RS484在溫度檢測中的應(yīng)用

1、基于RS485總線的溫濕度檢測系統(tǒng)摘要溫濕度在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動中扮演著重要的角色 。本文介紹了利用RS485總線為多節(jié)點溫濕度檢測構(gòu)建的主從式網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，及相關(guān)的軟硬件設(shè)計。關(guān)鍵詞：RS485總線；溫濕度檢測；通信協(xié)議A design of RS-485 Communication Net of System of temperature and humidityAbstract:temperature and humidity plays a important roles in the agriculture and industry. This article describes t

2、he use of RS485 bus for mult-node measure of temperature and humidity building master-slave network monitoring system architecture, and related hardware and software design.Keywords：RS485; measure of temperature and humidity;System of temperature and humidity0引言:溫度濕度與人類密切相關(guān)。 人們的日常生活和工業(yè)生產(chǎn)活動、 檔案管理、 以及

3、動植物的生產(chǎn)和生存，都與周圍環(huán)境的溫度、 濕度息息相關(guān)。傳統(tǒng)溫濕度檢測采用水銀溫度濕度計進(jìn)行檢測，缺點是無法實現(xiàn)電子化記錄。 隨著電子技術(shù)的發(fā)展，溫濕度傳感器，如熱電偶、熱電阻濕度等模擬傳感器， 其輸出信號為模擬信號， 需要對其輸出的模擬信號進(jìn)行線性化處理， 因此模擬傳感器在使用上后續(xù)電路處理較為麻煩， 同時也需要對傳感器進(jìn)行標(biāo)定。 為克服這一缺陷， 數(shù)字溫濕度傳感器誕生數(shù)字溫濕度傳感將溫濕度信息直接用數(shù)字量輸出，其在出廠前就校驗完畢， 用戶使用時無需對其進(jìn)行校驗， 溫濕度數(shù)字傳感器在溫濕度監(jiān)測中應(yīng)用更為方便。當(dāng)溫濕度監(jiān)測點位較多時， 常采用集散控制系統(tǒng)。 在傳輸路徑上常采用有線網(wǎng)絡(luò)和無線網(wǎng)絡(luò)

4、兩種傳輸方式，無線監(jiān)測具有運行(或者建設(shè))費用較高特點。 有線 485 總線是一種廣泛應(yīng)用工業(yè)監(jiān)測領(lǐng)域的串行總線，其控制方式采用主從控制模式，易實現(xiàn)與其他設(shè)備的互聯(lián)。本文提出了基于 RS485 總線的溫濕度在線監(jiān)測系統(tǒng)， 介紹了溫濕度度監(jiān)測系統(tǒng)的組成， 溫濕度采集方式及其算法， Modus 協(xié)議構(gòu)成。1硬件方案設(shè)計系統(tǒng)為兩級結(jié)構(gòu), 包括下位機(jī)及上位機(jī)。下位機(jī)由單片機(jī)和溫濕度傳感器組成, 主要完成環(huán)境溫濕度的采集與處理， 并通過總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞, 每個下位機(jī)都有唯一的地址。上位機(jī)由 PC 機(jī)擔(dān)任，主要承擔(dān)數(shù)據(jù)的讀取、報警閾值的設(shè)定, 實現(xiàn)對各溫室的統(tǒng)一管理。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖所示。圖 1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

5、下位機(jī)即前端采集系統(tǒng)由微處理器、溫濕度傳感器、顯示電路、報警電路及通信接口組成，主要完成溫濕度采集、顯示、超限報警功能, 其結(jié)構(gòu)如圖 2所示。圖2 下位機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)溫度傳感器采用美國DALLAS公司最新推出的DS18B20可編程單線數(shù)字式溫度傳感器。它測溫范圍-55+l25，達(dá)到了預(yù)期的性能指標(biāo)，能夠直接讀出被測溫度并可根據(jù)實際要求通過簡單的編程實現(xiàn)912位分辨率的數(shù)字值讀數(shù)方式，相對應(yīng)的可分辨溫度分別為0.5，0.25，0.125和O.0625。直接輸出12位數(shù)字量，精度高，便于數(shù)據(jù)處理。其體積小，結(jié)構(gòu)簡單，只需一根總線與單片機(jī)相連，并可串接多個傳感器，溫度采集節(jié)點可以根據(jù)需要隨時增加或者減少

6、，無需重新布置。測量濕度的傳感器有普通型濕度傳感器和集成濕度傳感器，其中普通型主要指濕敏電阻、濕敏電容、電解質(zhì)離子型濕敏元件、光強(qiáng)型濕敏元件等，而集成濕度傳感器包括線性電壓輸出式、線性頻率輸出式和頻率/溫度輸出式。本設(shè)計濕度測量部分采用基于獨特工藝的電容元件，HSI101相對濕度傳感器，其體積小巧，具有高可靠性和長時間穩(wěn)定性，精度高，反應(yīng)時間快，測溫電路連接簡單。2 通信電路的設(shè)計溫濕度采集終端采用 485 總線， 其接口電路如圖3 所示 。 為保障 485 通訊總線的可靠性和抗干擾能力， 將 MCU 電源和 485 總線電源進(jìn)行隔離， 采用 5V轉(zhuǎn)換 5V 的 DC/DC 轉(zhuǎn)換電源 IB05

7、05BL； MCU 與總線接口芯片之間的控制采用光電隔離， 在 485 總線端，采用短路保護(hù)和防雷管和瞬態(tài)抑制二極管構(gòu)成過壓保護(hù)電路， 可以有效防止通訊線路受到雷擊和強(qiáng)電磁干擾而破壞通訊線路的情況。圖3，通信電路的設(shè)計3 RS-232與RS-485間的轉(zhuǎn)換電路1. RS-232串行接口 RS-232通訊接口13是一種標(biāo)準(zhǔn)化的串行接口，是為遠(yuǎn)程通訊連接終端設(shè)備DTE(Data Terminal Equipment)與數(shù)據(jù)通訊設(shè)備DCE(Data Communication Equipment)定義的物理接口。RS-232最初只用在微機(jī)中支持調(diào)制解調(diào)器和打印機(jī)連接，由于通信接口與設(shè)備制造廠商都生產(chǎn)

8、與RS-232 兼容的通信設(shè)備，因此它已成為微機(jī)串行通信接口中廣泛采用的一種標(biāo)準(zhǔn)。RS-232采用非平衡連接(又稱為單端線路)，如圖3-2所示。在這個線路中，信號電壓加到一條導(dǎo)線上，所有的信號電壓都使用一個公共的接地線。為了提高抗干擾能力和增加傳送距離，RS-232的每個腳線的信號和電平規(guī)定采用負(fù)邏輯電平，(-15 -5V)規(guī)定為邏輯“1”，DC(+5V +15V )規(guī)定邏輯“0”，DC (-5V+5V)規(guī)定為過渡區(qū)。圖3-2不平衡(單端)接收器RS-232 規(guī)定使用25針標(biāo)準(zhǔn)連接口，使用DB-25 型連接器。RS-232 標(biāo)準(zhǔn)定義了25 根信號，但實際使用時，只需2個數(shù)據(jù)線、6個控制線、1個

9、地線共九個信號。因此一些生產(chǎn)廠家對RS-232標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)械特性進(jìn)行了簡化，使用9針標(biāo)準(zhǔn)連接口，即DB-9型連接器。由于RS-232發(fā)送端與接收端之間的信號傳遞采用多芯信號線，電纜上的分布電容由于超過了規(guī)定的負(fù)載(2500pF)從而降低了擺率；發(fā)送電平( 5V)和接收電平( 3V)的差僅允許2V 的共模抑制，所以RS-232 的信號傳輸距離為十幾米。RS-232 在電平轉(zhuǎn)換時采用的是單端輸入輸出，傳輸過程中噪聲的干擾，會使信號發(fā)生畸變，故抗干擾能力差。RS-232適合于數(shù)據(jù)傳輸率在020kb/s范圍內(nèi)的通訊，現(xiàn)普遍用于近端連接標(biāo)準(zhǔn)。其特別是信號少，有多種數(shù)據(jù)傳輸速率可以選擇，使用簡單，方便14。2

10、. RS-485串行接口 由于RS-232 接口標(biāo)準(zhǔn)是單端收發(fā)，抗共模干擾能力差，而且它未規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)連接器，接口處各信號容易產(chǎn)生干擾，所以數(shù)據(jù)傳輸率低，傳輸距離短。為了實現(xiàn)在更遠(yuǎn)的距離和更高的速率上直接連接，研究出了一種支持多節(jié)點、遠(yuǎn)距離和接收的靈敏度高的RS-485總線標(biāo)準(zhǔn)。RS-485 標(biāo)準(zhǔn)采用平衡式發(fā)送，差分式接收的數(shù)據(jù)收發(fā)器來驅(qū)動總線，如圖3-3所示。圖3-3 平衡(差動)接收器在發(fā)送端TXD 將串行口的TTL電平信號轉(zhuǎn)換成差分信號A、B 兩路輸出，經(jīng)傳輸后在接收端將差分信號還原成TTL 電平信號。兩條傳輸線通常采用雙絞線，又是差分傳輸，因此有極強(qiáng)的抗共模干擾能力，接收靈敏度也相當(dāng)高。同

11、時，最大傳輸率和最大傳輸距離也大大提高。如果以10Mb/s 速率傳輸數(shù)據(jù)，最大傳輸距離為12m，而用100Mb/s 傳輸數(shù)據(jù)，傳輸距離可達(dá)1.2Km。如果降低波特率，傳輸距離還可進(jìn)一步提高。用RS-485 可實現(xiàn)多點互聯(lián)，最多可達(dá)32臺驅(qū)動器和32 臺接收器，不僅可以實現(xiàn)半雙工通訊，而且可以實現(xiàn)全雙工通訊。因為RS-485 的遠(yuǎn)距離、多節(jié)點(32個)以及傳輸線成本低的特性，使得EIA RS-485 成為工業(yè)應(yīng)用中數(shù)據(jù)傳輸?shù)氖走x標(biāo)準(zhǔn)。由于能夠減少布線成本和實現(xiàn)較長的傳輸距離，RS-485 被廣泛應(yīng)用于POS、工業(yè)和電信領(lǐng)域，較高的輸入電阻允許多個節(jié)點連接到總線上，差分RS-485傳輸信號在雙絞線

12、上極性相反，因為在每根線上的磁場互相抵消，從而將ENI減到了最小。目前可用于RS-485標(biāo)準(zhǔn)的接口芯片種類較多，不同的使用場合對芯片的要求也有所不同，使用者在芯片的選型和電路設(shè)計上應(yīng)做相應(yīng)考慮。例如，Maxim公司的MAX485和 MAX491 芯片，MAX485 用于半雙工，而 MAX491可用于全雙工。由于某些芯片的固有特性，通信中發(fā)生故障時，甚至還需要在軟件上作相應(yīng)調(diào)整。表 3-1 列出了 RS-232 與 RS-485 串行接口的主要特征參數(shù)15。從表中可以看出 RS-232 標(biāo)準(zhǔn)適合于近距離傳輸數(shù)據(jù)，接線方式靈活、簡單；RS-485標(biāo)準(zhǔn)適用于遠(yuǎn)距離，多點間通訊，常用于工業(yè)現(xiàn)場采集和控

13、制信號的傳輸。采用何種串行通訊標(biāo)準(zhǔn)要根據(jù)實際的要求來確定。 表3-1 RS-232 與 RS-485 串行接口參數(shù)比較特征參數(shù)RS-232RS-485在傳輸線上允許的驅(qū)動器與接收器數(shù)目1個驅(qū)動器1個接收器32個驅(qū)動器32個接收器工作方式單端發(fā)，單端收雙端發(fā)，雙端收最大電纜長度15m1200m(100Kb/s)最大傳輸速度20Kb/s10Mb/s(15m)驅(qū)動器輸出(最大電壓)+25V-7V +12V驅(qū)動器輸出(信號電平)5V(帶負(fù)載)15V(不帶負(fù)載)1.5V(帶負(fù)載)5V(不帶負(fù)載)驅(qū)動器負(fù)載阻抗3 k7k54 驅(qū)動器電源開路電流(高阻抗態(tài))Vmax/300(開路)100A(開路)接收器輸入

14、電壓范圍15V-7V +12V接收器輸入靈敏度3V200mV接收器輸入阻抗2k7k12 k3. RS-232與RS-485的接口轉(zhuǎn)換 在自動監(jiān)控系統(tǒng)中，常常需要進(jìn)行微機(jī)與帶有RS-485口的智能終端的串行通信問題，但兩者的串行通信接口經(jīng)常不一致前者是RS-232 標(biāo)準(zhǔn)接口，后者是RS-485標(biāo)準(zhǔn)接口。這兩種接口的機(jī)械結(jié)構(gòu)、電器特性均不同(如表 3-1 所示)，所以需要進(jìn)行RS-232和RS-485之間的電平轉(zhuǎn)換。實現(xiàn) RS-232和RS-485之間的電平轉(zhuǎn)換15，需要一個性能可靠的RS-232和RS-485轉(zhuǎn)換接口，實現(xiàn)的方法可采用購置適合PC機(jī)的RS-485適配卡或?qū)Ｓ玫腞S-232/RS-

15、485轉(zhuǎn)換器。RS-485通信適配卡必須插在主機(jī)的插槽里，這種方法占用了系統(tǒng)的硬件和軟件資源，而且維修和測試比較麻煩，也為系統(tǒng)帶來了安全隱患；購置專用的RS-232/RS-485轉(zhuǎn)換器產(chǎn)品，如7520、MAX3126等，由于專用的RS-232/RS-485轉(zhuǎn)換器設(shè)計復(fù)雜，價格昂貴，且性價比低。因此，根據(jù) RS-232/RS-485接口的轉(zhuǎn)換原理，設(shè)計和制作一個RS-232/RS-485接口電路也是比較簡單的。在這轉(zhuǎn)換個電路中，如圖3-4 所示，MAX232芯片的7 腳與RS-232 的2腳相連，主機(jī)從該引腳接收數(shù)據(jù)。MAX232 芯片的第8 腳與RS-232接口的3腳相連，主機(jī)的數(shù)據(jù)從該引腳發(fā)

16、給轉(zhuǎn)換器，經(jīng)MAX232把232電平轉(zhuǎn)換成TTL 電平，從第9 腳送出。同時主機(jī)發(fā)出的數(shù)據(jù)也用來控制SN75176芯片的2個使能端， SN75176 芯片有2個使能端RE和DE端，當(dāng)RE為低電平時，數(shù)據(jù)輸入有效；當(dāng)DE 為高電平時，數(shù)據(jù)輸出有效。由上位機(jī)輸出高低電平就可以實現(xiàn)SN75176芯片在接收和發(fā)送狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換了。圖3-4為一個半雙工RS-232/RS-485轉(zhuǎn)換接口設(shè)計電路。這種方案是利用現(xiàn)有的通用接口芯片 MAX232 和SN75176，構(gòu)成了一個簡單可靠并且實用的RS-232/RS-485轉(zhuǎn)換器。圖3-4 RS-232與RS-485轉(zhuǎn)換電路一個MAX232 將RS-232 信號轉(zhuǎn)換

17、成TTL電平，然后TTL信號連接到一個SN75176B 接口芯片，由這個接口芯片提供RS-485接口。這個接口使用 3 用3條RS-232導(dǎo)線：TXD傳輸數(shù)據(jù)、RXD接收數(shù)據(jù)、RTS控制方向。當(dāng)RTS為低電平時，SN75176的啟動輸入為高電平，TXD可以向RS-485連接進(jìn)行傳輸；當(dāng)RTS為高電平時，使能輸入為低電平，RXD可以從 RS-485連接中接收數(shù)據(jù)。4 下位機(jī)軟件設(shè)計軟件系統(tǒng)的設(shè)計遵循“自頂而下，逐步求精”的結(jié)構(gòu)化設(shè)計原則，先將任務(wù)層次化，然后對每一層再逐步細(xì)化。每一層實現(xiàn)的功能盡量是獨立的，彼此之間互相影響應(yīng)該較少。下位機(jī)程序是一個閉環(huán)程序，除初始化程序外，程序還在采樣、計算、兩

18、個過程之間循環(huán)進(jìn)行。發(fā)送程序通過串口中斷程序來進(jìn)行發(fā)送數(shù)據(jù)圖4 測量模塊流程圖5 通信協(xié)議5.1 Modbus協(xié)議Modbus 協(xié)議是應(yīng)用于電子控制器上的一種通用語言。 通過此協(xié)議， 控制器相互之間、 控制器經(jīng)由網(wǎng)絡(luò) (例如以太網(wǎng)) 和其它設(shè)備之間可以通信， 可將不同廠商生產(chǎn)的控制設(shè)備連成工業(yè)網(wǎng)絡(luò)， 進(jìn)行集中監(jiān)控。Modbus 采用主從方式進(jìn)行通訊， 協(xié)議為查詢應(yīng)答方式， 其方式如圖圖3 主從設(shè)備通訊查詢消息中的功能代碼告之被選中的從設(shè)備要執(zhí)行何種功能。 數(shù)據(jù)段包含了從設(shè)備要執(zhí)行功能的任何附加信息。 例如功能代碼 03 是要求從設(shè)備讀保持寄存器并返回它們的內(nèi)容。 數(shù)據(jù)段必須包含要告之從設(shè)備的信

19、息： 從何寄存器開始讀及要讀的寄存器數(shù)量。錯誤檢測域為從設(shè)備提供了一種驗證消息內(nèi)容是否正確的方法。 如果從設(shè)備產(chǎn)生一個正常的回應(yīng)， 在回應(yīng)消息中的功能代碼是在查詢消息中的功能代碼的回應(yīng)。 數(shù)據(jù)段包括了從設(shè)備收集的數(shù)據(jù)： 如寄存器值或狀態(tài)。 如果有錯誤發(fā)生， 功能代碼將被修改以用于指出回應(yīng)消息是錯誤的， 同時數(shù)據(jù)段包含了描述此錯誤信息的代碼。 錯誤檢測域允許主設(shè)備確認(rèn)消息內(nèi)容是否可用。主機(jī)呼叫報文如下：幀頭終端地址功能碼CRC校驗2字節(jié)1字節(jié)1字節(jié)2字節(jié)主機(jī)呼叫報文含義：名稱字節(jié)數(shù)值含義功能幀頭2字節(jié)3C C3功能碼1字節(jié)11溫度22濕度33溫濕度從機(jī)回應(yīng)的報文如下：幀頭數(shù)據(jù)CRC校驗2字節(jié)2字

20、節(jié)2字節(jié)從機(jī)回應(yīng)報文含義：名稱字節(jié)數(shù)值含義功能幀頭2字節(jié)AA 55數(shù)據(jù)2字節(jié)實際的溫濕度，（如果主機(jī)要求溫濕度，那有兩個報文）6 總結(jié)：本文設(shè)計的溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)具有以下特征：1) 加入 485 路由后， 系統(tǒng)組網(wǎng)形式可以多樣化，既可以線性鏈接， 也可以實現(xiàn)分支樹形連接， 有效減少通訊線纜的長度。2) 系統(tǒng)采用 CRC 校驗， 可對路由、 終端、 傳感異常進(jìn)行檢測， 既可保障數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性， 又可結(jié)合數(shù)據(jù)終端地址準(zhǔn)確獲知故障點和故障狀態(tài)， 有利于系統(tǒng)維護(hù)。3) 系統(tǒng)在軟件和硬件方面采用了多重防護(hù)技術(shù)，如光電隔離、 瞬態(tài)抑制保護(hù)、 防雷保護(hù)、 看門狗等措施， 系統(tǒng)抗干擾性較強(qiáng)， 完全可以應(yīng)用于溫濕度

21、監(jiān)測。參考文獻(xiàn)1 龔建偉，熊光明. Visual C+/Turbo C 串口通信編程實踐.北京工業(yè)出版社，2004 2 于月森，葉王慶.RS-485總線可靠性應(yīng)用研究J.第八版，微計算機(jī)信息出版社，2007:24263 作者李志俊，程濤.基于多線程的多串行通信任務(wù)的實現(xiàn). 武漢理工大學(xué)學(xué)報(交通科學(xué)與工程版)，2002，Vol.26(5)：5755784 李志俊， 黃珍. PLC 控制網(wǎng)絡(luò)與計算機(jī)管理網(wǎng)絡(luò)通信方法的探討. 第四版， 交通與計算機(jī)出版社,2000:3537 5 張嬡，李志俊，鄒軼才，陳綿云. 基于模擬IIC 總線的社區(qū)求助系統(tǒng)的設(shè)計. 第九版，微機(jī)發(fā)展出版社，2005:12813

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