陸榮鑑，李 品，孫 周

（南京林業(yè)大學(xué)機(jī)電院機(jī)械電子工程系，江蘇南京 210037）

0 引言

倉儲管理、生產(chǎn)制造、氣象觀測、科學(xué)研究以及日常生活中，需要對溫度、濕度進(jìn)行實時檢測。傳統(tǒng)的溫度、濕度傳感器測量精度難以保證，且在線性度、重復(fù)性、互換性、一致性等方面表現(xiàn)較差。隨著新技術(shù)和新材料的發(fā)展，數(shù)字式溫濕度傳感器出現(xiàn)了，具有代表性的是瑞士Sensirion公司生產(chǎn)的SHT1x/7x系列單片集成傳感器，這類傳感器可以同時測量濕度、溫度，不僅提高了測量精度，還簡化了外圍電路。本文選用的是SHT10傳感器［1］。

在工業(yè)控制領(lǐng)域，RS—485是常用的計算機(jī)與外部串行設(shè)備之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的通信協(xié)議。因其具有良好的抗噪聲干擾性，長的傳輸距離和多站能力等上述優(yōu)點就使其成為首選的串行接口。本文介紹了基于RS—485串行接口總線的多點溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

1．1 數(shù)據(jù)采集單元設(shè)計

數(shù)據(jù)采集單元由溫濕度傳感器SHT10和微控制器PIC16F873組成。

SHT10通過二線串行接口與微處理器連接，如圖1所示。SHT10 的供電電壓是 2．4～5．5 V，推薦使用 3．3 V，電源引腳VDD和GND之間需要加一個100nF的去耦電容器。串行時鐘輸入線SCK用于使PIC16F873與SHT10之間通信同步，由于SHT10接口包含了完全靜態(tài)邏輯，因而不存在最小SCK頻率限制，即微控制器可以以任意低的速度與SHT10通信。串行數(shù)據(jù)線DATA引腳是三態(tài)門結(jié)構(gòu)，用于數(shù)據(jù)的讀取。DATA在SCK時鐘下降沿之后改變狀態(tài)，并僅在SCK時鐘上升沿有效。在PIC16F873向SHT10發(fā)送數(shù)據(jù)且SCK時鐘為高電平時，DATA必須保持穩(wěn)定。為避免信號沖突，PIC16F873應(yīng)拉低 DATA，當(dāng)需要拉高DATA信號時，可以通過附加的上拉電阻來實現(xiàn)［1］。

1．2 數(shù)據(jù)傳輸單元設(shè)計

RS—485總線采用雙絞線差分傳輸，可連接成半雙工和全雙工方式，最遠(yuǎn)傳輸距離為4000ft（1ft=0．3048m）。系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)采取主從式，上位機(jī)PC機(jī)為主機(jī)［2］，下位機(jī)PIC16F873為從機(jī)。主機(jī)控制整個網(wǎng)絡(luò)的通信時序，每個從機(jī)有一個識別地址，當(dāng)從機(jī)被尋址時，該機(jī)做出響應(yīng)，保證各從站分時使用總線，從而避免數(shù)據(jù)傳輸沖突。系統(tǒng)選用半雙工式通信芯片75LBC184，允許在總線上掛接最多64個類似器件。該芯片帶有內(nèi)置高能量瞬變噪聲保護(hù)裝置，顯著提高了抵抗數(shù)據(jù)同步傳輸電纜上的瞬變噪聲的可靠性。

PIC16F873單片機(jī)自帶異步通信接口，外接RS—485收發(fā)器75LBC184。PIC16F873的異步通信口與75LBC184之間采用3片光耦進(jìn)行電氣隔離，如圖2所示。由于上位機(jī)的接口是RS—232接口，故兩者之間還需加上 RS—232/RS—485轉(zhuǎn)換器進(jìn)行信號轉(zhuǎn)換。

圖1 數(shù)據(jù)采集單元Fig 1 Data acquisition unit

圖2 數(shù)據(jù)傳輸單元Fig 2 Data transmission unit

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

2．1 SHT10 工作時序

SHT10上電后11 ms進(jìn)入休眠模式，首先應(yīng)發(fā)送一個傳輸啟動時序（如圖3所示）喚醒芯片。隨后，微控制器可向SHT10發(fā)送命令，命令字包括高3位的地址位 （目前只支持000）和低5位的命令位。常用命令有:0x03測溫度，0x05測相對濕度，0x07讀寄存器，0x06寫寄存器，0x1e軟件復(fù)位。在發(fā)送命令時序中，SHT10在第8個SCK時鐘周期下降沿后拉低DATA來表示正確接收到命令。SHT10在第9個SCK時鐘周期的下降沿之后釋放DATA線，DATA恢復(fù)至高電平。微控制器發(fā)出一組測量命令后需要根據(jù)測量數(shù)據(jù)精確度8/12/14 bit分別等待最長20/80/320 ms，SHT10通過拉低DATA表示測量結(jié)束，同時存儲測量結(jié)果等待微控制器讀取，SHT10自動進(jìn)入空閑狀態(tài)［1］。

圖3 SHT10傳輸啟動時序Fig 3 Transmission start timing sequence of SHT10

測量數(shù)據(jù)讀取前，微控制器重新啟動SCK，SHT10傳送2字節(jié)的測量數(shù)據(jù)與1字節(jié)的CRC校驗數(shù)據(jù)，傳輸數(shù)據(jù)的順序是從最高位（MSB）到最低位（LSB）。微控制器接收到每個字節(jié)后，將數(shù)據(jù)線拉成低電平，產(chǎn)生應(yīng)答信號ACK，以CRC校驗字節(jié)的確認(rèn)表示通信結(jié)束。CRC寄存器通過計算多項式（x8+x5+x4+1）來判定測量過程是否發(fā)生錯誤，一旦發(fā)現(xiàn)錯誤，微控器就發(fā)送軟啟動命令，重新進(jìn)行測量。如果不使用CRC—8校驗，微控器可以在測量值LSB后保 持DATA高電平來終止通信。SHT10在測量和通信完成后會自動返回睡眠模式。

如果微控制器與SHT10通信中斷，可通過連接復(fù)位時序復(fù)位，即當(dāng)DATA保持高電平時，觸發(fā)SCK時鐘9次或更多次，如圖4所示。這個時序只復(fù)位串口，狀態(tài)寄存器內(nèi)容仍然保留。

圖4 SHT10連接復(fù)位時序Fig 4 Connection reset timing sequence of SHT10

2．2 數(shù)據(jù)采集模塊軟件設(shè)計

這個模塊主要是根據(jù)SHT10的功能時序?qū)/O口進(jìn)行操作，使其完成溫濕度的測量，并將測量結(jié)果發(fā)送至微控制器中進(jìn)行計算，如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)采集程序Fig 5 Data acquisition program

溫濕度值在PIC16F873中以BCD碼存儲，共計5個寄存器。0x0020存放溫度值的小數(shù)部分，0x0021存放溫度值整數(shù)部分的十位和個位，0x0022存放溫度值整數(shù)部分的符號位和百位數(shù);0x0023存放濕度值的小數(shù)部分，0x0024存放濕度值的整數(shù)部分。

2．3 數(shù)據(jù)傳輸部分程序設(shè)計

異步通信中以10位字符為1幀，1位起始位，8位數(shù)據(jù)位，1 位停止位，無奇偶校驗位，波特率為 9 600 bps［3］。PIC16F873的USART模塊帶有一個8位的波特率發(fā)生器BRG，為串行信息幀格式中的每一位編碼的發(fā)送和接收檢測提供定時時鐘，通過BRGH，SPBRG寄存器確定波特率。這里選用BRGH=1（高速方式），SPBRG寄存器初值設(shè)為25。

2．4 協(xié)議設(shè)計

RS—485電氣接口規(guī)范只規(guī)定了電氣特性，而沒有規(guī)定插件傳輸電纜和通信協(xié)議，在數(shù)據(jù)收發(fā)過程中，依據(jù)ModB-us協(xié)議保證數(shù)據(jù)的可靠傳輸。ModBus協(xié)議有2種傳輸模式，即RTU模式和ASCII模式。RTU模式表達(dá)相同的信息需要較少的位數(shù)，即信息幀中的8位數(shù)據(jù)作為2個4位16進(jìn)制字符，且在相同通信速率下具有更大的數(shù)據(jù)流量，故系統(tǒng)選用RTU模式，典型的消息幀如表1所示。最終數(shù)據(jù)會被從最低位開始轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制編碼發(fā)送，采用CRC—16進(jìn)行數(shù)據(jù)有效性檢驗［4］。

表1 RTU協(xié)議典型消息幀Tab 1 Agreement typical news frame of RTU

在RTU模式中，一幀信息的結(jié)束到另一幀信息的開始至少需要3．5個字符的時間間隔（由于波特率是9600 kps，故這里的時間間隔是3．7 ms），系統(tǒng)通過定時器2設(shè)定中斷來判斷幀的起始和結(jié)束。從機(jī)每接收到一個新的字節(jié)，就重啟定時器計時。當(dāng)超過設(shè)定的3．7 ms時，定時器中斷，并在中斷中設(shè)定一個標(biāo)志位，當(dāng)主程序查詢到這個標(biāo)志位時暫停定時器的工作繼而處理接收到的數(shù)據(jù)。另外，整個消息幀必須作為一連續(xù)數(shù)據(jù)流傳輸，如果在幀完成之前有超過1．5個字符的時間間隔，接收設(shè)備將刷新不完整的消息并假定下一字節(jié)是一個新消息的地址字節(jié)。如果一個新消息在小于3．5個字符時間（1．6 ms）內(nèi)接著前個消息開始，接收的設(shè)備將認(rèn)為它是前一消息的延續(xù)，但這樣CRC校驗不會正確［5］。串口中斷和定時器中斷子程序如圖6和圖7所示。

在PIC16F873里，專門劃出一塊緩沖區(qū)用于串行通信，從0x0060到0x0080。系統(tǒng)中若主機(jī)設(shè)備想要了解某一從機(jī)的測量值時，發(fā)送一個包含從機(jī)地址編碼的信息，則符合相應(yīng)地址碼的從機(jī)接收通信命令，并根據(jù)功能碼與相關(guān)要求讀取信息。如果CRC校驗無誤，則執(zhí)行相應(yīng)的任務(wù)，然后把執(zhí)行結(jié)果返送給主機(jī)。

圖6 串口中斷子程序流程圖Fig 6 Flow chart of serial interrupt subprogram

圖7 定時器中斷子程序流程圖Fig 7 Flow chart of timer interrupt subprogram

2．5 單片機(jī)主程序設(shè)計

單片機(jī)主程序分為四部分:初始化模塊、數(shù)據(jù)接收模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理和發(fā)送模塊。初始化模塊包括波特率設(shè)置、定時器設(shè)置、開中斷等;數(shù)據(jù)接收模塊由串口中斷子程序和定時器中斷子程序組成;數(shù)據(jù)采集模塊如前所述;數(shù)據(jù)處理和發(fā)送模塊包括校驗計算和將數(shù)據(jù)打包成協(xié)議設(shè)定格式并回復(fù)主機(jī)。從機(jī)接收到主機(jī)命令并且校驗正確之后，進(jìn)入數(shù)據(jù)采集模塊，繼而再將所需數(shù)據(jù)發(fā)送至主機(jī)。

2．6 監(jiān)測中心軟件界面與實驗數(shù)據(jù)

本系統(tǒng)共放置了10個監(jiān)測點，所有監(jiān)測點通過RS—485總線連到中心計算機(jī)，監(jiān)測軟件采用VB編寫。

界面分4個區(qū)，分別為通信串口設(shè)置區(qū)、數(shù)據(jù)查詢區(qū)、監(jiān)測點溫濕度數(shù)據(jù)顯示區(qū)、采集控制區(qū)。其中通信串口設(shè)置區(qū)用來設(shè)置串口號和通信速率;數(shù)據(jù)查詢區(qū)提供各監(jiān)測點的溫度、濕度查詢，溫度、濕度報警設(shè)置值查詢，當(dāng)按下要查詢項目的按鈕，會跳出相應(yīng)的文本框，提供復(fù)制黏貼;監(jiān)測點溫濕度數(shù)據(jù)顯示區(qū)顯示10個監(jiān)測點當(dāng)前的溫度和濕度;采集控制區(qū)是對溫濕度數(shù)據(jù)進(jìn)行復(fù)位，對溫濕度報警值進(jìn)行設(shè)定。測試數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 實驗測試值Tab 2 Experimental test value

經(jīng)測試，所測數(shù)據(jù)均符合要求，達(dá)到技術(shù)指標(biāo)的要求。

3 結(jié)論

本文介紹了SHT10在溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)中的應(yīng)用，通過RS—485實現(xiàn)指定范圍內(nèi)溫濕度監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)。本系統(tǒng)已在大棚和藥品倉庫溫濕度監(jiān)系統(tǒng)系統(tǒng)得到應(yīng)用。在后續(xù)的研究中，考慮組建無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，通過基站收集各節(jié)點的數(shù)據(jù)，集中處理后提交給用戶。以此實現(xiàn)復(fù)雜的指定范圍內(nèi)目標(biāo)檢測與跟蹤，具有快速展開、抗毀性強(qiáng)等特點。

［1］ Datasheet SHT1x（SHT10，SHT11，SHT15）humidity and temperature sensor datasheet［Z］．Sensirion，2009．

［2］ 李學(xué)海．PIC單片機(jī)原理［M］．北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2004．

［3］ B＆B Electronics Ltd．RS—422 and RS—485 Application Note［Z］．Ireland，2006．

［4］ Modicon Manual，Inc．Modicon modbus protocol reference guide P1—MBUS—300Rev．J．［Z］．Modicon Manual Inc，1996．

［5］ 孟 華，王鵬達(dá)，李明偉．基于ModBus協(xié)議的觸摸屏與PIC單片機(jī)的通信實現(xiàn)［J］．儀表技術(shù)與傳感器，2009（10）:58－60．