摘要：针对工农业生产中大范围温湿度监控所需劳动强度高的问题，提出了以RS-485现场总线挂接一台主控机与多个终端测控系统的主从式监控系统。系统采用主从轮询方式实现主控机与终端测控系统的通信，终端系统以单片机为核心，结合数字智能传感器SHT11实现温湿度的检测。实验结果表明测量和控制精度达到了设计要求，而且该系统还具有体积小巧、结构简单、调试便捷的特点。
关键词：单片机；SHT11；RS-485；主从式；监控
中图分类号：TP272文献标识码：A文章编号：1009-3044(2011)07-1617-02
The Design of Remote Monitoring and Control System Based on SHT11 and RS-485
WANG Xiao-shuang
(School of Engineering and Technology, Yangtze University, Jingzhou 434020, China)
Abstract: In order to solve the problem of high labor intensity required about a wide range monitoring and control of temperature and humidity in industrial and agricultural production,proposed master-slave monitoring system of a main control computer and multiple terminals system attached to the RS-485 field bus.System uses a master-slave polling mode to achieve communication of the host computer and the terminals.MCU as the core of the terminal system,combined with digital intelligence sensors SHT11 to achieve detection of temperature and humidity.Experimental results show that the accuracy of measurement and control meet the design requirements.And the system compact,simple structure,easy debugging.
Key words: MCU; SHT11; RS-485; master-slave mode; monitoring and control
在工农业生产过程中，温湿度的测量与控制的应用越来越广泛，如仓储管理、温室大棚、工业生产制造、智能化建筑等。目前我国大范围的温湿度测量和设备的操作大多还是由人工来完成，当范围较大时，操作人员的劳动强度很大。鉴于这种情况，本文提出以价格低廉的单片机作为控制核心，由温湿度传感器作为测量元件对测量空间中的多个关键点进行检测，采用RS-485总线方式传输的智能温湿度测控系统。另外，该系统可通过对继电器的闭合、断开控制，实现对其连接的风扇、空调系统等进行远程控制。
1 系统总体结构设计
该系统是一个主从式监控系统，整个系统包括监控层、通信层、终端设备层，如图1所示。其中监控层有一台PC机构成作为主控机，负责接收终端设备上传的数据，对数据进行处理和存储，以及对终端检测的参数进行设定和修改，以实现对终端设备的监管。通信层采用RS-485现场总线连接多个终端系统和主控机，通过自制定的通信协议实现PC机与终端设备的实时通信。终端设备是以AT89C51单片机为核心的终端测控系统，主要接受主控机的指令完成测量、控制及信息回传等工作。
2 硬件电路
终端测控系统的硬件设计主要包括温湿度检测电路、液晶显示接口电路、键盘及控制输出接口电路、通信接口电路等组成。
2.1 温湿度检测电路
传统的温湿度检测一般是由模拟量输出的温度、湿度传感器组成，这种传感器后通常还需要设计信号调理电路和A/D转换电路等，不仅调试不方便，测量精度一般也不高。SHT11是一款含有自动校准功能的温湿度数字传感器，因此文本选用SHT11作为温湿度检测的传感器。
温湿度传感器SHT11将温度感测、湿度感测、信号变换、A/D转换和加热器等功能集成到一个芯片上。该芯片包括一个湿度敏感元件和一个温度敏感元件，这两个敏感元件分别将湿度和温度转换成电信号，该电信号首先进入微弱信号放大器进行放大；然后进入一个14位的A/D转换器进行转换；最后经过二线串行数字接口输出数字信号。SHT11校准系数存储在校准寄存器中；在测量过程中，校准系数会自动校准来自传感器的信号。
由于SHT11通过二线数字串行接口来访问，所以SHT11与单片机的硬件接口电路非常简单，只需将SHT11的DATA数据线和时钟线SCK与单片机的两个I/O端口相连即可，如图2所示。需要注意的地方是：DATA数据线需要外接上拉电阻，时钟线SCK用于微处理器和SHT11之间通信同步，由于接口包含了完全静态逻辑，所以对SCK最低频率没有要求；当工作电压高于4.5V时，SCK频率最高为10 MHz，而当工作电压低于4.5 V时，SCK最高频率则为1 MHz。
2.2 串行通信接口电路
在数据通信及工农业的分布式测控系统中，常采用串行通信达到交换远程信息的目的。目前，有多种接口标准用于串行通信，如RS-232、RS-422、RS-485等，在进行远距离数据传送和控制时，一般采用RS-485接口标准。RS485总线是一种常见的串行总线标准，采用平衡发送与差分接收的方式，具有抑制共模干扰的能力。通信距离高达上千米，在多节点的工作系统中有着广泛的应用。
RS-485的电平与TTL电平兼容，因此RS-485的驱动器接口可直接与单片机的串行通讯口连接。在一些工业控制领域，现场情况十分复杂，各个节点之间存在很高的共模电压会对数据的传输造成干扰，为了保证系统的稳定性，本文采用隔离型RS485器件ADM2587E来实现隔离传输。ADM2587E是单电源隔离型485芯片，全/半双工、传输速率500K、共模电压抑制能力25KV/us。使用ADM2587E不仅保证了系统通信的稳定，还可减小电路的体积。隔离虽然能有效的抑制高共模电压，但总线上还会存在浪涌冲击、电源线与485线短路、雷击等潜在危害，因此一般需要在总线端采取一定的保护措施，如图3所示。
由于PC机的串口采用RS-232电平，所以PC机串口输出的信号需经电平转换后输入至RS-485总线传输。本文中采用讯拓公司的9001-B转换器，该转换器无需外接电源，由PC机串口供电即可将单端的RS-232信号转换为平衡差分的RS-485信号。
3 软件设计
终端系统的程序设计采用C51编写，主要包含如下几个部分：初始化模块、主控模块、温湿度数据采集处理模块、数据传输模块、输出控制模块、液晶显示模块、参数设置模块等。系统加电后初始化模块首先运行，主要完成参数的设定、中断的设定等。然后进入到主控模块中按照预定的时间间隔产生数据采集中断，这时温湿度数据采集处理模块开始工作，从P0端口读入温湿度数据。随即将端口的温湿度数据显示在液晶屏上，同时调用数据传输模块，将温湿度信息传送给主控机进一步处理。如果采集的温湿度值超过了预设的限值，则启动输出控制模块，控制风扇、空调系统等运行控制温湿度的值。
3.1 数据采集过程和数据处理
单片机和SHT11通信采用串行二线接口SCK和DATA，其中SCK为时钟线，DATA为数据线。该二线串行通信协议和I2C协议是不兼容的。在程序开始，单片机需要用一组"启动传输"时序表示数据传输的启动。随后发出一个8位命令码后，SCK继续发送一个周期的时钟表示ACK，这时传感器开始测量，测量结束后， DATA总线变为低电平表示传感器测量结束，之后分高低位2次送出测量数据。
由于温湿度传感器SHT1I送出的温度、湿度数据是相对值，因此采集的数据必须经过软件处理即数据转换后才可以表示实际的温度和湿度，其数据转换公式如下:
Tc= d1+d2×Nt
RHline= C1+C2×Nrh+C3×Nrh2
RHtrue = (Tc-25)×(t1+t2×Nrh)+ Rhline
上式中:Tc为温度；RHtrue为经过补偿的相对湿度；Nt表示从SHT1l中读出的温度值；Nrh表示从SHT1l中读出的湿度值；d1、d2与温度分辨率有关；C1、C2、C3、t1、t2与湿度分辨率有关。其对应关系见表1。
表1 温湿度校正系数
3.2 通信过程
由于485总线是异步半双工的通信总线，在某个时刻，总线只可能呈现一种状态，所以485总线通信一般采用主从式通信协议，主控机与终端设备进行轮询通信，终端设备间不能相互通信。
本系统中每个终端设备有自己的地址码，通信时主控机首先发送一个带有终端设备地址的命令，各终端接收到这个命令后，把收到的地址数据与自己的地址码进行比较，判断是否呼叫自己，若不是就继续等待呼叫，若是就向主控机返回自己的地址同时准备接收数据，主控机在规定的时间内接收到返回的地址后就开始发送含有数据的命令，该终端在收到数据后，就按要求完成任务并回传要求的数据信息，这些任务完成后就等待主控机的下一次呼叫。
系统中所有终端设备在进行配置时都选择相同的串口参数，采用异步串行通信方式。通信数据成帧成包发送，每包数据都有地址码、功能代码、数据数量、数据1、……、数据n、CRC字节等组成，每个异步帧由1起始位、8数据位、1地址位、1停止位组成，设置通信波特率为9600。
4 结束语
本系统设计了一种基于AT89C51和RS485的温湿度测控系统。此系统终端带有键盘和LCD显示部分，调试方便，同时除了可以主控机联机使用，还可以单机使用。系统可设定温度为-20～+85℃，湿度范围为35% ～98%RH (+15～70℃)，结果表明系统检测指标完全达到设计要求，控制精度完全满足要求。此外，该系统还具有结构简单、体积小巧、成本低等特点。
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