(江陰職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子信息工程系，江蘇 江陰 214405)

0 引言

環(huán)境溫濕度的變化會(huì)時(shí)刻影響著人們的日常生活，而伴隨著氣候和環(huán)境問題的日益嚴(yán)峻，人們對(duì)于溫濕度這一基本環(huán)境要素愈加關(guān)注，更希望可以實(shí)時(shí)獲知一定范圍內(nèi)具體溫濕度要素信息。多點(diǎn)分布式監(jiān)控系統(tǒng)能夠適用于該采集控制領(lǐng)域。但其具有采樣節(jié)點(diǎn)多，傳輸距離相對(duì)較遠(yuǎn)，且工作環(huán)境較為惡劣的特點(diǎn)。

本課題根據(jù)設(shè)計(jì)需要，構(gòu)建了以STC12C5A60S2單片機(jī)為控制核心，基于RS-485總線的溫濕度監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了PC上位機(jī)與多個(gè)終端檢測(cè)節(jié)點(diǎn)之間的遠(yuǎn)距離通信功能。

主要設(shè)計(jì)內(nèi)容有：

1)提出一種基于RS-485總線的遠(yuǎn)程溫濕度監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)的方案，該監(jiān)控系統(tǒng)主要由PC上位機(jī)、232/485轉(zhuǎn)換接口以及終端溫濕度檢測(cè)節(jié)點(diǎn)組成；

2)完成終端檢測(cè)節(jié)點(diǎn)的硬件電路與軟件設(shè)計(jì)，溫度精確到0.1 ℃，濕度精確到1%，在檢測(cè)到數(shù)據(jù)之后，通過控制風(fēng)扇或加濕器實(shí)現(xiàn)對(duì)溫濕度遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和控制，將溫濕度控制在設(shè)定閾值范圍之內(nèi)；

3)設(shè)計(jì)基于RS-485總線通訊的通信協(xié)議，完成多個(gè)終端檢測(cè)點(diǎn)對(duì)環(huán)境溫濕度的采集并通過RS-485總線傳輸?shù)絇C上位機(jī)；

4) 設(shè)計(jì)完成PC上位機(jī)監(jiān)控界面，能夠?qū)貪穸葦?shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)波形和數(shù)值顯示，此外還能夠?qū)Νh(huán)境溫濕度設(shè)定閾值，當(dāng)環(huán)境溫濕度變化超出了預(yù)設(shè)情況時(shí)，工作人員可以通過系統(tǒng)對(duì)終端部分的溫濕度進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)控。

本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了多個(gè)終端檢測(cè)節(jié)點(diǎn)環(huán)境溫濕度的采集，實(shí)現(xiàn)了采集數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)距離通信，基于RS485總線通信基礎(chǔ)上的監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了環(huán)境溫濕度的采集、處理、對(duì)所采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行遠(yuǎn)距離的傳輸和處理，通過對(duì)測(cè)試表明該系統(tǒng)的可靠性高、傳輸速度快、誤碼率低等優(yōu)點(diǎn)，基本上完成了實(shí)際工作需求?；赗S485總線構(gòu)成通信網(wǎng)絡(luò)能夠支持該系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行和可靠傳輸，可以實(shí)現(xiàn)主機(jī)對(duì)從機(jī)的監(jiān)測(cè)和控制。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

1.1 RS-485串行總線標(biāo)準(zhǔn)

單片機(jī)、PC及其他設(shè)備之間進(jìn)行的信息交換稱為數(shù)據(jù)通信，數(shù)據(jù)通信的方式有并行數(shù)據(jù)通信和串行數(shù)據(jù)通信兩種，實(shí)際應(yīng)用中具體采用哪種方式，要根據(jù)數(shù)據(jù)傳送的距離來決定。如果是PC和外圍設(shè)備之間的數(shù)據(jù)通信，距離小于30 m時(shí)，可以采用并行數(shù)據(jù)通信；而距離大于30 m時(shí)，則應(yīng)采用串行數(shù)據(jù)通信。如果是單片機(jī)或PC與測(cè)量?jī)x器之間的數(shù)據(jù)通信，距離小于15 m時(shí)，可以采用并行數(shù)據(jù)通信；而距離大于15 m時(shí)，則應(yīng)采用串行數(shù)據(jù)通信[1]。

在通信距離要求為幾十米到上千米時(shí)，通常采用RS-485串行總線標(biāo)準(zhǔn)格式。485總線采用了平衡發(fā)送和差分接收的接口標(biāo)準(zhǔn)。在發(fā)送端將串行口的TTL電平信號(hào)轉(zhuǎn)換成差分信號(hào)由A、B兩線輸出，經(jīng)過雙絞線傳輸?shù)浇邮斩撕螅賹⒉罘中盘?hào)還原成TTL電平信號(hào)。由于總線上傳輸?shù)氖且粚?duì)差分信號(hào)，為穩(wěn)定信號(hào)傳輸，通常采用外加屏蔽層的雙絞線傳輸數(shù)據(jù)，屏蔽層可靠接地。同時(shí)，總線上的收發(fā)器靈敏度相對(duì)較高，具有較強(qiáng)的抗共模干擾能力，因此傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信號(hào)經(jīng)過遠(yuǎn)距離傳輸也都可以完好恢復(fù)。

本設(shè)計(jì)是基于RS485的遠(yuǎn)程溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，屬于遠(yuǎn)距離的數(shù)據(jù)通信，所以采用串行數(shù)據(jù)通信的通信方式

1.2 多機(jī)通信

多機(jī)通信是目前通信控制領(lǐng)域里的主流通訊方式，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的的通信形式相較于多機(jī)通信而言已經(jīng)無法滿足人們對(duì)于現(xiàn)代數(shù)據(jù)通訊的需要。基于單片機(jī)的多機(jī)通信的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)由兩臺(tái)及以上的單片機(jī)構(gòu)成，單片機(jī)之間的相互通訊以及對(duì)于某一過程的控制采用串行通信方式實(shí)現(xiàn)。主流的多機(jī)通信的形式有以下4種形式及星型、環(huán)型、串行總線型以及主從多機(jī)型[2]。

RS-485總線能夠支持多機(jī)通信模式，其工作方式是半雙工方式。對(duì)于遠(yuǎn)距離信號(hào)傳輸而言，總線上會(huì)產(chǎn)生影響數(shù)據(jù)穩(wěn)定的反射回波信號(hào)，因此，為了能夠穩(wěn)定工作，RS-485總線通常在總線網(wǎng)絡(luò)的首尾兩端即開始端口和結(jié)束端口都并接120 Ω的電阻，構(gòu)成終端匹配的總線型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

本系統(tǒng)的通信方式是一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的通信方式，也就是說主機(jī)讀取從機(jī)的信息，并且可以控制從機(jī)做出相應(yīng)動(dòng)作。為了區(qū)別各從機(jī)，需要對(duì)每臺(tái)從機(jī)進(jìn)行編號(hào)，如1號(hào)機(jī)是0x01、2號(hào)機(jī)是0x02、3號(hào)機(jī)是0x03，主機(jī)根據(jù)相應(yīng)的編號(hào)識(shí)別從機(jī)，而從機(jī)也根據(jù)編號(hào)識(shí)別由主機(jī)通過485總線上發(fā)送的命令是否是本機(jī)的。

本系統(tǒng)以STC12C5A60S2單片機(jī)為核心設(shè)計(jì)電路，采用主從式多機(jī)型，是一種分散型的拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)布線結(jié)構(gòu)。本設(shè)計(jì)采用軟硬件相結(jié)合的方式，具有接口簡(jiǎn)單和使用靈活等優(yōu)點(diǎn)。圖1為主從式基于RS485總線的單片機(jī)多機(jī)通信系統(tǒng)框圖。

圖1 基于RS-485總線單片機(jī)多機(jī)通信系統(tǒng)框圖

主控機(jī)通過RS485轉(zhuǎn)RS232與上位機(jī)進(jìn)行串口通訊，借助RS485總線與從機(jī)電路構(gòu)成采集、控制通訊網(wǎng)絡(luò)。每個(gè)從機(jī)都能實(shí)時(shí)對(duì)環(huán)境周圍的溫濕度進(jìn)行采集，并且將所采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送給主控機(jī)；而主控機(jī)可以對(duì)接收到的每個(gè)從機(jī)所發(fā)送的信息進(jìn)行相應(yīng)的處理后轉(zhuǎn)發(fā)給上位機(jī)，并且向所需要控制的從機(jī)發(fā)送上位機(jī)的相應(yīng)命令。

1.3 RS232/RS485

由于上位機(jī)和主控機(jī)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(hào)轉(zhuǎn)換為RS485接口信號(hào)。本系統(tǒng)借助MAX232和MAX485芯片來實(shí)現(xiàn)兩者之間的電平轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換器能夠?qū)S-232串行口的TXD和RXD信號(hào)轉(zhuǎn)換成平衡的半雙工的RS-485信號(hào)實(shí)現(xiàn)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(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件電路部分主要分為兩個(gè)部分：主控機(jī)系統(tǒng)和從機(jī)系統(tǒng)兩部分。

2.1 主控機(jī)部分

根據(jù)系統(tǒng)的要求，主控機(jī)部分需要完成的功能：是讀取并轉(zhuǎn)發(fā)從機(jī)采集回來的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息，并且對(duì)從機(jī)的外設(shè)進(jìn)行控制。主控機(jī)系統(tǒng)原理圖如下圖3所示。

圖3 主控機(jī)系統(tǒng)原理圖

在主控機(jī)系統(tǒng)中，STC12C5A60S2單片機(jī)是整個(gè)主控機(jī)系統(tǒng)的核心，整個(gè)主控機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行的控制由單片機(jī)進(jìn)行處理。它既協(xié)調(diào)整機(jī)工作，又處理數(shù)據(jù)，是軟硬件系統(tǒng)連接的橋梁。

該單片機(jī)有兩個(gè)串口，其中串口1用來和從機(jī)進(jìn)行通訊，串口2用來和上位機(jī)進(jìn)行通訊。

2.2 從機(jī)部分

從機(jī)部分負(fù)責(zé)采集相關(guān)信息，等待主控機(jī)的控制命令。以STC12C5A60S2單片機(jī)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(huán)采集傳感器的數(shù)據(jù)，并且處于監(jiān)聽狀態(tài)，通過串口1來監(jiān)聽主控機(jī)是否發(fā)送上傳數(shù)據(jù)命令或者控制繼電器命令[4]。根據(jù)這些要求，從機(jī)系統(tǒng)的原理圖如下圖4所示。

圖4 從機(jī)系統(tǒng)原理圖

2.2.1 溫度采集電路設(shè)計(jì)

DHT21數(shù)字溫濕度傳感器是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器。它應(yīng)用專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，以保證產(chǎn)品具有極高的可靠性與卓越的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。

圖5 DHT21外觀和接線

圖5(a)為DHT21傳感器的外形和內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖，該傳感器內(nèi)部含有一個(gè)8位的高性能的單片機(jī)，它與傳感器內(nèi)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(shù)字形式輸出。每個(gè)DHT21傳感器都經(jīng)過校驗(yàn)，內(nèi)部在信號(hào)處理的過程中通過調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)系數(shù)來修正測(cè)量數(shù)值，從而確保產(chǎn)品的測(cè)量數(shù)據(jù)穩(wěn)定和可靠。該傳感器的數(shù)據(jù)輸出接口采用單總線制型，傳輸有效距離可達(dá)20米以上，其抗干擾和性價(jià)比相對(duì)較高。通常，產(chǎn)品的封裝采用4針單排結(jié)構(gòu)，與單片機(jī)連接的參考方式可以如圖5(b)所示。

在本系統(tǒng)中，該單總線制輸出的DHT21溫濕度傳感器與STC12C5A60S2單片機(jī)連接的外圍電路相對(duì)較為簡(jiǎn)單， 1號(hào)腳5 V電源，3號(hào)腳接電線，2號(hào)腳是數(shù)據(jù)腳，為信號(hào)的穩(wěn)定輸出，數(shù)據(jù)腳接了一個(gè)上拉電阻S3(4.7 K)與STC12C5A60S2單片機(jī)的P2.0口相連，通過這條數(shù)據(jù)線接收數(shù)字式的溫濕度測(cè)量值。4號(hào)腳懸空不用。

2.2.2 繼電器控制電路設(shè)計(jì)

該部分主要是對(duì)所采集到的溫濕度指標(biāo)來做出相應(yīng)的響應(yīng)。該電路直接與單片機(jī)的P2.7口相連，由單片機(jī)的P2.7口進(jìn)行直接控制。設(shè)置為低電平時(shí)吸合繼電器，即當(dāng)P2.7為低電平時(shí)，三極管(Q1)工作，此時(shí)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(shí)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(tǒng)軟件程序設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)主要由三部分組成：上位機(jī)部分、主控機(jī)部分和從機(jī)部分。其中上位機(jī)部分采用C++語言編寫。從前面可以看出，本系統(tǒng)的上位機(jī)采用C++語言編寫，從機(jī)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(gè)程序的流程和協(xié)議設(shè)計(jì)密切相關(guān)[5]。

3.1 通信協(xié)議設(shè)計(jì)

對(duì)于任何涉及通信或者數(shù)據(jù)交換的系統(tǒng)，通信協(xié)議的設(shè)計(jì)都是軟件設(shè)計(jì)的前提和關(guān)鍵。整個(gè)系統(tǒng)軟件分為上位機(jī)端和主控機(jī)(單片機(jī))端、主控機(jī)(單片機(jī))端和從機(jī)(單片機(jī))端兩部分。

對(duì)于協(xié)議設(shè)計(jì)而言，最重要的就是數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)中數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)的定義如下列表格所示。

上位機(jī)端和主控機(jī)端之間的數(shù)據(jù)幀協(xié)議如下：

R濕度十位濕度個(gè)位.濕度小數(shù)位T溫度十位溫度個(gè)位.溫度小數(shù)位設(shè)備代碼

其中：濕度以R開頭，含一個(gè)小數(shù)位，溫度以T開頭，含一個(gè)小數(shù)位，設(shè)備代碼如1號(hào)從機(jī)則為A，2號(hào)從機(jī)則為B。

如當(dāng)前溫度為16.1度，濕度為73.9%，1號(hào)機(jī)上傳，那么它的數(shù)據(jù)幀表示為：

設(shè)備代碼指令代碼

上位機(jī)端和主控機(jī)端之間的控制幀協(xié)議如下：設(shè)備代碼指令代碼其中：設(shè)備代碼如1號(hào)從機(jī)則為A，2號(hào)從機(jī)則為B。增加濕度為0xf1、降低濕度為0xf2 停止為0xf3。

主控機(jī)端和從機(jī)端之間的協(xié)議如下：

0xf7濕度十位濕度個(gè)位濕度小數(shù)位溫度十位溫度個(gè)位溫度小數(shù)位0xf3

其中：0xf7為數(shù)據(jù)幀頭，0xf3為數(shù)據(jù)幀尾，總共8個(gè)字節(jié)。

如當(dāng)前溫度為16.1度，濕度為73.9%，1號(hào)機(jī)上傳，那么它的數(shù)據(jù)幀表示為：

3.2 下位機(jī)程序設(shè)計(jì)

主控機(jī)主導(dǎo)整個(gè)通信過程。由主控機(jī)輪詢各個(gè)節(jié)點(diǎn)處的從機(jī)，并要求這些從機(jī)提交其相對(duì)應(yīng)的采集溫濕度信息，同時(shí)根據(jù)上位機(jī)的控制命令，對(duì)相應(yīng)從機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)控制命令[6]。

3.2.1 主控機(jī)程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主控機(jī)主要軟件設(shè)計(jì)思想是：先進(jìn)行相關(guān)參數(shù)的初始化(串口、看門狗、當(dāng)前狀態(tài))，然后依次輪循發(fā)送從機(jī)地址，在等待過程中，主控機(jī)將從機(jī)上傳的溫濕度數(shù)據(jù)按照幀格式的要求上傳至上位機(jī)，同時(shí)主控機(jī)接收上位機(jī)發(fā)送的控制命令[7]。主控機(jī)的主流程圖如圖6所示。

圖6 主控機(jī)主流程圖

3.2.2 從機(jī)程序設(shè)計(jì)

對(duì)于從機(jī)而言，它的工作與主機(jī)密切相關(guān)，它是完全被動(dòng)的，根據(jù)主機(jī)的指令執(zhí)行相應(yīng)的操作。總的流程是：先進(jìn)行相關(guān)參數(shù)的初始化(串口、看門狗)，然后實(shí)時(shí)收集環(huán)境的溫濕度信息，當(dāng)從機(jī)收到主機(jī)發(fā)送的從機(jī)地址時(shí)，首先判斷是不是它的地址，如果是，則從機(jī)按照數(shù)據(jù)幀要求發(fā)送溫濕度數(shù)據(jù)給主控機(jī)，如果不是，該從機(jī)將不發(fā)送。同時(shí)從機(jī)還接收主控機(jī)發(fā)送的控制命令[8]。從機(jī)的主流程圖如圖7所示。

圖7 從機(jī)主流程圖

3.3 上位機(jī)結(jié)構(gòu)拓?fù)鋱D

在上位機(jī)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(fā)程序的設(shè)計(jì)。本程序使用C++6.0的通用串口控件MSComm來對(duì)發(fā)送到串口的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集處理。主要結(jié)構(gòu)拓?fù)鋱D如圖8所示。

圖8 上位機(jī)系統(tǒng)拓?fù)鋱D

打開上位機(jī)軟件，開始設(shè)置串口，在上位機(jī)接通正常的情況下，上位機(jī)可以數(shù)字和實(shí)時(shí)曲線兩種方式顯示當(dāng)前的從機(jī)溫濕度信息，并能夠指示從機(jī)號(hào)，調(diào)制溫濕度上下限制，系統(tǒng)可以自動(dòng)發(fā)送或手動(dòng)發(fā)送控制命令。同時(shí)，在 系統(tǒng)運(yùn)行期間能夠?qū)崟r(shí)顯示系統(tǒng)時(shí)間[9]。

4 系統(tǒng)調(diào)試

整個(gè)系統(tǒng)調(diào)試是本設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵部分所在。主要分為主、從機(jī)硬件部分和上位機(jī)軟件部分兩部分的調(diào)試。

4.1 主、從機(jī)硬件調(diào)試

本系統(tǒng)的硬件分為主控機(jī)和從機(jī)兩部分，但基本的調(diào)試方法都大致相同。具體方法是：先檢查電路，并且確認(rèn)無短路或斷路的地方。如果都正常，則可以給電路進(jìn)行通電檢測(cè)。在進(jìn)行通電連調(diào)時(shí)要結(jié)合軟件調(diào)試進(jìn)行，此時(shí)出現(xiàn)的問題往往可能不是硬件的問題，有些地方也有軟件的設(shè)置問題。

4.2 上位機(jī)軟件調(diào)試

上位機(jī)軟件調(diào)試主要是結(jié)合串口調(diào)試助手測(cè)試。整個(gè)軟件調(diào)試時(shí)的難點(diǎn)是通信協(xié)議方面的調(diào)試。

圖9所示的是1號(hào)從機(jī)向上位機(jī)傳送當(dāng)前的采集溫度是16.1 ℃，濕度是73.9%。同時(shí)系統(tǒng)能夠比較當(dāng)前濕度和上、下限值來自動(dòng)或手動(dòng)發(fā)送控制命令。

圖9 1號(hào)從機(jī)向上位機(jī)傳送當(dāng)前的采集數(shù)據(jù)信息

5 結(jié)論

人們一直在追求并提高通信性能，本系統(tǒng)以STC12C-5A60S2和MAX485為核心部件，使用數(shù)字溫濕度傳感器DHT21芯片，實(shí)現(xiàn)對(duì)周圍環(huán)境的溫濕度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并對(duì)相應(yīng)的監(jiān)測(cè)結(jié)果做出相應(yīng)的處理。本系統(tǒng)最主要的核心在于串口通信協(xié)議的設(shè)置，重點(diǎn)設(shè)計(jì)的內(nèi)容是單片機(jī)之間的串行異步多機(jī)通信[10]。

單片機(jī)多機(jī)通信在實(shí)際應(yīng)用中，其性能的優(yōu)越性和穩(wěn)定性已逐漸被不少用戶所認(rèn)可，可以預(yù)見，支持高速率、遠(yuǎn)距離、性能穩(wěn)定的通信標(biāo)準(zhǔn)將在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中脫穎而出，并隨著技術(shù)進(jìn)步而更加完善，它必將得到更廣泛的應(yīng)用和推廣。