如何基于RS485總線設計溫濕度監控系統？

1 概述

環境條件中的溫濕度指標是很多工作場合中的重要參數，不論是倉庫治理、圖書保存還是產業丈量與計量檢定，都需要符合操縱規定的溫濕度環境條件。而溫濕度也是最不輕易保障的指標，針對這一情況，研制可靠且實用的溫濕度監控系統顯得非常重要。監控系統以RS-485總線協議為基礎組成分布式網絡結構，采用PC機與單片機組成的多機系統完成丈量與控制任務。

2 系統硬件結構及工作原理

2.1網絡監控系統結構

圖1 系統結構原理圖

系統結構原理圖如圖1。系統采用兩級主從式總線型網絡拓撲結構。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總線通訊網絡組成。整個系統在監控系統治理軟件的控制下，同一協調工作，完成設計功能。

2.2 主從式通訊網絡

監控系統中網絡通訊采用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、數據傳輸可靠性高的特點，在產業監控、數據采集和實時控制系統中得到了廣泛應用。其中采用差分通訊方式進行信號發送與接收的RS-485(EIA-485Standard)總線協議較RS-232C協議進步了抗共模干擾能力和傳輸速率，擴大了傳輸間隔，更適合作為現場總線應用于復雜的環境中的產業控制和實時監控系統中[1]。

下位現場數據采集與控制單元掛接于同一條數據通訊總線，總線為各現場單元共享，為避免總線通訊的競爭與沖突，系統網絡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場單元分配總線通訊使用權的方法來實現與下位單片機與主控微機之間的網絡通訊。網絡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分配給它后才能收發數據[2]。采用主從通訊控制方法固然速度稍慢，但由于現場單片機與主控微機間的信息交換不是特別頻繁，因此對于本監控系統是適用的。

PC主控微機與各現場單元單片機之間所采用的通訊規約是自定義的、非標準的、比較簡單的格式。主控PC微機通過RS-232C串口向總線通訊協議轉換控制器發送命令幀信息，總線控制器接口電路負責RS-232C電平和RS-485電平之間的相互轉換，轉發此通訊幀向RS-485總線網絡廣播。在通訊幀中包含主控微機所要求的下位現場單元編號，所有下位現場單元單片機都收聽廣播，在收到廣播幀后，進行編號對比操縱，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進行網絡偵聽工作[3]。同樣，下位現場單元單片機向主控微機發送信息幀時，由總線通訊協議轉換控制器轉換為RS-232C通訊協議電平向主控微機轉發。在設計實驗中，監控系統在串行通訊波特率為9600bit/s，無奇偶校驗位，8位數據位，1位停止位的設置下通訊正常，沒有發生丟幀或錯幀的現象。

2.3 下位機數據采集與控制單元

下位機是一個以AT89S52單片機為核心的數據采集與控制單元。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、非易失性存儲技術制造，兼容標準MCS-51指令系統及80C51引腳結構，功能強大的AT89S52可為很多嵌進式控制應用系統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片內程序存儲(In system programmable可反復擦寫1000 次)，256 bytes的隨機存取數據存儲器(RAM)，32個外部雙向輸進/輸出(I/O)口，5個中斷優先級2層中斷嵌套中斷，2個16位可編程定時計數器，2個全雙工串行通訊口，看門狗(WDT)電路，片內時鐘振蕩器。可通過軟件設置省電模式。空閑模式下，CPU暫停工作，而RAM定時計數器，串行口，外中斷系統可繼續工作，直至外中斷激活或硬件復位[4]。下位機分別接有8路溫度濕度傳感器，進行溫度濕度檢測，并根據各路的均勻溫度和均勻濕度，控制除濕機、空調機或其他設施，以使環境溫度與濕度控制在特定的范圍內，并輪流顯示均勻溫度、濕度值。下位機還設有煙霧、火光和熱釋電紅外傳感器及其相關電路 ，組成防火、防盜報警系統。下位單片機通過TTL/RS-485通訊接口電路與總線網絡相連接構成半雙工主從式串行通訊網絡，實現下位機通過串行口與上位機交換數據。下位機是一個相對獨立的智能型區域數據丈量與控制子系統，當監控主機與下位單片機之間的通訊發生故障時，各下位機仍可獨立完成相關區域的數據采集、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換成電信號，經各自的低噪聲放大器放大、模數轉換器(A/ D)后，送到AT89S52單片機進行數據分析處理。下位機可接受上位機的訪問，根據需要將溫度、濕度數據實時傳遞給上位機，由上位機對各倉庫的溫濕度數據進行記錄并做相應處理。由于不同武器裝備對環境溫、濕度要求不同，用戶可通過外加鍵盤，在所需要的范圍內隨意設置系統監控的溫、濕度指標，以便系統適應不同的需要。

3 軟件設計

3.1網絡監控系統軟件的設計與開發

網絡監控系統軟件的設計與開發采用基于面向對象程序設計思想和關系數據庫技術，在Windows9x/2000/XP系統平臺上采用 Borland C++ Builder編程語言開發而成。監控系統軟件完成的主要任務和功能有:系統組態、串行通訊治理、圖形顯示治理、數據存儲、報表打印、統計分析、異常處理等。倉儲網絡監控系統的軟件設計功能較多而復雜，而且層次比較多。因此在設計上首先基于Windows的多任務處理機制，前臺完成命令響應、各模塊調用以及系統工作狀態的動態實時圖形化顯示等，后臺負責實時監視接收各下位現場單元發送的數據、定時巡檢或隨機抽檢工作現場的單片機控制器、進行異常處理和報警處理等;在編程技術上采用VCL組件開發技術，應用多線程技術進行多任務處理;其次，采用模塊化程序設計，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系，這樣可以進步軟件的可維護性、可讀性、可靠性和高效性[2]。

3.2 下位機程序設計[5]