RS484在温度检测中的应用

-.z基于RS485总线的温湿度检测系统摘要温湿度在工农业生产活动中扮演着重要的角色。本文介绍了利用RS485总线为多节点温湿度检测构建的主从式网络监控系统构造，及相关的软硬件设计。关键词：RS485总线；温湿度检测；通信协议AdesignofRS-485municationNetofSystemoftemperatureandhumidityAbstract:temperatureandhumidityplaysaimportantrolesintheagricultureandindustry.ThisarticledescribestheuseofRS485busformult-nodemeasureoftemperatureandhumiditybuildingmaster-slavenetworkmonitoringsystemarchitecture,andrelatedhardwareandsoftwaredesign.Keywords：RS485;measureoftemperatureandhumidity;Systemoftemperatureandhumidity0引言:温度湿度与人类密切相关。人们的日常生活和工业生产活动、档案管理、以及动植物的生产和生存，都与周围环境的温度、湿度息息相关。传统温湿度检测采用水银温度湿度计进展检测，缺点是无法实现电子化记录。随着电子技术的开展，温湿度传感器，如热电偶、热电阻湿度等模拟传感器，其输出信号为模拟信号，需要对其输出的模拟信号进展线性化处理，因此模拟传感器在使用上后续电路处理较为麻烦，同时也需要对传感器进展标定。为抑制这一缺陷，数字温湿度传感器诞生数字温湿度传感将温湿度信息直接用数字量输出，其在出厂前就校验完毕，用户使用时无需对其进展校验，温湿度数字传感器在温湿度监测中应用更为方便。当温湿度监测点位较多时，常采用集散控制系统。在传输路径上常采用有线网络和无线网络两种传输方式，无线监测具有运行(或者建立)费用较高特点。有线485总线是一种广泛应用工业监测领域的串行总线，其控制方式采用主从控制模式，易实现与其他设备的互联。本文提出了基于RS485总线的温湿度在线监测系统，介绍了温湿度度监测系统的组成，温湿度采集方式及其算法，Modus协议构成。1硬件方案设计系统为两级构造,包括下位机及上位机。下位机由单片机和温湿度传感器组成,主要完成环境温湿度的采集与处理，并通过总线进展数据传递,每个下位机都有唯一的地址。上位机由PC机担任，主要承担数据的读取、报警阈值的设定,实现对各温室的统一管理。系统的构造如下列图。图1系统构造图下位机即前端采集系统由微处理器、温湿度传感器、显示电路、报警电路及通信接口组成，主要完成温湿度采集、、显示、超限报警功能,其构造如图2所示。图2下位机系统构造温度传感器采用美国DALLAS公司最新推出的DS18B20可编程单线数字式温度传感器。它测温*围-55℃—+l25℃，到达了预期的性能指标，能够直接读出被测温度并可根据实际要求通过简单的编程实现9~12位分辨率的数字值读数方式，相对应的可分辨温度分别为0.5℃，0.25℃，0.125测量湿度的传感器有普通型湿度传感器和集成湿度传感器，其中普通型主要指湿敏电阻、湿敏电容、电解质离子型湿敏元件、光强型湿敏元件等，而集成湿度传感器包括线性电压输出式、线性频率输出式和频率/温度输出式。本设计湿度测量局部采用基于独特工艺的电容元件，HSI101相对湿度传感器，其体积小巧，具有高可靠性和长时间稳定性，精度高，反响时间快，测温电路连接简单。2通信电路的设计温湿度采集终端采用485总线，其接口电路如图3所示。为保障485通讯总线的可靠性和抗干扰能力，将MCU电源和485总线电源进展隔离，采用5V转换5V的DC/DC转换电源IB0505BL；MCU与总线接口芯片之间的控制采用光电隔离，在485总线端，采用短路保护和防雷管和瞬态抑制二极管构成过压保护电路，可以有效防止通讯线路受到雷击和强电磁干扰而破坏通讯线路的情况。图3，通信电路的设计3RS-232与RS-485间的转换电路1.RS-232串行接口RS-232通讯接口[13]是一种标准化的串行接口，是为远程通讯连接终端设备DTE(DataTerminalEquipment)与数据通讯设备DCE(DatamunicationEquipment)定义的物理接口。RS-232最初只用在微机中支持调制解调器和打印机连接，由于通信接口与设备制造厂商都生产与RS-232兼容的通信设备，因此它已成为微机串行通信接口中广泛采用的一种标准。RS-232采用非平衡连接(又称为单端线路)，如图3-2所示。在这个线路中，信号电压加到一条导线上，所有的信号电压都使用一个公共的接地线。为了提高抗干扰能力和增加传送距离，RS-232的每个脚线的信号和电平规定采用负逻辑电平，(-15~-5V)规定为逻辑“1”，DC(+5V~+15V)规定逻辑“0”，DC(-5V~+5V)规定为过渡区。图3-2不平衡(单端)接收器RS-232规定使用25针标准连接口，使用DB-25型连接器。RS-232标准定义了25根信号，但实际使用时，只需2个数据线、6个控制线、1个地线共九个信号。因此一些生产厂家对RS-232标准的机械特性进展了简化，使用9针标准连接口，即DB-9型连接器。由于RS-232发送端与接收端之间的信号传递采用多芯信号线，电缆上的分布电容由于超过了规定的负载(2500pF)从而降低了摆率；发送电平(±5V)和接收电平(±3V)的差仅允许2V的共模抑制，所以RS-232的信号传输距离为十几米。RS-232在电平转换时采用的是单端输入输出，传输过程中噪声的干扰，会使信号发生畸变，故抗干扰能力差。RS-232适合于数据传输率在0~20kb/s*围内的通讯，现普遍用于近端连接标准。其特别是信号少，有多种数据传输速率可以选择，使用简单，方便[14]。2.RS-485串行接口由于RS-232接口标准是单端收发，抗共模干扰能力差，而且它未规定标准连接器，接口处各信号容易产生干扰，所以数据传输率低，传输距离短。为了实现在更远的距离和更高的速率上直接连接，研究出了一种支持多节点、远距离和接收的灵敏度高的RS-485总线标准。RS-485标准采用平衡式发送，差分式接收的数据收发器来驱动总线，如图3-3所示。图3-3平衡(差动)接收器在发送端T*D将串行口的TTL电平信号转换成差分信号A、B两路输出，经传输后在接收端将差分信号复原成TTL电平信号。两条传输线通常采用双绞线，又是差分传输，因此有极强的抗共模干扰能力，接收灵敏度也相当高。同时，最大传输率和最大传输距离也大大提高。如果以10Mb/s速率传输数据，最大传输距离为12m，而用100Mb/s传输数据，传输距离可达1.2Km。如果降低波特率，传输距离还可进一步提高。用RS-485可实现多点互联，最多可达32台驱动器和32台接收器，不仅可以实现半双工通讯，而且可以实现全双工通讯。因为RS-485的远距离、多节点(32个)以及传输线本钱低的特性，使得EIARS-485成为工业应用中数据传输的首选标准。由于能够减少布线本钱和实现较长的传输距离，RS-485被广泛应用于POS、工业和电信领域，较高的输入电阻允许多个节点连接到总线上，差分RS-485传输信号在双绞线上极性相反，因为在每根线上的磁场互相抵消，从而将ENI减到了最小。目前可用于RS-485标准的接口芯片种类较多，不同的使用场合对芯片的要求也有所不同，使用者在芯片的选型和电路设计上应做相应考虑。例如，Ma*im公司的MA*485和MA*491芯片，MA*485用于半双工，而MA*491可用于全双工。由于*些芯片的固有特性，通信中发生故障时，甚至还需要在软件上作相应调整。表3-1列出了RS-232与RS-485串行接口的主要特征参数[15]。从表中可以看出RS-232标准适合于近距离传输数据，接线方式灵活、简单；RS-485标准适用于远距离，多点间通讯，常用于工业现场采集和控制信号的传输。采用何种串行通讯标准要根据实际的要求来确定。表3-1RS-232与RS-485串行接口参数比较特征参数RS-232RS-485在传输线上允许的驱动器与接收器数目1个驱动器1个接收器32个驱动器32个接收器工作方式单端发，单端收双端发，双端收最大电缆长度15m1200m(100Kb/s)最大传输速度20Kb/s10Mb/s(15m)驱动器输出(最大电压)+25V -7V~+12V驱动器输出(信号电平)±5V(带负载)±15V(不带负载)±1.5V(带负载)±5V(不带负载)驱动器负载阻抗3kΩ～7kΩ54Ω驱动器电源开路电流(高阻抗态)Vma*/300Ω(开路) ±100μA(开路) 接收器输入电压*围±15V-7V~+12V 接收器输入灵敏度±3V±200mV接收器输入阻抗2kΩ～7kΩ12kΩ3.RS-232与RS-485的接口转换在自动监控系统中，常常需要进展微机与带有RS-485口的智能终端的串行通信问题，但两者的串行通信接口经常不一致前者是RS-232标准接口，后者是RS-485标准接口。这两种接口的机械构造、电器特性均不同(如表3-1所示)，所以需要进展RS-232和RS-485之间的电平转换。实现RS-232和RS-485之间的电平转换[15]，需要一个性能可靠的RS-232和RS-485转换接口，实现的方法可采用购置适合PC机的RS-485适配卡或专用的RS-232/RS-485转换器。RS-485通信适配卡必须插在主机的插槽里，这种方法占用了系统的硬件和软件资源，而且维修和测试比较麻烦，也为系统带来了平安隐患；购置专用的RS-232/RS-485转换器产品，如7520、MA*3126等，由于专用的RS-232/RS-485转换器设计复杂，价格昂贵，且性价比低。因此，根据RS-232/RS-485接口的转换原理，设计和制作一个RS-232/RS-485接口电路也是比较简单的。在这转换个电路中，如图3-4所示，MA*232芯片的7脚与RS-232的2脚相连，主机从该引脚接收数据。MA*232芯片的第8脚与RS-232接口的3脚相连，主机的数据从该引脚发给转换器，经MA*232把232电平转换成TTL电平，从第9脚送出。同时主机发出的数据也用来控制SN75176芯片的2个使能端，SN75176芯片有2个使能端RE和DE端，当RE为低电平时，数据输入有效；当DE为高电平时，数据输出有效。由上位机输出上下电平就可以实现SN75176芯片在接收和发送状态之间转换了。图3-4为一个半双工RS-232/RS-485转换接口设计电路。这种方案是利用现有的通用接口芯片MA*232和SN75176，构成了一个简单可靠并且实用的RS-232/RS-485转换器。图3-4RS-232与RS-485转换电路一个MA*232将RS-232信号转换成TTL电平，然后TTL信号连接到一个SN75176B接口芯片，由这个接口芯片提供RS-485接口。这个接口使用3用3条RS-232导线：T*D传输数据、R*D接收数据、RTS控制方向。当RTS为低电平时，SN75176的启动输入为高电平，T*D可以向RS-485连接进展传输；当RTS为高电平时，使能输入为低电平，R*D可以从RS-485连接中接收数据。4下位机软件设计软件系统的设计遵循“自顶而下，逐步求精〞的构造化设计原则，先将任务层次化，然后对每一层再逐步细化。每一层实现的功能尽量是独立的，彼此之间互相影响应该较少。下位机程序是一个闭环程序，除初始化程序外，程序还在采样、计算、两个过程之间循环进展。发送程序通过串口中断程序来进展发送数据图4测量模块流程图5通信协议5.1Modbus协议Modbus协议是应用于电子控制器上的一种通用语言。通过此协议，控制器相互之间、控制器经由网络(例如以太网)和其它设备之间可以通信，可将不同厂商生产的控制设备连成工业网络，进展集中监控。Modbus采用主从方式进展通讯，协议为查询应答方式，其方式如图图3主从设备通讯查询消息中的功能代码告之被选中的从设备要执行何种功能。数据段包含了从设备要执行功能的任何附加信息。例如功能代码03是要求从设备读保持存放器并返回它们的内容。数据段必须包含要告之从设备的信息：从何存放器开场读及要读的存放器数量。错误检测域为从设备提供了一种验证消息内容是否正确的方法。如果从设备产生一个正常的回应，在回应消息中的功能代码是在查询消息中的功能代码的回应。数据段包括了从设备收集的数据：如存放器值或状态。如果有错误发生，功能代码将被修改以用于指出回应消息是错误的，同时数据段包含了描述此错误信息的代码。错误检测域允许主设备确认消息内容是否可用。主机呼叫报文如下：帧头终端地址功能码CRC校验2字节1字节1字节2字节主机呼叫报文含义：名称字节数值含义功能帧头2字节3CC3功能码1字节11温度22湿度33温湿度从机回应的报文如下：帧头数据CRC校验2字节2字节2字节从机回应报文含义：名称字节数值含义功能帧头2字节AA55数据2字节实际的温湿度，〔如果主机要求温湿度，那有两个报文〕6总结：本文设计的温湿度监测系统具有以下特征：1)参加485路由后，系统组网形式可以多样化，既可以线性，也可以实现分支树形连接，有效减少通讯线缆的长度。2)系统采用CRC校验，可对路由、终端、传感异常进展检测，既可保障数据的准确性，又可结合数据终端地址准确获知故障点和故障状态，有利于系统维护。3)系统在软件和硬件方面采用了多重防护技术，如光电隔离、瞬态抑制保护、防雷保护、看门狗等措施，系统抗干扰性较强，完全可以应用于温湿度监测。参考文献龚建伟，熊光明.VisualC++/TurboC串口通信编程实践.工业，2004于月森，叶王庆.RS-485总线可靠性应用研究[J].第八版，微计算机信息，2007:24~26作者李志俊，程涛.基于多线程的多串行通信任务的实现.**理工大学学报(交通科学与工程版)，2002，Vol.26(5)：575~578李志俊，黄珍.PLC控制网络与计算机管理网络通信方法的探讨.第四版，交通与计算机,2000:35~37*嫒，李志俊，邹轶才，陈绵云.基于模拟IIC总线的社区求助系统的设计.第九版，微机开展，2005:128~130杨旭雷，*浩.基于RS-485总线的测控系统串行通信协议及软硬件实现.第二版，电气自动化，2002:28~31赵毅，单继平，*玉良.PLC网络在散粮控制中的应用.港口装卸，2001：29~31周海峰，赵春宇，陈大跃.基于RS485的种子处理成套设备的网络控制设计[J].测控技术，2004，23〔12〕：48~49罗文广，陆子杰.基于单总线的多点温度测量技术.第三期，传感器技术，2002：47~50苏宝平，全力.新型粮仓温湿度智能化测控系统.第二期，农机化研究，2004：221~223NicholsH.M.C.，BernardC.B.，avidM.H..RemoteInstrumentDiagnosisontheInternet[J].IEEEIntelligentSystem,2008,(5):70~76Si