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1、中文摘要在实际生产、生活、工业控制等各个领域中，温度是环境因素不可或缺的一部分，对现场温度的精确检测和实时监控显得尤为重要。比如，农业上土壤各个层面上的温度将会影响植物的生长；在医院育婴房为了达到恒温也要温度的测量。在工业中，料桶里外上限温度要求不一以及热处理中工件各个部位的温度对工件形成后的性能至关重要等。本文研究的内容为基于RS-485总线远程多点分布式温度监控系统，该系统通过硬件设计，在环境现场放置多个DS18B20数字温度传感器，利用STC89C516RD+单片机采集温度数据并显示当前温度，通过RS-485 串口传回主控计算机，实现对环境现场多个分布点的温度的远程实时监测；在软件方面，
2、下位机采用C51编写DS18B20采集温度数据的程序和1602液晶的显示程序，上位机采用Visual Basic6.0编写软件实现温度的实时显示、曲线绘制、高温报警等功能。由于本系统采用了单线多点数字化测量技术，具有测量误差小、抗干扰能力强、快速、可靠、低成本、数字化与网络化等特点。本系统可被广泛用于粮库、仓库、矿井、机房、煤堆、花房、养鸡场等场合，有很好的使用价值。关键词：单片机，RS-485，DS18B20，Visual Basic6.0，实时监测ABSTRACTIn actual production, living, industrial control and other field
3、s, the temperature is an integral part of environmental factors, the precise on-site detection and real-time temperature monitoring is particularly important. For example, all levels of agriculture on the soil temperature will affect plant growth; Nursery at the hospital have in order to achieve con
4、stant temperature measurements. In industry, barrel ceiling inside and outside, and heat treatment in different temperature requirements in various parts of the workpiece after the formation of temperature on the performance of critical parts and so on.The contents of this paper, RS-485 bus based re
5、mote multi-point distributed temperature monitoring system, the system through hardware design, placed in the environmental field over DS18B20 digital temperature sensor, temperature data collected by STC89C516RD microcontroller and display the current temperature, through the RS- Returns the host c
6、omputer serial port 485, to achieve distribution of points on the environment than the temperature field of remote real-time monitoring; On the software side, the next crew prepared using C51 DS18B20 temperature data collection procedures and liquid crystal display program 1602, the PC software usin
7、g Visual Basic6.0 write real-time display of temperature, curve drawing, high temperature alarm. Because this system uses a single multi-point digital measurement technology, with measurement error is small, anti-interference ability, quick, reliable, low cost, digital and network characteristics. T
8、his system can be widely used for grain storage, warehouse, mine, the engine room, coal pile, greenhouse, chicken and so on, have a good value in use.Keywords:MCU,RS-485,DS18B20,Visual Basic6.0,Real-time monitoring目 录中文摘要1ABSTRACT2目 录3第一章 绪论51.1 引言51.2 课题背景及研究现状51.3 本文的主要工作和结构安排6第二章 硬件设计82.1 引言82.2
9、硬件电路设计82.2.1 单片机选型82.2.2 最小系统的设计92.2.3 液晶模块92.2.4 测温模块102.2.5 RS-485串行通信模块的设计122.2.6 STC程序下载模块142.2.7 供电模块142.2.8 PCB制版152.3 本章小结16第三章 算法实现173.1 引言173.2 下位机测温算法研究173.3 上位机算法研究193.3.1 建立坐标系193.3.2 绘制实时动态曲线213.3.3 PC与单片机串行通信213.4 本章小结23第四章 软件设计244.1 引言244.2 上位机软件设计244.2.1 对象窗口设计244.2.2 程序代码设计254.3 下位机
10、软件设计27第五章 调试31第六章 总结34参考文献35附录A36附录B43致谢50第一章 绪论1.1 引言传统的测温系统在测温点上由传感元件、信号调理电路、A/D 转换或T/F 转换、单片机数据采集等组成一个完整的微机系统；或采用独立式仪表测量单元，并通过RS232串行口与上位机通讯，系统结构复杂，成本较高，且采用RS232串行通信，其传输距离比较短，一般不超过15m，只能支持点对点通信，不能实现多点温度同时监控。本文设计了一个基于RS-485总线远程多点分布式温度监控系统，该系统是由上位机和下位机两大部分组成。下位机完成远程数据采集与控制，它是由STC89C516RD+单片机和若干个数字温
11、度传感器DS18B20 和液晶显示器、报警电路等组成、可以对64 个测温点进行数字化测量。DS18B20采集的温度数据通过单总线方式传送给单片机进行数据处理，具有测温误差小、分辨率高、抗干扰能力强、成本低等特点。上位机采用Visual Basic6.0编写良好的人机交互界面，可以在线监控和显示所有测温点实时温度值，若温度超过设定上下限值，系统发出报警，并实现实时绘制温度曲线。下位机(单片机)与上位机(PC机)通过RS-485串行口进行数据通讯。RS-485最大的通信距离约为1219M，最大传输速率为10Mb/S，支持多点串行通信。1.2 课题背景及研究现状在实际生产、生活、工业控制等各个领域中
12、，温度是环境因素不可或缺的一部分，对现场温度的精确检测和实时监控显得尤为重要。比如，农业上土壤各个层面上的温度将会影响植物的生长；在医院育婴房为了达到恒温也要温度的测量。在工业中，料桶里外上限温度要求不一以及热处理中工件各个部位的温度对工件形成后的性能至关重要等。本文重点研究如何利用DS18B20准确的测量现场温度，如何通过RS-485远程串行通信把数据传给上位机，以及如何实现上位机中对温度的实时显示、曲线绘制、高温报警等功能。文献1中，吴晓燕介绍了以AT89C51单片机为控制核心的一种温度实时测量及控制系统。单片机AT89C51能够根据温度传感器所采集的温度数据来控制温度在设定的范围之内。温
13、度传感器里的热敏电阻采用半导体感温元件，它具有负电阻温度特性，当温度升高时，电阻值减小。文献2中，闫慧兰等介绍了AT89C52单片机与PC机串行通信的实现方法，给出了具体通信接口电路、单片机串行通信程序流程以及利用VB6.0的通信控件MSComm实现PC机串行通信的程序。文献3中，李湘江等通过对一台工业仪表通信协议进行分析，介绍了用VB6.0开发微机实时数据采集程序的编程技术。文献4中，沈显威等详述了使用VB和C51实现PC机和单片机串行通信的开发方法，并简要地介绍了VB通讯控件及其使用方法，给出了调试程序。文献5中，宋辉等通过对OMRON的C P M I A小型机与上位计算机通信原理和通信方
14、法的研究，介绍如何用VB6.0 实现上位计算机对PLC 的实时监控。文献6中，胡晓玲等以单片机AT89C51作为温度监控核心部件，采用热电偶温度传感器、运算放大器、A/D转换器等构成温度采集模块, 通过对采集到的温度数据值进行比例积分微分运算处理，并采用RS 485与上位机进行通信，实现一种温度监控系统的设计。文献7中，张良成等设计了基于ARM内核的LPCS3C2410的多路温度监控系统，给出了系统的硬件电路的设计方法。该系统由数字温度传感器DS18B20的测温部分、ARM微处理器、UART串口通信、FLASH数据存储部分和数码显示部分组成，重点描述了硬件电路的设计与实现。文献8中，刘春华等采
15、用了以单片机为核心的控制板作为下位采集控制设备，以力控组态软件为上位机设计界面、后台管理等，二者结合组成对多点温度的实时监控。文献9中，黄小波本以AT89S52单片机为控制单元，并采用Dallas单线数字温度传感器DS18B20 采集现场温度数据而设计的远程温度控制系统，并可根据需要设置控制温度的上、下限，系统具有超过设置上、下限温度自动报警等功能。文献10中，盛琥介绍了一种基于485总线的温度监控系统的设计与实现。系统采用上位机和下位机设计，下位机通过温度传感器监测温度，与预置温度比较后执行任务；上位机和下位机通过主从应答方式交换数据信息。在上位机端的PC上实现了对多路传感器传来的温度信息入
16、库保存、打印、温度变化历史曲线绘制等功能。文献11中，李智祥等介绍一种基于单片机的多点温度监控系统。上位机通过RS-485总线与下位机通信，下位机将采集的温度信息传送给上位机，并执行上位机的控制命令。给出系统总体结构，阐述了系统硬件电路和和软件实现方法，设计了上位机与下位机之间的通信协议，解决了8 位单片机多机通信的问题。本文正是从以上分析出发，展开研究工作，采用STC89C516RD+单片机和若干个数字温度传感器DS18B20组成下位机进行检测现场温度，通过RS-485远程串行通信把数据传给上位机，实现温度的实时显示、曲线绘制、高温报警等功能，本系统经过实践的验证，简单实用，且稳定可靠，具有
17、深入研究的价值和很好的现实意义。1.3 本文的主要工作和结构安排本文首先是多点分布式温度监控系统的硬件设计，硬件是软件设计的基础，硬件设计得好，系统的稳定性就会得到提高，分别对单片机选型、最小系统的设计、液晶模块、测温模块、RS-485串行通信模块、STC程序下载模块、供电模块进行了研究和介绍。其次研究的是算法，包括测温的算法，上位机绘制实时曲线的算法研究。再次是软件的设计，有了硬件和算法，利用C51语言实现下位机的编程，利用VB语言实现上位机的编程，上、下位机通信，实现多点分布式温度监控系统的功能。最后是调试，调试包括仿真和实物的调试，在实践中不断的改进程序，实现更完善的功能。本论文的结构安
18、排为：第一章 绪论，介绍课题的背景和意义，以及本文的主要工作和结构安排；第二章 硬件设计，研究和介绍单片机选型、最小系统的设计、液晶模块、测温模块、RS-485串行通信模块、STC程序下载模块、供电模块；第三章 算法实现，测温的算法，上位机绘制实时曲线的算法是本章所要解决的问题；第四章 软件设计，利用C51语言实现下位机的编程，利用VB语言实现上位机的编程，从而实现预定功能；设计要求： 主机可监控不少于3个点的温度变化，轮流显示各点温度； 温度测量精度0.5； 显示器分两段，第一段1位十进制数，显示测温点号；第二段2位十进制数，显示对应点的测量温度； 所连接的测温点中只要有任何一个测量点的温度
19、达到高温值时应给出报警信号，当所有点的温度值降低到安全值后，停止报警。第五章 调试，调试包括仿真和实物的调试；第六章 总结，对本文做了展望和总结，以及还需在哪些方面应作进一步的深入研究。第二章 硬件设计2.1 引言本章进行多点分布式温度监控系统的硬件设计，硬件是软件设计的基础，硬件设计得好，系统的稳定性就会得到提高。本章分别对单片机选型、最小系统的设计、液晶模块、测温模块、RS-485串行通信模块、STC程序下载模块、供电模块进行了研究和介绍。2.2 硬件电路设计本系统的硬件电路设计如下：图2-1 整体电路2.2.1 单片机选型本系统的MCU采用STC89C516RD+单片机。STC89C51
20、6RD+单片机采用51核，与8051完全兼容，缩短开发周期，且具有64KB的Flash ROM，1280Byte的RAM，最高时钟频率为080MHz，内置系统ISP监控程序，超强抗干扰，超强抗静电，高速，高可靠，低价格，支持在线编程，内置看门狗电路，看门狗的主要功能就是当程序发生故障时能使受控系统重新启动。2.2.2 最小系统的设计1、复位电路复位电路采用上电复位兼手动复位，RESET按键未按下时，C3和R3组成RC充放电电路，当单片机接通电源RST引脚上有两个机器周期以上的高电平时，单片机就进入上电复位状态，1N4148二极管的作用是断电后，加速电容的放电。单片机工作以后，如按下按键RESE
21、T键，RST引脚就得到一个高电平，从而使单片机重新复位。图2-2 复位电路2、时钟电路由于本系统中，下位机与上位机串行通信，所以时钟电路采用外接石英晶体的内部时钟方式，晶振的频率选用11.0592MHz，C2、C3选用22pF的瓷片电容，对振荡频率起微调作用。图2-3 时钟电路2.2.3 液晶模块本系统测得的现场温度值在TC1602A液晶上显示。TC1602A液晶是字符点阵型液晶，工作电压是5V，显示容量是162个字符，每个字符由57点阵组成。示意图为图2-4。图2-4 TC1602A液晶示意图引脚个数为16个，如表2-1。表2-1 TC1602A引脚说明引脚号符号引脚说明1VSS电源地2VD
22、D电源+5V3Vo调节对比度的引脚，调节此脚上的电压可以改变黑白对比度4RS是命令/数据选择引脚，该引脚为1是将进行数据操作；为0是将进行命令操作。5R/W是读/写选择端，该引脚为1是要对液晶进行读操作；为0时是要进行写操作。6E使能端，此引脚为01是读允许，10写允许。714DB0DB78位双向并行总线。转输数据或指令状态字。15A背光源的正极，接+5V。16K背光源的负极，接地。TC1602A液晶与单片机采用模拟口线方式连接，如图2-5。Vo引脚接10K电位器，用于调节此脚上的电压，改变对比度。RS引脚接单片机的P3.2引脚，用于选择命令或数据操作，R/W引脚接单片机的P3.3引脚，用于读
23、/写选择，E接单片机的P3.4引脚，是使能端，DB0DB7接单片机的P1口，用于传送数据或命令。图2-5 液晶模块电路2.2.4 测温模块本系统测温采用Dallas半导体公司的DS18B20单线数字温度传感器，DS18B20是世界上第一片支持“一线总线”接口的温度传感器，DS18B20在使用中不需要任何外围元件，全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内。独特的单线接口方式，DS18B20 在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20 的双向通讯。体积更小、适用电压更宽、更经济，测量温度范围为-55C+125C，在-10+85C范围内，精度为0.5C。现场温度直
24、接以“一线总线”的数字方式串行传送给CPU，同时可传送CRC校验码，具有极强的抗干扰纠错能力，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。DS18B20可以程序设定912位的分辨率，对应的可分辨温度分别为0.5、0.25、0.125和0.0625，可实现高精度测温。在9 位分辨率时最多在93.75ms 内把温度转换为数字，12位分辨率时最多在750ms 内把温度值转换为数字，速度更快。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 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
25、的温度报警触发器TH 和TL配置寄存器。DS18B20的管脚排列如图2-6。图2-6 DS18B20管脚排列本系统中，测温模块电路如2-7。实践证明，采用DS18B20测温，比模拟器件AD590在精度、价格，以及外围电路方面都存在优势。图2-7 测温模块电路2.2.5 RS-485串行通信模块的设计本系统的RS-485串行通信，驱动器采用SN75176芯片，工作方式为半双工，同一时刻只能接收或发送。1RS-485电平RS-485的信号传输采用两线间的电压差来表示逻辑1和逻辑0。由于发送方需要两根传输线，接收方也需要两根传输线。传输线采用差动信道，所以它的干扰抑制性极好，又因为它的阻抗低，无接地
26、问题，所以传输距离可达1200米，传输速率可达1Mbps。RS-485是一点对多点的通信接口，一般采用双绞线的结构。RS-485协议为A、B间的电压差满足如下条件： 0.2V，表示信号“1”。 0.2V，表示信号“0”。 0.2V0.2V，状态不定，不能工作。2偏置电阻的计算在RS-485总线中，上拉电阻和下拉电阻统称为偏置电阻，它们的主要作用就是在线路所有驱动器都释放总线时，即线路进入空闲状态后，让所有节点的AB端电压在200mV或200mV以上(即0.2V)，即线路上是停止位1。这样一来，即使线路中出现了比较小的反射信号或干扰，挂接在总线上的数据接收器也不会由于这些信号的到来而产生误动作。
27、如图2-8：图2-8 偏置电阻对反射信号的影响对于有1节点，有120欧终端电阻的RS-485网络，其偏置电阻的计算：计算节点总负载每个节点的负载阻抗为12k欧，1个节点的并行阻抗为：12k欧。如果是2个节点就是6 k欧。计算总线负载中的并行阻抗再并入终端电阻120欧，则总线负载约为：120欧。计算最小偏置电流为了满足最小置1电压200mV，所需的最小偏置电流为：200/120=1.7mA计算偏置电阻总和在5V的电压下，提供最小偏置电流所需的最大串联电阻为：5/1.7=2941欧减去已经加在线上的120欧，就是上拉和下拉阻抗的和：2941-120=2821欧计算上拉和下拉电阻最大上拉电阻=最大下
28、拉电阻=2821/2=1.4k欧也就是说，偏置上下拉为1.4k欧为最大。这个1.4k欧是所有节点上的总的偏置电阻。即+5V-R1-A1-R5-B1-R3-0V构成回路，计算R5两端的电压就是A、B间的电压差。3终端电阻的计算在最末端的A和B上串联的电阻称终端电阻。如2-9：图2-9 半双工通讯的终端电阻RS-485是差分电平通信，在距离较长或速率较高时，线路存在回波干扰，此时需要在最末端的A和B上串联终端电阻。终端电阻是为了消除在通信电缆中的信号反射在通信过程中，有两种信号因导致信号反射：阻抗不连续和阻抗不匹配。阻抗不连续，信号在传输线末端突然遇到电缆阻抗很小甚至没有，信号在这个地方就会引起反
29、射。这种信号反射的原理，与光从一种媒质进入另一种媒质要引起反射是相似的。消除这种反射的方法，就必须在电缆的末端跨接一个与电缆的特性阻抗同样大小的终端电阻，使电缆的阻抗连续。由于信号在电缆上的传输是双向的，因此，在通讯电缆的另一端可跨接一个同样大小的终端电阻。引起信号反射的另个原因是数据收发器与传输电缆之间的阻抗不匹配。这种原因引起的反射，主要表现在通讯线路处在空闲方式时，整个网络数据混乱。终端电阻会降低线路带负载能力，因此我们推荐在通信速率大于19.2Kps或传输距离超过300米时，才需加终端电阻。RS485终端电阻的取值范围为60180。当传输距离小于300米时，不须加终端电阻。4RS-48
30、5串行通信电路根据以上的分析和计算，设计出如图2-10的RS-485串行通信电路。图2-10 RS-485串行通信电路2.2.6 STC程序下载模块本系统还包含了STC程序下载模块，可以方便把程序下载到单片机中，然后运行。图2-11 STC程序下载模块电路本模块还可用于与上位机进行RS232通信，MAX232用来作232电平和TTL电平之间的转换，能实现全双工双向通信，通信速率和电气特性有关。采用DB9接口。2.2.7 供电模块本系统采用稳压电源供电，电路如图2-12图2-12 电源电路S1开关接下，系统上电，电源指示灯亮。2.2.8 PCB制版本系统采用PROTEL 99SE软件制版，适用于
31、批量生产，制版电路如图2-13。图2-13 制版电路2.3 本章小结本章对硬件电路的设计进行了研究，分别对单片机选型、最小系统的设计、液晶模块、GPS接收模块的设计、存储模块、STC程序下载模块、供电模块进行了研究和介绍。硬件是系统得以实现的物质基础，只有硬件设计得正确，抗干扰能力强，软件才能稳定的工作，整机效果才会比较稳定可靠，由此可见硬件设计的重要性。本章硬件电路在设计过程中查阅了很多的资料，也做了相应的实验来保证系统稳定性。第三章 算法实现3.1 引言在程序的编写过程中涉及到一些算法，算法如果好，则程序编写就简洁。本章重点研究下位机的测温算法和上位机算法，其中包括如何建立坐标系、绘制实时
32、动态曲线，以及PC如何与单片机串行通信，本章的研究正是为后续研究做准备。3.2 下位机测温算法研究DS18B20中的温度传感器可完成对温度的测量，本算法以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0.0625/LSB形式表达，其中S为符号位。图3-112位转化后得到的12位数据，存储在18B20的两个8位的RAM中，MSB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，+25.0625的数字输出为0
33、191H，-25.0625的数字输出为FF6FH，-55的数字输出为FC90H。表3-1温度C数据输出(二进制)数据输出(十六进制)+125C0000 0111 1101 000007D0H+85C0000 0101 0101 00000550H+25.0625C0000 0001 1001 00010191H+10.125C0000 0000 1010 001000A2H+0.5C0000 0000 0000 10000008H0C0000 0000 0000 00000000H-0.5C1111 1111 1111 1000FFF8H-10.125C1111 1111 0101 1110F
34、F5EH-25.0625C1111 1111 0110 1110FF6EH-55 C1111 1100 1001 0000FC90H程序中，将高字节MSB与低字节LSB合成一个整形变量。由于计算机中对于负数是利用补码来表示的。若是负值，读取出来的数值是用补码表示的，可直接赋值给int型的value变量，如下：tmpvalue = MSB;tmpvalue 0 ? 0.5 : -0.5); /大于0加0.5, 小于0减0.5tmp = abs(value);如果最后想要把数据显示在液晶上，需要提取各个位和ASCII转换，具体为：提取百位并ASCII转换disp_buff1=tmp/10000;d
35、isp_buff1+=0x30;提取十位并ASCII转换t1=tmp%10000;disp_buff2=tmp/1000;/提取十位disp_buff2+=0x30;/ASCII转换提取个位并ASCII转换t2=tmp%1000; disp_buff3=t2/100;/提取个位disp_buff3+=0x30;/ASCII转换提取十分位并ASCII转换t3=t1%100;disp_buff5=t3/10;/提取十分位disp_buff5+=0x30;/ASCII转换提取百分位并ASCII转换disp_buff6=t3%10;/提取百分位disp_buff6+=0x30;/ASCII转换符号位的
36、处理是直接判断value 变量是否大于0，如下： if(value x结构接收数据字节和尾字节(字符)，接收好后，通过尾字节(字符)判断数据完整性，如果数据完整则处理数据，最后设置MSComm1.RThreshold=x来打开OnComm接收事件，等待下一次OnComm事件产生。2.定时器查询法(适用于定长或不定长数据的接收)对于数据包方式收发数据以及不需即时响应情况，用查询法更好些。通信协议：一般单片机以字符形式发送，VB可以以文本形式接收，也可以以二进制形式接收。设置MSComm1.InputLen = 0，一次从缓冲区读取全部字节发送的数据首尾加判断字符，首字符判断什么时候应该接收了，尾
37、字符判断数据完整性。如：下位机不停地发数据，是这样的格式A010203040506bbaa111213141516D等等。其中A是头，D是尾，每一个A和D之间的数是有效数据。Timer事件中，首先判断帧数据的开始字节(字符)，收到首字节(字符)后，设置tmrComm.Enabled = False来关闭定时器，然后用查询法DoDoEventsLoop Until .InBufferCount x结构接收数据字节和尾字节(字符)，接收好后，通过尾字节(字符)判断数据完整性，如果数据完整则处理数据，最后设置tmrComm.Enabled = True来打开定时器，等待下一次Timer事件产生。3.
38、4 本章小结在本章中，对下位机和上位机涉及的算法进行了研究。下位机中，研究了如何利用DS18B20实现测温，上位机研究了如何利用VB软件建立坐标系、绘制实时动态曲线，以及如何实现上位机与下位机串行通信，并列举了一些实例，为后面软件编程打下了理论基础。第四章 软件设计4.1 引言本系统下位机采用C51编程，使用C51语言开发速度快，代码可重复使用，程序结构清晰，易懂易维护，对项目非常适用。C51语言对汇编语言进行了抽象，具有如下优点：(1) 更符合人类思维习惯，开发效率高、时间短。(2) 模块化。 (3) 可移植性好。 (4) 提供数学函数并支持浮点运算。 (5) 程序可读性和可维护性强。 C51语言也有缺点，比如实时性通常要比汇编差。在编写汇编的时候可以清楚的知道每一条
