基于MODBUS協(xié)議的溫濕度檢測模塊設(shè)計

1、目 錄摘要 1關(guān)鍵詞11 前言21.1 研究目的和意義21.2.1 國外研究現(xiàn)狀21.2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀3 主要研究內(nèi)容42 Modbus協(xié)議介紹42.1 Modbus協(xié)議簡介42.1.1 在Modbus網(wǎng)絡(luò)上傳輸42.1.2 在其它類型網(wǎng)絡(luò)上傳輸52.1.3 查詢回應(yīng)周期52.2 Modbus兩種傳輸方式52.3 Modbus信息幀62.4 Modbus錯誤檢查方法62.5 Modbus協(xié)議指令73 RS485通訊介紹84 系統(tǒng)方案的設(shè)計85 系統(tǒng)模塊的硬件設(shè)計9 模塊的硬件的選擇及電路設(shè)計95.1.1 單片機芯片的選擇及電路設(shè)計95.1.2 溫濕度采集芯片的選擇及電路設(shè)計125.1.3

2、擴展內(nèi)存RAM的選擇及電路設(shè)計145.1.4 EEPROM存儲器的選擇及電路設(shè)計155.1.5 無線模塊芯片的選擇及電路設(shè)計165.1.6 顯示器的選擇及電路設(shè)計185.1.7 按鍵電路設(shè)計18 報警電路設(shè)計195.1.9 電源電路設(shè)計195.2 RS485接口的硬件設(shè)計205.2.1 RS485接口芯片的選擇205.2.2 單片機側(cè)RS485接口電路的設(shè)計216 測量模塊的軟件設(shè)計226.1 軟件的總體設(shè)計226.2 初始化的流程圖設(shè)計226.3 溫濕度數(shù)據(jù)采集流程圖236.4 modbus協(xié)議讀保持存放器的流程圖246.5 報警流程圖257 模塊modbus通信實現(xiàn)的設(shè)計258 系統(tǒng)調(diào)試與

3、運行278.1 調(diào)試過程278.2 運行結(jié)果289 結(jié)束語29參考文獻29致謝31附錄31基于MODBUS協(xié)議的溫濕度檢測模塊設(shè)計摘 要：我國自古以來就是農(nóng)業(yè)大國,但現(xiàn)代設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)起步較晚。而我國農(nóng)業(yè)正處于從傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向以優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、高效益為目標(biāo)的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)化的新階段，環(huán)境控制作為農(nóng)業(yè)生物速生、優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)的手段,是農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的重要標(biāo)志。本文在對國內(nèi)外溫室智能控制進行深入分析的根底上,針對溫室大棚智能化控制存在的溫濕度,將智能傳感器監(jiān)測和單片機控制相結(jié)合,提出一套基于Modbus協(xié)議的檢測模塊解決方案,并對其硬件和軟件進行了詳細的設(shè)計。結(jié)合RS485總線搭配Modbus通信協(xié)議組成網(wǎng)絡(luò),實現(xiàn)對溫

4、室大棚內(nèi)溫度和濕度的實時測量。關(guān)鍵詞：Modbus通信協(xié)議；RS485；SHT10溫濕度傳感器；STC59C51單片機； Temperature And Tumidity Detection Module Degign of Based on Modbus ProtocolAbstract: China is one of the worlds major agricultural countries since ancient time, yet the Protected Agriculture started late. Chinese agriculture is in a new s

5、tage of transformation from traditional agriculture to modern agriculture as the goal of quality, high yield, high efficiency, environmental control as agricultural biotechnology fast-growing, high-quality, high-yielding means is an important symbol of the modernization of agriculture. In this paper

6、, on the basis of in-depth analysis of greenhouse intelligent control at home and abroad, for the intelligent control of greenhouse temperature and humidity, the intelligent sensor monitoring and MCU control combination, propose a set of based Modbus protocol detection module solutions, and its hard

7、ware and software design in detail. RS485 bus with Modbus communication protocol network, real-time measurement of temperature and humidity in the greenhouse.Key words: Modbus communication protocol; RS485; SHT10 temperature and humidity sensor; STC59C51 microcontroller;1 前言1.1 研究目的和意義目前我國農(nóng)業(yè)正處于從傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)

8、向以優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、高效益為目標(biāo)的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)化的新階段。環(huán)境控制作為農(nóng)業(yè)生物速生、優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)的手段,是農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的重要標(biāo)志1。溫室大棚中的環(huán)境由多個因素組成,如溫度和濕度等。時下,我國溫室環(huán)境控制目前仍靠人工經(jīng)驗來管理,嚴(yán)重影響了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的效益,阻礙了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的開展。而目前市場上普遍存在的溫、濕度檢測儀器大多都是單點測量，同時也會有溫、濕度信息傳遞不及時、精度不夠等許多缺點，不利于工業(yè)控制的操作者根據(jù)溫、濕度變化及時做出正確的決定；以前的溫、濕度傳感器都是經(jīng)有線的方式傳輸數(shù)據(jù)，線路復(fù)雜冗余，不適合大范圍或者異地多數(shù)量的測量，線路故障也很難排查，假設(shè)設(shè)備重新布局那么要重新布線等一系列問題，連線本錢也

9、相對要高，線路的老化問題也會影響設(shè)備的可靠性，尤其是有線網(wǎng)絡(luò)不通暢或由于現(xiàn)場環(huán)境因素的限制；而不便于架設(shè)線路的情況下，給溫、濕度的數(shù)據(jù)測量帶來了很大的麻煩2。因此,采用先進的人工智能技術(shù),科學(xué)、合理地控制影響作物的環(huán)境因素,通過計算機控制設(shè)備進行環(huán)境控制,以便給作物生長創(chuàng)造一個最正確的環(huán)境條件,做到既提高產(chǎn)品的質(zhì)量、產(chǎn)量和經(jīng)濟價值,同時盡量降低生產(chǎn)本錢,這對溫室環(huán)境施行自動檢測和控制是非常必要的3。而Modbus 是目前工業(yè)領(lǐng)域較流行的協(xié)議，它定義了一個控制器能認識使用的消息結(jié)構(gòu), 而不管它們是經(jīng)過何種網(wǎng)絡(luò)進行通信的。它描述了一控制器如何請求訪問其它的設(shè)備、如何回應(yīng)來自其它設(shè)備的請求, 以及怎

10、樣偵測錯誤并予以記錄錯誤的過程，具有開放性、用戶范圍廣、易實現(xiàn)、擴展性好、可靠性強等優(yōu)點4。工業(yè)控制已從單機控制走向集中監(jiān)控、集散控制, Modbus 作為工業(yè)領(lǐng)域最流行的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用協(xié)議, 在儀器儀表和測控系統(tǒng)設(shè)計中得到了廣泛應(yīng)用?；谶@種現(xiàn)狀,應(yīng)用Modbus 在溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)中的具體軟硬件開發(fā)能夠?qū)崿F(xiàn)溫室環(huán)境中的溫度、濕度等根本環(huán)境參數(shù)測控的低本錢實用型溫室配套裝置具有重要的現(xiàn)實意義5。1.2 研究現(xiàn)狀1.2.1 國外研究現(xiàn)狀 在溫室環(huán)境測控技術(shù)的研究領(lǐng)域,歐美等西方興旺國家一直處于領(lǐng)先地位。20世紀(jì)40年代,美國開展了人工干預(yù)溫室種植環(huán)境及根本環(huán)境參數(shù)對作物影響的應(yīng)用研究,并建成第一個作物

11、人工氣候室。60年代,小規(guī)模生產(chǎn)型溫室開始應(yīng)用于奧地利農(nóng)業(yè)生產(chǎn),簡易溫室環(huán)境監(jiān)控裝置進入使用階段。70年代后期,溫室生產(chǎn)規(guī)模繼續(xù)擴大,在日本、以色列、美國、荷蘭、英國等國家,溫室設(shè)施廣泛應(yīng)用于作物生產(chǎn)、畜牧養(yǎng)殖等行業(yè),電子技術(shù)的快速開展和單片機的出現(xiàn),使溫室環(huán)境測控技術(shù)發(fā)生了巨大的變化。80年代,單片機的性能大幅度提高、價格不斷下降,以微控制器為核心的溫室環(huán)境測控技術(shù)在西方興旺國家得到了長足的進步6。目前,國外溫室的測控技術(shù)己經(jīng)比擬成熟,很多國家都實現(xiàn)了基于環(huán)境模型以及專家系統(tǒng)的溫室智能控制系統(tǒng),能夠?qū)Ω鞣N執(zhí)行機構(gòu)實現(xiàn)綜合控制,如通風(fēng)降溫、熱風(fēng)加溫、加濕、除濕光照調(diào)節(jié)、灌溉、施肥等。世界上溫室

12、生產(chǎn)最興旺的國家是荷蘭,其溫室以大型玻璃溫室為主體,現(xiàn)有大型連棟玻璃溫室面積達萬公頃,約占世界玻璃溫室的1/4左右,其規(guī)模位居世界之首。荷蘭瓦赫寧根大學(xué)通過將作物田間管理模型與環(huán)境控制模型相結(jié)合,成功地把人工經(jīng)驗應(yīng)用于自動控制過程,實現(xiàn)了溫室的智能化管理,同時大幅度降低了系統(tǒng)能耗和運行費用。英國的智能型溫室調(diào)控系統(tǒng)、西班牙和奧地利的遠程遙控式溫室系統(tǒng)都是計算機控制與管理系統(tǒng)在溫室中的成功應(yīng)用。美國開發(fā)的計算機控制與管理系統(tǒng)可以根據(jù)溫室內(nèi)種植作物的特點和要求,對溫室內(nèi)光照、溫度、水、氣、肥等諸多環(huán)境因子進行自動調(diào)控,還可利用差溫管理技術(shù)實現(xiàn)對花卉、果蔬等產(chǎn)品開花和成熟期的控制,以滿足生產(chǎn)和市場的

13、需要。以色列研發(fā)的溫室環(huán)境控制系統(tǒng)能夠根據(jù)控制對象的不同特點選用型式各異的傳感器、控制器及外圍輔助設(shè)備,充分實現(xiàn)了現(xiàn)代化溫室內(nèi)部的環(huán)境監(jiān)控需求7。綜上所述,溫室環(huán)境測控技術(shù)在許多興旺國家(如荷蘭、美國、以色列等)已經(jīng)相領(lǐng)先進,能夠到達對多環(huán)境因素綜合控制的水平,但其具有價格昂貴、維護不方便等缺點,于是,為了降低生產(chǎn)本錢、提高系統(tǒng)性能,以荷蘭為代表的歐美國家溫室測控系統(tǒng)開始向網(wǎng)絡(luò)化、無線化的方向開展8。1.2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀我國對于溫室控制技術(shù)的研究較晚,始于20世紀(jì)80年代。我國工程技術(shù)人員在吸收興旺國家溫室控制技術(shù)的根底上,才掌握了人工氣候室內(nèi)微機控制技術(shù),該技術(shù)僅限于溫度、濕度和CO2濃

14、度等單項環(huán)境因子的控制，大局部設(shè)施農(nóng)業(yè)從業(yè)者還是使用傳統(tǒng)的溫度計、濕度計來采集溫室中的溫、濕度值,并通過人工調(diào)節(jié)方式加溫、降溫、加濕、除濕和通風(fēng)來控制溫室環(huán)境參數(shù)。我國溫室設(shè)施計算機應(yīng)用正從消化吸收、簡單應(yīng)用階段向?qū)嵱没?、綜合性應(yīng)用階段過渡和開展9。在技術(shù)上,以單片機控制的單參數(shù)單回路系統(tǒng)居多,尚無真正意義上的多參數(shù)綜合控制系統(tǒng)。在總體上,雖然一些高校和科研機構(gòu)都在進行溫室環(huán)境控制系統(tǒng)的研究工作,但是到目前為止,能夠真正滿足現(xiàn)代設(shè)施農(nóng)業(yè)實際需求的案例還非常少,我國溫室環(huán)境測控技術(shù)研究水平與荷蘭、日本、美國、英國、以色列等國家相比,仍有一定差距,自動化控制水平低,可靠性不高,價格也不容易被接受,

15、 同時我國溫室現(xiàn)狀還遠遠沒有到達工廠化農(nóng)業(yè)的境地,生產(chǎn)實際中仍然有許多問題困擾著我們,存在著溫室裝備配套能力差,產(chǎn)業(yè)化程度低,環(huán)境控制水平落后,軟硬件資源不能共享和可靠性差等缺點。依據(jù)實際情況開發(fā)出適合我國溫室開展水平的溫室環(huán)境自動測控裝置,努力降低生產(chǎn)本錢、提高生產(chǎn)水平,已經(jīng)成為現(xiàn)代設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的當(dāng)務(wù)之急10。1.3 主要研究內(nèi)容本文提出了一套基于Modbus協(xié)議溫濕度檢測模塊的解決方案,通過RS485總線組成系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò),以STC89C51單片機為核心，以SHT10的溫濕度傳感器為檢測，Modbus實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，從而滿足農(nóng)業(yè)現(xiàn)場對于標(biāo)準(zhǔn)溫濕度檢測設(shè)備的需求。首先介紹Modbus 協(xié)議和RS48

16、5通訊,然后講述溫濕度模塊主要硬件和組成, 并對模塊的硬件和軟件做出詳細的設(shè)計，接著詳細闡述采用Modbus通訊具體的軟硬件實現(xiàn)過程。實際運行顯示效果良好,能到達了預(yù)期目的。2 Modbus協(xié)議介紹2.1 Modbus協(xié)議簡介Modbus協(xié)議是一種廣泛應(yīng)用于電子控制器上的通用語言,通過該協(xié)議,控制器相互之間、控制器和其它設(shè)備之間經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以互相通信。該協(xié)議現(xiàn)己成為工業(yè)控制領(lǐng)域中的一種通用標(biāo)準(zhǔn)。利用Modbus協(xié)議,可以讓不同廠商生產(chǎn)的控制設(shè)備連成網(wǎng)絡(luò),進行系統(tǒng)集中的監(jiān)控。由于開放性、可擴充性和標(biāo)準(zhǔn)化使Modbus協(xié)議成為工業(yè)控制領(lǐng)域中最流行的協(xié)議之一11。 Modbus協(xié)議通過定義一個能夠被控制

17、器認識和使用消息結(jié)構(gòu),而不考慮他們之間是通過哪種網(wǎng)絡(luò)通信。它描述控制器請求訪問設(shè)備的過程、設(shè)備如何回應(yīng)控制器的請求。在Modbus網(wǎng)絡(luò)上通信時,Modbus協(xié)議規(guī)定每個從機須要知道它們的設(shè)備地址,識別按地址發(fā)來的消息,決定要產(chǎn)生何種行動,從機回應(yīng)生成的反響信息。而在其它網(wǎng)絡(luò)上傳輸時,只需將Modbus協(xié)議的消息轉(zhuǎn)換為能夠此網(wǎng)絡(luò)上通信的幀結(jié)構(gòu)12。2.1.1 在Modbus網(wǎng)絡(luò)上傳輸 在Modbus網(wǎng)絡(luò)上傳輸,控制設(shè)備之間通信通常使用主從技術(shù),通常選取一個設(shè)備做主機,其它設(shè)備做從機。通信時從設(shè)備根據(jù)主設(shè)備查詢提供的數(shù)據(jù)做出相關(guān)反響。主設(shè)備可以單獨和一個從設(shè)備通信,也可以通過播送方式和所有從設(shè)備通

18、信。單獨通信時從設(shè)備要有一回應(yīng)消息返回主設(shè)備。對于從設(shè)備的回應(yīng)消息,要按Modbus協(xié)議規(guī)定的格式建立回應(yīng)幀。如果從設(shè)備在消息接收或者處理過程中發(fā)生異常, Modbus協(xié)議根據(jù)對應(yīng)異常碼的建立異?；貞?yīng)消息返回主設(shè)備13。2.1.2 在其它類型網(wǎng)絡(luò)上傳輸 在其它網(wǎng)絡(luò)傳輸時,控制器采用對等技術(shù)進行通信,所以任意一個控制器都可以初始化并能和其它控制器通信。因此,一臺控制器既可作為主設(shè)備,也可作為從設(shè)備。但在信息位, Modbus協(xié)議仍采用主從方式。如果一控制器發(fā)送一消息,它只是作為主設(shè)備,并期望從從設(shè)備得到回應(yīng)。同樣,當(dāng)控制器接收到一消息,它將建立一從設(shè)備回應(yīng)格式并返回給發(fā)送的控制器。2.1.3 查

19、詢回應(yīng)周期 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)備讀保持存放器并返回它們的內(nèi)容。數(shù)據(jù)段必須包含要告之從設(shè)備的信息：從何存放器開始讀及要讀的存放器數(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)：象存放器值或狀態(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)備確認消息內(nèi)容是否可用14。2.2 Modbus兩種傳輸方

20、式Modbus網(wǎng)絡(luò)通信傳輸有兩種模式:ASCll模式或RTU模式,用戶可以選用自己需要的模式,但是在同一個Modbus網(wǎng)絡(luò)上的所有設(shè)備都必須選擇相同的傳輸模式和串口參數(shù)進行通信。ASCII模式： 設(shè)備以ASCII模式在Modbus串行鏈路上通信時,信息幀中的每一個字節(jié)要用2個ASCII字符傳輸,該模式允許字符之間的時間間隔長達1s,所以當(dāng)通信鏈路中不能滿足RTU模式的時間要求時大都使用該模式,但該模式效率比RTU模式效率低。RTU模式:設(shè)備以RTU模式在Modbus串行鏈路上進行通信時,信息幀中的每一個字節(jié)分成2個16進制的字符,該模式在相同波特率下其傳輸?shù)淖址拿芏雀哂贏SCll模式,每個信

21、息必須連續(xù)傳輸,傳輸效率高于ASCll模式15。2.3 Modbus信息幀 不管是ASCll模式還是RTU模式, Modbus信息傳輸方式都是以數(shù)據(jù)幀的形式,每幀數(shù)據(jù)都有確定的起始點和結(jié)束點,數(shù)據(jù)幀要傳送的設(shè)備在數(shù)據(jù)幀的起始點開始讀地址,并檢測要尋址的設(shè)備和信息傳輸?shù)慕Y(jié)束時間。 在使用ASCll模式傳輸時,用冒號表示一幀數(shù)據(jù)開始,在消息幀結(jié)束時用回撤換行鍵(CRLF)表示一幀數(shù)據(jù)結(jié)束。除開始和結(jié)束外的幀內(nèi)容,允許發(fā)送字符只能是16進制字符09和AF。通信時網(wǎng)絡(luò)中所有設(shè)備都檢測接收消息幀開始標(biāo)志(冒號),然后檢測消息幀中的地址碼是否和本設(shè)備地址相同,假設(shè)相同那么接受幀,不同那么舍棄。消息幀傳輸時

22、,每個字符之間的時間間隔最大為1s，如果大于1s接收設(shè)備認為出現(xiàn)了錯誤。 在使用RTU模式傳輸時,要開始接收一幀數(shù)據(jù)至少需要有3.5個字符的靜止時間,根據(jù)使用的波特率可以計算出這個靜止的。幀數(shù)據(jù)允許發(fā)送的字符均為16進制的09和AF。消息幀接收時第一個數(shù)據(jù)區(qū)的為要發(fā)送設(shè)備的設(shè)備地址。在通信時,網(wǎng)絡(luò)上的設(shè)備監(jiān)測包括靜止時間在內(nèi)的信息,當(dāng)設(shè)備接收到地址數(shù)據(jù)時,對照本設(shè)備地址檢測是否是本機地址,如果是本設(shè)備地址那么接受該消息幀,否那么舍棄。在每幀數(shù)據(jù)發(fā)完后,到接收到下一幀數(shù)據(jù),在兩幀數(shù)據(jù)之間也要有3.5個字符的靜止時間。在發(fā)送一幀數(shù)據(jù)期間,如果兩字符之間出現(xiàn)大于1.5個字符的靜止時間時,認為數(shù)據(jù)出錯

23、,接收設(shè)備刷新不完整信息等待接收下一幀數(shù)據(jù)16。2.4 Modbus錯誤檢查方法標(biāo)準(zhǔn)的Modbus串行網(wǎng)絡(luò)采用兩種錯誤檢測方法:奇偶校驗和幀校驗。傳輸?shù)拿總€字符用奇偶校驗,每幀消息用幀檢測(LRC或CRC)。ASCll模式時消息幀采用LRC校驗,RTU模式時采用CRC校驗。主設(shè)備在消息發(fā)送前產(chǎn)生校驗碼,從設(shè)備在接收過程中校驗每個字符和消息幀。奇偶校驗用戶通過配置控制器奇偶校驗來設(shè)置每個傳輸字符中的奇偶校驗位,也可以設(shè)置成無校驗。無論是何種校驗,都要計算每個字符數(shù)據(jù)中值為“1的個數(shù),在根據(jù)“10的位數(shù)值(奇數(shù)或偶數(shù))設(shè)置奇偶位為“0或“1。發(fā)送設(shè)備發(fā)送信息時,把計算奇偶位加到數(shù)據(jù)幀中,接收設(shè)備接

24、收字符計算位值為“1的個數(shù),如果與該設(shè)備要求的不一致時產(chǎn)生錯誤。所有設(shè)備在Modbus總線上的采用的奇偶校驗方式必須相一致。LRC校驗采用ASCll模式傳輸時,消息幀中校驗區(qū)使用LRC校驗方式生產(chǎn)校驗碼。LRC校驗檢測消息幀中除開始的冒號和結(jié)束的回車一換行號外的所有內(nèi)容。LRC校驗碼是含1個8位二進制值的字節(jié)。發(fā)送設(shè)備發(fā)送的消息幀中包含LRC值,接收設(shè)備在接收信息幀時計算LRC校驗碼,把計算的LRC值與接收到的LRC值進行比擬,如果二者不一致,說明產(chǎn)生一個錯誤。CRC校驗采用RTU模式傳輸時,消息幀中的校驗碼采用CRC方法計算。CRC校驗碼是含有2個16位的二進制值的字節(jié)。發(fā)送設(shè)備把計算CRC

25、值附加到信息幀中去,接收設(shè)備在接收信息過程中再次計算CRC值并與接收到的實際CRC值進行比擬,如果二者不一致,說明產(chǎn)生一個錯誤17。為了便于與基于單片機的儀表進行通信, 本設(shè)計采用RTU 傳輸模式, CRC方法校驗消息幀。RTU 模式以傳輸間隔來標(biāo)識整個消息幀的開始和結(jié)束, 典型的RTU 消息幀為/ 設(shè)備地址( 1 byte) 功能代碼( 1 by te) 數(shù)據(jù)( n by tes)CRC 校驗( 2 by tes) 0。此協(xié)議要求每個控制器必須知道作為從機的設(shè)備地址, 并能識別按地址發(fā)來的消息和根據(jù)消息來執(zhí)行相應(yīng)的請求, 如果需要回應(yīng),控制器將生成反響信息并用Modbus 協(xié)議發(fā)出。2.5

26、Modbus協(xié)議指令本設(shè)計modbus協(xié)議指令采用的是03 (0x03)讀保持存放器，在一個遠程設(shè)備中，使用該功能碼讀取保持存放器連續(xù)塊的內(nèi)容。請求PDU說明了起始存放器地址和存放器數(shù)量。從零開始尋址存放器。因此，尋址存放器1-16 為0-15。將響應(yīng)報文中的存放器數(shù)據(jù)分成每個存放器有兩字節(jié)，在每個字節(jié)中直接地調(diào)整二進制內(nèi)容。對于每個存放器，第一個字節(jié)包括高位比特，并且第二個字節(jié)包括低位比特。表1，表2，表3分別表示請求，錯誤，響應(yīng)的指令信息18。表1 請求 Table1 Request功能碼1個字節(jié)0x03起始地址2個字節(jié)0x0000 至0xFFFF存放器數(shù)量2個字節(jié)1 至1250x7D 表

27、 2 錯誤Table2 Error過失碼 1 個字節(jié) 0x83異常碼1 個字節(jié)01或02 或03 或04表3 響應(yīng)Table3 Response功能碼1 個字節(jié)0x03字節(jié)數(shù)1 個字節(jié)2N*存放器N*2個字節(jié)N*存放器的數(shù)量3 RS485通訊介紹 此處省略NNNNNNNNNNNN字。如需要完整說明書和設(shè)計圖紙等.請聯(lián)系扣扣：九七一九二零八零零 另提供全套機械畢業(yè)設(shè)計下載！該論文已經(jīng)通過辯論4 系統(tǒng)方案的設(shè)計無線收發(fā)模塊單片機STC89C51 溫濕度器傳 感四位七段數(shù) 碼 管 電 源RS485接口 數(shù)據(jù)儲存 器圖1 系統(tǒng)模塊結(jié)構(gòu)圖Fig.1 System block diagram本設(shè)計STC8

28、9C51單片機系統(tǒng)為核心，以SHT10的溫濕度傳感器為檢測，Modbus實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，從而滿足農(nóng)業(yè)現(xiàn)場對于標(biāo)準(zhǔn)溫濕度檢測設(shè)備的需求。SHT10溫濕度傳感器進行實時采集溫濕度，將采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過算法分析處理,然后按Modbus協(xié)議格式返回到單片機系統(tǒng)中心, 顯示出大棚內(nèi)的溫濕度,從而有利于調(diào)節(jié)大棚內(nèi)的環(huán)境狀況來到達種植物所需要的環(huán)境。系統(tǒng)模塊結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。5 系統(tǒng)模塊的硬件設(shè)計5.1 模塊的硬件的選擇及電路設(shè)計5.1.1 單片機芯片的選擇及電路設(shè)計STC89C51是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器FPEROMFalsh Programmable and Erasable Read O

29、nly Memory的低電壓，高性能CMOS8位微處理器，俗稱單片機，是典型的嵌入式微控制器Microcontroller Unit，單片機的可擦除只讀存儲器可以反復(fù)擦除100次。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中，ATMEL的STC89C51是一種高效微控制器。STC89C51單片機主要特性： 與MCS-51 兼容 4K字節(jié)可編程閃爍存儲器 壽命：1000寫/擦循環(huán) 數(shù)據(jù)保存時間：10年 全靜態(tài)工作：0Hz-24MHz 三級程序存儲器鎖定 1288位內(nèi)部RAM 32可編程I/O

30、線 兩個16位定時器/計數(shù)器 5個中斷源 可編程串行通道 低功耗的閑置和掉電模式片內(nèi)振蕩器和時鐘電路STC89C51單片機具有44個管腳，42個I/O口和2個電源端口，其管腳分配如2圖所示20。VCC：供電電壓。GND：接地。 P0口：P0口為一個8位漏級開路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門電流。當(dāng)P1口的管腳第一次寫1時，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。P1口：P1口是一個內(nèi)部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收輸出4TTL門電流。P1口管腳寫入1后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由

31、于內(nèi)部上拉的緣故。P2口：P2口為一個內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個TTL門電流，當(dāng)P2口被寫“1時，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。P2口當(dāng)用于外部程序存儲器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進行存取時，P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1時，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢，當(dāng)對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進行讀寫時，P2口輸出其特殊功能存放器的內(nèi)容。 圖2 STC89C51引腳 Fig.2 STC89C51 pinP3口：P3口管腳是8個帶內(nèi)部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個TTL門電流。當(dāng)P3

32、口寫入“1后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3口將輸出電流ILL這是由于上拉的緣故。 RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時，要保持RST腳兩個機器周期的高電平時間。 ALE/PROG：當(dāng)訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。然而要注意的是：每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲器時，將跳過一個ALE脈沖。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)ALE禁止，置位無效。PSEN

33、：外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間，每個機器周期兩次/PSEN有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的/PSEN信號將不出現(xiàn)。 XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時鐘工作電路的輸入。XTAL2：來自反向振蕩器的輸出單片機系統(tǒng)的擴展是以根本最小系統(tǒng)為根底的，故應(yīng)首先熟悉應(yīng)用應(yīng)用系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。單片機最小系統(tǒng)包括晶體振蕩電路、復(fù)位電路，其電路圖如圖3所示。圖3 單片機最小系統(tǒng)Fig .3 The smallest single-chip system單片機復(fù)位的原理是在時鐘電路開始工作后，在單片機的RST引腳施加24個時鐘振蕩脈沖即兩個機器周期以上的高電平，單片機便可以實現(xiàn)

34、復(fù)位。在復(fù)位期間，單片機的ALE引腳和PSEN引腳均輸出高電平。當(dāng)RST引腳從高電平跳變?yōu)榈碗娖胶?，單片機便從0000H單元開始執(zhí)行程序。在實際應(yīng)用中，一般采用既可以手動復(fù)位，又可以上電復(fù)位的電路，這樣可以人工復(fù)位單片機系統(tǒng)，這種電路如圖3復(fù)位局部所示。時鐘電路是用于產(chǎn)生單片機工作時所必需的時鐘信號。時鐘是單片機的心臟，單片機各功能部件的運行都是以時鐘頻率為基準(zhǔn)的，有條不紊地一拍一拍地工作。時鐘頻率直接影響單片機的速度，時鐘電路的質(zhì)量也直接影響單片機系統(tǒng)的穩(wěn)定性。電路中的電容C1、C2典型值為3010 pF。外接代內(nèi)容的值雖然沒有嚴(yán)格的要求，但是電容的大小會影響振蕩器的穩(wěn)定性和起振的快速性。同

35、時，在系統(tǒng)中采用的晶體振蕩器來產(chǎn)生時鐘脈沖。一方面，可以滿足系統(tǒng)在設(shè)計時的機器周期的需要；另一方面，在進行串行口通訊的時候能夠提供精準(zhǔn)的通訊波特率21。5.1.2 溫濕度采集芯片的選擇及電路設(shè)計溫濕度采集芯片SHT10是一款用于采集溫度和濕度的復(fù)合傳感器,該傳感器具有己校準(zhǔn)數(shù)字信號輸出,內(nèi)部包括一個電容式聚合體測濕元件和一個能隙式測溫元件,并與一個14位的戶JD轉(zhuǎn)換器以及串行借口電路在同一芯片上實現(xiàn)無縫連接,具有品質(zhì)卓越、超快響應(yīng)、抗干擾能力強、性價比高等優(yōu)點。利用SHTIO高性能溫濕度傳感器構(gòu)成的溫濕度采集模塊具有響應(yīng)時間快、采集數(shù)據(jù)精度高和采集范圍大的特點,其滿足測試?yán)洳厥覂?nèi)環(huán)境狀況的要求

36、22。其主要特性如下:濕度測量范圍:0100%RH 濕度測量精度:士4.5%RH響應(yīng)時間:8s(tau63%) 低功耗80w(12位測量,1次/s) SHT10溫濕度傳感器管腳分布如圖4所示。 圖4 SHT10引腳圖 Fig.4 SHT10 pin 其引腳功能如表4所示。 表4引腳功能 Table4 Pin function 管腳名稱 功 能GND 接地DATA 串行數(shù)據(jù)，雙向SCK 串行時鐘，輸入口VDD 電源現(xiàn)在普遍存在的溫、濕度檢測儀器大多都是單點測量，同時也會有溫、濕度信息傳遞不及時、精度不夠等許多缺點，不利于工業(yè)控制的操作者根據(jù)溫、濕度變化及時做出正確的決定,本設(shè)計的SHT10溫濕度

37、傳感器能夠同時測量大棚中的相對溫度和相對濕度數(shù)據(jù)，并及時將測量的數(shù)據(jù)傳遞至單片機控制中心處理。其電路如圖5所示，在電源引VDD , GND之間須加一個100nF的電容，用以去耦濾波。SHT10的串行接口，在傳感器信號的讀取及電源損耗方面，都做了優(yōu)化處理。傳感器不能按照I2C 協(xié)議編址，但是，如果I2C 總線上沒有掛接別的元件，傳感器可以連接到I2C 總線上，但單片機必須按照傳感器的協(xié)議工作。SCK 用于微處理器與SHT10之間的通訊同步。由于接口包含了完全靜態(tài)邏輯，因而不存在最小SCK 頻率。DATA引腳為三態(tài)結(jié)構(gòu)，用于讀取傳感器數(shù)據(jù)。 圖5 溫濕度采集模塊電路圖Fig.5 Temperatu

38、re and humidity acquisition module circuit diagram當(dāng)向傳感器發(fā)送命令時,DATA在SCK上升沿有效且在SCK高電平時必須保持穩(wěn)定。DATA在SCK下降沿之后改變。為確保通訊平安，DATA 的有效時間在SCK 上升沿之前和下降沿之后應(yīng)該分別延長至TSU and THO當(dāng)從傳感器讀取數(shù)據(jù)時，DATA TV在 SCK 變低以后有效，且維持到下一個SCK的下降沿。為防止信號沖突，微處理器應(yīng)驅(qū)動DATA 在低電平。需要一個外部的上拉電阻例如：10k將信號提拉至高電平。上拉電阻通常已包含在微處理器的I/O電路中23。5.1.3 擴展內(nèi)存RAM的選擇及電路設(shè)

39、計 CY62256是一種328的高集成度的RAM，采用單一+5V電源供電，雙列直插式28引腳SOIC封裝，它存儲容量大、集成度高、本錢低，具有靈活的讀寫性和較好的數(shù)據(jù)非易失性等特點，其芯片的引腳排列如圖6所示。 圖6 CY62256引腳圖Fig.6 CY62256 Pin 其引腳功能如表5所示24。表5 CY62256引腳功能Table 5 CY62256 pin Function 管腳名稱 功 能A0A14 15位的地址輸入端口I/O0I/O7 8位輸入和輸出端口CE 地址鎖存使能端，用來控制鎖存器WE、OE 讀寫選通信號端VCC 電源GND 地為了方便即時儲存采集的溫濕度數(shù)據(jù)，本設(shè)計單片機

40、的數(shù)據(jù)存儲選用了的CY62256作為隨機存儲器，主要用于存儲短時間使用的程序。選用 DM74ALS373作為RAM電路的中鎖存器，最主要作用是緩存，其次完成高速的控制其與慢速的外設(shè)的不同步問題，再其次是解決驅(qū)動的問題，最后是解決一個 I/O 口既能輸出也能輸入的問題，CY62256的地址輸出被用來驅(qū)動DM74ALS373鎖存器使能輸入端LELatch Enable。只要處理器訪問那些分配給這種設(shè)備的存儲區(qū)域，那么地址解碼器將會觸發(fā)鎖存器以獲取數(shù)據(jù)總線上的信息。因此，處理器會把一個字節(jié)的信息寫入到鎖存器地址區(qū)域中的任意地址上，接著這一字節(jié)的信息便會被輸出到數(shù)碼管。其應(yīng)用電路如圖7所示。 圖7 擴

41、展內(nèi)存RAM的電路Fig.7 Circuit of expanded memory RAM5.1.4 EEPROM存儲器的選擇及電路設(shè)計24C256是美國CATALYST 公司出品的一個1-256K位的支持I2C總線數(shù)據(jù)傳送協(xié)議的串行CMOS EEPROM，可用電擦除，可編程自定時寫周期包括自動擦除時間不超過10ms 典型時間為5ms的串行EEPROM。它具有不易喪失、可更新、高性價比、低功耗的特點，斷電后存在其中的數(shù)據(jù)不會喪失，可以去除存儲數(shù)據(jù)和再編程。24C256的引腳排列描述如圖8所示。為了能夠長時間儲存采集的溫濕度數(shù)據(jù)，以及防止突然掉電情況下數(shù)據(jù)也不會喪失，本設(shè)計數(shù)據(jù)存儲ROM電路由串

42、行EEPROM 24C256組成，在速度要求不是很高的情況下，串行EEPROM使用24C256是比擬理想的選擇。,圖8 24C256引腳Fig.8 24C256 Pin 引腳功能描述如表6所示25。表6 24C256引腳功能 Table6 24C256 Pin Function 管腳名稱 功 能A0、A1、A2 器件地址選擇SDA 串行數(shù)據(jù)、地址SCL 串行時鐘WP 寫保護VCC GND 地該存儲電路芯片24C256的SCL為串行時鐘引腳，用于產(chǎn)生器件所有數(shù)據(jù)發(fā)送或接收的時鐘。SDA為串行數(shù)據(jù)/地址，這是一個雙向傳輸端，用于傳送地址和所有數(shù)據(jù)的發(fā)送或接收。其電路如圖9所示： 圖9 EEPROM

43、存儲器電路 Fig.9 EEPROM memory circuit5.1.5 無線模塊芯片的選擇及電路設(shè)計采用Silicon Labs EZRadioPRO系列ISM頻段無線芯片SI4432,在240-960 MHZ頻段下， 最大輸出功率可以到達+20DBm。此方案為無線工程師們使用SI4432芯片開發(fā)無線網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，提供了完整的硬件和軟件參考28。SI4432芯片參數(shù)：頻率范圍 240960MHZ接收靈敏度 -117dBm通訊波特率 1128kbps發(fā)射功率 1120dBm在關(guān)斷模式下電流為10Na 在休眠模式下電流為 300nASI4432的的引腳排列描述如圖1026。 圖10 SI44

44、32引腳圖Fig.10 SI4432 pin 圖11 無線接收模塊電路 Fig.11 The wireless receiver module circuit以前的溫、濕度傳感器都是經(jīng)有線的方式傳輸數(shù)據(jù)，線路復(fù)雜冗余，不適合大范圍或者異地多數(shù)量的測量，線路故障也很難排查，假設(shè)設(shè)備重新布局那么要重新布線等一系列問題，連線本錢也相對要高，線路的老化問題也會影響設(shè)備的可靠性，尤其是有線網(wǎng)絡(luò)不通暢或由于現(xiàn)場環(huán)境因素的限制；而不便于架設(shè)線路的情況下，給溫、濕度的數(shù)據(jù)測量帶來了很大的麻煩。因此本設(shè)計選用了無線芯片SI4432制作無線模塊，發(fā)送時，要發(fā)送的數(shù)據(jù)經(jīng)過單片機處理后，通過SI4432發(fā)送出去。接收

45、時，SI4432那么將數(shù)據(jù)正確收后通過數(shù)碼管顯示出來，從而實現(xiàn)短距離的無線通信，其電路設(shè)計如圖11所示。5.1.6 顯示器的選擇及電路設(shè)計 數(shù)碼管具有發(fā)光強、可視性好和本錢低等優(yōu)點，在儀器儀表的輸入輸出人機交互設(shè)備中經(jīng)常用作顯示器件，共陰數(shù)碼管有上拉電阻，而共陽極那么沒有，如此一來共陰數(shù)碼管亮度較高。再者用單片機控制時，單片機上電和復(fù)位后所有的I/O口都是高電位，如此一來只要單片機一上電，電流經(jīng)過數(shù)碼管的位流向共陰至地，數(shù)碼管就會亮，節(jié)省電量和重復(fù)利用資源，本設(shè)計顯示器電路選用采用4位共陰LED數(shù)碼管從P13,P14, P15,P16串口輸出段碼。用PNP三極管進行驅(qū)動，當(dāng)相應(yīng)的端口變成低電平

46、時，驅(qū)動相應(yīng)的三極管會導(dǎo)通，驅(qū)動三極管給數(shù)碼管相應(yīng)的位供電，這時只要P0口送出數(shù)字的顯示代碼，數(shù)碼管就能正常顯示數(shù)字 27 。其電路如圖12所示。 圖12 數(shù)碼管電路Fig.12 Digital control circuit5.1.7 按鍵電路設(shè)計本設(shè)計采用的是獨立鍵盤額的設(shè)計，獨立式鍵盤的按鍵相互獨立，每個按鍵接一根I/O口線，一根I/O口線上的按鍵工作狀態(tài)不會影響其它I/O口線的工作狀態(tài)。因此，通過檢測I/O口線的電平狀態(tài)，即可判斷鍵盤上哪個鍵被按下。本設(shè)計還可以直接設(shè)定溫濕度參數(shù)的上下限值，從而到達對溫濕度控制報警的功能。按設(shè)置鍵出現(xiàn)設(shè)置界面，按確定鍵選擇需要設(shè)置的數(shù)字，上下鍵設(shè)置需要

47、限定的溫濕度如圖13所示。 圖13 按鍵電路 Key circuit5.1.8 報警電路設(shè)計系統(tǒng)采用聲音報警來實現(xiàn)溫濕度的越限報警，當(dāng)蔬菜大棚里的溫濕度超過人為的設(shè)定值時，與該大棚里溫濕度傳感器相連的單片時機輸出一個高電平給該報警電路中的三極管，從而使三極管工作帶動小喇叭發(fā)出聲音警報，如圖14所示。 圖14 報警電路Fig.14 Alarm circuit 5.1.9 電源電路設(shè)計圖15為整個硬件電路的電源模塊電路圖, ZA3020是單片降壓與內(nèi)置的內(nèi)部功率MOSFET穩(wěn)壓器。它實現(xiàn)了2A連續(xù)輸出電流在較寬的輸入供電電壓范圍內(nèi)具有優(yōu)異的負載和線路調(diào)整。電流模式操作提供了快速瞬態(tài)響應(yīng)和簡化環(huán)路穩(wěn)

48、定性。ZA3020電壓輸出公式:V=1.22V1+(R2/R1)；推算出R1=10K,R2=17K。效率高、可以輸出大電流、靜態(tài)電流小。僅需要幾只外接電感器和濾波電容器，此技術(shù)不僅可以實現(xiàn)調(diào)壓的功能而且還可以到達高功率因數(shù)的目的。 圖15 穩(wěn)壓電路Fig.15 Regulator circuit5.2 RS485接口的硬件設(shè)計5.2.1 RS485接口芯片的選擇MAX485是MAXIM公司的RS485接口芯片，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖16所示。MAX485支持單電源5V工作，MAX485的驅(qū)動器擺率不受限制，傳輸速率最高可達2.5MBPS，這些收發(fā)器在驅(qū)動器禁用的空載或滿載狀態(tài)下，吸取的電源電流在120A至500A之間。驅(qū)動器具有短路電流限制，并可以通過熱關(guān)斷電路將驅(qū)動器輸出置為高阻狀態(tài)。MAX485可實現(xiàn)全雙工通信，其R、D端的邏輯“0的電平在 0.5V0.8V之間，邏輯“1的電平在2.0VVCC之間。輸出電流環(huán)的電流在150A500A之間。其工作狀態(tài)為：當(dāng)A 端電壓比B端電壓高200mV以上，R輸出邏輯“1，當(dāng)A端電壓比B端電壓低200mV,RO輸出邏輯“0 。MAX485是常用于RS-485與RS-422通信的低功耗收發(fā)器 28。 圖16 MAX485引腳 Fig.16 MA