基于RS-485總線的多點(diǎn)溫度監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

盧嫚，李彥斌

基于RS-485總線的多點(diǎn)溫度監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

盧嫚，李彥斌

針對溫室溫度多點(diǎn)監(jiān)測需要，設(shè)計了下位機(jī)+上位機(jī)溫度多點(diǎn)監(jiān)測系統(tǒng)，下位機(jī)以STC12C5A60S2為監(jiān)測節(jié)點(diǎn)核心，節(jié)點(diǎn)采集的溫度數(shù)據(jù)通過RS-485總線傳輸?shù)缴衔粰C(jī)（PC機(jī)），用戶可通過個人PC機(jī)實(shí)時查看溫室內(nèi)各節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)。重點(diǎn)介紹系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計過程，上位機(jī)軟件采用C#設(shè)計,上位機(jī)終端實(shí)現(xiàn)了溫度數(shù)據(jù)的查詢、保存、輸出及報警功能。該系統(tǒng)已投入運(yùn)用，實(shí)踐表明該系統(tǒng)運(yùn)行可靠，具有一定的實(shí)用性。

溫度；RS-485總線；監(jiān)測節(jié)點(diǎn)；上位機(jī)

0 引言

溫度是在冶金、化工、機(jī)械、電力等工業(yè)中最主要的被控參數(shù)之一。在不同的環(huán)境和要求下，對溫度的控制方式不同[1]。本文采用個人PC機(jī)作為上位機(jī)對溫度進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，并能夠?qū)崿F(xiàn)超溫報警功能，并針對多點(diǎn)遠(yuǎn)程監(jiān)測溫度的需求，采用現(xiàn)場總線進(jìn)行傳輸。

目前現(xiàn)場總線的種類非常多，其中基金會現(xiàn)場總線FF、控制局域網(wǎng)絡(luò)CAN、局部操作網(wǎng)絡(luò)Lon work、過程現(xiàn)場總線Profibus、Hart協(xié)議等13種總線作為國際標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場總線[2]。

在分布式監(jiān)測控制系統(tǒng)中，RS-485總線傳輸速度快，抗干擾能力強(qiáng)[3]、信號傳輸穩(wěn)定、傳輸距離遠(yuǎn)，最遠(yuǎn)傳輸距離達(dá) 1200米[4]，同時可支持多點(diǎn)通信等優(yōu)點(diǎn)，最多能支持接入32個監(jiān)測節(jié)點(diǎn)。各節(jié)點(diǎn)之間連接簡易，組網(wǎng)靈活，RS485總線成本低，因此該總線已成為數(shù)據(jù)傳輸?shù)氖走x標(biāo)準(zhǔn)。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)主要由上位機(jī)、RS232/RS485轉(zhuǎn)換器、現(xiàn)場監(jiān)控層組成。系統(tǒng)總體框架圖如圖1所示：

圖1 系統(tǒng)框架圖

上位機(jī)主要作用是對下位機(jī)進(jìn)行監(jiān)測，它能夠?qū)ο挛粰C(jī)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，實(shí)時顯示，存儲，查詢，此外可以通過上位機(jī)對溫度設(shè)定閾值，超過閾值進(jìn)行報警處理，實(shí)現(xiàn)用戶對下位機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制；RS232/RS485轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)了RS232信號和RS485信號的相互轉(zhuǎn)換，下位機(jī)通過一個RS232/RS485轉(zhuǎn)換器將下位機(jī)232信號轉(zhuǎn)換成485信號，方便運(yùn)用485總線傳輸，信號傳輸?shù)缴衔粰C(jī)之前，再采用一個RS232/RS485轉(zhuǎn)換器，將485信號轉(zhuǎn)換為232信號，方便上位機(jī)對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理；下位機(jī)現(xiàn)場監(jiān)測層采用的是 STC12C5A60S2單片機(jī)為監(jiān)測節(jié)點(diǎn)核心，傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)中，單片機(jī)對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，最終采用總線傳輸?shù)缴衔粰C(jī)。

2 現(xiàn)場監(jiān)控節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計

監(jiān)控節(jié)點(diǎn)框架圖如圖2所示：

圖2 監(jiān)控節(jié)點(diǎn)框架圖

監(jiān)測節(jié)點(diǎn)由單片機(jī)模塊、監(jiān)測模塊、控制模塊、串口模塊、按鍵模塊、時鐘模塊、232/485轉(zhuǎn)換模塊等模塊組成。監(jiān)測模塊由數(shù)字式溫度傳感器DS18B20監(jiān)測溫度，采集的溫度值傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)；單片機(jī)將溫度值用12864液晶模塊顯示出來，液晶模塊負(fù)責(zé)實(shí)時顯示時間和溫度值，為用戶提供良好的人機(jī)交互界面；按鍵模塊提供手動控制功能，用戶能夠手動設(shè)置時間及溫度閾值；串口模塊為用戶下載程序提供方便，其輸出232信號，采用232/485轉(zhuǎn)換模塊將232轉(zhuǎn)換為485信號，實(shí)現(xiàn)了485總線遠(yuǎn)距離傳輸功能。

2.1 溫度采集模塊電路設(shè)計

溫度采集采用的是 DS18B20數(shù)字式溫度傳感器，DS18B20數(shù)字式溫度計提供9-12位攝氏溫度測量而且有一個由高電平觸發(fā)的可編程的不因電源消失而改變的報警功能。DS18B20通過一個單線接口發(fā)送或接受信息，只需要一根線與單片機(jī)連接。它的測溫范圍為-55—+125℃，DS18B20與單片機(jī)連接電路如圖3所示[5]：

圖3 DS18B20連接電路

2.2 串口模塊電路設(shè)計

串口模塊用于程序的下載，本系統(tǒng)采用的串口芯片為MAX232，因為電腦支持的是RS-232接口。由于電腦高低電平為±12V，單片機(jī)高電平為+5V，低電平為0V，二者之間不能直接通信，因此采用 MAX232進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，單片機(jī)TXD引腳輸出的TTL電平輸入到MAX232的T2IN引腳，MAX232輸出TTL電平輸入到單片機(jī)RXD引腳，即可實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與電腦的通信，串口電路如圖4所示：

圖4 串口電路

2.3 232/485轉(zhuǎn)換電路

下位機(jī)輸出的是232信號，它的通信距離為30-60米，速度比較慢，RS-485允許多個收發(fā)器連接到一條總線上，可以接入32個節(jié)點(diǎn)，因此需要將232信號轉(zhuǎn)換為485信號才能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸。232/485轉(zhuǎn)換電路圖如圖5所示：

圖5 232轉(zhuǎn)485模塊電路

轉(zhuǎn)換電路主要包括供電電源、232-485電平轉(zhuǎn)換、485電路部分。232-485電平轉(zhuǎn)換采用的芯片為NH232芯片，485電路部分采用的是 MAX485作為通信接口電路[6-7]，MAX485集成電路將TTL電平的串行接口通過芯片轉(zhuǎn)換為RS-485串行接口[8]。本系統(tǒng)采用的是無源供電方式，其原理為從RS232接口的DTR和RTS兩個引腳竊電。兩個232轉(zhuǎn)換器連接圖如圖6所示：

圖6 232轉(zhuǎn)換器連接示意圖

3 現(xiàn)場監(jiān)測節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計

3.1 按鍵掃描程序設(shè)計

本設(shè)計每隔8ms掃描一次，根據(jù)單片機(jī)I/O輸入電壓不同，單片機(jī)根據(jù)AD轉(zhuǎn)換后的數(shù)值即可判斷是哪一個按鍵按下，并刷新一次顯示，按鍵主程序流程圖如圖7所示：

圖7 按鍵程序流程圖

3.2 定時控制和閾值控制之間的沖突處理

對于處理定時控制和閾值之間的沖突，采取的思想為：

（1）在閾值控制中不做判斷，只在定時控制中做判斷；

（2）定時控制時，在閾值控制中設(shè)置一個標(biāo)記，記錄閾值控制端口狀態(tài)是打開或者關(guān)閉；因為閾值控制、定時控制對應(yīng)的端口是固定。因此，在閾值控制的時候屏蔽定時控制，同時閾值控制關(guān)閉時，定時控制也起作用，就可以通過閾值控制端口的狀態(tài)來判斷是否屏蔽定時控制，如圖 8所示：

圖8 定時中斷0自動控制流程圖

（3）關(guān)于延長時間，通過判斷DS1302的秒位是否為0，可以確定時間過去 1m in，這樣可以累加，實(shí)現(xiàn)延長時間的判斷。

4 上位機(jī)管理軟件實(shí)現(xiàn)

為方便用戶觀察，上位機(jī)必須有一個友好的人機(jī)交互圖形界面，各項參數(shù)均能顯示在上位機(jī)，方便用戶操作。上位機(jī)采用C#語言，其軟件系統(tǒng)主要有通信設(shè)備模式管理模塊、數(shù)據(jù)庫管理模塊、報警顯示模塊、控制參數(shù)模塊?；?C#開發(fā)系統(tǒng)的485通信模塊流程圖如圖9所示：

圖9 485模塊通信流程圖

系統(tǒng)登錄界面是系統(tǒng)與用戶之間的接口，上位機(jī)界面顯示如圖10所示：

圖10 上位機(jī)界面顯示

上位機(jī)顯示出測試時間、工作節(jié)點(diǎn)，通過對工作節(jié)點(diǎn)串口設(shè)置，下位機(jī)監(jiān)測的溫度值即可上傳到上位機(jī)界面，通過手動輸入工作節(jié)點(diǎn)最高溫度、最低溫度，即可進(jìn)行超溫報警，上位機(jī)溫度顯示界面如圖11所示：

圖11 上位機(jī)溫度采集界面

點(diǎn)擊左側(cè)查詢按鈕即可對歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢，通過歷史數(shù)據(jù)即可監(jiān)測出下位機(jī)工作狀態(tài)，歷史數(shù)據(jù)查詢?nèi)鐖D12所示：

圖12 歷史數(shù)據(jù)查詢界面

5 總結(jié)

針對溫度多點(diǎn)監(jiān)測需求，本文設(shè)計出了一種基于RS-485總線的溫室多點(diǎn)監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了多點(diǎn)溫度監(jiān)測，通過對外圍設(shè)備的控制能將溫度有效的控制在閾值范圍內(nèi)。此外設(shè)計出便于用戶觀察的上位機(jī)顯示界面，下位機(jī)采集的數(shù)據(jù)能夠?qū)崟r顯示、存儲、打印。實(shí)踐證明該系統(tǒng)投資少，結(jié)構(gòu)簡單，可擴(kuò)展性強(qiáng)[9]，可被廣泛用于溫室、倉庫、醫(yī)院等場合[10]。

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M ulti-Point Temperature M onitoring System Based on RS-485 Bus

Lu Man, Li Yanbin
(Xi'an Polytechnic University, College of Electronics and information, Xi'an 710048, China)

For the specific needs of multi-point temperature monitoring system, this paper designs a multi-point temperature monitoring system. PC. STC12C5A60S2 is used as core monitoring node of the Lower machine. The temperature data collected is transmitted to the PC by RS-485 bus, that users can view the real-time data of each node through personal PC in the greenhouse. This paper mainly introduces the design process of hardware and software. PC software is C # designed. PC terminal enables to query, save and output the temperature data and alarm. This system has been put into use. The practice shows that this system is reliable and practical.

Temperature; RS-485 Bus; DS18b20; 1-Wiree

TP311

A

2014.08.26）

國家自然科學(xué)基金（No. 21301134）；省教育廳自然科學(xué)專項（No. 2013JK0655）

盧 嫚（1988-），女，陜西商洛人，西安工程大學(xué)，助理工程師，碩士，研究方向：智能化檢測與技術(shù)，西安，710048

李彥斌（1975-），男，陜西西安人，西安工程大學(xué)，工程師，碩士，研究方向：控制科學(xué)與控制工程，西安，710048

1007-757X(2014)11-0016-04