仓库温湿度监测与调控系统设计

1绪论1.1研究背景及意义目前国家投资兴建了数百所大型现代化仓库，这些大型仓库的容量和规模都是前所未有的，最大的仓库方圆几公里，仓库房数为数十个。这些大型仓库的兴建暴露出原有小仓库的一些问题。主要有如何随时掌握每个仓内货物的质量变化情况，如何保证入库的货物在较长时间的保存期内不变质。在储藏过程中，货物经常会受到温度、湿度及其它因素的影响，可能出现发热、霉变、虫害孽生等情况。为了减少储藏过程中的损失，保障物品的品质和质量，首先应该及时准确地掌握储藏过程中各种物理因素的变化情况，找出其变化规律。库情测控系统是利用现代电子技术来实现仓储过程中对货物所处环境变化的实时检测、对实时检测数据进行分析与预测、对异常情况提出处理建议和控制措施等，为科学及安全储物提供技术保证和科学依据。货物冷却、机械通风、环流抽湿、库情测控是四项储物新技术，其中库情检测是基础。检测是其他三项储物技术运行状态的观察者和运行结果的真实反映者。库情测控系统的准确、可靠性，直接关系到其他三项储物技术运行和应用效果，是四项储物新技术应用的关键。由此可见，粮情测控系统在粮食储藏过程中的重要地位和所起的决定作用。仓库检测系统包括:库内温湿度检测、分析与通风控制。“库情检测”在货物储藏过程中所起的作用就像“人工”保管时期保管人员的“眼睛”和“鼻子”，对储藏过程中各种情况进行实时观察，并密切关注着库情的实时变化:“库情分析”就像保管人员的“大脑”，对通过“眼睛”和“鼻子”观察到各种库情及变化情况，并根据储藏技术的特点和储藏的各种环境条件进行综合分析与判断，给出相应的结论及处理建议:“通风控制”就像保管人员的“手”和“足”，根据“大脑”的结论和处理建议来采取相应的处理措施，以确保货物处在适宜的储藏状态，保证储藏的安全。检测、分析、控制三者之间的关系对于仓库检测分析控制系统产品而言，首先，应满足安全储粮的具体技术要求。检测是基础，分析是依据，通风控制是手段。库情检测是对货物储藏过程中货堆温度、仓内温、湿度和大气温、湿度等基本检测参数变化的记录。库情检测系统是通过电源电缆、通讯电缆将计算机、检测主机、检测分机、分线器和测温传感器等连结起来构成的系统。检测过程是把埋在货堆内的温度传感器所感应到货堆内的温度变化情况，通过分线器、检测分机、检测主机而反映到主控机房的计算机上，使库房保管人员可以随时观察货物的温度变化情况，并采取相应的处理措施，以确保储藏过程的安全。建立仓库检测产品技术新体系，应本着一切从国情出发，从实际需要出发，从目前国内的技术水平出发，面向遍布全国各大生产区和销售区仓库的不同仓房类型，优化不同类型和功能、性能价格比较高的仓库情检测成套系列化产品，经济、实用地来满足粮食储藏的不同需求。1998年开始，中央决定投资建设中央直属储备库，这是一项具有重大意义的战略举措，它不仅能够有效地缓解库仓容量严重不足的压力，改善仓储设施的布局和结构，增强国家对粮食、药品、军火等关系国家命脉的重要物资的宏观调控能力。确保国家安全，而且能够带动和促进整个国民经济的持续稳定地增长。通过中央直属储备库的建设，为在全国范围内形成布局合理、便于调控的现代化储运体系打下基础。我国每年粮食总产量约4.5亿吨左右，全年进行流通的粮食大约1.5亿吨，全国现有粮库数量就有58000多个，仓房类型繁多，按大类划分诸如:平房仓、筒仓、楼房仓、圆仓、浅圆仓等，且仓容规模大、小不等，遍布全国各产地和销区。利用先进的检测和计算机技术，在现有库情检测系统的基础上，优化检测系统产品种类。研究建立适应不同仓型的检测系统成套技术和装置，使粮食储藏过程中检测技术日趋规范化、标准化与系列化是国情及粮食储藏过程之所需。粮情检测技术标准化、系列化问题的研究解决，将有力地推动我国仓库库情检测技术新体系的建立，为仓储业务管理规范化、标准化工作提供强适应性检测手段，确保仓储的科学与安全。1.2国内检测技术的研究现状与发展趋势仓库库情检测技术是科学保粮的关键技术之一。随着电子技术、计算机应用技术的进步和发展，计算机的应用范围日益扩大.仓库检测计算机应用的萌芽形成于早期应用电子技术检测粮食温度。当时，以铜电阻，热敏电阻作为传感器件，通过检测电阻的变化来反映粮食温度的变化，为粮食保管提供参考依据。但此工作靠人工一点一点测量，效率低，准确性差。在粮食部门各级领导的关怀和粮食行业科技主管部门的大力支持下，在粮食行业内、外广大科技工作者近30年的共同努力下，粮情检测技术不断完善、提高、并日趋成熟，逐步形成了样式繁多的各种仓库环境检测系统，为安全、科学储粮起到了积极的作用。仓库检测系统计算机应用工作的开展取得了一定的经济效益和社会效益，不同程度地提高了工作效率和管理水平，并积累了一定的计算机应用方面的工作经验，在软、硬件技术方面也进一步得到改善和提高。例如，现在比较成熟的粮情检测系统在布线上采用矩阵式布线技术，简化了数据采集部分的线路;在传感器方面应用了半导体、热电偶等器件:在数据传输上采用了串行传输方式，从而减少了传输线条数;通过各种手段提高了数据传输和巡检速度，通过软、硬件技术的结合提高了检测精度和可靠性。目前国内己有数十家企业生产仓库检测系统产品，品种繁多，系统结构各异，但其基本功能无外乎仓库内外温湿度检测、货堆内部温度检测及分析、通风机械的控制等儿项，鉴于储藏物品的特殊性，系统功能的重点放在了货堆内部温度的检测和分析上。检测系统可以根据采用的温湿度传感器和通信方式的不同进行如下分类：按温度传感器分类通常检测系统主要选用热敏电阻、数字式温度传感器作为温度传感器，也有选用其它温度传感器例如P-N结型温度传感器的仓库检测系统。热敏电阻以温度变化导致阻值的变化为工作原理的热敏电阻，因其具有成本低、体积小、简单、可靠、响应速度快、容易使用等特点。在多项温度测量应用中受到广泛欢迎，同样也是国内粮情检测系统中采用最多的温度传感器。热敏电阻的电阻温度系数较高，室温电阻通常也较高，因此其自身发热较小，信号调节较为简单。热敏电阻的缺点是互换性差，温度与输出阻值之间呈非线性关系。热敏电阻分为正温度系数热敏电阻和负温度系数热敏电阻两种，但在温度测量应用中，正温度系数热敏电阻较少得到采用，更多采用的是负温度系数热敏电阻。以下提及的热敏电阻均指负温度系数热敏电阻。采用热敏电阻作为温度传感器的粮情检测系统的硬件由上位机、通信接口电路、智能分机、温度分线器、测温电缆、湿度分线器、测湿探头和通风控制器组成。在上位机上运行粮情检测系统软件，对检测到的温湿度数据进行分析，根据仓内外温湿度条件判断是否可以进行通风，手动或自动控制通风机械的启动和停止。通信转换电路分为内置式和外挂式两种，主要完成两种通信协议之间的衔接转换功能。智能分机是由微处理器、A/D转换电路和通信电路等组成，主要功能包括接收上位机下达的指令、将现场采集上来的模拟信号数字化、向上位机传送数字化的温湿度值、向通风控制器下达启动或停止指令等。温湿度分线器主要完成接收智能分机下达的指令、将模拟开关切换到指定的温湿度测量点等功能。通风控制器主要功能是根据智能分机下达的指令控制通风机械的启动和停止。智能分机与温湿度分线器和通风控制器之间均采用单根多芯电缆连接，具有结构简洁、维护方便、成本低等诸多优点。采用热敏电阻作为温度传感器的测温电缆是粮情检测系统的重要组成部分，它是将多个热敏电阻置入一根测温电缆之中，电缆内加细钢丝绳提高抗拉强度、外加绝缘护套密封防腐。采用热敏电阻作为温度传感器的粮情检测系统的温度检测范围一般在-400C到+500C之间，检测精度为±10C，完全满足粮情温度检测的需要。根据其系统结构的特点.一般在单根测温电缆上置入3-4个热敏电阻，特别适合房式仓储环境。数字式温度传感器的种类也不少，但用于库情检测系统的温度传感器主要是美国Dallas公司生产的DS18x20系列温度传感器，其温度检测范围为-550C至+1250C，检测精度为士0.50C.DSl8x20采用1-Wire接口，封装形式有PR-35和8-PINSOIC两种，仓库检测系统中常采用的是PR-35封装。DSl8x20采用9个位表示测温点的温度值，每个DS18x20内部都设置有一个单一的序列号，因此可以使多个DS18x20共存于同一根数据传输线上。DS18x20内部分为4个部分:64位序列号;保存临时数据的8字节片内RAM;保存永久数据的2字节EEPROM;温度传感器。采用数字式温度传感器的仓库检测系统的结构与采用热敏电阻的仓库检测系统的结构大致相同，只是用检测单元替代了智能分机、扩充接线器替代了温度分线器。检测单元与智能分机的区别在于没有用于将温度信号数字化的A/D转换电路，取而代之的是1-Wire总线与上层通信总线之间的通信转换电路，如果系统选用了数字式湿度传感器则检测单元将完全由数字电路组成，而智能分机是由数字电路和模拟电路两部分构成的。这将使检测单元的电路设计更为容易。采用DS18x20温度传感器的仓库检测系统的测温电缆与热敏电阻测温电缆大不相同，该测温电缆最多只需3根导线即可连接多个DS18x20温度传感器.最为简洁的结构是利用DS18x20可以通过数据线供电的特点，在测温电缆中只放置两根平行的细钢丝绳即可连接多个DS18x20温度传感器，这样不仅使测温电缆的制造简便、成本下降，而且提高了测温电缆的抗拉强度、便于温度传感器的更换。正是这些特点使得采用DS18x20温度传感器的仓库检测系统更适用于高大仓库(诸如浅圆仓、立筒仓)的应用环境，可以解决高大仓在不需重新安装测温电缆的情况下更换测温电缆内部的温度传感器以及改变温度传感器相对位置。按通信方式分类，国内仓库检测系统的通信方式主要，采用RS485总线技术和现场总线技术两种。RS485总线技术是使用较为广泛的双向有补偿传输线标准，其最大每段总线长度为1200米，每段最多支持32个节点，采用单组双绞线双向主从通信。当总线加长或节点增多时需要使用中继器连接，全网络支持最多256个节点。RS485通信技术应用时间较长，软硬件实现较为容易，因此是国内粮情检测系统采用较多的通信方式。现场总线技术是一个全新的总线技术，是一种互连现场自动化设备及其控制系统的双向数字通讯协议，它的出现为自动化控制和仪器仪表工业带来了巨大的变革，它代表着未来发展的方向。目前国内粮情检测系统采用了两种现场总线:LONWORKS总线技术和CAN总线技术。1.3研究目的、内容及思路仓储过程中，温湿度的监测与控制是确保货物品质的主要措施。我们研究的目的就是要及时了解和掌握仓库中货物各点温度和湿度变化情况并对其进行合理有效地控制。但是对于大型仓，时时开仓进入检测则不宜，最好的办法是在仓内粮堆中预先用传感器布好点，再把各点获得的数据传送到监控中心，以便能及时掌握各库房内粮食变化情况。这就要采用温湿度集散控制技术。温湿度集散控制技术是最常见也最为广泛应用的一门实用技术,这种技术利用温湿度传感器采集信号,然后将传送给控制器进行处理、运算,最后将运算结果上传给中心计算机并控制驱动设备进行自动控温控湿,以达到最终控温控湿精度的要求要采用集中监控这种系统。我的设计思路是：本系统采用两级微机控制，主从分布式监测系统结构。上位机选用PC机作为主机，下位机采用AT89C51单片机作为从机。前端数据采集部分包括:采用单总线接口的数字温度传感器DS18B20测量仓库内各监测点温度;采用HF3223模块式数字湿度传感器，通过其振荡测量电路，获得的频率信号与湿度值成近似线性关系，这样就可很容易的完成对库内湿度的测量;各从机与上位机之间通过串行总线实现远程数据通信。系统软件采用软件工程设计方法，实现程序结构化。功能模块化。目前,由于我国经济基础薄弱,在控温控湿方面投入较少,因而采用进口高档控制系统有困难,由此,开发一套新型实用的温湿度控制系统,将具有推广价值。2硬件电路设计2.1硬件电路总体设计本系统设计用于仓库的温度湿度智能综合监控系统，经参数调整后也可用在其他场合。他由上位机和下位机等组成。上位机为PC机或同类单片机，下位机是一个以AT89C51为核心的测控小系统。他分别接有10路温度湿度传感器，进行温度湿度检测。下位机根据各路的平均温度和平均湿度，控制除湿机、空调机或其他设施，以使室内温度与湿度控制在设定的范围内，并轮流显示平均温度、湿度值。下位机还设有报警及其相关电路，组成报警系统。下位机可以通过串行口RS485总线与上位机交换数据。2.1.1单片机选型课题选择的是AT89C51芯片。AT89C51是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含4kbytes的可反复擦写的只读程序存储器(PEROM)和128bytes的随机存取数据存储器(RAM)，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器(CPU)和Flash存储单元，功能强大AT89C51单片机可为您提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域。AT89C51提供以下标准功能:4k字节Flash闪速存储器，128字节内部RAM,32个I/O口线，两个16位定时/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。同时，AT89C51可降至OHz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。掉电力式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。AT89C51的主要性能参数：与MCS-51产品指令系统完全兼容,4k字节可重擦写FALSH闪速存储器,1000次擦写周期,全静态操作:OHz-24MHz,三级加密程序存储器,128X8字节内部RAM,32个可编程I/O口线,2个16位定时/计数器,6个中断源,可编程串行UART通道,低功耗空闲和掉电模式AT89C51芯片的引脚图如下图2所示：图2.1AT89C51引脚图图2.1AT89C51引脚图2.1.1.1AT89C51引脚说明XTAL1接外部晶振的一个引脚。在单片机内部，它是一反相放大器输入端，这个放大器构成了片内振荡器。它采用外部振荡器时，该引脚应接地。XTAL2接外部晶振的一个引脚。在片内接至振荡器的反相放大器输出端和内部时钟发生器输入端。当采用外部振荡器时，则此引脚接外部振荡信号的输入。RSTAT89C51的复位信号输入引脚，高电位工作，当要对芯片又时，只要将此引脚电位提升到高电位，并持续两个机器周期以上的时间，AT89C51便能完成系统复位的各项工作，使得内部特殊功能寄存器的内容均被设成已知状态。ALE/PROGALE是英文"ADDRESSLATCHENABLE"的缩写，表示允许地址锁存允许信号。当访问外部存储器时，ALE信号负跳变来触发外部的8位锁存器(如74LS373)，将端口P0的地址总线(A0-A7)锁存进入锁存器中。在非访问外部存储器期间，ALE引脚的输出频率是系统工作频率的1/16，因此可以用来驱动其他外围芯片的时钟输入。当问外部存储器期间，将以1/12振荡频率输出。EA/VPP该引脚为低电平时，则读取外部的程序代码(存于外部EPROM中)来执行程序。因此在8031中，EA引脚必须接低电位，因为其内部无程序存储器空间。如果是使用AT89C51或其它内部有程序空间的单片机时，此引脚接成高电平使程序运行时访问内部程序存储器，当程序指针PC值超过片内程序存储器地址(如051/8751/89C51的PC超过0FFFH)时，将自动转向外部程序存储器继续运行。PSEN此为"ProgramStoreEnable"的缩写。访问外部程序存储器选通信号，低电平有效。在访问外部程序存储器读取指令码时，每个机器周期产生二次PSEN信号。在执行片内程序存储器指令时，不产生PSEN信号，在访问外部数据时，亦不产生PSEN信号。P0口(P0.0～P0.7)是一个8位漏极开路双向输入输出端口，当访问外部数据时，它是地址总线（低8位）和数据总线复用。外部不扩展而单片应用时，则作一般双向I／O口用。P0口每一个引脚可以推动8个LSTTL负载。P1口(P1.0～P1.7)口是具有内部提升电路的双向I/0端口(准双向并行I/O口)，其输出可以推动4个LSTTL负载。仅供用户作为输入输出用的端口。P2口(P2.0～P2.7)口是具有内部提升电路的双向I/0端口(准双向并行I/O口)，当访问外部程序存储器时，它是高8位地址。外部不扩展而单片应用时，则作一般双向I／O口用。每一个引脚可以推动4个LSTL负载。P3口(P3.0～P3.7)口是具有内部提升电路的双向I/0端口(准双向并行I/O口)，它还提供特殊功能，包括串行通信、外部中断控制、计时计数控制及外部随机存储器内容的读取或写入控制等功能。其特殊功能引脚分配如下：P3.0RXD串行通信输入,P3.1TXD串行通信输出,P3.2INT0外部中断0输入，低电平有效,P3.3INT1外部中断1输入，低电平有效,P3.4T0计数器0外部事件计数输入端,P3.5T1计数器1外部事件计数输入端,P3.6WR外部随机存储器的写选通，低电平有效,P3.7RD外部随机存储器的读选通，低电平有效。2.1.1.2AT89C51内存空间内部程序存储器（FLASH）4K字节;外部程序存储器（ROM）64K字节;内部数据存储器（RAM）256字节;外部数据存储器（RAM）64K字节。2.2温湿度输入电路设计2.2.1温度传感器的选型温度传感器选择Dall半导体公司的数字化温度传感器DS18B20,它是世界上第一片支持“一线总线”接口的温度传感器。一线总线独特而且经济的特点，使用户可轻松地组建传感器网络，为测量系统的构建引入全新概念。DS18B20、DS1822“一线总线”数字化温度传感器同DS1820一样，DS18B20也支持“一线总线”接口，测量温度范围为-550C～+1250C，在-10～+850C范围内,精度为±0.50C。DS1822的精度较差为±20C。现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性。适合于恶劣环境的现场温度测量，如：环境控制、设备或过程控制、测温类消费电子产品等。与前一代产品不同，新的产品支持3V～5.5V的电压范围，使系统设计更灵活、方便。而且新一代产品更便宜，体积更小。DS18B20可以程序设定9-12位的分辨率，精度为±0.50C。可选更小的封装方式，更宽的电压适用范围。分辨率设定，及用户设定的报警温度存储在EEPROM中，掉电后依然保存。DS18B20的性能是新一代产品中最好的。性能价格比也非常出色。继“一线总线”的早期产品后，DS1820开辟了温度传感器技术的新概念。DS18B20和DS1822使电压、特性及封装有更多的选择，让我们可以构建适合自己的经济的测温系统。a)DS18B20的内部结构DS18B20内部结构主要由四部分组成：64位光刻ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发器TH和TL、配置寄存器。DS18B20的管脚排列如下:图2.2DS18B20的元件图图2.2DS18B20的元件图DQ为数字信号输入/输出端；GND为电源地；VDD为外接供电电源输入端（在寄生电源接线方式时接地）。光刻ROM中的64位序列号是出厂前被光刻好的，它可以看作是该DS18B20的地址序列码。64位光刻ROM的排列是：开始8位（28H）是产品类型标号，接着的48位是该DS18B20自身的序列号，最后8位是前面56位的循环冗余校验码（CRC=X8+X5+X4+1）。光刻ROM的作用是使每一个DS18B20都各不相同，这样就可以实现一根总线上挂接多个DS18B20的目的。DS18B20中的温度传感器可完成对温度的测量，以12位转化为例:用16位符号扩展的二进制补码读数形式提供，以0.06250C/LSB形式表达，其中S为符号位。表2.116位符号扩展成二进制补码表表2.116位符号扩展成二进制补码表Bite7Bite6Bite5Bite4Bite3Bite2Bite1Bite2LSByteBite15Bite14Bite13Bite12Bite11Bite10Bite9Bite8MSByteSSSSS这是12位转化后得到的12位数据，存储在18B20的两个8比特的RAM中，二进制中的前面5位是符号位，如果测得的温度大于0，这5位为0，只要将测到的数值乘于0.0625即可得到实际温度；如果温度小于0，这5位为1，测到的数值需要取反加1再乘于0.0625即可得到实际温度。例如+125℃的数字输出为07D0H，+25.06250C的数字输出为0191H，-25.06250C的数字输出为FF6FH，-550C的数字输出为FC90H。b)DS18B20温度传感器的存储器DS18B20温度传感器的内部存储器包括一个高速暂存RAM和一个非易失性的可电擦除的E2RAM,后者存放高温度和低温度触发器TH、TL和结构寄存器。暂存存储器包含了8个连续字节，前两个字节是测得的温度信息，第一个字节的内容是温度的低八位，第二个字节是温度的高八位。第三个和第四个字节是TH、TL的易失性拷贝，第五个字节是结构寄存器的易失性拷贝，这三个字节的内容在每一次上电复位时被刷新。第六、七、八个字节用于内部计算。第九个字节是冗余检验字节。表2.2寄存器字节地址分配表表2.2寄存器字节地址分配表寄存器内容字节地址温度最低数字位0温度最高数字位1高温限值2低温限值3保留4保留5计数剩余6每度计数值7CRC校验8该字节各位的意义如下：TMR1R011111低五位一直都是1，TM是测试模式位，用于设置DS18B20在工作模式还是在测试模式。在DS18B20出厂时该位被设置为0，用户不要去改动。R1和R0用来设置分辨率，如下表所示：（DS18B20出厂时被设置为12位）表2.3表2.3分辨率设置表R0R1分辨率温度最大转换时间009位93.75ms0110位187.5ms1011位375ms1112位750msR1R0分辨率温度最大转换时间：009位是93.75ms，0110位是187.5ms，1011位是375ms，1112位是750ms。根据DS18B20的通讯协议，主机控制DS18B20完成温度转换必须经过三个步骤：每一次读写之前都要对DS18B20进行复位，复位成功后发送一条ROM指令，最后发送RAM指令，这样才能对DS18B20进行预定的操作。复位要求主CPU将数据线下拉500微秒，然后释放，DS18B20收到信号后等待16～60微秒左右，后发出60～240微秒的存在低脉冲，主CPU收到此信号表示复位成功。2.2.2湿度传感器选型在工农业生产、气象、环保、国防、科研、航天等部门，经常需要对环境湿度进行测量及控制。但在常规的环境参数中，湿度是最难准确测量的一个参数。用干湿球湿度计或毛发湿度计来测量湿度的方法，早已无法满足现代科技发展的需要。这是因为测量湿度要比测量温度复杂的多，温度是个独立的被测量，而湿度却受其他因素（大气压强、温度）的影响。此外，湿度的标准也是一个难题。国外生产的湿度标定设备价格十分昂贵。近年来，国内外在湿度传感器研发领域取得了长足进步。湿敏传感器正从简单的湿敏元件向集成化、智能化、多参数检测的方向迅速发展，为开发新一代湿度温度测控系统创造了有利条件，也将湿度测量技术提高到新的水平。2.2.2.1湿敏元件的特性湿敏元件是最简单的湿度传感器。湿敏元件主要电阻式、电容式两大类。a)湿敏电阻湿敏电阻的特点是在基片上覆盖一层用感湿材料制成的膜，当空气中的水蒸气吸附在感湿膜上时，元件的电阻率和电阻值都发生变化，利用这一特性即可测量湿度。湿敏电阻的种类很多，例如金属氧化特湿敏电阻、硅湿敏电阻、陶瓷湿敏电阻等。湿敏电阻的优点是灵敏度高，主要缺点是线性度和产品的互换性差。b)湿敏电容湿敏电容一般是用高分子薄膜电容制成的，常用的高分子材料有聚苯乙烯、聚酰亚胺、酷酸醋酸纤维等。当环境湿度发生改变时，湿敏电容的介电常数发生变化，使其电容量也发生变化，其电容变化量与相对湿度成正比。湿敏电容的主要优点是灵敏度高、产品互换性好、响应速度快、湿度的滞后量小、便于制造、容易实现小型化和集成化，其精度一般比湿敏电阻要低一些。国外生产湿敏电容的主厂家有Humirel公司、Philips公司、Siemens公司等。HS1101（湿敏电容）:是基于独特工艺设计的电容元件，专利的固态聚合物结构;高精度2%；极好的线性输出；1--99%RH湿度量程；-40到100摄氏度的温度工作范围；响应时间5秒；湿度输出受温度影响极小；防腐蚀性气体；常温使用无需温度补偿；无需校准；电容与湿度变化0.34pf/%RH;典型值180pf/55%RH;长期稳定性及可靠性，年漂移量0.5%RH/年。除电阻式、电容式湿敏元件之外，还有电解质离子型湿敏元件、重量型湿敏元件（利用感湿膜重量的变化来改变振荡频率）、光强型湿敏元件、声表面波湿敏元件等。湿敏元件的线性度及抗污染性差，在检测环境湿度时，湿敏元件要长期暴露在待测环境中，很容易被污染而影响其测量精度及长期稳定性。c)集成式数字湿度模块表2.4HF3223技术参数详表HF3223（湿度模块）:用HS1101做的频率输出湿度模块，适用于需要精确可靠检测湿度的OEM用户，有很小的易于安装的接头，可以非常节省成本的机械自动安装。由于它是线性的频率输出湿度检测模块，因此可以直接与微处理器相接。它采用专利电容HS1101设计制造，宽量程：10～95%RH，稳定，比例线性的频率输出精度±5%RH，工作温度范围–40～800C，具有高可靠性与长时间稳定性表2.4HF3223技术参数详表参数典型值单位湿度测量范围10~95%RH相对湿度精度+/-5%RH标准输出RH=55%8750VDC损耗电流0.1mA温度系数(10~500C)+/-0.1%RH/0C平均灵敏度(33%~75%)-18mV/%RH湿滞+/-1.5%RH长时间稳定性0.5%RH/yr工作温度-30~800C储存温度-40~850C工作湿度范围0~99%RH供电电压0~100VDC输出5VDC响应时间10msHIH3610(Honeywell湿度传感器)：单片IC（集成电路）湿度传感器，低成本，大量OEM设计精度：3%，激光修正至5%。5VDC输入，0.83～0.9VDC输出。低功耗设计：200uA驱动电流，很适合电流供电的低功耗系统。快速反映：15秒。稳定性好，低漂移，抗化学腐蚀性能。工作范围：–40～850C，0～100%RH。HM1500（湿度变送器）：采用Humirel专利湿敏电容HS1101设计制造，带防护棒式封装。5VDC恒压供电，1-4VDC放大线性电压输出，便于用户使用。宽量程：0～100%RH。精度：±3%RH（10～95%RH范围）。防灰尘，可有效抵抗各种腐蚀性气体物质。非常低的温度依赖性。综合以上各种湿度传感器的性能价格比比较，我选用HF3223集成式数字湿度模块，它具有良好的借口设计和准确地测温性能。并且它是数字型，直接输出频率，输出信号可以被单片机直接接收省去了大量的转换电路。2.3键盘显示电路设计a)键盘本系统用行列式键盘，即用I/O口线组成行列式结构，按键设置在行列的交点上。在按键数较多时，可节省I/O口线。表２.５键盘列表本系统键盘采用的工作方式为编程扫描工作方式，它是利用CPU在完成其他工作的空余，调用键盘扫描子程序，来响应键输入要求。在执行键功能程序时，CPU不再响应键输入要求。编程扫描工作方式只有在CPU空闲时才调用键盘扫描子程序。键盘采用的扫描法扫描方式，扫描法是在判定有键按下后逐行（或列）置低电平，同时读入行（或列）状态，如果行（或列）状态出现非全1状态，这时0状态的行、列交点的键就是所按下的键。表２.５键盘列表P1.0123清除P1.1456确定P1.2789显示温度P1.3温度设定湿度设定0显示湿度P1.4P1.5P1.6P1.7键盘设定如下：键盘共有16个按键，用于方便设定温度/湿度。数字按键，输入数字1-9；确认键，修改设置温度/湿度时进行确认；清除键，修改设置温度/湿度时进行删除；显示温度键，按此按键后，显示温度的最大值，数码管闪烁；显示湿度键，按此按键后，显示湿度的最大值，数码管闪烁。采用16按键的键盘代替其他作品的自加1按键和自减1按键，虽然增加了按键的个数，但是却方便了输入所需要设置的温度，使得温度设定操作更为简单。这也是本作品相对于其它作品改进的一个重要方面。b)显示电路如下：图2.3图2.3显示电路此设计采用74LS595驱动LED数码管显示数据和状态。本电路特点是亮度高，显示无抖动，有利于库管人员及时准确的监测仓库内环境状况。2.4控制风机电路设计风机采用中间继电器控制，单片机P2口的输出低电平信号通过光电耦合器MOC3041触发双向晶闸管KS导通,接触器C吸合。当P2口输出高电平时，双向晶闸管KS关断，接触器C释放。MOC3041内部带过零控制电路，因此双向晶闸管KS工作在过零触发方式。接触器动作时，电源电压较低，这时接通用电器，对电源的影响小。5V5VAT89C51MOC3041KM74072相线零线１８０欧１ＫＳ３３０欧６３９欧0.5u ４４图2.4控制风机电路图2.4控制风机电路双向晶闸管的选择要求要满足：额定工作电流为交流接触器线圈工作电流的2-3倍;额定工作电压为交流接触器线圈工作电压的2-3倍。对于中小型220V工作电压的交流接触器，可以选择3A/600V的双向晶闸管。2.5报警电路设计图2.5报警电路图2.5报警电路2.6通信电路设计2.6.1通信标准选择a)RS-232串行接口标准目前RS-232是PC机与通信工业中应用最广泛的一种串行接口。RS-232被定义为一种在低速率串行通讯中增加通讯距离的单端标准。RS-232采取不平衡传输方式，即所谓单端通讯。收、发端的数据信号是相对于信号地，如从DTE设备发出的数据在使用DB25连接器时是2脚相对7脚（信号地）的电平，DB25各引脚定义参见图1。典型的RS-232信号在正负电平之间摆动，在发送数据时，发送端驱动器输出正电平在+5～+15V，负电平在-5～-15V电平。当无数据传输时，线上为TTL，从开始传送数据到结束，线上电平从TTL电平到RS-232电平再返回TTL电平。接收器典型的工作电平在+3～+12V与-3～-12V。由于发送电平与接收电平的差仅为2V至3V左右，所以其共模抑制能力差，再加上双绞线上的分布电容，其传送距离最大为约15米，最高速率为20kb/s。RS-232是为点对点（即只用一对收、发设备）通讯而设计的，其驱动器负载为3～7kΩ。所以RS-232适合本地设备之间的通信。b)RS-422与RS-485串行接口标准RS-422、RS-485与RS-232不一样，数据信号采用差分传输方式，也称作平衡传输，它使用一对双绞线，将其中一线定义为A，另一线定义为B。通常情况下，发送驱动器A、B之间的正电平在+2～+6V，是一个逻辑状态，负电平在-2～6V，是另一个逻辑状态。另有一个信号地C，在RS-485中还有一“使能”端，而在RS-422中这是可用可不用的。“使能”端是用于控制发送驱动器与传输线的切断与连接。当“使能”端起作用时，发送驱动器处于高阻状态，称作“第三态”，即它是有别于逻辑“1”与“0”的第三态。接收器也作与发送端相对的规定，收、发端通过平衡双绞线将AA与BB对应相连，当在收端AB之间有大于+200mV的电平时，输出正逻辑电平，小于-200mV时，输出负逻辑电平。接收器接收平衡线上的电平范围通常在200mV至6V之间。RS-422标准全称是“平衡电压数字接口电路的电气特性”，它定义了接口电路的特性。典型的RS-422四线接口，实际上还有一根信号地线，共5根线。RS-422四线接口由于采用单独的发送和接收通道，因此不必控制数据方向，各装置之间任何必须的信号交换均可以按软件方式（XON/XOFF握手）或硬件方式（一对单独的双绞线）实现。RS-422的最大传输距离为4000英尺（约1219米），最大传输速率为10Mb/s。其平衡双绞线的长度与传输速率成反比，在100kb/s速率以下，才可能达到最大传输距离。只有在很短的距离下才能获得最高速率传输。一般100米长的双绞线上所能获得的最大传输速率仅为1Mb/s。RS-422需要一终接电阻，要求其阻值约等于传输电缆的特性阻抗。在矩距离传输时可不需终接电阻，即一般在300米以下不需终接电阻。终接电阻接在传输电缆的最远端。c)RS-485电气规定由于RS-485是从RS-422基础上发展而来的，所以RS-485许多电气规定与RS-422相仿。如都采用平衡传输方式、都需要在传输线上接终接电阻等。RS-485可以采用二线与四线方式，二线制可实现真正的多点双向通信。而采用四线连接时，与RS-422一样只能实现点对多的通信，即只能有一个主（Master）设备，其余为从设备，但它比RS-422有改进，无论四线还是二线连接方式总线上可多接到32个设备。RS-485与RS-422的不同还在于其共模输出电压是不同的，RS-485是-7V至+12V之间，而RS-422在-7V至+7V之间，RS-485接收器最小输入阻抗为12kRS-422是4k；RS-485满足所有RS-422的规范，所以RS-485的驱动器可以用在RS-422网络中应用。RS-485与RS-422一样，其最大传输距离约为1219米，最大传输速率为10Mb/s。平衡双绞线的长度与传输速率成反比，在100kb/s速率以下，才可能使用规定最长的电缆长度。只有在很短的距离下才能获得最高速率传输。一般100米长双绞线最大传输速率仅为1Mb/s。RS-485需要2个终接电阻，其阻值要求等于传输电缆的特性阻抗。在矩距离传输时可不需终接电阻，即一般在300米以下不需终接电阻。终接电阻接在传输总线的两端。2.6.2实际通信电路以单片机为主体构成的分布式数据采集和控制系统，因为其电路结构简单，工作可靠性高而被广泛应用在工业控制中。目前广泛使用的单片机产品都集成了串行通信接口，使用串行通信接口，通过RS485接口驱动芯片就可以构成总线型通信网络，把多台单片机系统连接成一个分布式数据采集和控制系统。但为了克服单片机的不足，引入了PC机，采用主从式结构模式，即PC机为主机，分布在现场的各个单片机系统为从机，其结构如下图所示。PCPC机RS232转换器控制器RS485RS485控制器RS485控制器对象1对象2对象3图2.6串行通信电路PC机串行口为标准的RS232口，根据标准规定：RS232采用负逻辑，并且传输距离短，一般用于20m以内的通信。而对于大多数分布式控制系统，通信距离为几十米到几千米不等，因此，RS232接口不能满足系统的要求，目前广泛采用的是RS485收发器。RS485收发器采用平衡发送和差分接收，因此具有抑制共模干扰的能力，加上收发器具有高的灵敏度，能检测低达200mv的电压，故传输信号在千米以外得到恢复。在这种分布式控制系统中，通信是系统的关键，是系统设计时首要考虑的问题。而如何有效可靠地实现RS232与RS485之间的转换是系统通信实现的前提，详见转换电路图2.7。在该设计中，电压在＋3～＋5.5V范围内都能正常工作，能完成TTL与RS485之间的转换。它对一些环境比较恶劣的现场，可直接与传输线相接而不需要任何外加保护元件。R1,R2是为排除第一个数据传输误码率而设定的匹配电阻，使用者可根据使用情况选择该点组大小。电源Vcc、VEE均为+5V电源，但不是同一电源，Vcc和VEE应为隔离电源，只有这样，才能实现电隔离。另外，它的输入阻抗为RS485标准输入阻抗的2倍（≥24ＫΩ），故可以在总线上连接10个以上的收发器。RXDTXDBATXDRXDMAX485232-485转换器AT89C51单片机RXDTXDBATXDRXDMAX485232-485转换器AT89C51单片机PC机图2.7PC机RS232C至RS485/RS422至TTL转换电路图GND图2.7PC机RS232C至RS485/RS422至TTL转换电路图GND2.7硬件抗干扰设施2.7.1干扰来源与分类在工业现场，生产环境往往比较恶劣，干扰比较多。要求智能仪器仪表具有很强的抗干扰能力。干扰主要来自空间及配电系统，常见的干扰有以下几种:a)电源干扰电源干扰主要分为交流千扰和直流干扰。交流干扰主要来自工频交流电网，有两种类型:一种是以交流电源引线作为介质传播电网中的高频干扰信号，例如可控硅器件通断时产生的尖峰经变压器藕合产生的干扰及断电器动作时产生的浪涌电压经变压器祸合产生的干扰，这些干扰的频带一般为数百赫到兆赫以上，干扰电压峰值可达几百伏到上千伏，当这些干扰从电源系统进入仪器仪表后，可能会使仪器仪表产生误操作甚至毁坏仪表器件;另一种是引线所载的50HZ工频电压在一定条件下成为电路的低频干扰信号，低频干扰在模数转换电路或有高增益放大的系统中会产生明显的干扰作用。直流干扰一般是由于直流电源本身以及负载的变化引起的，其形式为电源滤波性能不好，直流纹波较大，电源内阻太大，电源动态响应速度低而使得负载变化时在各元件之间引起交叉干扰。b)布线干扰如果电路板的结构安排和元件布置的不合理，也会产生干扰问题。这是因为元件和元件之间、导线和导线之间都存在着分布电容，并且对地还有一定的杂散电容，元器件本身的燥热声，静电感应等因素也会在一定的条件下造成恶劣的影响。c)接地干扰实践证明，微机测控系统和其他工业用电子设备的干扰与系统的接地方式有很大关系。良好的接地可以在很大程度上抑制系统内部噪声祸合，防止外部干扰的入侵，提高系统的抗干扰能力。反之，若接地处理得不好，反而会导致噪声祸合，形成严重干扰。2.7.2抗干扰措施对于电源干扰采取的措施是:用低通滤波器抑制交流电源线上引入的高频干扰;用隔离变压器，在其原副边之间加静电屏蔽层;数模转换芯片采用双积分型，且时钟频率是工频的整数倍，用以以致工频干扰。对于布线干扰采取的措施是:两块电路板采用内插式结构，且板与板之间留有一定余地;将交流电路部分和直流电路部分走线分开，强电和弱电分开，输入和输出线路分开;为了防止板与板之间的相互干扰，在电源及地线引入处并接一个10～100wF的大电容和一个0.01-0.1NF的瓷片电容;流过大电流的走线要加粗;双层印刷电路板正反面交叉布线;在印刷电路板的每个集成器件上接入一个旁路电容，一般选择高频特性好的0.01-0.1NF的陶瓷或独石电容，旁路电容的引线要短，而且紧靠在集成期间的电源和地端。对于地线干扰采取的措施是:低频电路中接地电路形成的回路对干扰影啊较大，所以低频电路应采用一点接地的方式;为在输入和输出之间不形成回路，采用光电隔离器件隔离输入和输出。为了使单片机程序在受到干扰而产生混乱时能够自动复位，应加入看门狗电路。在程序跑飞的时候能够提供复位脉冲使单片机复位，当电源电压降低到最小允许电压以下时，立即系统复位，其复位信号一直延续到电源电压恢复原值为止。3软件系统设计3.1单片机系统软件设计3.1.1单片机主程序设计流程硬件要在软件的配合下才能完成预先确定要实现的各种功能。本系统单片机程序要实现的功能有:采集、显示温湿度度、计算和输出控制量、两级微机通讯，从键盘上设定温度、校准仪表零点和满度以及更改控制参数。在键盘处理子程序里对键盘输入进行处理。通讯命令处理子程序是为了不让串行中断程序执行时间过长而把应在串行中断里进行的程序拿到主程序里执行，在串行中断服务程序里根据所接收到的命令而置标志参量为特定的值，在通讯命令处理子程序中根据标志参量的值进行一系列操作如向上位机发送数据。单片机控制系统模块分析：主程序主程序初始化模块数据处理模块中断模块LED显示模块数据通信模块控制模块数据采集TO中断数据分析上位机控制串行通信键盘中断数据总线通信控制系统通信上位机通信下位机控制图3.1单片机控制系统模块图图3.1单片机控制系统模块图上位机主程序流程图：表3.1主程序命令编码表3.1主程序命令编码命令编码意义A上位机要求下位机发及时测量数据。B上位机要求下位机接受温湿度报警上下限。C上位机要求下位机接收传感器好坏查询标志。D上位机要求下位机接收年、月、日、时、分、秒。E上位机要求下位机汇报24小时数据。F上位机要求下位机接收温湿度修正值。G上位机要求下位机汇报时实时报警信息。图3.2上位机主程序流程图开始全面初始化图3.2上位机主程序流程图开始全面初始化读通讯设备开关状态开中断采集一次数据，读时钟，并存储有关数据读通讯设置开关状态仓库有效？传感器被屏蔽？显示对应传感器数据传感器号增1传感器号〈10清传感器寄存器仓库号增1仓库号〈6清仓库号寄存器读时钟采集时差大于20分采集下一次数据YNNYNa)中断模块中断是单片机系统的重要组成部分，中断的应用大大提高了单片机系统的工作效率。在程序的执行过程中，发生的某一事件发送中断请求信号，要求主程序暂停当前程序转而执行相应的处理程序，待处理完毕，再继续执行原来被中断的程序。这种程序在执行过程中由于外界的原因而被中间打断的情况被称为中断。89C52单片机有5个中断源，分别为外部中断INTO，外部中断INT1，定时器0溢出中断T0,定时器1中断Tl，串行中断请求RI或TI。在本系统中的中断模块包括定时器TO中断、键盘操作引起的外部中断INTO和串行中断等中断方式。b)定时器TO中断因为本系统是利用定时查询的方式获取传感器转换的数据，定时器TO中断在此处的主要作用就是定时进行采集数据，并进行简单的温标转换和限速滤波，同时调用显示和控制子程序等。另外，定时器的参数设置己经在初始化模块按照相关要求进行了设置。c)键盘中断键盘是单片机系统中简单、通用的输入设备，用于向系统输入数据或者控制信息。键盘一般是山若干行和列的按键开关组成的矩阵，因而称为行列式键盘，行和列分别由两个I/0口控制。单片机对键盘控制的办法是扫描，扫描的方法有程控扫描法、定时扫描法和中断扫描法。程控扫描法是由程序控制键扫描的方法，首先判断是否有键按下，方法是使所有的行输出均为低电平，然后从另一个端口读入列值:然后去除抖动，若有键按下，则延时5～lOms，再一次判断有无键按下，如果此时仍有键按下，则认为键盘上有一个键处于稳定闭合期;若有键闭合，则求出闭合键的值，求键值的方法是对键盘进行逐行扫描。为保证键每闭合一次，CPU只做一次处理，程序中需等闭合释放后对其进行处理。求得键值只是手段，最终目的是要使程序转到相应的地址去完成该键的操作。一般对数字键就是直接将键值送到显示缓冲区进行显示，对功能键则需先找到该功能键处理程序的入口地址，并转去执行该键的命令，因此求得键值之后，还必须找到功能键处理程序入口。定时扫描方式就是CPU每隔一定时间对键盘扫描一遍。当发现有键按下时，进行读入键盘操作，以求出键值，并分别进行处理。定时时间由AT89C51单片机内部定时器/计数器来完成，这样可以减少计算机扫描键盘的时间，以减少CPU的时间开销。具体做法是，当定时时间一到，定时器便自动输出一个脉冲信号，使CPU转去执行扫描程序，其扫描和求键值以及区别数字键和功能键的方法与程控扫描法类似，一点不同的是，采用定时扫描法时，必须在初始化程序中对定时器写入相应的命令，使之能产生中断，以便完成走时扫描的任务。不管是程控扫描法还是定时扫描法，均占用单片机CPU大量时间。无论有没有键入操作，CPU总要在一定时间内进行扫描，这对于单片机控制系统和智能化仪器来说是很不利的。为了进一步节省CPU的时间，可采用中断扫描法，即当键入操作时，向CPU中请中断。CPU响应中断后，即转到相应的中断服务程序，对键盘进行扫描，以便判别键盘上闭合键的键号，并作相应的处理，本设计就是采用这种方法。P1口传送按键值，经过程序处理，对数据进行操作。当有键按下时，向CPU发出中断请求，在中断服务程序中完成键盘扫描，同时要注意保护外部中断0用到的所有寄存器，由于外部中断0是最高优先级中断。d)串行中断对于单片机系统来说，它既要接收传感器系统采集的数据，又要实现与上位PC机的通讯，这是两种相对独立的数据传送。一般数据传送有查询方式和中断方式两种基本方式。根据系统工作的特点，如数据采集部分所述，数据采集需要采用查询方式更为方便，因为数据的采集是一个定时的不间断过程;而串行通讯只有在有数据传送时会发生，如果采用查询方式就会占用大量的CPU时间，降低了系统的工作效率，因而考虑采用串行中断的方式。下位机中断方式通信子程序：从机的串行通信采用中断方式。在串行通信启动后仍采用查询方式来接收或发送数据，接受数据存入以200H为首地址的内存中。发送的数据个数存在R3中，数据存在以300H为首地址的内存中。系统的时钟频率为11.059MHz，则T1的重载值为FAH。图3.3下位机中断方式通信子程序：保护现场图3.3下位机中断方式通信子程序：保护现场接受地质与本机地址相等否？回送本机地址接受命令命令分类发送数据块长度形成累加和发送数据行成累加和数据发送完？发累加和接收数据块长度形成累加和接收数据形成累加和数据接收完？接收累加和接收的与形成的和相等？发送0FH发送F0H恢复现场返回中断服务子程序02H01H其他NNNNYYYY3.1.3温度传感器软件流程图开始开始复位DS18B20发出搜索ROM命令读在线DS18B20序列号存在一DS18B20初始化DS18B20启动所有在线DS18B20作温度A/D转换发跳过ROM命令发转换命令延时1秒初始化DS18B20执行期间匹配命令发一个DS18B20序列号发暂存RAM命令读匹配的DS18B20温度所有在线DS18B20访问完否？YNYNYYNN图3.4温度传感器软件流程图图3.4温度传感器软件流程图3.1.4主从机通信软件设计a)软件协议系统中允许有10台从机地址分别为01H–10H，通信波特率为4800，主机发送的控制命令编码及含义为，01H：要求从机接受数据块，02H：要求从机发送数据块，其它为非法命令。主机和从机的联络的过程：主机首先发送地址帧，被寻址从机返回本级地址给主机，在判断地址相符后主机给被寻址从机发送控制命令，之后主机河北和被寻址从机根据命令开始接受或发送数据。数据格式如表所示：表3.2数据格式表3.2数据格式字节数N数据1…………数据2累加较验和为了充分发挥高级语言编程简单,调试容易，制图作表能力强的优点和汇编语言执行速度快，对硬件可以直接控制等优势,我采用PC机软件采用C程序调用汇编子程序的方法编制,即PC机的主程序有由C语言编写，通信子程序由PC机汇编语言编制。设PC机串行口为COM1，对串行口初始化的C语言程序：intcom_addr;unsignedcharcomm1,addr1,n1,a1[256],error1;char*comm,*addr,*n,*a,*error;com.addr=0x3f8;comm1=0;addr1=1;n1=0;error1=0;comm.=&comm1;addr=&addr1;n=&n1;a=a1;error=&error1;PC485(com_addr,comm.,addr,n,a,error);主机向1号从机发送数据的C语言程序：comm1=1;addr1=1;n1=10;error1=0;comm.=&comm1;addr=&addr1;n=&n1;error=&error1;主机要求1号从机发送数据给主机的C语言程序：comm1=2;addr1=1;n1=10；error1=0;comm.=&comm1;addr=&addr1;n=&n1;error=&error1;PC485(com_addr,comm,addr,n,a,error);对函数PC485的说明；PC485(com_addr,comm,addr,n,a,error)com_addr为串口基地址，COM1为3F8H,COM2为2F8H。comm为字符变量comm1的指针变量。当comm1=0时，对串口初始化；当comm1=1时，主机向从机发送数据；当comm1=2时，逐级接收从机的数据。addr为字符变量addr1的指针变量。addr1取值范围为1～10，表示从机地址。n为字符变量n的指针变量。n1的值是数据块的个数。a为字符数组a1[256]的指针变量。主机发送或接收的数据存在a1输组中。error为字符变量error1的指针变量。error1存入数传状态信息。error1=1表示接受地址与发送地址不符。error1=2为非法命令；error1=3发送数据错误;error1=4接收数据错误;error1=15数传成功;主机通信采用查询方式的通信子程序详见附件。b)从机串行通信中断子程序流程图图3.5下位机串行通信中断流程图保护现场打开波特率发生器SETBTB6图3.5下位机串行通信中断流程图保护现场打开波特率发生器SETBTB6发送地址R5接收返回地址地址相符CLRTB6发送命令R6接收返回命令命令相符R6=#00H转COVDD0（发温湿度修正值）转COVDD1（接收20字节测量值）转COVDD2（发传感器好坏）转COVDD#（接收某一路2字节测量值）R6=#01HR6=#02H关闭波特率发生器，恢复现场返回SEETTB6发FFH是否循环3次通讯故障处理恢复现场返回NYNNNNNYYYY开始开始设置SP=#10H设置SP=#10H工作寄存器区0：RS0=0，RS1=0延时20毫秒延时20毫秒Y（冷启动）Y（冷启动）上电复位？上电复位？置上电标志，清零内部RAM初始化各标志字节置上电标志，清零内部RAM初始化各标志字节N（热启动）N（热启动）设置T1工作于模式2，初始值为#0F3H（作为串行通信的波特率发生器）设置T1工作于模式2，初始值为#0F3H（作为串行通信的波特率发生器）置串行口工作于方式3，作为主从通信的一个分机置串行口工作于方式3，作为主从通信的一个分机定义串行通信中断为唯一中断源定义串行通信中断为唯一中断源显示初始化成功标志01：EE：EE显示初始化成功标志01：EE：EE传感器号R6=#06H传感器号R6=#06H手动/自动键按下？手动/自动键按下？YNYN多R6作有效调整R6增1并作有效调整多R6作有效调整R6增1并作有效调整点亮手动操作标志灯点亮自动操作标志点亮手动操作标志灯点亮自动操作标志Y路号选择键按下？测试R6对应的传感器的温湿度Y路号选择键按下？测试R6对应的传感器的温湿度NNR6增1并作有效调整测试结果送显示缓冲区R6增1并作有效调整测试结果送显示缓冲区图3.6下位机主程序流程图开中断，测试当前传感器的温湿度显示测试结果图3.6下位机主程序流程图开中断，测试当前传感器的温湿度显示测试结果3.1.6单片机软件抗干扰措施测控系统的现场运行环境恶劣，干扰严重，对仪表运行的可靠性与安全性有很高的要求。尽管在硬件上采用了多种方法来抑制各种干扰，但在某些条件下干扰可能还会出现，这时，就应针一对某些可能会出现的干扰在软件上采取一定的抗干扰措施。软件抗干扰技术主要有两方面内容:其一是采取软件的方法抑制叠加在模拟输入信号上的噪声的影响，如数字滤波技术;其二是当干扰使运行程序发生混乱，导致程序乱飞或陷入死循环时，采取使程序纳入正轨的措施，如软件冗余、软件陷阱、“看门狗”技术。这些方法可以用软件实现，也可以与硬件相结合而实现。常用的软件抗干扰措施为:数字滤波方法;输入口信号重复检测方法;输出端口数据刷新方法;软件拦截技术(指令冗余、软件陷阱);“看门狗”技术。在本系统中采用了数字滤波和“看门狗”技术实现软件抗干扰。数字滤波用来滤除叠加在模拟输入信号上的噪声，由于这些噪声具有随机性，所以数字滤波可剔除虚假信号或通过滤波减少干扰的影响。“看门狗”技术就是软件在一定时间给“看门狗”一个复位脉冲，令其不能对单片机复位，而当程序跑飞时，软件不能按时给“看门狗”复位信号，因此“看门狗”就发出复位脉冲令单片机系统复位，程序重新执行。3.2上位机通讯管理软件设计3.2.1基于VB上位机数据采集显示界面设计本课题选用MicrosoftVisualBasic6.0进行系统软件的开发，因为VisualBasic6.0是一款可视化的、面向对象的和采用事件驱动方式的高级程序设计语言，它具有简单易学、编程和运行效率高、功能强大的特点。与Basic和C语言比较，它是可视化的，能提供很直观的设计界面，即使不会编程的人员也可以将界面设计的很精美;它面向对象的和事件驱动的，每个动作都有其独立的代码段，能够清楚了解各个部分的内容，可以减少很多的编写代码的时间，大大提高了效率。与VisualC++相比较，它在功能上与VC稍逊一筹，但是它足够处理与硬件无关的绝大多数问题，而且其友好的界面设计分隔给编程人员减少了不少负担，同时它采用的事件驱动方式比VC采用的消息映射机制更容易理解和应用。在本软件的设计过程采用了VisualC++和VisualBasic两种语言编写了程序，发现在处理非硬件问题和时效性不是很强的情况小，采用VB确实可以节省很多时间，是一个较好的选择。仓库温湿度控制系统中，要求能够实时采集温度和湿度的变化数据，并能根据实时采集到的数据绘制出10分钟内变化的短期趋势图和一日内变化的长期趋势图，以便观测仓库环境趋势情况，查看控制效果。该系统在VB6.0环境下进行开发，开始时采用了VB包含的Activex控件技术绘制曲线，在效果不理想的情况下，又利用VB绘画函数，最终成功实现了实时数据采集曲线的绘制与显示。下面谈一下实时采集曲线的设计与实现过程。a)绘图控件的选择系统开发初期，采用VB内所含的Activex控件技术来解决实时采集曲线的绘制问题。VB控件中提供了外部Activex控件Mschart来给该应用程序添加图表功能，用它能创建包括条形、饼形、线形等不同类型的三维图表。利用该控件，可对表中的所有项目进行完全控制，例如标题、图表、脚注、轴、数据点系列等等，甚至还能旋转图表，为每一元素加上背景、设置光源，把它们放在想要的地方。本系统中需要实时测量轴瓦速度V的实际值，并根据实时更新的短期速度数据数组、长期速度数据数组分别绘制短期趋势曲线图与长期趋势曲线图，这两个趋势图均是速度值(Y轴)和时间（X轴）的关系曲线，并随着时间变动实时更新，以便观测。短期趋势图的绘制，由于测量10分钟内的数据，每一秒测量一次，因此每10分钟内都有600个数据，为绘制曲线，还要赋予一个初值，所以速度短期数据定义为长度为601的数组。将数据初始化后，利用Mschart控件得到如下图3.7所示的短期趋势模拟图。图3.7短期趋势图图3.7短期趋势图该图的静态显示外观比较理想，但是每秒一次的数据更新使屏幕每秒钟都会引起由于重绘带来的闪烁，这大大降低了图形界面的可视性与美观性。由此可见，Mschart控件不太适用于绘制实时数据采集系统的相关曲线。为了解决这个难题，我尝试利用了VB提供的绘画函数等简单易用的多媒体实现技术，并取得了非常好的效果，以下是我们的实现步骤。b)绘图函数的使用在计算机应用中、图形程序设计通常是一种比较复杂的劳动，在以前的传统语言如C语言，绘制图形是一件非常麻烦的事，在真正开始绘图前需要做大量的工作。但是在VB6.0中，绘图却变得十分轻松，它的基本图形包括点、直线、矩形、圆和椭圆。使用绘图函数绘制的图形既可以将窗体作为容器，也可以将VB中的控件Picturebox作为容器。在实时采集数据曲线中只需用到直线的绘制方法，在VB中画直线是通过line函数来实现的，它的语法为:object.Line[Step1](x1,y1)[Step2](x2,y2),[color],[B],[F]其中，可选项Step1设置起点坐标相对于当前图形位置图标的偏移量；(x1,y1)指定直线的起点坐标或矩形的左上角坐标；可选项Step2设置终点坐标相对于当前图形位置图标的偏移量；(x2,y2)指定直线的终点坐标或矩形的右下角坐标；color是指绘画所用的RGB颜色，可以被忽略。在绘制直线时，line函数的B和F都不选。c)实时采集数据曲线的绘制绘制实时采集数据曲线是为了实时观测，以便掌握实时采集数据变动的趋势，使曲线显示效果最佳。绘制曲线前要将需要的绘图范围及坐标轴的尺寸刻度设定好，然后根据速度测量结果及采集时间绘制实时测量曲线。d)坐标轴与网格设置新建Form，将属性name设为frmchart，在窗体上添加控件Picturebox作为趋势图的显示容器，同时，为降低绘图复杂性，并能控制图片背景，我们添加了一个Shape控件并选取该控件的矩形作为绘图范围，以该矩形的下边线为横坐标，左边线为纵坐标。由于速度范围5mm/s,控制时间为10分钟，因此我们利用控件将左边线分为5格，每格代表速度最大测量范围的1/5，即1mm/s,将下边线分为10格，每格代表1分钟。e)实时采集数据曲线绘制图3.8实时采集数据曲线绘制图3.8实时采集数据曲线绘制在做好上述步骤的基础上，我利用Picturebox的Line方法得到了如图3.8所示的较为理想的实时曲线绘制效果。f)程序实现代码绘制实时采集数据曲线的程序源代码如下：Dimx0,y0,h,wDimIasintegerx0=Shape1.Lefty0=Shape1.Top+Shape1.Heighth=Shape1.Height/1w=Shape1.Width/300Picture1.ForeColor=QBColor(1)Picture1.ClsY1=Shape1.HeightForI=0to600Picture1.Line(x0+i*w,y0-dqsj(i)*h)-(x0+(i+1)*w,y0-dqsj(i+1,Q)*h)Next//说明：其中，dqsj是记录10分钟内实时采集速度值的数组。下面是上位机软件使用流程图：开始开始系统初始化用户输入密码密码正确?结束显示主菜单等待用户输入A=？调24小时数据报/报警显示子程序调实时数据/报警显示子程序调存盘子程序调打印子程序调参数调整子程序调图形曲线绘制子程序A=其他A=1A=2A=31A=4A=5A=6图3.9上位机软件使用流程图NY结论本系统主要具有以下功能:(1)储物物理量检测功能。具备巡测和定时检测温度、湿度指标，数据显示功能。(2)分析功能。对所测数据进行自动分析处理，设定温、湿度超值分析。(3)数据存储与检索。所采集与分析结果可存储和备份。(4)报警功能。根据温湿度数值分析得出超值报警等，并屏幕显示记录。(5)远程数据传输功能。可远程传输数据，提供系统的集中式管理功能。本系统采用单总线数字温度传感器DS18B20取代传统的模拟温度传感器进行温度监测和控制，简化了系统前端数据采集部分的结构，实验结果稳定、可靠。本系统采用HF3223数字型湿度传感器，通过获得的频率信号与湿度值成近似线性关系，通过软件的分段线性与查表计算等数据处理方法，可以校准补偿频率、漂移以及元器件的误差。其所构成的湿度测量电路具有结构简单、成本低、测量精度高、响应时间快、性能稳定的优点。系统下位机软件主要采用AT89C51汇编语言编写，实现了系统时间显示，键盘扫描，前端数据采集，数据处理与显示，串行通讯(下位机部分)等功能。上位机软件部分则是采用VB与ACCESS数据库相结合，实现了上位机串行通讯功能和数据存储与显示功能。

致谢本论文的研究工作是在刘建业教授的悉心指导下完成的。导师渊博的知识、丰富的实践经验、严谨的治学态度、一丝不苟的工作作风和忘我的工作热情令我收益非浅。同时也激励和鞭策着我在今后实际工作中，用严格标准来要求自已，用科学态度对待工作。在这里我真诚地感谢导师半年多来对我的教育与培养。在四年的大学学习期间，河北科技大学电气信息学院从院领导到各位老师都对我的学习给予了充分的关怀，还有很多给予我关心的老师和同学无法逐一列出，谨在此对他们表示深深的感谢。

参考文献1康华光.电子技术基础.北京:高等教育出版社，19932杜维，乐嘉华.化工检测技术及显示仪表.浙江：浙江大学出版社，1988.13王福瑞等.单片微机测控系统大全.北京：北京航空航天大学出版社，1998.44李华.MCS-51系列单片机实用接口技术.北京：北京航空航天大学出版社，1993.85王幸之等.单片机应用系统抗干扰技术.北京：北京航空航天大学版社，2000.26吴麒.自动控制原理(上、下).北京：清华大学出版社，1990.37刘增良.模糊技术与应用选编(1)(2).北京：北京航空航天大学出版社，19968吴誉等.现场总线技术展望及我国的发展策略.测控技术，1999,Vol18(11):1～89薛定宇.控制系统计算机辅助设计.北京：清华大学出版社，1996:191一193.10张桂香，王辉.计算机控制技术.成都:电子科技大学出版社，199956一57.11孙增析，张再兴.智能控制理论与技术.北京:清华大学出版社，1997.12王树青.先进控制技术及应用.化工自动化及仪表，199926(2):61一65.13孙增析，张再兴.智能控制理论与技术.北京:清华大学出版社，1997.14朱波，高仲龙.热处理计算机控制现状及展望.工业加热，1995.115王培生.智能温度控制系统在化纤机温箱控制中的应用.工业仪表与自动化装置，1997(5):37～4016凌玉华等.参数自整定模糊控制算法及其在智能温度控制仪中的应用.计算技术与自动化，1998(12):40～4317张进明，王虹.一种单片机温度测量仪.工业仪表与自动化装置，1999(2):42～4418孙君武.预报式模糊控制在热处理电阻炉温控制中的应用.控制与决策，1999,Vol14(3):276～27919MAXIMNEWRELEASESDATABOOKVOLUME.V.200220HighPerformanceE2CMOSPLDGenericArrayLogicTmGALI6V8.LaticeSemiconductor.21Modbus-IDA,MODBUSApplicationProtocolSpecificationV1.1[EB].附件⑴显示程序：S595:MOVR0,#BUFF3 ;74HC595显示字模缓冲区 MOVR7,#4 ;每板4块74HC595S595B: MOVR6,#8 ;8位显示字模数据 MOVA,@R0 ;读显示字模S595A: CLRCLK RLCA MOVDO,C ;送显示字模位到74HC595 NOP NOP SETBCLK NOP NOP DJNZR6,S595A INCR0 ;调整到下行显示字模地址DJNZR7,S595BCLRCLKSETBCSK ;打开74HC595输出使能 MOVR6,#26 ;要有必要的延时，否则595不能输出！DJNZR6,$ CLRCSK ;关闭74HC595输出使能 RETEND⑵键盘扫描程序4＊4的键盘行线与列线都接电阻接到VCC，用过线反转法扫描，SCAN:MOVP1,#0FHMOVA,P1MOVR4,AMOVP1,#0F0HMOVA,P1ANLA,R4MOV30H,AMOVR3,#0MOVA,#0MOVDPTR,#KEYCODEL1:MOVCA,@A+DPTRCJNEA,30H,L2LJMPDEALL2:INCR3MOVA,R3LJMPL1DEAL:LCALLLP1MOVDPTR,#LEDCODEMOVA,R3MOVCA,@A+DPTRMOV40H,ALCALLDISP；调用显示程序key:movp0,#00001111b;上四位和下四位分别为行和列,所以送出高低电压检查有没有按键按下jmpk10;跳到K10处开始扫描，这里可以改成其它条件转移指令来决定本次扫描是否要继续，例如减1为0转移或者位为1或0才转移，这主要用来增加功能，确认上一按键功能是否完成？是否