溫濕度采集與監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

陳維　尚玉廷

摘要：該文介紹了一種基于AT89S52單片機(jī)與PC機(jī)串口通信的溫濕度控制系統(tǒng)，用單片機(jī)作下位機(jī)完成溫濕度數(shù)據(jù)的采集和執(zhí)行PC機(jī)發(fā)出的控制執(zhí)行命令；把PC機(jī)當(dāng)成上位機(jī)用來收取單片機(jī)傳出的數(shù)據(jù)，立即處理好這些數(shù)據(jù)，傳出控制指令給單片機(jī)，LCD1602同步顯示溫濕度值的變化情況。本設(shè)計(jì)充分利用PC機(jī)組態(tài)王V6.55軟件強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能和友好的人機(jī)界面，對(duì)溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。

關(guān)鍵詞：AT89S52單片機(jī)；組態(tài)王；串行通信； DHT21；數(shù)據(jù)采集以及處理

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2014）36-8799-03

1 課題的研究目的和意義

溫、濕度是人們?nèi)粘Ｉ钪薪佑|最多的兩個(gè)物理量，人們的日常生活和人們活動(dòng)的周圍環(huán)境的溫濕度息息相關(guān)，在一些特殊場地溫濕度時(shí)常變化很大，并且不容易人工實(shí)時(shí)的檢測，用戶也不知道何時(shí)是適合人類進(jìn)入，如果運(yùn)用溫、濕度檢測與控制技術(shù)，可以避免不必要的損失，溫、濕度檢測與控制技術(shù)被廣泛應(yīng)用于人們的日常生產(chǎn)和生活當(dāng)中，傳感器無疑是測量與控制系統(tǒng)中重要的組成部分[1]。但是伴隨傳感器而來的是大量的數(shù)據(jù)線纜。對(duì)于不常用的傳感器，很難搭接線纜。為此，創(chuàng)造一種簡便的無線通信技術(shù)，用來解決線纜搭接過于復(fù)雜的問題，必須盡早實(shí)現(xiàn)。隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，數(shù)字設(shè)備逐漸變成測控系統(tǒng)中的重點(diǎn)。本課題將傳感器技術(shù)和無線通信技術(shù)相結(jié)合，單片機(jī)與上位機(jī)軟件經(jīng)過串口通信，實(shí)時(shí)監(jiān)測溫濕度值得變化，爭取用無線系統(tǒng)來解決線纜帶來的負(fù)面問題

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本章介紹了這次設(shè)計(jì)需要完成的幾個(gè)重要任務(wù)，對(duì)需要完成的內(nèi)容進(jìn)行了解分析，并一起介紹了一些的重要元器件。

2.1設(shè)計(jì)過程及其工藝要求設(shè)計(jì)

一個(gè)以單片機(jī)和上位機(jī)軟件組態(tài)王為核心的溫濕度控制系統(tǒng)，需要實(shí)現(xiàn)的功能為：

①能夠準(zhǔn)確的顯示當(dāng)前的溫度以及濕度。溫度檢測的范圍0℃-60℃，測溫精度：±2℃；濕度檢測范圍20%-100%RH， 測濕精度：±5%RH。

②下位機(jī)系統(tǒng)的顯示方式均為四位顯示，采用LCD顯示。

③傳感器采集溫濕度，然后通過電腦進(jìn)行顯示，并做數(shù)據(jù)處理。

2.2設(shè)計(jì)總體方案

本設(shè)計(jì)要實(shí)現(xiàn)的功能是：單片機(jī)進(jìn)行控制，LCD1602實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前環(huán)境的溫濕度，單片機(jī)與上位機(jī)之間通過MAX232串口進(jìn)行通信，用組態(tài)王V6.55對(duì)測試點(diǎn)溫濕度采集，實(shí)時(shí)顯示，數(shù)據(jù)處理。

1） 溫度監(jiān)控：對(duì)溫室溫度進(jìn)行測量和控制并反映在顯示器上。

2） 顯示：LCD1602隨時(shí)顯示采集到的溫濕度數(shù)據(jù)值。組態(tài)王V6.55同步顯示溫濕度值。

3） 濕度監(jiān)控：對(duì)溫室濕度進(jìn)行測量和控制反映在顯示器上。

按照之前設(shè)置好的功能，有四個(gè)重要的模塊：

1） 組態(tài)王V6.55顯示模塊

2） 下位機(jī)顯示模塊

3） 數(shù)據(jù)處理模塊

4） 溫濕度采集模塊

根據(jù)系統(tǒng)必備的功能需求，本系統(tǒng)的原理圖如圖1所示：

圖1 溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)原理圖

主要的控制器就是單片機(jī)，它的主要任務(wù)是處理傳感器傳送過來的數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)傳到顯示器模塊，傳感器主要用來收集參數(shù)，然后把所收集到的數(shù)據(jù)傳到單片機(jī)，按鍵電路可以實(shí)現(xiàn)復(fù)位。組態(tài)王V6.5主要用來在上位機(jī)上實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前采集到的溫濕度[2]。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1單片機(jī)系統(tǒng)流程圖

根據(jù)溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)功能，單片機(jī)軟件設(shè)計(jì)如圖2所示。

3.2上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

3.2.1新建工程

在Windows操作系統(tǒng)的“開始”菜單中，執(zhí)行“程序”à“組態(tài)王6.55”à“組態(tài)王6.55”命令，打開“組態(tài)王工程管理器”窗口， 雙擊這個(gè)信息條或單擊“開發(fā)”按鍵或選，打開“工程瀏覽器”，進(jìn)入組態(tài)王的開發(fā)系統(tǒng)，如圖3所示。

圖3 工程瀏覽器

3.2.2設(shè)計(jì)畫面

第1步：如圖4所示。

圖4 “新畫面”對(duì)話框

圖5 組態(tài)王畫面開發(fā)系統(tǒng)

第2步：在“畫面名稱”處輸入新的畫面名稱，其它屬性目前不用更改。點(diǎn)擊“確定”按鈕進(jìn)入內(nèi)嵌的組態(tài)王畫面開發(fā)系統(tǒng)，如圖5所示。

第3步：組態(tài)如圖6所示的畫面。

第4步：選擇“文件/全部存”命令保存現(xiàn)有畫面。

3.2.3 定義IO設(shè)備

第1步：如圖7所示。

圖7 “設(shè)備配置向?qū)А睂?duì)話框

圖8 “設(shè)備配置向?qū)А睂?duì)話框

第2步：單擊“下一步”，為外部設(shè)備取一個(gè)名稱：“MCU”，如圖8示。

第3步：單擊“下一步”，為設(shè)備選擇連接串口，假設(shè)為COM2，如圖9所示。

圖9 “設(shè)備配置向?qū)А睂?duì)話框

圖10 “設(shè)備配置向?qū)А睂?duì)話框

第4步：單擊“下一步”，填寫設(shè)備地址為15.0，如圖10所示。

第5步：如圖11所示。

圖11 “設(shè)備配置向?qū)А睂?duì)話框

圖12 “設(shè)備配置向?qū)А睂?duì)話框

第6步：單擊“下一步”，檢查各項(xiàng)設(shè)置是否正確，如圖12所示。確認(rèn)無誤后，單擊“完成”。

3.2.4構(gòu)造數(shù)據(jù)庫

數(shù)據(jù)庫是組態(tài)王的最重要部分，生產(chǎn)現(xiàn)場的狀況是以動(dòng)畫的方式顯示在屏幕上，用戶用電腦發(fā)出的指令也要立即傳到工業(yè)現(xiàn)場，這些都依靠實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫當(dāng)作中介部分，變量在組態(tài)王畫面開發(fā)系統(tǒng)中被定義，同時(shí)要指定變量類型和變量名稱，一些特殊類型的變量還要附加一些信息，我們把數(shù)據(jù)庫中變量的集合叫做“數(shù)據(jù)詞典”，它保存了所有用戶需要用到的變量的全部信息。

第1步：如圖13所示。

圖13 “定義變量”對(duì)話框

第2步：在“變量名”處輸入變量名，如“采集值”。

按照上述方法繼續(xù)定義兩個(gè)內(nèi)存變量，變量名為“濕度值”，“溫度值”，變量類型為內(nèi)存實(shí)數(shù)，在“連接設(shè)備”中選出先前早已定義好的IO設(shè)備“MCU”，在“寄存器”中定義為X100，在“數(shù)據(jù)類型”中定義為USHORT類型，單擊“確定”即可。

同樣的方法繼續(xù)定義四個(gè)內(nèi)存離散量，變量名為“濕度上限值”， “濕度下限值”， “溫度上限值”， “溫度下限值”，變量類型為內(nèi)存離散，初始值為“關(guān)”，點(diǎn)擊“確定”。

3.2.5組建動(dòng)畫連接

第1步：如圖14所示。

圖14 彈出菜單

圖15 填充連接”對(duì)話框

第2步：單擊“模擬量輸出”按鈕，在“表達(dá)式”處輸入“濕度值”， “輸出格式”處整數(shù)位數(shù)為“2”，小數(shù)位數(shù)為“0”，“顯示格式”為“十進(jìn)制”，如圖15所示。

第3步：點(diǎn)擊“確定”按鍵，返回到“動(dòng)畫連接”對(duì)話框，點(diǎn)擊“確定”按鍵，回到組態(tài)王開發(fā)系統(tǒng)。

同樣的方法對(duì)其它畫面對(duì)象建立動(dòng)畫連接。

第4步：選擇“文件＼全部存”菜單命令，保存設(shè)置。

第5步：如圖16所示。單擊“確認(rèn)”按鈕，完成程序編寫。

圖16 “應(yīng)用程序命令語言”對(duì)

參考文獻(xiàn)：

[1] 趙繼文.傳感器與應(yīng)用電路設(shè)計(jì)[M].科學(xué)出版社，2002.

[2] 高曉蓉.傳感器技術(shù)[M].西安交通大學(xué)出版社，2003.

[3] 潘永雄.電子線路CAD實(shí)用教程[M].西安電子科技大學(xué)出版社，2004.

[4] 施保華.計(jì)算機(jī)控制技術(shù)[M].華中科技大學(xué)出版社，2007.

[5] 李長林.Visual Basic串口通訊與典型實(shí)例[M].清華大學(xué)出版社，2006.

[6] 周建新，馬潮，耿德振.AVR單片機(jī)BASIC語言編程開發(fā)[M].清華大學(xué)出版社，2005.

第2步：單擊“下一步”，為外部設(shè)備取一個(gè)名稱：“MCU”，如圖8示。

第3步：單擊“下一步”，為設(shè)備選擇連接串口，假設(shè)為COM2，如圖9所示。

圖9 “設(shè)備配置向?qū)А睂?duì)話框

圖10 “設(shè)備配置向?qū)А睂?duì)話框

第4步：單擊“下一步”，填寫設(shè)備地址為15.0，如圖10所示。

第5步：如圖11所示。

圖11 “設(shè)備配置向?qū)А睂?duì)話框

圖12 “設(shè)備配置向?qū)А睂?duì)話框

第6步：單擊“下一步”，檢查各項(xiàng)設(shè)置是否正確，如圖12所示。確認(rèn)無誤后，單擊“完成”。

3.2.4構(gòu)造數(shù)據(jù)庫

數(shù)據(jù)庫是組態(tài)王的最重要部分，生產(chǎn)現(xiàn)場的狀況是以動(dòng)畫的方式顯示在屏幕上，用戶用電腦發(fā)出的指令也要立即傳到工業(yè)現(xiàn)場，這些都依靠實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫當(dāng)作中介部分，變量在組態(tài)王畫面開發(fā)系統(tǒng)中被定義，同時(shí)要指定變量類型和變量名稱，一些特殊類型的變量還要附加一些信息，我們把數(shù)據(jù)庫中變量的集合叫做“數(shù)據(jù)詞典”，它保存了所有用戶需要用到的變量的全部信息。

第1步：如圖13所示。

圖13 “定義變量”對(duì)話框

第2步：在“變量名”處輸入變量名，如“采集值”。

按照上述方法繼續(xù)定義兩個(gè)內(nèi)存變量，變量名為“濕度值”，“溫度值”，變量類型為內(nèi)存實(shí)數(shù)，在“連接設(shè)備”中選出先前早已定義好的IO設(shè)備“MCU”，在“寄存器”中定義為X100，在“數(shù)據(jù)類型”中定義為USHORT類型，單擊“確定”即可。

同樣的方法繼續(xù)定義四個(gè)內(nèi)存離散量，變量名為“濕度上限值”， “濕度下限值”， “溫度上限值”， “溫度下限值”，變量類型為內(nèi)存離散，初始值為“關(guān)”，點(diǎn)擊“確定”。

3.2.5組建動(dòng)畫連接

第1步：如圖14所示。

圖14 彈出菜單

圖15 填充連接”對(duì)話框

第2步：單擊“模擬量輸出”按鈕，在“表達(dá)式”處輸入“濕度值”， “輸出格式”處整數(shù)位數(shù)為“2”，小數(shù)位數(shù)為“0”，“顯示格式”為“十進(jìn)制”，如圖15所示。

第3步：點(diǎn)擊“確定”按鍵，返回到“動(dòng)畫連接”對(duì)話框，點(diǎn)擊“確定”按鍵，回到組態(tài)王開發(fā)系統(tǒng)。

同樣的方法對(duì)其它畫面對(duì)象建立動(dòng)畫連接。

第4步：選擇“文件＼全部存”菜單命令，保存設(shè)置。

第5步：如圖16所示。單擊“確認(rèn)”按鈕，完成程序編寫。

圖16 “應(yīng)用程序命令語言”對(duì)

參考文獻(xiàn)：

[1] 趙繼文.傳感器與應(yīng)用電路設(shè)計(jì)[M].科學(xué)出版社，2002.

[2] 高曉蓉.傳感器技術(shù)[M].西安交通大學(xué)出版社，2003.

[3] 潘永雄.電子線路CAD實(shí)用教程[M].西安電子科技大學(xué)出版社，2004.

[4] 施保華.計(jì)算機(jī)控制技術(shù)[M].華中科技大學(xué)出版社，2007.

[5] 李長林.Visual Basic串口通訊與典型實(shí)例[M].清華大學(xué)出版社，2006.

[6] 周建新，馬潮，耿德振.AVR單片機(jī)BASIC語言編程開發(fā)[M].清華大學(xué)出版社，2005.

第2步：單擊“下一步”，為外部設(shè)備取一個(gè)名稱：“MCU”，如圖8示。

第3步：單擊“下一步”，為設(shè)備選擇連接串口，假設(shè)為COM2，如圖9所示。

圖9 “設(shè)備配置向?qū)А睂?duì)話框

圖10 “設(shè)備配置向?qū)А睂?duì)話框

第4步：單擊“下一步”，填寫設(shè)備地址為15.0，如圖10所示。

第5步：如圖11所示。

圖11 “設(shè)備配置向?qū)А睂?duì)話框

圖12 “設(shè)備配置向?qū)А睂?duì)話框

第6步：單擊“下一步”，檢查各項(xiàng)設(shè)置是否正確，如圖12所示。確認(rèn)無誤后，單擊“完成”。

3.2.4構(gòu)造數(shù)據(jù)庫

數(shù)據(jù)庫是組態(tài)王的最重要部分，生產(chǎn)現(xiàn)場的狀況是以動(dòng)畫的方式顯示在屏幕上，用戶用電腦發(fā)出的指令也要立即傳到工業(yè)現(xiàn)場，這些都依靠實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫當(dāng)作中介部分，變量在組態(tài)王畫面開發(fā)系統(tǒng)中被定義，同時(shí)要指定變量類型和變量名稱，一些特殊類型的變量還要附加一些信息，我們把數(shù)據(jù)庫中變量的集合叫做“數(shù)據(jù)詞典”，它保存了所有用戶需要用到的變量的全部信息。

第1步：如圖13所示。

圖13 “定義變量”對(duì)話框

第2步：在“變量名”處輸入變量名，如“采集值”。

按照上述方法繼續(xù)定義兩個(gè)內(nèi)存變量，變量名為“濕度值”，“溫度值”，變量類型為內(nèi)存實(shí)數(shù)，在“連接設(shè)備”中選出先前早已定義好的IO設(shè)備“MCU”，在“寄存器”中定義為X100，在“數(shù)據(jù)類型”中定義為USHORT類型，單擊“確定”即可。

同樣的方法繼續(xù)定義四個(gè)內(nèi)存離散量，變量名為“濕度上限值”， “濕度下限值”， “溫度上限值”， “溫度下限值”，變量類型為內(nèi)存離散，初始值為“關(guān)”，點(diǎn)擊“確定”。

3.2.5組建動(dòng)畫連接

第1步：如圖14所示。

圖14 彈出菜單

圖15 填充連接”對(duì)話框

第2步：單擊“模擬量輸出”按鈕，在“表達(dá)式”處輸入“濕度值”， “輸出格式”處整數(shù)位數(shù)為“2”，小數(shù)位數(shù)為“0”，“顯示格式”為“十進(jìn)制”，如圖15所示。

第3步：點(diǎn)擊“確定”按鍵，返回到“動(dòng)畫連接”對(duì)話框，點(diǎn)擊“確定”按鍵，回到組態(tài)王開發(fā)系統(tǒng)。

同樣的方法對(duì)其它畫面對(duì)象建立動(dòng)畫連接。

第4步：選擇“文件＼全部存”菜單命令，保存設(shè)置。

第5步：如圖16所示。單擊“確認(rèn)”按鈕，完成程序編寫。

圖16 “應(yīng)用程序命令語言”對(duì)

參考文獻(xiàn)：

[1] 趙繼文.傳感器與應(yīng)用電路設(shè)計(jì)[M].科學(xué)出版社，2002.

[2] 高曉蓉.傳感器技術(shù)[M].西安交通大學(xué)出版社，2003.

[3] 潘永雄.電子線路CAD實(shí)用教程[M].西安電子科技大學(xué)出版社，2004.

[4] 施保華.計(jì)算機(jī)控制技術(shù)[M].華中科技大學(xué)出版社，2007.

[5] 李長林.Visual Basic串口通訊與典型實(shí)例[M].清華大學(xué)出版社，2006.

[6] 周建新，馬潮，耿德振.AVR單片機(jī)BASIC語言編程開發(fā)[M].清華大學(xué)出版社，2005.