《基于单片机的档案库房温湿度监控系统设计》12000字（论文）

基于单片机的档案库房温湿度监控系统设计摘要档案是人类无比珍贵的财富，属于不可再生资源。档案库房储存环境的温度和湿度参数对档案材料老化变质的速度有着至关重要的影响。对档案库房环境的温度和湿度参数进行合理及时的监控，是档案寿命能够得以延长的重要举措之一。本文在参考、查阅了大量关于档案保护、温湿度监控技术等方面资料的基础上，基于本人所在单位档案库房现状的需求，设计了基于STC10F08XE单片机的档案库房无线温湿度监控系统。本监控系统以单片机为核心，分为上、下位机两个子系统。上位机系统主要是PC机；下位机系统包括数据采集终端和数据接收终端两部分。整个系统由温湿度传感器数据采集模块，液晶显示模块，无线传输模块，红外遥控模块，串口通信模块、报警模块和执行模块组成。本文结合LabVIEW软件工作平台和单片机C语言软件程序开发工具，对本监控系统的主程序及各子模块程序都做了详细的设计，并在最后选用Proteus仿真软件工具对监控系统做了仿真测试，达到了预期的要求。关键词：档案保护；单片机；温湿度监控；LabVIEW；仿真目录TOC\o"1-3"\h\u34581绪论 １1绪论1.1课题研究背景及意义档案是在人类社会发展的过程中，政府机关、社会团体或个人等从事各种领域的社会活动而直接形成的对社会发展有保存价值的历史纪录。档案具有多种表现形式，如文字、图表、声像等。档案是人类无比珍贵的财富，属于不可再生资源。它具有真实性、历史性、参考性、社会性，对人类社会的发展起着至关重要的作用，具有十分重要的参考价值和保存价值。随着科技的不断发展，数字化技术已逐渐应用到档案管理领域，电子档案将被越来越广泛的应用起来。但就当前看来，直至今后很长一段时期，纸质材料仍为档案建立的主要载体。目前，绝大部分档案馆储藏的档案都是以纸质材料为主体。纸质档案作为人类历史文化遗产是不可再生的，是人类文化传承的历史见证之一。因此，必须做好档案保护工作。怎样才能更好的保护这些纸质档案，一直是各级各类档案馆乃至整个人类社会所面临的严峻问题之一本课题从上述问题为出发点，设计实现了温度、湿度的监控系统，该系统不仅能实时采集个抽样点的温度与湿度值，而且能够迅速处理，友好的将数据结果显示给用户，当温湿度偏离规定值时，系统发出警报，通知管理人员作出相应处理。1.2档案库房温湿度监控系统的研究现状1.2.1国外档案库房温湿度监控现状目前，在国外一些发达国家，现代档案库房的温湿度、空气质量、防火防盗都是由电脑进行自动控制，这样更加便于人工管理和维护，做到了档案库房既得到及时、有效的安全保护，同时又大大的降低了库房工作人员的劳动强度等，由传统的被动人工管理向现代的智能化、科学化、人性化的方向发展，以有效实现档案库房的安全保护工作。截止2000年，大多数外国档案库房都配备了包括温度和湿度环境监控系统在内的安全管理系统。1.2.2国内档案库房温湿度监控现状国内大部分档案库房，尤其是各企事业单位的档案库房对档案储存的温湿度监控存在着一些问题，虽然大部分档案库房内配置了温湿度的测量仪器、仪表甚至还配备了空调、除湿机等调控设备，但绝大多数是人工管理和维护，人工监测温湿度数据，根据经验来确定是否需要对档案库房进行降温、除湿、加湿、通风等措施。不能够对档案库房环境温湿度参数做到实时监控，一旦温湿度超限不能及时地进行调控。而且，很有可能出现由于档案管理人员相应专业知识的缺乏或缺乏责任心，使这些监测、调控设备成为摆设。比如不知道档案保护的适宜温湿度标准是多少；不懂测量仪表的使用方法或仪表放置的位置不合理，得不到正确的温湿度环境数据；不会使用调控设备；三天打鱼，两天晒网，不能够及时有效地对库房温湿度进行测量、记录，使测量记录数据凌乱不堪、达不到监控效果；许多档案管理员是凭借自己的经验和主观想象办事，比如遇到晴天就开窗通风，遇到刮风下雨就关窗等。1.3课题研究的主要内容本文在参考、查阅了大量关于档案保护、档案库房温湿度监控技术等方面的资料的基础上，拟设计基于STC10F08XE单片机的档案库房无线温湿度监控系统，该系统要达到低功耗、可靠性高、检测精确、成本低、应用管理方便、实时性好等方面的要求。本系统的主体设计思路为：首先通过多点分布的温湿度采集终端采集各个档案库房的温湿度数据并由LCD液晶显示器实时显示，通过控制核心单片机对采集数据的分析、处理，得出当前温湿度是否符合档案储存环境标准，若超限则输出控制信号通过执行机构控制调温设备或调湿设备工作。与此同时通过无线射频技术将数据传输到温湿度数据接收终端，避免了长距离数据传输的重新布线问题。然后数据接收终端通过单片机串行通讯方式将数据上传到上位机（PC机），同时在上位机监控界面上显示实时温湿度，实现数据的记录保存和报表打印。在本文中，首先对影响档案储存的主要因素进行了细致的分析，然后给出了我单位档案库房温湿度监控系统的硬件电路设计，包括：温度采集模块电路设计、湿度采集模块电路设计、电源模块电路设计、无线数据传输模块电路设计、红外遥控模块电路设计、串口通讯模块电路设计、LCD液晶显示模块设计、声光报警电路设计和执行机构的控制电路设计。然后，采用LabVIEW虚拟仪器软件工作平台对监控系统上位机（PC机）系统的监控界面做了设计，同时采用单片机C语言与KeilμVision4相结合的方式对温湿度监控下位机系统各个子模块均做出了相应的软件设计。最后，通过PROTEUS软件对本文所设计的监控系统进行仿真测试。本文所设计的档案库房温湿度监控上、下位机系统能够满足环境温湿度检测、数据的无线传输、关键环境参数的调控的需要。上位机采用PC机，主要功能包括：完成温湿度上下限设置、温湿度实时显示、数据存储、报表打印等。温湿度监控下位机系统以STC10F08XE单片机为核心，分为温湿度数据采集、发送终端和温湿度数据接收终端两部分，子模块包括：数据采集模块、输出控制模块、人机交互模块、无线数据收发模块，多个模块在单片机的协调下工作，在没有上位机的情况下也能够独立地进行温湿度数据的采集与分析、处理、关键参数的设定、数据的实时显示等功能，完全可以达到我单位档案库房温湿度控制的要求。2影响档案储存的因素分析影响档案存储的因素很多，除了人为破坏，档案存放环境的温度和湿度对档案的保护工作有着举足轻重的影响。储存环境的温湿度不但直接地影响档案的储存，而且会间接影响其他因素对档案造成的破坏，如果储存环境的温湿度不适宜就会造成档案纸张、磁带、光盘、胶片等发生降解碎化、字迹褪化或者档案资料的失真等档案损害情况，而且会造成虫、霉等的大量繁衍生长。目前，在我国各级各类档案馆里，由于对档案库房环境的温湿度控制的不合理，甚至没有进行控制，导致大批档案发霉变质、纸张脆化撕裂、害虫蛀食的情况比较严重。2.1环境温度对档案的直接影响环境温度过高会加速纸张的热老化作用。当纸质材料存放环境温度过高时，就会因热老化作用而导致损坏，而且温度越高，热老化作用越严重。纸张由于热老化的影响而损坏主要表现在两个方面：一方面，受热后纸张内部水分会蒸发、导致机械强度下降；另一方面，温度的升高会使纸张中的各种化学反应速度加快。此外，环境温度过高，纸张干燥易燃，容易造成火灾隐患。纸张中都是含有一定量的水分的，当含水量较为理想的情况下，纸张能够达到较高的机械强度和耐久性。但是当档案储存环境的温度低于零度以下时，纸张内部结构就会因为水分的冻结而遭到破坏，严重影响纸张的机械强度和耐久性。2.2空气相对湿度对档案的直接影响纸张由于其物理结构而都含有一定的水分，档案纸张如果含水率过低就会发脆，很容易碎裂；如果含水率过高，纸张的强度就会更明显下降，甚至水解、降解，对仓储物品有严重危害的仓虫、霉菌等也会大量繁殖，档案纸张上的字迹也会因为水分过高而加速褪化。相关研究表明，当纸张含水率在7±1%时，能够达到做好的强度和柔韧性，字迹不易褪化，虫、霉也不易生长。纸张含水率主要受空气相对湿度的影响，据相关资料介绍，周围环境相对湿度在50%时，纸张内的含水率是7.18%；空气相对湿度在80%时，纸张内的含水率是12.6%。不同相对湿度下纸张含水率如表2-1所示。从表中可见，化学浆纸内的含水率在7±1%时的相对湿度是大约在40%-65%左右。2.3环境温湿度对档案的间接影响虫、霉对档案也具有相当严重的危害。它们可以使档案被蛀食的千疮百孔或发霉变质甚至霉变成砖。档案害虫是仓库害虫的一种，比较喜欢温暖潮湿的环境。据有关资料记载，一般仓库害虫能够生存的有效温度为15℃-35℃，最适合生存的温度为25℃-32℃，最适合生存的相对湿度在70%以上。如果能够将档案库房环境的温度控制在最适合仓库害虫生存、繁殖的温度下限(20℃)以下，湿度控制在65%以下，就可以有效地抑制虫灾对档案的危害。霉菌是一种体内含水量达80%-90%的低等植物，大量水分和适宜的温度是霉菌生长、繁殖的重要条件，环境的温湿度参数是霉菌能否生长的决定因素。有实验证明，当相对湿度在75%以下时，不会生霉。还有人做了在温度和湿度共同作用下，温湿度参数对霉菌生长、繁殖影响的试验，结果证明，当环境温度低于18℃，相对湿度低于65%时，霉菌就不能正常生长、发育。综上所述，对档案库房的温湿度环境参数进行合理及时的监控，是档案寿命能够得以延长的重要举措之一。档案储藏的最合理的档案库房环境温度标准为0℃-20℃，相对湿度标准为40%-65%。考虑到库房管理人员经常需要在档案库房里进行管理工作，因此本文所设计的监控系统将温度标准调整为14℃-20℃，相对湿度标准不变，仍为40%-65%。3系统总体设计STC10F08XE单片机STC10F08XE单片机LCD1602液晶显示器复位电路晶振电路电源电路RS485通信模块PC机DS18B2温度检测CHTM-02/N湿度检测系统总体设计图4监控系统硬件电路设计系统硬件电路的设计是整个档案库房温湿度监控系统的根本，是档案库房监控系统得以实现的基础。硬件电路分为电源电路、监控系统数据采集终端和数据接收终端三大部分。数据采集终端由单片机，温度数据采集电路，湿度数据采集电路，LCD液晶显示电路组成。监控系统数据采集终端部分的整体电路；数据接收终端由单片机，串口通信接口电路，声光报警电路等模块组成，监控系统数据接收终端的整体电路。4.1STC10F08XE单片机本监控系统的控制核心处理器选用的是宏晶公司研发的新一代单时钟8051单片机STC10F08XE。它能够直接取代传统的STC89C系列单片机，抗干扰能力更强，功耗更低，速度更快。4.1.1STC10F08XE单片机主要功能特性（1）1T单时钟/机器周期；（2）STC10F08XE单片机工作电压有两种：5V单片机的电压范围为3.8V到5.5V之间；3V单片机的工作电压为3.3V；（3）STC10F08XE单片机的工作频率为0~35MHz，与传统8051单片机的0~420MHz工作频率相当；（4）它的Flash存储器容量为8K字节，能够反复擦写10万次以上，便于开发调试时的不断反复擦除和烧写程序；（5）内部数据存储器容量为512字节；（6）通用I/O口个数为36个，比传统51单片机多出4个通用I/O口；（7）具有ISP和IAP功能；（8）内部集成了MAX810专用复位电路；（9）设有外置的高精度晶体/时钟和内部R/C振荡器两个时钟模式；（10）内部集成了两个定时计数器以及一个独立的波特率发生器；（11）一个UART；（12）有PDIP-40和LQFP-44两种封装。4.1.2STC10F08XE单片机的管脚STC10F08XE管脚图4.1.3STC10F08XE单片机时钟及复位电路单片机时钟及复位电路图STC10F08XE单片机时钟及复位电路图4.2电源电路设计本文所设计的监控系统中，拟采用常规DC5V电压为STC10F08XE单片机供电，电源由220V交流民用电网输入，经变压器（AC220V~AC9V/15W）降压至交流9V，再经过由四个IN4007二极管构成的全波整流桥进行整流、然后电容滤波，最后再通过集成稳压模块CW7805使电压稳定在直流5V，作为单片机系统电源。然后经过集成稳压芯片CX1117-3.3V的稳压，再次将直流5V电压变换为3.3V左右的直流电压，以便用于为无线射频模块供电。这样只需设计一个电源电路模块就能满足监控系统所有子模块的供电。电路如图：电源电路图4.3温度数据采集电路设计4.3.1数字温度传感器DS18B20本文中所设计的档案库房温湿度监控系统温度采集模块是Dallas公司的DS18B20数字温度传感器。该温度传感器一般为三脚的TO-92封装形式，，各引脚功能：1、GND接地信号，2、DQ数据输入／输出引脚，3VDD外部电源引脚；寄生电源供电时须接地。DS18B20是“一线总线”接口的数字式传感器，它能够直接以数字的形式输出所采集的温度数据，进行温度变换所需功率源于数据总线。所以在设计的监控系统中采用DS18B20能够让电路更加简单，具有更高的可靠性。DS18B20数字温度传感器技术性能（1）DS18B20与单片机使用单线的接口方式，只需要一条总线就可以形成单片机和DS18B20通讯；（2）能够测量-55℃~+125℃之间的温度，测量温度范围很广。在实测环境温度在-10℃~+85℃范围内时，测量精度能够达到±0.5℃；（3）正常工作所需电压范围很大，在DC+3.0V~DC+5.5V之间都可正常工作，甚至可以利用寄生电源通过数据线进行供电；（4）可实现高分辨率测温。以9~12位数字量方式将测量结果串行传送，对应实现9~12位可编程分辨率；（5）非易失性报警限值可以通过软件编程设置；（6）可支持多点组网功能，在进行多点测温时，凭借其各自都具有唯一的，与其他传感器不同的序列号，能够将很多DS18B20都挂在同一条端口线上，而互不影响；（7）内置CRC校验功能；（8）DS18B20具有电源反接保护功能，防止了当电源正负极性被无意中接反时，传感器因过热被烧毁；（9）不锈钢保护管直径Φ6，对温度传感器内部芯片进行有效地保护。4.3.2温度采集电路DS18B20测温电路的供电电源既可以使用外部电源，又可以使用寄生电源。本系统采用的是外部供电工作方式，在外部电源供电方式下，完成温度采集的时间比寄生电源方式要短，而且I/O线不需要强上拉，DS18B20的GND引脚必须接地，否则不能正常读取温度。DS18B20外部供电工作电路图4.4湿度数据采集电路设计4.4.1湿度传感器本设计选用CHTM-02/N湿度模块作为湿度检测部分的湿度传感器，是一种电阻式湿度传感器。CHTM-02/N传感器主要特性如下：（1）湿敏元件为湿敏电阻“CHR-01”；（2）工作电压为DC4.75V-5.25V；（3）最大工作电流5mA，平均工作电流2mA；（4）湿度变送范围：0~100%RH；（5）在标准检测条件下，测量准确度为±5%RH；CHTM-02/N传感器中的湿敏元件为CHR-01，是一种高分子复合式湿敏电阻。CHR-01工作稳定、漂移量低、温度适应性和耐水性也较好，在调湿设备、电子仪表、气象检测、仓储等领域广泛应用。CHR-01是一种非线性电阻，电阻率受环境湿度的影响，进而影响到传感器的输出电压采样值，结合湿度传感器电压—温度—湿度关系表，可以推算出当前的相对湿度值。4.4.2A/D转换及其接口电路CHTM-02/N湿度模块的输出信号属于模拟量（电压信号），而单片机能够接收和处理的是数字信号。这就需要经过A/D转换将模拟电压信号转换为对应湿度传感器检测信息的数字信号，然后STC10F08XE单片机接收数据并进行运算和处理，最终读取环境相对湿度值。其中，模/数转换过程是通过ADC0832模拟/数字转换芯片实现的，该转换芯片引脚排列。ADC08032是一种逐次逼近式双通道A/D转换芯片，具有8位分辨率，输入输出电平与TTL/CMOS相兼容，如表图1所示：ADC0832引脚功能表4.4.3湿度采集电路CHTM-02/N模块采集到的模拟信号传送到ADC0832模拟/数字转换器，经过A/D转换，由ADC0832输出相应的湿度数字信号，并将得到的数字信号传送给STC10F08XE单片机，进过单片机的数据处理和运算，最终得到当前环境相对湿度值。ADC0832与湿度模块CHTM-02/N、单片机STC10F08XE的接口电路湿度检测电路图4.5红外遥控电路设计红外遥控是一种无线控制技术，并越来越广泛的应用于生产生活中。本设计中也采用了红外线遥控方式，以可靠、方便的进行控制系统参数设定、调节，并有效隔离电气干扰红外遥控设备一般由两部分组成：发射部分和接收部分。为了降低成本，提高可靠性，本监控系统红外遥控模块的发射部分直接采用市场上可以购买到的通用红外遥控器来实现，接收部分采用以HS0038一体化红外线接收头为核心的接收电路来实现。HS0038将光电转化、信号放大器、滤波和解调制功能都集成在了内部，在使用时非常方便，它接收到信号后首先进行解调，然后就可直接输出能被单片机解码的反相信号。HS0038引脚功能：GND为接地端；VCC为电源正极（DC5v）;OUT为脉冲信号输出端；HS0038红外接收头与STC10F08XE单片机之间的连接很简单。只需添加一个电阻元件（引脚1与引脚2间加上拉电阻）和一个电容元件（引脚2与引脚3间加10μF电容）即可构成的红外遥控接收电路，它的输出端接STC10F08XE的P3.2/INT0端口。红外遥控接收电路图4.6液晶显示模块设计4.6.1LCD1602液晶显示器LCD液晶显示器与普通数码管相比，具有功耗低、体积小、应用方便、可显示更为复杂的内容等多方面优点，使人机交互界面变的更为直观和形象。在本文中选用LCD1602字符型液晶显示器作为监控系统下位机的显示模块。字符型LCD1602一般有两种接口形式：无背光显示的14条引脚型和有背光显示的16条引脚型。其引脚功能如下表图2所示：LCD1602功能能表4.6.2LCD液晶显示电路液晶显示器LCD1602和单片机STC10F08XE连接形成监控系统下位机的显示模块电路液晶显示电路图4.7报警电路设计本监控系统设计了声光报警模块。当监控系统采集到的档案库房温度超过预先设置的温度值上限或下限时，单片机对应I/O口输出低电平并持续1分钟，红色LED发光二级管闪烁，三极管驱动扬声器1发出声音报警，当1分钟延时结束后，单片机I/O口由低电平变为高电平，温度警报解除。当监控系统采集到的档案库房内湿度超过预先设置的湿度值上限或下限时，单片机对应I/O口输出低电平并持续1分钟，黄色LED发光二级管闪烁，三极管驱动扬声器2发出声音报警，当1分钟延时结束后，单片机I/O口由低电平变为高电平，湿度警报解除。本监控系统需三路声光报警电路，分别对应单位三个档案库房。声光报警电路图4.8串行通信接口电路设计在本文所设计的温湿度监控系统中，数据接收终端与计算机的通讯是通STC10F08XE单片机的串口（RXDHETXD）和计算机的串口之间的串行通讯数据专用通道来进行数据的接收、发送的。本监控系统中串行通讯所使用的串行数据专用通道以RS-232-C协议作为异步串行通信标准。STC10F08XE单片机的所有I/O接口电平都属于CMOS标准。它的输出输入数据对应的模拟电压或者是5V或者是0V，而PC机上所配置的串行通讯接口采用的是EIA-RS-232C标准，它的输出输入数据对应的模拟电压在-3V以下时表示高电平，在+3V以上时表示低电平，属于负逻辑电平。单片机的串行接口和上位机的串行接口使用的电平标准不同，数据不能直接进行传输，在进行数据传输之前，必须先进行电平转换。本文中所采用的是MAXIM公司生产的MAX232C电平转换芯片。MAX232C芯片依靠内部的电压变换器把输入的TTL电平或CMOS电平转变为负逻辑电平以供RS-232C输出电平所需。MAX232C电平转换电路的连接非常简单，在STC10F08XE单片机串行接口(RXD/TXD)上连接MAX232C芯片电平转换器，须注意管脚的对应输入输出关系，就能形成标准的RS-232C接口。RS-232C串口通信接口电路图5监控系统的软件设计5.1监控系统的程序设计方案本监控系统开机后，首先要进行单片机的初始化以及开中断，通过红外遥控器设置温湿度的上下限，并通过无线射频方式将温湿度上下限数值发送给温湿度数据采集终端，数据采集终端读取档案库房环境的温湿度，然后通过LCD液晶显示器实时显示当前数值，并判断是否超过预设值的上下限，若超出预设值则输出控制信号以驱动执行器动作；同时通过无线射频将数据发送给数据接收终端，数据接收终端接收数据后，判断是否超过预设值的上下限，若超出预设值则发出的声光报警持续1分钟停止；同时，温湿度数据接收终端通过串行通讯接口将温湿度数据上传给上位机，上位机将温湿度数据绘制成图线，并保存数据。5.2上位机程序设计本系统通过异步串行通信方式将由STC10F08XE单片机控制的温湿度传感器采集到的温湿度数据传送到上位机。在此采用LabVIEW软件来编写上位机软件，LabVIEW软件的数据处理能力非常强大，在测量领域得到广泛应用。LabVIEW软件自带的虚拟仪器软件结构(VISA，VirtualInstrumentSoftwareArchitecture)可以进行串口数据通信，将当前温湿度值在PC机上动态显示并绘成曲线，还能够将检测数据保存下来。5.2.1LabVIEW概述LabVIEW是一种通用的数据采集和仪器控制软件，它采用图形化的方式来进行程序开发，其内部含有一个便于应用TCP/IP、ActiveX等软件标准的庞大函数库，LabVIEW还提供了很多控件，这些控件外观与传统仪器（如万用表、示波器等）非常相似，可以很方便地帮助使用者创建用户界面[10-11]。LabVIEW使用非常方便，它内置了非常丰富的功能模块，这些模块都是图形化了的，在使用时只需将各所需功能模块按照程序框图的流程进行连接即可。虚拟仪器，是LabVIEW程序开发设计的精髓，也就是利用软件技术制作出各种仪器模块来实现实际仪器的各种功能[13]。虚拟仪器不仅在操控界面上与真实仪器相似，而且在对信号的采集、分析、处理等过程中所起到的作用完全可以取代真实仪器。虚拟仪器可构建成虚拟化的仪器系统。虚拟化仪器系统就是通过透明化的方式，将计算机软硬件资源与单片机、数/模转换芯片、模/数转换芯片等外部硬件设备资源有机的结合在一起，采用图形化编程的方式画出程序框图，在应用软件的作用下协调计算机与各外部硬件设备一起工作，完成信号的采集、分析、通讯、处理等功能。虚拟化的仪器系统图5.2.2上位机软件界面abVIEW对于各种检测和控制需求都储备了丰富的虚拟模块及虚拟接口以供选择，LabVIEW通过VISA等通用驱动或接口程序，能够与绝大多数NI公司甚至是其他公司提供的外部硬件设备进行通信。在本监控系统中，上位机与下位机之间的通讯是通过DB-9串口通信方式来实现的，有时可能会用不带串口的笔记本电脑作为上位机来使用，这样就必须采用USB转串口的方法来替代串行接口。LabVIEW上位机界面程序主要由前面板和图形化编程的框图程序等构成。前面板为人机交互界面，可以进行数据的输入、输出以及显示、打印等工作。在前面板上放入控件可对程序的所有参数进行设置，输出控件实时将温湿度数据的图线显示出来，前面板上的图形模块与框图程序模块是相对应的。本系统上位机软件监控界面。上位机工作界面图5.3下位机程序设计美国KeilSoftware公司推出的KeilμVision4是一种C语言软件开发平台，它与51系列单片机完全兼容的。KeilμVision4集成了大量的实用编程工具，如C语言编译器、连接器、宏汇编、库管理和仿真调试器等，Keil是现在应用于单片机软件开发、编程、调试最为广泛的软件开发平台之一本文单片机软件程序的开发采用C语言与KeilμVision4相结合的方式来实现。KeilC51μVision4能够将C语言源程序编译成51系列单片机能够执行的HEX格式文件，编译的程序除了能够进行温湿度数据的采集和显示，还能够通过下位机全双工异步串行通讯接口与上位PC机以9600kbps波特率进行串口通讯，使上位PC机能够得到实时、精准的温湿度数字信号。在本下位机程序设计中，为了使编程效率提高，使程序尽可能的少占用储存空间，采用了模块化与结构化相结合的程序开发技术，采用这种技术在对程序进行调试和维护时也非常方便。5.3.1下位机程序设计下位机程序的构成分为两大部分，分别为温湿度数据采集终端主程序和温湿度数据接收终端主程序。温湿度数据采集终端主程序主要包括：温度数据采集子程序、湿度数据采集子程序、LCD1602液晶显示子程序、无线射频通讯发送子程序、无线射频通讯接收子程序、延时子程序和中断（定时器）服务子程序等。温湿度数据接收终端主程序主要包括：红外遥控子程序、无线射频通讯发送子程序、无线射频通讯接收子程序、串口传输子程序、延时子程序和中断（定时器）服务子程序等。1、温湿度数据采集终端主程序设计监控系统开机后，首先要进行系统的初始化，然后通过无线射频通讯方式接收数据接收终端发来的温湿度上下限参数值，然后数据采集终端读取当前档案库房环境的温湿度数值，通过LCD液晶显示器实时显示当前的数值，并判断是否超过预设值的上下限，若超出预设值则输出控制信号以驱动执行器动作；同时通过无线射频将数据发送给温湿度数据接收终端。温湿度数据采集终端主程序框图2、温湿度数据接收终端主程序设计监控系统开机后，首先要进行系统的初始化，然后通过红外遥控器设置温湿度的上下限数值，并通过无线射频方式将温湿度上下限数值发送给温湿度数据采集终端，然后等待数据采集终端通过无线射频的方式将采集到的温湿度数据给发送过来，数据接收终端接收数据后，判断是否超过预设值的上下限，若超出预设限值则发出的声光报警持续1分钟然后停止报警；同时，温湿度数据接收终端通过串行通讯接口将温湿度数据上传给上位机。然后判断是否为最后一个测量点，如不是则继续接收下一个数据采集终端发送过来的温湿度数据，并判断是否越限，若越限则发出1分钟时长的声光报警；同时串行上传温湿度数据到上位机；若已是最后一个测量点则重新接收第一个测量点采集并发送过来的数据。如此循环下去。温湿度数据接收终端主程序框图6监控系统的仿真与测试6.1Proteus仿真软件Proteus仿真软件是一种EDA软件工具。比起其它同类EDA工具软件，Proteus除了传统仿真功能以外，还具有单片机及外围电路元器件的仿真功能，Proteus在单片机仿真领域目前是最好的。它支持包括51系列单片机在内的绝大多数处理器模型。因此本文使用Proteusv7.8SP2软件工具对所设计的档案库房温湿度监控系统进行仿真测试。6.2监控系统的仿真电路本文所设计的温湿度监控系统硬件电路由两部分组成：监控系统数据采集终端和监控系统数据接收终端。由于有部分器件在Proteus软件内找不到，在此根据器件的电气特性，采用替代的方法来实现。1、用可变电阻替代CHTM-02/N湿度传感器模块CHTM-02/N的湿敏元件为湿敏电阻CHR-01。它的电气特性表现为电阻值会跟随周围环境的相对湿度而改变，进而最终以变化的电压值作为输出信号，而且CHTM-02/N的输出电压U与周围环境相对湿度RH成正比，关系等式如下：ΔU=100/3ΔRH因此，在仿真电路中可采用可变电阻来替代CHTM-02/N，在可变电阻两端并联一个电压表，方便在用改变输入电压的方式来替代改变输入湿度值时更加直观。2、用普通交流电磁继电器替代交流固态继电器GTJ2-1A在仿真的执行机构电路中，电磁继电器和固态继电器所起的作用是一样的——控制调温、调湿设备供电电路的通、断。只有在实际使用中，两者才会因各自的特点而体现出不同优缺点。6.2.1监控系统数据采集终端数据采集终端电路主要包括控制核心STC10F08XE单片机、温度数据采集传感器DS18B20模块、湿度数据采集传感器CHTM-02/N模块、LCD1602数据显示模块、执行机构电路模块、无线射频通讯模块等。监控系统数据采集终端图6.2.2监控系统数据接收终端数据接收终端电路主要包括STC10F08XE单片机、无线射频通讯模块、与上位机通讯的串口通讯模块、红外遥控接收模块、声光报警电路等。监控系统数据接收终端图6.3监控系统的仿真检测本文首先采用C语言和KeilμVision4相结合，对监控系统可仿真的模块进行了程序设计，在本次仿真中，为了能够及时地采集到人为改变的输入温湿度数据，因此对环境温湿度的采样周期设定为2ms，在实际使用中，考虑到环境温湿度参数具有大时滞性，不会发生忽高忽低的情况，可将采样周期调整到2分钟。本次仿真中将数据接收终端的声光报警模块与数据采集终端的温湿度采集、显示模块放在一起进行仿真。另外，由于仿真界面大小的原因，本次仿真只取了一路温湿度报警电路和一路温度控制执行电路。1、标准温湿度范围内的仿真，DS18B20温度传感器上显示数据为17℃，CHTM-02/N模块电压表显示电压为1.31V，经公式换算，相对湿度为43.666%。LCD1602上显示为Temp：17℃，RH：43.7%，基本一致。温湿度均在档案保护的标准温湿度范围内，报警电路所接的P3.3和P3.4端口电位均为高电平（红色），发光二极管和扬声器都不工作；执行机构电路所接的P2.4端口电平为低（蓝色），继电器输出端断路，调控设备不工作（电机不转）。标准温湿度范围内仿真效果图2、温度临界仿真效果图温度临界仿真效果图3、超温仿真效果图超温仿真效果图当调节DS18B20数值为21℃时，报警电路的P3.3端口电平由高变低（由红变蓝），发光二极管D1发光，同时控制执行电路的P2.4变为高电平（红色），电机开始转动。4、湿度临界加超温仿真效果图湿度临界加超温仿真效果图5、温湿度均超限仿真效果图温湿度均超限仿真效果图6、湿度超限仿真效果图湿度超限仿真效果图6.4数据接收终端与PC机串口通讯的仿真（1）为了对监控系统进行串口通讯仿真测试，需要做以下准备工作：①通过虚拟串口工具virtualserialportDriverXP5.1进行虚拟串口的设置。添加虚拟串口COM3和COM4虚拟串口的设置图②打开串口调试助手，将串口设置为COM3，波特率为9600bit/s。串口调试助手设置图③打开Proteus仿真软件，绘制串口通讯仿真电路。因为Proteus内置TT