基于组态王温度监测系统的设计.docx
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基于组态王温度监测系统的设计
基于组态王温度监测系统的设计
集美大学诚毅学院信息工程系
电子信息工程专业2011届欧阳丰学号：
2007943037
［扌商要］随着科学技术的不断进步，工业化要求随着工业化水平不断提高，分布式系统发展以及控制设备与监控设备之间通讯需要，组态软件设讣的监控系统广受欢迎并逐步普及。
为了温度的监测和提高工作的可靠性，设计了基RS-232总线和组态王的温度监测系统。
上位机利用组态王设计数据显示与曲线绘制的图形界面，通过RS-232总线与下位机通信,下位机釆用单片机实现数据的采集并通过串行通信上传数据，将DS18B20采集的温度信息实时显示出来并传送给上位机。
本文给出了系统总体结构、系统硬件电路和软件实现流程图。
实验结果表明，系统测量准确，具有一定的实用价值。
［关键词］组态王DS18B20RS—232温度监测通信协议
DesignofTemperatureMonitoringSystemBasedonKingview
OuyangFeng
N0:
2007943037,ElectronicInformationEngineeringMajor,2011,
Dept,ofInformationEngineering,ChengYiCollegeofJimeiUniversity
Abstract：
Alongwiththescienceandtechnologyunceasingprogress,industrializationrequirementswiththeindustrializationlevelincreases,adistributedsystemdevelopmentandthecontrolequipmentandmonitoringequipmentcommunicationbetweenneeds,configurationsoftwaredesignofmonitoringsystemandgraduallypopularizingpopular.Toachieveremotetemperaturemonitoringandimprovethereliabilityofworking,theremotetemperaturemonitoringsystemisdesigned.Inthesystem,thePCcommunicateswiththeMCUthroughRS232bus.TheMCUgetsthetemperaturedatafromDS18B20,adigitaltemperaturesensor.ThendataaredisplayedandsenttothePC.Inthearticle,theoverallstructureofthesystemisintroducedandthehardwareimplementationcircuitandthesoftwareflowchartaregiven.Practiceindicatesthatthesystemhasadvantagesofaccuratemeasurement,widetemperaturerangeandconvenientcontrolling・
Keyword:
Kingview;DS18B20;RS—232;Temperaturemonitoring;Communicationprotocol
弓I言1
第1章组态王2
1」组态王介绍2
1・2组态王6.52
1.2.1组态王的特点2
1.2.2分布式高速历史库3
123画面及部分功能3
第2章温度监测系统的硬件组成5
2」系统结构5
2.2DS18B20介绍5
2.2.1技术性能描述6
2.2.2DS18B20单总线通信介绍7
2.3硬件组成8
2.3.1下位机电路8
232RS—232串口通信电路9
第3章温度监测系统的软件设计10
3」软件设计10
3.2组态王与单片机的通信10
321通讯参数10
322数据传输格式与协议说明10
323单片机通讯协议流程设计11
3.3温度采集程序12
3.4组态王界面设计15
341插入文字和实时数据15
342插入趋势曲线以及报表17
343按钮设置18
第4章测试结果19
结论20
致谢21
参考文献22
随着科学技术的不断进步，匸业化要求随着工业化水平不断提高，分布式系统发展以及控制设备与监控设备之间通讯需要，组态软件设讣的监控系统广受欢迎并逐步普及。
现在组态软件繁多，比如KingVieW（组态王）、MCGS、WinCC等。
其中KingView软件具有良好的图形界面、丰富的驱动程序和网络功能，价格适中，因而在国内冶金、电力等领域应用广泛。
KingView软件基于MicrosoftWindowsXP,NT/2000操作系统.具有友好的人机操作界面、强大的10设备端口驱动能力，可与各种PLC.智能仪表、智能模块、板卡、变频器等实时通讯。
山于在检测大量模拟量的工业现场使用PLC与组态软件通讯势必增加产品成本。
然而单片机接口丰富，与A/D转换模块组合可以完成相同的工作，并且系统可幕、成本低，固受到好评并广泛使用。
在工、农业生产和日常生活中，各个环节都与温度紧密相联，温度的测量及控制占据着极其重要地位。
温度已成为大多数仪器正常工作的前提，而且对温度的要求也越来越严格。
因此，温度检测与控制方法的研究越来越受到人们的重视。
U前，典型的温度测控系统是山模拟式温度传感器、A/D转换电路和单片机组成。
自动化程度和可靠性较高，使用方便，得到了广泛应用。
但是山于模拟式温度传感器输岀为模拟信号，必须经过A/D转换环节获得数字信号后才能与单片机等微处理器接口，使得硕件电路结构复杂，成本较高。
而以DS18B20为代表的新型单总线数字式温度传感器集温度测量和A/D转换于一体，直接输岀数字量，与单片机接口儿乎不需要外圉元件，使得硬件电路结构简单，广泛使用于远距离、多节点的场合。
具有较强的推广应用价值。
本设计基于组态王组态软件和单片机串口通讯实现了一种适合工业现场的远程温度监测系统，该方法既利用组态软件方便快捷的界面设汁功能，乂可借助编程实现大数据量的吊口通信、复杂的数据分析和处理等功能。
实际运行效果表明：
该监控系统实现了上位机与下位机之间连续、可幕的数据信息交换，是一种经济实用、安全有效的温度监测方式，可应用于仓库测温、楼宇空调控制和生产过程监控等领域。
第1章组态王
1.1组态王介绍
组态王开发监控系统软件，是新型的工业自动控制系统，它以标准的工业计算机软、硬件平台构成的集成系统取代传统的封闭式系统。
组态王软件经过七年开发，五年的各种突发环境的真实考验，九千例工程（钢铁，化工，电力，国属粮库，邮电通讯，环保，水处理，冶金等各行业）的现场运行（包括"中华世纪坛"国家标志性工程）,现已成为国内组态软件的客户首选，并且作为首家国内组态软件应用于国防，航空航天等重大领。
本次设计使用的仿真是组态王6.5系列。
下一节具体的介绍组态王6.5o
1.2组态王6.5
组态王6.5是亚控科技在组态王6.Ox系列版本成功应用后，广泛征询数千家用户的需求和使用经验，采取先进软件开发模式和流程，山十多位资深软件开发工程师历时一年多的开发，及四十多位试用户一年多的实际现场考验。
使用更方便，功能更强大，性能更优异，软件更稳定，质量更可鼎。
组态王6.5的推出再次验证了亚控科技〃以客为尊、务实创新、勤奋正值、协作成长〃的经营理念。
亚控科技是一个永远都会将用户利益放在首位的、值得用户信赖的专业自动化软件服务商
使用组态王实现控制系统实验仿真的基本方法：
（1）图形界面的设计；
（2）构造数据库；
（3）建立动画连接；
（4）运行和调试。
1.2.1组态王的特点
它具有适应性强、开放性好、易于扩展、经济、开发周期短等优点。
通常可以把这样的系统划分为控制层、监控层、管理层三个层次结构。
其中监控层对下连接控制层，对上连接管理层，它不但实现对现场的实时监测与控制，且在自动控制系统中完成上传下达、组态开发的重要作用。
尤其考虑三方面问题：
画面、数据、动画。
通过对监控系统要求及实现功能的分析，采用组态王对监控系统进行设计。
组态软件也为试验者提供了可视化监控画面，有利于试验者实时现场监控。
而且，它能充分利用Windows的图形编辑功能，方便地构成监控画面，并以动画方式显示控制设备的状态，具有报警窗口、实时趋势曲线等，可便利的生成各种报表。
它还具有丰富的设备驱动程序和灵活的组态方式、数据链接功能。
使用组态王软件开发具有以下儿个特点：
（1）实验全部用软件来实现，只需利用现有的讣算机就可完成自动控制系统课程的实验，从而大大减少购置仪器的经费。
（2）该系统是中文界面，具有人机界面友好、结果可视化的优点。
对用户而言，操作简单易学且编程简单，参数输入与修改灵活,具有多次或重复仿真运行的控制能力，可以实时地显示参数变化前后系统的特性曲线,能很直观地显示控制系统的实时趋势曲线，这些很强的交互能力使其在自动控制系统的实验中可以发挥理想的效果。
1.2.2分布式高速历史库
过程数据的存储功能对于任何一个工业自动化系统来说都是至关重要的，随着自动化程度的进一步普及和提高，用户对重要数据的存储和使用的要求也越来越高。
面对对大批量实时数据的存储，必须解决同步存储速度响应慢、数据易丢失、存储时间短、存储占用空间大、数据读取访问速度慢等用户最关心的问题。
因为用户需要一个实时的、记录准确地、高效的、可节约用户硬件成本的工业过程数据存储方案。
组态王6・5顺应这种用户的期望，提供支持毫秒级高速历史数据的存储和查询功能的工业过程数据库。
真正的企业级生产过程数据仓库。
采用最新数据压缩和搜索引擎技术，数据压缩比优于20%节约用户硬件成本；一个月内数据（单点，记录间隔10秒）按照每小时间隔，在白毫秒内即可完成查询。
真正实现历史库数据的数据追记、数据合并。
可以将特殊设备中存储的历史数据片段通过组态王驱动程序完整的合并到历史数据服务器中；也可以将远程站点上的组态王历史数据片段合并到历史数据服务器上。
123画面及部分功能
1.画面改进
1•支持大画面\导航图：
用户可以制作任意大小的画面，利用滚动条和导航图控制画面显示内容；绘制、移动、选择图素时，画面自动跟踪滚动。
2•方便的变量替换：
可以单独替换某个画面中的变量，也可以在画面中任意选中的图素范圉内进行变量替换。
3•自定义菜单：
支持二级子菜单。
4•任意选择画面中的图素：
在画面中使用键盘和鼠标结合可以任意选择多个图素进行组合、排列等操作。
2.变量
1•定义结构成员时可以定义基本属性，例如变量属性、报警属性和记录属性等。
2.定义结构变量时自动继承结构成员的属性。
3.结构变量可整体赋值。
4.结构变量可作为自定义函数的参数。
3•在数据词典中可以任意选择多个变量集中修改变量共有属性。
3.非线性表
非线性表新增导入导出功能，能导岀为逗号分隔文件（*.csv）,可在文本状态编辑或传送，编辑完成后还可导入，据此可实现不同工程中的非线性表重复利用。
网络状态的控制和显示通过引用网络上计算机的鸽网络状态〃变量得到网络通讯的状态。
同时，能够对网络的通讯状态进行控制。
对于定义“网络节点〃的网络通讯方式，是在网络设备上建立commerr寄存器来完成网络状态的显示和控制。
4•注意事项
在采用组态王开发系统编制应用程序过程中要考虑以下三个方面：
（1）图形，是用抽象的图形画面来模拟实际的丄业现场和相应的丄控设备；
（2）数据,就是创建一个具体的数据库，并用此数据库中的变量描述工控对象的各种属性，比如水位、流量等；
（3）连接，就是画面上的图素以怎样的动画来模拟现场设备的运行，以及怎样让操作者输入控制设备的指令。
第2章温度监测系统的硬件组成.
2.1系统结构
系统的总体结构框图如图1所示。
本系统是基于RS-232总线和组态王的远程多路温度监测系统，上位机是一台装有组态王的PC,用于查询温度；下位机是一个AT89C52单片机，负责采集DS18B20的温度数据，并反馈给上位机，实时显示温度信息，方便远程读取温度数据。
上位机与下位机之间采用RS-232总线进行通信，可实现对温度的监测。
组态王作为上位机软件，本身具有与单片机通信的通信协议，实现起来简单可靠。
图1系统的总体结构框图
2.2DS18B20介绍
DS18B20可组网数字温度传感器芯片封装而成，具有耐磨耐碰，体积小，使用方便，封装形式多样，适用于各种狭小空间设备数字测温和控制领域°DS18B20内部结构主要山四部分组成：
64位光刻ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发器TH和TL、配置寄存器。
该装置信号线高的时候，内部电容器储存能量通III1线通信线路给片子供电，而且在低电平期间为片子供电直至下一个高电平的到来重新充电。
DS18B20的电源也可以从外部3V-5.5V的电压得到。
MCT«=卜40■=MG：
■
卜40■--
NCT=
gs
卜40«=
VDO■=
OQ■-
T-2n・507fl
Dccccecc^z沁tq忆沁帕Nd■6
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MC
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可选VDD
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图2DS18B20引脚
2.2.1技术性能描述
1独特的单线接口方式，DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯。
2测温范围-55°C〜+125C,固有测温分辨率0.5°Co
3支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，最多只能并联8个，如果数量过多，会使供电电源电压过低，从而造成信号传输的不稳定,实现多点测温。
4工作电源:
3~5V/DC。
5在使用中不需要任何外围元件。
6测量结果以旷12位数字量方式串行传送。
7不锈钢保护管直径O6o
8适用于D\15~25,DN40"DN250各种介质工业管道和狭小空间设备测温。
9标准安装螺纹M10X1,M12X1.5,G1/2”任选。
10PVC电缆直接出线或德式球型接线盒出线,便于与其它电器设备连接。
DS18B20的内部主要包括寄生电源、温度传感器、64位激光ROM、单线接口、存放中间数据的高速暂存器（内含便笺式RAM）用于存储用户设定的温度上下限值的TH和TL触发器存储与控制逻辑、8位循环冗余校验码（CRC）发生器等七部分。
DS18B20的内部结构如图3所示。
电源检测
SfiCRC^J^
64位
和
接口
磁灵航件
低制拨器II
配置寄存器
图3DS18B20内部结构
DS18B20测量温度时使用特有的温度测量技术。
DS18B20内部的低温度系数振荡器能产生稳定的频率信号f。
，高温度系数振荡器则将被测温度转换成频率信号f。
当计数门打开时，DS18B20对f。
计数，计数门开通时间由高温度系数振荡器决定。
芯片内部还有斜率累加器，可对频率的非线性予以补偿。
测量结果存入温度寄存器中。
一般情况下的温度值应为9位（符号占1位）,但因符号位扩展成高8位，故以16位补码形式读出。
2.2.2DS18B20单总线通信介绍
山于DS18B20采用的是单线进行控制与读取数据，因此对操作的时序要求非常严格，否则山于时序不匹配，将无法完成对器件的正确操作。
根据DS18B20的通讯协议，主机控制DS18B20完成温度转换必须经过三个步骤：
每一次读写之前都要对DS18B20进行复位，复位成功后发送一条ROM指令，最后发送RAM指令（DS18b20功能命令），这样才能对DS18B20进行预定的操作。
根据单总线的通信的步骤，DS18b20加电后，处在空闲状态,要启动温度测量和模数转换，处理器需向其发出ConvertT指令,转换完成后,DS18b20回到空闲状态，温度数据以带符号位的16位补码存储在温度寄存器中，设计的流程图如图所示：
DS18b20初始化
X
写ROM扌旨令（CCH）
1
写RAM指令（44H）
Jz
等待温度转换
b
DS18b20Wpzft
写ROM拒令（CCH）
丄
写RAM指令（BEH）
騎谏取并
图4单总线通信流程
本设讣中使用单路的测量所以不需要读取ROM中的64位序列号，所以使用OCCH指令跳过ROM,忽略61位ROM地址;RAM指令中，44H是温度变换ConvertT指令，启动DS18B20进行温度转换和模数转化,0BEH读取暂存器指令，用于将转换完成的温度数据读岀.
2.3硬件组成
硬件电路包括下位机电路设计、RS-232总线电路等。
2.3.1下位机电路
下位机电路设计包括温度采集电路设计、总线收发电路设计、显示电路设讣和温控电路设计。
下位机控制器采用Atmel公司的AT89C52单片机。
AT89C52单片机是一种低功耗、高性能的8位微控制器，使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。
片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。
在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程的Flash,使得AT89C52单片机能为众多嵌入式控制应用系统提供灵活、有效的解决方案。
温度传感器采用Dallas公司生产的单总线器件DS18B20,属于新一代适配微处理器的智能数字温度传感器。
器件可以从单线的通信线取得电源，在信号线为高电平的时间周期内，把能量贮存在内部的电容器中，在单信号线为低电平期间消耗电容上的电能工作，直到高电平到来再给电容充电,此种供电方式称为寄生电源供电。
图5温度传感器原理图。
图5DS18B20原理图
图6为AT89C52单片机最小系统。
单片机最小系统，或者称为最小应用系统,是指用最少的元件组成的单片机可以工作的系统•对51系列单片机来说,最小系统一般应该包括:
单片机、晶振电路、复位电路。
复位电路：
山电容串联电阻构成，山图并结合“电容电压不能突变”的性质，可以知道，当系统一上电,RST脚将会出现高电平，并且，这个高电平持续的时间山电路的RC值来决定•典型的51单片机当RST脚的高电平持续两个机器周期以上就将复位,所以，适当组合RC的取值就可以保证可靠的复位•一般教科书推荐C取10.R取10K。
当然也有其他取法的，原则就是要让RC组合可以在RST脚上产生不少于2个机周期的高电平。
晶振电路：
典型的晶振频率有11.0592MHz和12MMHz两种。
取11.0592MHz的晶振可以准确地得到9600bps和19200bps的波特率，利于有串口通讯的场合：
取12MHz的晶振可以产生精确的uS级的机器周期，方便定时操作。
本设计要与PC机通信
所以将采用11.0592MHZ的晶振。
WPBP
Zjrro
XTIIIc综邮
图6AT89C52单片机最小系统
2.3.2RS—232串口通信电路
个人计•算机上的通讯接口之一，由电子工业协会（ElectronicIndustriesAssociation,EIA）所制定的异步传输标准接口。
通常RS-232接口以9个引脚（DB-9）或是25个引脚（DB-25）的型态出现，一般个人计算机上会有两组RS-232接口，分别称为C0M1和COM2。
由于RS232接口标准出现较早，难免有不足之处，主要有以下四点：
（1）接口的信号电平值较高，易损坏接口电路的芯片，乂因为与TTL电平不兼容故需使用电平转换电路方能与TTL电路连接。
（2）传输速率较低，在异步传输时，波特率20Kbpso
（3）接口使用一根信号线和一根信号返回线而构成共地的传输形式，这种共地传输容易产生共模干扰，所以抗噪声干扰性弱。
（4）传输距离有限，最大传输距离标准值为50英尺（实际W15米）。
图7为RS—232$口通电路原理图。
C5
WX232
IL
T20UT
VCC
：
9M
—
14
3
2
1
0TO
厂RXD
YCCCNDTiovrRUNR10UTTUNT2INR20UT
DB9
图7RS—232$口通信电路原理图
第3章温度监测系统的软件设计
3.1软件设计
软件设计包括以下儿个方面：
（1）组态王与单片机进行通信；
（2）循环调用温度采集子程序与温度控制子程序。
3.2组态王与单片机的通信
组态王提供了通过pc机与单片机串口进行十六进制数据通讯的驱动，而驱动中已经规定好其通讯协议。
321通讯参数
通讯参数包括数据位、停止位、波特率、校验方式。
其中，数据位、停止位、波特率山单片机决定。
组态王中的设定和单片机一致即可。
校验方式参照“数据传输格式”部分。
3.2.2数据传输格式与协议说明
格式1组态王发送地址请求格式（检验位为1）,如表1:
表1组她王发送地址请求格式
ENQ
Sta
EOT
CRC
格式2单片机应答地址格式（检验位为0）,如表2：
表2单片机应答地址格式
ACK
Sta
ETX
CRC
格式3组态王读数据请求格式（检验位为0）,如表3：
表3组态王读数据请求格式
ENQ
R
DataType
DataAddr
DataNum
EOT
CRC
格式4单片机应答读数据格式（正确）（检验位为0）,如表4：
表4单片机应答读数据格式（正确）
ACK
DataLong
Data••-
ETX
CRC
格式5单片机应答读数据格式（错误）（检验位为0）,表5：
表5单片机应答读数据格式（错误）
NAK
ErrorCode
ETX
CRC
格式6组态王写数据请求格式（检验位为0）,表6：
表6组态王写数据请求格式
ENQ
W
DataType
DataAddr
Data
EOT
CRC
格式7单片机应答写数据格式（正确）（检验位为0）,表7：
表7单片机应答写数据格式（正确）
协议具体说明如下:
E\Q（头）：
H05,
ACK（头）：
H06,
\AK（头）：
H15,
EOT（尾）:
H04,
ETX（尾）:
H03,
ACK
ErrorCode
ETX
CRC
询问，请求帧的开始代码；确认，ACK应答帧的开始代码;否认，\AK应答帧的开始代码;
正文的结束，请求帧的结束ASCII代码;
结束正文，应答帧的结束ASCII代码;
数据传输：
所有数据均为16进制数;
Sta：
设备地址，1个字节，组态王设备地址范围为0〜255,此地址为单片
机的地址，山单片机中的程序决定;
R：
读标志,1个字节（0x52）:
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