基于MODBUS协议的无线远程温度采集系统设计

基于MODBUS协议的无线远程温度采集系统设计引言温度，影响着整个生物圈的生态平衡和人类的生存发展，从随处可见的体温计、测量气温的温度计，到钢铁厂、火力发电产的温度控制，现如今已经成为了社会生活和工业生产中最常见也是最不可缺少的的数据参数之一。我们现在处于信息时代，信息的传播速度、处理速度处于最重要的地位，所以我们工业生产对于温度的测量与采集的精度与速度要求也就越来越高。与此同时我们不再局限与直接的测量采集温度，而是更多的进行远距离的测量采集。所以无线远程温度采集便是本次设计的目的。计算机作为最先进的科学技术发明的代表，已经从最初的军事科研领域逐渐走向我们寻常百姓家中，成为信息时代必不可少的工具。于是我们采用大学生最熟悉的微型计算机——单片机作为数据采集系统的主体，采用单片机进行温度数据采集，精度高、速度快、电路设计简单等优点。远程通信的方式有许多种，例如有线网络通信，无线通信等。我们利用无线通信方便、灵活且经济实惠的特点来进行远程通信。在数据采集系统设计中，通讯协议的选择是十分重要的，针对数据源一般较分散且离控制中心较远的情况，从应用角度出发，并考虑系统的可扩展性，我选择MODBUS协议来构建的数据采集系统，以满足温度采集的实时性和可靠性。而今随着科学技术的发展、人们生活质量的提高，温度监测不仅应用在工业生产，同时也融入到社会生活的各个方面，温度监测将更好的服务于社会。第1章概论1.1无线远程温度采集系统的现状改革开放后，科学技术的革新、经济的飞速发展，人民的生活水平不断提高，我们也逐渐把注意力从温饱转向生活的各个方面，而温度正是其中之一。人类的生活环境中，温度扮演着极其重要的角色：气候的温度、钢铁的冶炼、玻璃的制造、热能发电、医疗的冷冻疗法等等。这些方面自第二次革命以来，对是否能掌握温度有着绝对的联系。可以说几乎所有的工业部门都不得不考虑着温度的因素。目前国内外对于温度检测已经非常的成熟，但我们正处于信息时代，一个计算机网络与通信技术高速发展的时代。借助无线网络技术和通信技术，无线温度监控不仅可以应用在社会生产方面，一改有线方式传输量小、距离有限、实时性差等缺点，还可以让工作人员远离高温危险的工作环境，体现以人为本的科学发展观，同时其作用也体现到人们生活的各个方面。1.2无线远程采集温度系统的任务及特点本次设计是基于MODBUS协议的无线远程温度采集控制系统设计，因为MODBUS协议具有良好的开放性和可扩充性，得到用户的广泛应用，目前已经成为当今最流行的工业标准，所以我从工业的角度快速稳定地进行温度采集。经过资料的查阅及严格的选择选择STC12单片机为从站、文本显示器为操作终端主站来满足MODBUS协议一主多从的特点；选择PT100温度传感器用于温度参数的测量与控制；POP2032无线数传模块作为无线远程收发模块。1.3单片机控制的优点1.3.1单片机概论及发展过程单片机（Microcontrollers）是一种集成电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU、随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计数器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的微型计算机系统，在工业控制领域广泛应用。1976年，Intel公司推出了MCS-48系列单片机，早期的MCS单片机都是8位或4位的。其中最成功的是INTEL的8051，此后在8051上发展出了MCS51系列MCU系统。其特点是：存储器容量增加，寻址范围扩大（64KB），指令系统功能强大。基本型产品的片内集成有：1.8位CPU；2.4KB程序存储器（ROM）；3.128B数据存储器（RAM）；3.2个16位定时/计数器；4.5个中断源、2个优先级；6.1个全双工串行口。基于这一系统的单片机系统直到现在还在广泛使用。而传统的8位单片机的性能也得到了飞速提高，处理能力比起80年代提高了数百倍。通用微型机的性能主要体现在计算性能（CPU位数逐年提高）；单片机的性能主要体现在嵌入式性能（片内资源愈发丰富），所以当前的单片机仍然以8位机为主流。从事实上来看，80C51单片机系统结构合理，技术成熟可靠，所以单片机芯片的厂家把重点放在提高8051的性能上，从而形成了80C51的主流产品地位。[1]1.3.2单片机的优点1.突出的性能由于CPU、存储器以及I/O姐控继承在同一芯片内，各个部件间的链接紧凑，数据的传送不易受运行环境的影响，所以用单片机设计的产品可靠性较高；单片机是为满足工业控制而设计的，所以控制功能强（其CPU可以对I/O端口直接进行操作，位控能力更是其他计算机无法比拟的），特别是进出推出的单片机产品，内部集成有高速I/O口、ADC、PWM、WDT等部件，并在低电压、低功耗、串行扩展总线、控制网络总线和开发方式（如在系统编程ISP）等方面都有了进一步的增强。可以对外部存储容量根据需要进行扩展，设计可以相对比较灵活。由于现存有许多已经设计很完善的子程序，在系统软件设计中可以直接调用，减少较大工作量。2.优先的嵌入品质单片机芯片价格低廉，适合于大批量低成本的产品设计；单片机品种和型号多，适用于广泛的应用领域；单片机的引脚少、体积小（有的引脚已减少到8个或者更少），从而使应用系统的印制板减少。使产品结构精巧。现在的各种电子元器件中，单片机具有十分优秀的性价比。由于现在单片机的价格相对都比较低，而且外围电路的元器件价格也不高，所以整体设计起来，成本比较低。这恰是单片机在我们大学生普遍应用的原因。[2]1.4论文的主要内容论文是对无线远程温度采集系统进行研究和设计，完成整个控制系统的总体方案，并对硬件电路和软件程序进行详细的设计，实现最终的远程数据采集系统。第1章介绍数据采集系统的现状，并对无线远程采集系统任务及特点和主控制芯片单片机进行介绍。第2章介绍无线远程数据采集系统的总体设计，简单论证系统主要元器件及模块的选择，并对数据采集系统的总体构造进行详细的介绍。第3章完成系统的硬件设计方案，完成基本的硬件技术，硬件系统的设计包括系统硬件介绍及组成、系统硬件电路设计给出详细的技术方案。第4章完成系统的软件设计，介绍系统采用的主要软件PROTEL，完成系统的主体程序，并对程序功能以及MODBUS通信协议进行详细介绍。第5章对系统的仿真和硬件电路的焊接调试详细介绍。第2章数据采集控制系统总体设计2.1系统控制要求1.温度监测范围：0～300℃；2.接收系统显示温度实际值，收发距离：300米以上2.2系统主要模块元器件选择 2.2.1单片机芯片选择80C51系列单片机目前已经市场上最主流的产品，兼容产品种类多，选型方便，技术应用也流行了多年，具有丰富成熟的软硬件资源。就此我们选择国内占有比例最大的STC系列单片机作为主控芯片。STC89C52是单片机是宏晶科技推出的性价比超强的一款单片机，指令代码完全兼容传统8051单片机。与此同时STC单片机还具有其他单片机没有的功能，例如特点：有内部EEPROM,可以串口下载程序，可以断电后保存资料等，这些功能使得STC89C52从众多单芯片中脱颖而出。因此本次设计选择改单片机芯片。2.2.2温度采集模块选择选择PT100变送器为温度采集模块。温度变送器是将温度变量转换为可传送的标准化输出信号的仪表，主要用于工业过程温度参数的测量和控制。PT100是铂热电阻，它的电阻阻值随着温度的变化而变化，而利用这个变化关系研究产生的PT100热电阻温度传感器在温度计算、阻值计算等高精度产业内应用广泛。而PT100温度变送器是将铂电阻信号远距离传输、抗干扰能力强，这就满足了本次设计的用于工业测温以及无线传输的要求。[3]2.2.3无线收发模块的选择本次设计是基于MODBUS协议的设计，MODBUS采用与RS232C兼容的串行口连接，同时MODBUS控制器采用的是Master/Slave即一主从方式通信，所以选择POP2032无线数传模块。该模块，可实现点对点、一点对多点间的数据传输，并且数据接口为RS232。与此同时该模块体积小、功耗低、通信距离远且穿透力强、抗干扰能力通信稳定。以上这些特点刚好符合本次设计用于工业的要求2.2.4操作终端（显示器）的选择HMI是人机界面（HumanMachineInterface）的缩写。常见的的HMI是通过标准RS-232通信口与设备连接。文本显示器是我们常见的人机界面的一种，性价比相比于液晶显示屏这类的高档人机界面有着巨大的优势。与此同时它的编程简单、操作方便。[4]根据上述论证，最终我们采用单片机芯片、PT100温度变送器、POP2032作为无线数传模、文本显示器作为操作终端第3章硬件设计3.1任务的总体设计本次设计的任务是通过运用51单片机为处理核心，将PT100温度传感器的电阻信号通过AD转换电路处理为数字量信号交给单片机，再由单片机通过RS232C串口通过无线传输模块将温度数据传送到操作终端，也就是文本显示器上，完成远程无线温度数据采集的功能。系统框架架和工作原理如图3-1所示3.2系统硬件电路的设计3.2.1单片机最小系统设计51单片机是40引脚双列直插芯片。它有四个8位并行I/O端口，每一个I/O端口都能独立地作输出或输入。51单片机内部包含了CPU、存储器和I/O接口，即包含了微型计算机的基本不见。想要勾践一个单片机的应用系统，尚需扩展一些辅助的部件，如复位电路、晶振电路等。单片机芯片加上复位电路及晶振电路就构成了单片机最小系统。有了以上部分组成的最小系统，单片机就能够正常进行简单工作了。1.电源电路：其主要目的是给单片机最小系统提供电源，一般可用5V直流电进行供电，常直接用USB接口对最小系统输送电能。2.复位电路：复位电路原理是复位信号从单片机的RST引脚输入，高电平有效，其有效电平应维持至少2个机器周期,只要保证电容的充放电时间大于2us，单片机内部就执行复位操作。复位信号变为低电平时，单片机执行程序。实际运用中，复位操作有两种基本形式：一种是上电复位，另一种是上电与按键均有效的复位。[5]3.时钟电路：单片机能产生两种时钟方式。一是内部时钟方式，二是外部时钟方式。这两个时钟源便是内部R/C震荡时钟和外部晶振时钟。单片机片内有一个用于构成振荡器的高正增益反向放大器，输入端为19脚XLAT1，输出端为18脚XLAT2。在XLAT1和XLAT2两端接了一个石英晶体和两个电容，构成稳定的自激振荡器当震荡在6MHz到12MHz时通常安装2个30pF左右的电容能保证振荡器稳定和可靠工作时，对频率起微调作用。当系统与PC机通讯时，应选择11.0592MHz的晶振，有利于减小波特率误差。单片机最小系统如图3-2所示。图3-2单片机最小系统3.2.2温度采集电路设计1.PT100温度变送器Pt100铂热电阻被密封在金属棒中,这样使得本温度测量系统不但可以测量室内气体温度,还可以测量油缸内油温、土壤、液体、种子等内的温度,大大提高了温度测量系统的适用范围。温度数据采集模块由PT100温度传感器和温度变送器组成。温度变送器采用热电偶、热电阻作为测温元件，利用铂热电阻特性来检测温度,将温度转换成电信号，从测温元件输出信号送到变送器模块，转换成与温度成线性关系的0-5v电压信号输出。PT100原理图2.ADC0832与单片机的接口电路

ADC0832引脚如图3-3所示。图3-3ADC0832引脚图正常情况下ADC0832与单片机的接口应为4条数据线，分别是CS、CLK、DO、DI。但由于DO端与DI端在通信时并未同时有效并与单片机的接口是双向的，所以电路设计时可以将DO和DI

并联在一根数据线上使用。同时，ADC0832芯片作用是进行AD转换将PT100采集到的电阻信号转化为单片机可以识别的数字量，所以CH0接到PT100变送器的输出端。AD转换电路原理如图3-4所示。图3-4AD转换电路原理图3.2.3无线传输模块1.MAX232芯片当我们使用单片机和外界通过串口进行通信时，虽然单片机带有串行口通讯的功能，但是单片机提供的电平信号与RS-232C的标准不一样，所以需要通过类型MAX232的芯片进行电平转换。其原理图如图3-5所示。图3-5MAX232原理图2.POP2032无线通信模块，是一种无线数据传输产品，它具有体积小、功耗低、通讯距离远、抗干扰能力强、稳定可靠等优点；可以实现一主站对一从站、一主对多从站等的设备间数据的透明传输；数据接口有：TTL、RS232、RS485，使用简单方便，适用于各个行业领域。POP2032使用直流电源，电源可以与别的设备共用，但要选择纹波系数好的电源；如果用开关电源一定要选择电源稳定，上电脉冲小的。供给POP2032的电源的额定电流需大于200mA。模块的收发转换正常情况下模块处于接收状态，模块的收发转换会自动进行，如果通过RS232/TTL/RS485接口往模块发送数据，模块会自动把该数据通过无线链路发送出去，发送完成后模块会自动切换到接收状态；如果在接收状态下收到数据那么模块会通过RS232/TTL/RS485接口发送出来。3.2.4文本显示器文本显示器又被称为终端显示器，是一种纯粹的渲染文本的人机交互系统。通过文本显示器，将所需要控制的内容编写成相应的程序，最后显示在文本显示界面。触摸屏则是将OP按键放到了屏幕内，画面切换及参数输入等都在屏上操作，所以画面可以做的很直观，画面分布完全由编程者自由掌握，编程自由性很大。。通过文本显示器，将把我们所需要控制的内容，编写成相应的程序，最终在文本显示器的界面上显示出来。这样，不但大大提高了操作的方便性，而且能够显着提高我们的工作效率。目前国内生产有台达，成都普莱斯等行业厂家，可谓是发展迅速。[7]第4章软件设计4.1系统软件设计总流程框图系统负责对温度的数据采集，经过处理后通过无线模块发送出去。系统程序流程图如图4-1所示。温度采集温度采集数据处理显示数据开始远程传输数据系统初始化MODBUS协议结束操作终端接受数据YN返回图4-1系统程序流程图4.2文本显示器的软件设计1.软件介绍TP200是一款人机介面软件，用于文本控制器的程序编制。该软件使用方便，简洁易学，能直接输入中英文字符。它的基本使用流程如图4-2所示创建或打开工程创建或打开工程创建或打开画面运行编辑画面 运行软件保存工程传送画面图4-2TP200使用流程图而软件的画面编辑简单，它的编程过程如图4-2图4-3所示图4-3新建工程图4-4画面设计图4-4编辑画面4.3MODBUS通讯协议MODBUS协议是Modicon公司1979年提出的应用于电子控制器进行控制和通信的通用语言，是全球第一个真正用于工业现场的总线协议。它具备良好的开放性和可扩充性，得到了用户的广泛应用，成为现如今最流行的工业标准协议。MODBUS采用RS-232C兼容串行口链接，RS-232C规定了连接器、电平信号、波特率、奇偶校验等信息，MODBUS协议则在RS-232C标准的基础上规定了消息的结构、命令和应答的方式。MODBUS控制器采用Master/Slave（主从）方式通信，ModBus网络只有一个主机，所有通信都由他发出。控制器能直接或经由Modem组网。控制器通信使用主从技术，即仅设备（主设备）能初始化传输（查询）。其它设备（从设备）根据主设备查询提供的数据作出相应反应。典型的主设备：主机和可编程仪表。典型的从设备：可编程控制器。主设备可单独和从设备通信，也能以广播方式和所有从设备通信。如果单独通信，从设备返回消息作为回应，如果是以广播方式查询的，则不作任何回应。Modbus协议建立了主设备查询的格式：设备（或广播）地址、功能代码所有要发送的数据、错误检测域。从设备回应消息也由Modbus协议构成，包括确认要行动的域、任何要返回的数据、和错误检测域。如果在消息接收过程中发生错误，或从设备不能执行其命令，从设备将建立错误消息并把它作为回应发送出去。[9]MODBUS流程图如图4-5所示。MODBUS变量初始化MODBUS变量初始化从机ID吻合CRC校验正确完成功能码相应功能NYYN开始结束接收数据图4-5MODBUS流程图MODBUS可分为两种传输模式：ASCII模式和RTU模式，任何模式都可以由用户自行选择，包括串行口通信参数。本次设计采用RTU模式。1.RTU模式当控制器设为RTU模式（远程终端单元）时，信息帧中的每个byte，包含两个4位十六进制字符。与ASCII模式相比，在相同的波特率下可以比ASCII传送更多的数据。RTU模式时消息发送至少要以3.5个字符时间的停顿间隔开始。传输过程中网络设备不断侦测网络总线。当正确接收到地址域后，相应的设备就对接下来的传输字符进行解码，一旦有至少3.5个字符时间的停顿就表示该消息的结束。2.RTU模式相比于ASCII模式的优点RTU模式的主要优点是较高的数据密度，在相同的波特率下比ASCII模式有跟高的吞吐率。每个报文必须以连续的字符流传送。RTU模式采用CRC校验ASCII模式当通信链路或者设备无法符合RTU模式时使用该模式。由于一个字节需要两个字符，所以ASCII模式比RTU模式效率低。ASCII模式采用LRC校验。3.CRC校验校验CRC由16位二进制数组成，也即两个字节。它是计算后由传输设备添加到消息中的。接收设备来计算结CRC的信息，并与收到的CRC的值，如果2个不同的值，则是错误的。CRC的16位寄存器最先调入的初始值为1，然后将寄存器中的数值和消息中的字节进行处理，在调用过程中。单单对每个字符中的8Bit数据对CRC有效，起始位和停止位以及奇偶校验位均无效。第5章硬件电路焊接及系统调试5.1硬件电路焊接本次电路设计采用PCB制板，如图5-1所示。检查原理图与PCB是否一致正确后，开始焊接，实物图如图5-2所示。图5-1PCB板制图图5-2电路实物图5.2系统调试单片机导入程序、文本显示器编辑后，该系统开始运行，从显示屏可以观察到当前检查到的温度，如图5-3图5-4显示图5-3硬件实物图图5-4实时温度图结论本次毕业设计，完成了一个无线远程温度数据采集系统，能够远距离准确地采集温度。以我们大学生熟知的单片机为开发平台，整个系统的软硬件进行设计；以联畅POP2032无线串口模块，PT100温度传感器这些高性能的模块，设计一个运用于工业的数据采集系统。该系统电路简单、精度高、抗干扰性强，使工业生产快速、高效、安全。为了体现本次设计的创新性，在考虑系统对工作人员保护方面，加入了远程通讯，让人员远离危险高温的工作环境，于是在设计选题过程中就加入了许多当下最流行的工业标准：MODBUS协议。该协议具有良好的开放性和可扩充性，得到用户的广泛应用。在设计的过程中我也遇到了一些问题。最早看到题目我选取的硬件都是适用于我们学生实验的一些精度强度不够高的元器件，例如DSB1820温度传感器、NRF24L01无线模块。在于老师沟通过程中我才意识到本次设计是用于工业生产的，而我选取的元件无法符合工业生产的强度。于是在多次与指导老师的沟通下，我最终选择了PT100温度传感器，POP2032无线模块等精度高、传输距离远的元件。由于经费的不足，文本显示器可以替换成性能更加优越，外表更加美观的液晶显示器作为操作终端。而且随着科技的不断发展，工业自动化进程、工业生产要求将会不断提高，本系统的也将会在许多方面进行完善。致谢语毕业设计的完成意味着我的大学生四年的生活即将结束，也意味着我整个学生生涯就要画上句号。在制作毕业设计和求职的过程中我才愈发的认识到学习的重要性，虽然学生生涯的结束，但新的征程又要开始了，学无止境，我们的学习是不会停止的。首先要感谢我的导师陈老师，他在工作之余还孜孜不倦的指导我们的毕业设计，从选题、搜集资料再到实物的设计、论文的定稿，他都十分耐心与无私，即使在假期我们还用邮件和短信进行交流。正是他的严格把关我才能最后成功得完成毕业设计。我还要感谢大学四年来每一个教过我的老师，才华横溢的老师们的熏陶下度过了一个充实的四年。同时张金莲指导员在学习中、生活中也为我们整个班级付出了许多精力。在此我向所有帮助过我、指导过我的老师同学们表示最真诚的敬意和最衷心的感谢！参考文献[1]裴庆涛.浅析单片机的应用[J].中国电子商务,2013，(18).[2]李全利.单机原理及应用[M].北京：高等教育出版社,2014.[3]范晓伟.自助终端类产品的人机界面研究[J].无线互联科技,2013，(4):137—137.[4]才智.PT100铂热电阻温度测量系统的设计[J].现代电子技术,2008，(20):172—177.[5]杨美荣.浅析AT89S51单片机最小系统的设计与制作[J].职业,2010，(11):179—180.[6]阎石.数字电子技术基本教程[M].北京:清华大学出版社,2007.[7]张勇洪.浅谈台达PLC及文本显示的应用[J].电仪技术,2013,(03).[8]徐爱钧.基于Proteus虚拟仿真技术[M].北京：机械工业出版社,2013.[9]朱懿.ModBus协议在工业控制系统中的应用[J].微计算机信息,2006，(10)118—120.[10]徐志勇.Modbus通讯协议中校验码的计算方法[J].仪器仪表用户，2004.（04）附录电路总原理图ADC0832#include

<REGX51.H>

#define

uchar

unsigned

char

#define

uint

unsigned

int

uchar

tab[]={0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x83,0xf8,0x80,0x98};

//共阳代码

sbit

AD0832_CS

=

P2^7

;

//片选信号

sbit

AD0832_CLK

=

P2^5;

//时钟接口

sbit

AD0832_DI

=

P2^6;

//数据接口

uchar

GetAD0832(bit

Channel)

{

uchar

i=0

,

Data1

=0

,

Data2

=

0

AD0832_CLK

=

0

;

//时钟置低平//时钟12Mhz，

整个转换时间为224us

//AD0832_DI

=

1

//开始信号为高电平

AD0832_CS

=

0

//片选信号置低，启动AD转换芯片

AD0832_CLK

=

1

//输入开始信号（构成一个正脉冲）,时钟上升沿，输入开始信号

AD0832_CLK

=

0

//时钟下降沿

//模拟信号输入模式选择AD0832_DI

=

1

AD0832_CLK

=

1

//时钟上升沿，输入开始信号

AD0832_CLK

=

0

//时钟下降沿

AD0832_DI

=

Channel

//选择通道0

AD0832_CLK

=

1

//时钟上升沿，输入开始信号AD0832_CLK

=

0

//时钟下降沿

AD0832_DI

=

1

//数据线置高，准备接收数据

for(i=0;i<8;i++)

//从高位移入数据

{

AD0832_CLK

=

1

AD0832_CLK

=

0

//时钟下降沿,AD0832输出数据，高位（MSB）先

Data1

=

Data1<<1;

//

if(AD0832_DI

==1)

{Data1

=

Data1

|

0x01;}

//如果数据为“1”，移入1，

}

for(i=0;i<8;i++)

//从低位移入数据

{

Data2

=

Data2>>1;

//数据左移位，补0

if(AD0832_DI

==1)

{Data2

=

Data2

|

0x80;}

//如果数据为“1”，移入1如果数据为“0”，移入0，

AD0832_CLK

=

1

AD0832_CLK

=

0

//时钟下降沿,AD0832输出数据，高位（MSB）先

}

AD0832_CLK

=

1

AD0832_DI

=

1

AD0832_CS

=

1

if(Data1==Data2)

//输出

{return

Data2;}

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