最新温室大棚温湿度监测系统解决方案设计Word文件下载.docx
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这种人工测试方法费时费力、效率低,且测试的温度以及湿度误差大,随机性大。
故需要一种造价低廉、使用方便且测量准确的温湿度自动测量系统,对温室大棚内的温度以及湿度变化情况进行实时自动测试,一旦出现异常现象便于及时分析和处理,将会有效地提高工作效率;
同时,若能将采集到的温湿度信息传入电脑,再利用PC机的各类分析软件对其进行实时监控、分析和处理,打印出历史曲线,建立出一种管理方便、操作简便、运行可靠的高效率控制系统将是极为有意义的,也是当今测试仪器向高速、便捷、网络化发展的一个重要方向。
1 温湿度监测系统设计
温湿度监测系统分为下位机数据采集部分和上位机数据实时监测处理部分。
下位机可作为独立模块使用,主要完成温湿度信息的采集、数据处理和显示、上下限数据的设置、超温报警以及数据上传功能。
上位机将接收的数据进行简单处理后实时显示并打印出历史曲线。
该系统主要包括温、湿度信息采集,温、湿度上下限设定,数据换屏显示,声光报警,USB数据通讯以及PC机数据处理模块,框图如图1所示。
2 硬件电路设计
2.1 USB通信电路
系统采用CH341作为USB接口通信芯片。
此芯片是一个USB总线的转接片,通过USB总线提供异步串口、打印口、并口以及常用的2线和4线等同步串行接口。
设计通过使用其提供的异步串口功能,与单片机进行USB数据通讯。
由于电脑串口RS232的电平是-10~+10V,而单片机应用系统的信号电压是TTL电平0~+5V,故与CH341通讯时需进行电平转换。
将TTL电平转换为RS232电平后传入CH341中,设计采用MAX232用来进行电平转换,该器件包括2个驱动器、2个接收器和1个电压发生器电路提供TIA/EIA-232-F电平。
MAX232芯片可以完成两路TTL/RS-232电平的转换,MAX232的9和10引脚是TTL电平端,用来连接单片机,11和12引脚分别接CH341芯片的TXD和RXD引脚。
详细电路图,如图2所示。
2.2 温湿度采集电路
系统采用SHT11单片智能化温湿度传感器。
测量相对湿度的范围是0~100%,分辨力高达0.03%,最高精度为2%RH;
测量温度的范围是-40~123。
8℃,分辨率为0.1℃;
测量露点的精度<1℃。
连接时,仅需要两条口线即可实现单片机和SHT11的双向通讯,在使用中不需要任何外围元件,被测温度通过编程可实现9~12位的数字方式串行输出,测温范围大、精度高。
电路如图3所示,上拉电阻10kΩ,C为电源退耦电容。
2.3 显示模块
设计使用的液晶模块是JCM12232图形点阵型液晶模块,它是一种内置8192个16倡16点汉字库和128个16倡8点ASCII字符集图形点阵液晶显示器,主要由行驱动器/列驱动器以及128倡32全点阵液晶显示器组成。
液晶模块主要是将主机处理后的数据显示出来。
该模块与单片机连接简单,只需单片机的3位I/O口分别与液晶模块的SCLK,SID,CS相接。
在系统中,为了布线简单以及驱动能力更强,分别用单片机P2.0,P2.1,P2.2接液晶显示器的CS,SID,SCLK端,具体的连接如图4所示。
2.4 报警电路
为了在温湿度测量中对温湿度的上下限超出提示报警,设计采用蜂鸣音报警电路。
通过单片机的1根口线经驱动器驱动蜂鸣音发声,使用三极管驱动,如图5所示。
单片机的P3.7通过电阻R2接三极管的基极,R3接在基极和发射极上。
当P3.7输出低电平时,三极管导通,蜂鸣器发声;
当P3.7输出高电平时,三极管截止,蜂鸣器停止发声。
3 系统软件设计
3.1 下位机软件设计
软件部分是系统运行的核心,下位机包括温湿度数据采集部分、USB数据发送部分、按键处理部分和数据结果处理换屏显示部分以及软件校验。
在设计下位机软件时,USB数据通讯模块采用在定时器0中触发串口中断实现,定时器0设置为50ms中断1次,所以在主程序中需首先对串口中断,定时器0中断进行初始化。
此外,由于液晶显示模块采用JCM12232,因而还需对液晶显示器进行初始设置,然后将温湿度传感器采集到的数据转变为液晶显示器能够识别的ASCII码值,显示出来。
在主程序中还设计了按键处理程序,分别用来对温湿度的上下限值进行设定。
设置完成后,当实时温度等于设定温度的上下限时,或者实时湿度等于设定湿度的上下限时,报警电路触发。
详细的下位机主程序流程图如图6所示。
系统中,单片机系统向USB接口芯片的数据传输是利用在定时器0中触发串口中断的形式完成。
并于PC机系统达成协议,当FLAG3标志位为0时发送的是温度信息;
当标志位FLAG3为1时发送的是湿度信息。
然后,由PC机系统软件将接收到的数据分别处理,打印历史曲线并显示,详细流程如图7所示。
定时器0初始化初值设置为:
TMOD=0x01;
TR0=1;
IE=0x82;
TH0=(65525-500000)/256;
TL0=(65535-500000)%256,流程图设计如图8所示。
数据采集软件主要实现单片机系统STC89C52对温湿度传感器SHT11的初始化、发送测量命令及数值的读取,还有实验调试时的显示等辅助程序。
按键处理程序主要用于FLAG3发送信息标志位,温、湿度上限值和下限值的设置。
在正常情况下,绿灯亮,显示器第1行显示实时温度,第2行实时湿度。
当设置键按下1次时,显示温度信息,第1行显示实时温度,第2行显示上限温度和下限温度。
在此情况下,按1次加速键,温度上限加1℃,按1次减速键,温度上限减1℃。
当设置键第2次按下时,仍然温度信息,第1行显示实时温度,第2行显示上限温度和下限温度;
在此情况下,按1次加速键,温度下限加1℃。
按1次减速键,温度下限减1℃;
当设置键第3次按下时,显示湿度信息,第1行显示实时湿度,第2二行显示湿度上限和湿度下限;
在此情况下,按1次加速键,湿度上限加1%RH,按1次减速键,湿度上限减1%RH。
当设置键第4次按下时,仍然显示湿度信息,第1行显示实时湿度,第2行显示上限湿度和下限湿度;
在此情况下,按1次加速键,湿度上限加1%RH,湿度下限减1%RH。
当设置键第5次按下时,显示器显示恢复正常显示,即显示实时温度和实时湿度。
软件流程图如图9所示。
在温湿度数据通信系统中,单片机与PC机之间的数据通信采用USB接口芯片CH341实现。
由于CH341是在转异步串口的方式下获取单片机系统数据的,所以CH341芯片与单片机之间的信息交换是通过串行通信实现。
在时序处理中,单片机主动发送命令或数据,触发中断,然后CH341芯片将发送的命令和数据传入PC,进行相应处理。
3.2 上位机软件设计
设计采用VB作为上位机软件开发平台。
VB的MSComm通信控件具有丰富的与串口通信密切相关的属性及事件,提供了一系列标准通信命令的接口,可以用它创建全双工的、事件驱动的、高效实用的通信程序。
图10为上位机软件运行界面。
各控件的使用方法及功能如下:
1)修改“COM口”可以改变PC机与USB-SERIAL的端口连接位置,应根据具体硬件连接而定。
2)修改“波特率”可以改变MCU与PC机的数据传输速率,具体应在下位机软件里进行设置,上位机软件进行数据选择。
若波特率不匹配,则不能正常接收所传数据。
3)修改“校验位”同波特率原理类似,共有NONE、奇校验、偶校验3种模式。
同样,应视下位机软件传输协议而定。
4)修改“数据位”:
软件中提供4,5,6,7,8等5种选择方式,应根据单片机中软件设置而定。
5)点击“连接”命令按钮:
将PC机与下位机进行连接,若端口设置窗口正确,则SHAPE1控件动作,同时指示灯亮,显示“已连接”。
相反,若端口信息设置错误,则显示未发现端口。
6)点击“断开”命令按钮:
将PC机与下位机断开。
7)点击“退出”命令按钮:
PC机与下位机断开,同时软件界面退出。
8)温湿度信息窗体中显示当前温度和当前湿度信息。
当软件接收温度信息时,“温度”指示灯亮,同时内码窗中显示实时温度值;
当软件接收湿度信息时,“湿度”指示灯亮,同时文本框中显示实时湿度值。
9)点击“重新采样”命令按钮:
PictureBox控件动作,准备绘制实时曲线。
10)点击“开始/暂停”命令按钮:
当“重新采样“命令按钮已经按过后,单击此控件,软件将根据所传温湿度信息实时打印变化曲线,再次单击后,则打印停止。
11)“温湿C/湿度%”:
此窗体是为打印温湿曲线而设计,利用PictureBox控件进行信息实时打印,当打印温度信息时,默认为“C”;
当打印湿度信息时,默认为“%RH”。
利用MSComm控件的Input属性接收数据,Input属性从接收缓冲区中返回一串数据,它在设计阶段是无效的,在运行阶段也只能读,属性的返回类型为Va-riant。
InputLen属性值决定着Input属性读取的字符个数,将InputLen设为0,意味着利用Input属性读出接收缓冲区中的所有内容。
4 系统测试
系统调试采用模块化调试和整体组合调试相结合的方法来进行。
经过模块化的软件仿真、硬件电路调试和组装测试,最终实现了单片机系统的温湿度数据采集功能、从机液晶初步显示功能、按键上下限温湿度设定功能、声光报警功能、USB数据传输功能以及PC机的USB数据接收功能、温湿度处理显示功能和温、湿度信息历史曲线打印等功能。
该温湿度测量装置在实际工作中具有很好的效果,表1为该装置在温室大棚中所采集数据中的一部分,采集时间间隔3min,通过与标准温度计和专用湿度计对比分析,温度误差不超过湿度误差,不超过±
4%。
5 结束语
本文设计的基于USB接口温湿度监测系统,结构简单、使用方便,具有小型化、可视性好等特点;
同时采用USB接口和上位机连接,实时打印温湿度变化曲线,具有一定的推广应用价值。
[1] 卢超.基于PC机与单片机分布式温度采集系统的设计[J].仪表技术与传感器,2007(6):
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托普物联网是浙江托普仪器有限公司旗下的重要项目。
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