則最小、最大溫度數據分別以“A”和“B”開頭，最小、最大濕度數據分別以“D”和“E”開頭，并同時開啟5 s 定時器線程，當系統在5 s 內接收到“Done”字符串則彈出“發送并接收完畢！ ”提示框，否則彈出“發送接收任務錯誤或超時！ ”提示框。

通過“取消”按鈕退出參數設置界面；通過“退出”按鈕退出參數設置界面，若未向終端機成功發送控制參數，則彈出“未向串口發送數據”提示框。

如圖3（b）所示，閉環控制參數設置界面，相對開環控制參數設置界面，將 “控制溫度”、“控制濕度”可編輯文本框和“閉環控制參數”組框使能，可進行控制溫度、控制濕度以及溫度PID 和濕度PID參數的設置，其余功能與開環控制參數設置界面一致。

圖3 PID 控制參數設置界面Fig.3 Interface of PID control parameter settings

在參數設置界面左下角最后一行，顯示了該界面操作的使用說明書字段，如“設置溫度和濕度開環控制參數，PID 閉環參數，并發送至控制器”。

1.4 PID 控制系統

如圖4（a）所示，通過主界面“開環控制系統”按鈕進入開環控制系統界面；界面中顯示了最小溫度“TMin”、最大溫度“TMax”，控制溫度“TCon”，但“TCon”指示燈為灰色，表示不進行狀態顯示；顯示了最小濕度“HMin”、最大濕度“HMax”，控制濕度“HCon”，但“HCon”指示燈為灰色，表示不進行狀態顯示； 顯示了溫度控制和濕度控制的PID 參數，但不進行PID 監控；通過溫度和濕度顯示圖控件顯示溫度和濕度變化曲線；通過可編輯文本框設置顯示圖控件的Y 軸坐標量程；通過可編輯文本框顯示當前溫度和當前濕度數據；通過“退出”按鈕退出開環控制系統界面；若當前溫度在最小溫度和最大溫度之間時，最小溫度和最大溫度指示燈為藍色，若當前溫度小于最小溫度，則最小溫度指示燈為紅色，最大溫度指示燈為藍色，否則最小溫度指示燈為藍色，最大溫度指示燈為紅色；若當前濕度在最小濕度和最大濕度之間時，最小濕度和最大濕度指示燈為藍色，若當前濕度小于最小濕度，則最小濕度指示燈為紅色，最大濕度指示燈為藍色，否則最小濕度指示燈為藍色，最大濕度指示燈為紅色。

如圖4（b）所示，通過主界面“閉環控制系統”按鈕進入閉環控制系統界面，界面除開環控制系統界面有的功能外，控制溫度“TCon”和控制濕度“HCon”使能，并開啟溫度和濕度的PID 監控；若當前溫度與控制溫度的差值絕對值小于0.5 時，控制溫度指示燈為紅色，否則為藍色；若當前濕度與控制濕度的差值絕對值小于5 時，控制濕度指示燈為紅色，否則為藍色。

圖4 PID 控制系統界面Fig.4 Interface of PID control system

2 實驗調試

2.1 調試系統組成

如圖5所示，實驗調試系統包括PC 機、具有溫濕度開環輸出的冷氣機、STM32 溫濕度測控系統開發板、多層隔熱組件等。其中PC 機負責運行溫濕度監控軟件，并與STM32 單片機通過串口連接；STM32 開發板包括USB 供電電源及轉串口電路、STM32 控制核心、傳感器連接板、溫濕度傳感器等；冷氣機為可手動設置出氣溫度的設備，但不具備溫度的控制功能，同時輸出一定的含水氧氣體，導致環境濕度增加；多層隔熱組件為阻隔冷氣機輸出的冷氣與外界環境產生對流換熱，使得溫濕度梯度變化明顯，能夠獲得較好的實驗效果。

圖5 實驗系統組成Fig.5 Composition of experimental system

2.2 調試結果

設置冷氣機輸出溫度為24.6 ℃，設置溫度開環控制參數的最小溫度為30 ℃、最大溫度為80 ℃；最小濕度為30%RH、最大濕度為55%RH，如圖4（a）所示，此時溫度控制“TMin”指示燈文紅色，“TMax”指示燈為藍色；濕度控制“HMin”指示燈為藍色，“HMax”為紅色。得到系統監測的溫濕度變化曲線如圖6所示。由圖6（a）可知測量得到的溫度數據基本穩定在24.65 ℃左右，最大溫度為24.67 ℃，最小溫度為24.62 ℃，溫度變化曲線不呈現明顯的直線變化規律，這與環境干擾、多層隔熱組件組成的氣流流道不規則等因素有關，但測得的溫度基本與24.6 ℃一致，誤差不超過0.1 ℃；由圖6（b）可知測量得到的濕度數據基本穩定在60.6%RH 左右，最大濕度為60.75%RH，最小濕度為60.31%RH，濕度變化曲線不呈現明顯的直線變化規律，與溫度數據相對應，在溫度較高時，濕度則較低，在溫度降低時，濕度則有所增大，與實際溫濕度變化趨勢一致，符合實際情況。

圖6 溫濕度變化曲線Fig.6 Curve of temperature and humidity change

調試結果表明，軟件系統與STM32 開發板終端機實現了良好的RS232 通信，通信過程穩定可靠，無數據失幀、采傳失敗等現象，同時軟件系統很好地實現了字符串收發，并向浮點型數據的轉型，實驗獲得的溫濕度變化曲線符合實際溫濕度變化趨勢，為基于C# 語言的監控系統上位機軟件設計提供了參考。

3 結語

開發了一種基于C# 的溫濕度監控系統軟件，可兼容以RS232 串口為通信協議的終端機發出的溫濕度數據進行曲線顯示、開環或閉環控制等功能。設計了軟件系統的主界面、串口調試界面、控制參數設置界面、監控系統界面等，介紹了軟件界面的使用方法、操作邏輯。通過開環監控實驗驗證了軟件系統的穩定性，系統可應用于多種需溫濕度監測的工業生產現場。