如何基于RS485總線設(shè)計溫濕度監(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),針對這一情況,研制可靠且實用的溫濕度監(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機與單片機組成的多機系統(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)采用兩級主從式總線型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。由1臺PC機(作為上位機)、若干臺AT89S52單片機(作為下位機)和RS-485總線通訊網(wǎng)絡(luò)組成。整個系統(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,在產(chǎn)業(yè)監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集和實時控制系統(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,擴大了傳輸間隔,更適合作為現(xiàn)場總線應(yīng)用于復(fù)雜的環(huán)境中的產(chǎn)業(yè)控制和實時監(jiān)控系統(tǒng)中[1]。
下位現(xiàn)場數(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。由主控微機決定一次通訊過程的啟動和終止,通過給需要通訊的現(xiàn)場單元分配總線通訊使用權(quán)的方法來實現(xiàn)與下位單片機與主控微機之間的網(wǎng)絡(luò)通訊。網(wǎng)絡(luò)中的下位單片機請求通訊時必須等待主控微機將總線使用權(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)場單片機與主控微機間的信息交換不是特別頻繁,因此對于本監(jiān)控系統(tǒng)是適用的。
PC主控微機與各現(xiàn)場單元單片機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所要求的下位現(xiàn)場單元編號,所有下位現(xiàn)場單元單片機都收聽廣播,在收到廣播幀后,進(jìn)行編號對比操縱,各下位單片機把收到的編號與自己的編號進(jìn)行比較,編號相同的下位單片機控制器為被選中的下位機,對接收到的幀信息進(jìn)行處理,其余下位單片機控制器皆為未選中的下位機,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)場單元單片機向主控微機發(fā)送信息幀時,由總線通訊協(xié)議轉(zhuǎn)換控制器轉(zhuǎn)換為RS-232C通訊協(xié)議電平向主控微機轉(zhuǎn)發(fā)。在設(shè)計實驗中,監(jiān)控系統(tǒng)在串行通訊波特率為9600bit/s,無奇偶校驗位,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)生丟幀或錯幀的現(xiàn)象。
2.3 下位機數(shù)據(jù)采集與控制單元
下位機是一個以AT89S52單片機為核心的數(shù)據(jù)采集與控制單元。AT89S52是一個低功耗,高性能CMOS 8位單片機,器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)制造,兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)及80C51引腳結(jié)構(gòu),功能強大的AT89S52可為很多嵌進(jìn)式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高性價比的解決方案。 AT89S52具有如下資源:40個引腳,8k Bytes Flash片內(nèi)程序存儲(In system programmable可反復(fù)擦寫1000 次),256 bytes的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器(RAM),32個外部雙向輸進(jìn)/輸出(I/O)口,5個中斷優(yōu)先級2層中斷嵌套中斷,2個16位可編程定時計數(shù)器,2個全雙工串行通訊口,看門狗(WDT)電路,片內(nèi)時鐘振蕩器??赏ㄟ^軟件設(shè)置省電模式??臻e模式下,CPU暫停工作,而RAM定時計數(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]。下位機分別接有8路溫度濕度傳感器,進(jìn)行溫度濕度檢測,并根據(jù)各路的均勻溫度和均勻濕度,控制除濕機、空調(diào)機或其他設(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、防盜報警系統(tǒng)。下位單片機通過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),實現(xiàn)下位機通過串行口與上位機交換數(shù)據(jù)。下位機是一個相對獨立的智能型區(qū)域數(shù)據(jù)丈量與控制子系統(tǒng),當(dāng)監(jiān)控主機與下位單片機之間的通訊發(fā)生故障時,各下位機仍可獨立完成相關(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到的溫度和濕度物理量轉(zhuǎn)換成電信號,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單片機進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理。下位機可接受上位機的訪問,根據(jù)需要將溫度、濕度數(shù)據(jù)實時傳遞給上位機,由上位機對各倉庫的溫濕度數(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
3.1網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)軟件的設(shè)計與開發(fā)
網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)軟件的設(shè)計與開發(fā)采用基于面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計思想和關(guān)系數(shù)據(jù)庫技術(shù),在Windows9x/2000/XP系統(tǒng)平臺上采用 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、報表打印、統(tǒng)計分析、異常處理等。倉儲網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計功能較多而復(fù)雜,而且層次比較多。因此在設(shè)計上首先基于Windows的多任務(wù)處理機制,前臺完成命令響應(yīng)、各模塊調(diào)用以及系統(tǒng)工作狀態(tài)的動態(tài)實時圖形化顯示等,后臺負(fù)責(zé)實時監(jiān)視接收各下位現(xiàn)場單元發(fā)送的數(shù)據(jù)、定時巡檢或隨機抽檢工作現(xiàn)場的單片機控制器、進(jìn)行異常處理和報警處理等;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,把一個大的程序劃分為若干個小的功能模塊,每個模塊之間既相互獨立又相互聯(lián)系,這樣可以進(jìn)步軟件的可維護性、可讀性、可靠性和高效性[2]。
3.2 下位機程序設(shè)計[5][!--empirenews.page--]
下位機主程序流程圖如圖2所示。包括對系統(tǒng)進(jìn)行初始化處理;判定中斷方式(含優(yōu)先級)設(shè)置;串行口工作方式設(shè)置;系統(tǒng)各種指標(biāo)的裝進(jìn);鍵盤初始化;控制信號初始化以及建立數(shù)據(jù)指針、通道初值并啟動 A/ D轉(zhuǎn)換。
圖2 下位機主程序流程圖
以下僅給出下位機處理呼喚應(yīng)答時的部分程序:
# define ADD0 x01
…
sbit tr=p1.3;
void service serial(void) interrupt4using1
{
uchar rs;
RI=0;
ES=0; //關(guān)串行中斷
tr=0;
rs=SBUF;
…
}
if(rs!=ADD) //不是呼喚本機
{
ES=1;
if(P3.3=0 ) //A/D轉(zhuǎn)換請求中斷
…
Return;
}
SM2 =0;
tr=1;
SBUF=ADD; //應(yīng)答
While(TI=0);
TI=0;
tr=0; //執(zhí)行通訊命令
…
4 結(jié)語
實踐證實,基于RS-485總線協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)依托集中治理、分散控制的現(xiàn)代控制技術(shù),組成監(jiān)控系統(tǒng)的硬件和軟件采用標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化和系統(tǒng)化的設(shè)計,系統(tǒng)的配置具有通用性強、系統(tǒng)組態(tài)靈活、控制功能完善以及系統(tǒng)安裝、調(diào)試和維修簡便等特點,并且還可以通過智能通訊接口或標(biāo)準(zhǔn)的通訊網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和其它監(jiān)控系統(tǒng),如門禁治理子系統(tǒng)相交聯(lián)通訊,組成功能更完善的自動化網(wǎng)絡(luò)治理系統(tǒng)。
參考文獻(xiàn)
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