基于PC机空调控制系统数据通信的毕业设计.docx

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基于PC机空调控制系统数据通信的毕业设计

基于PC机空调控制系统数据通信的毕业设计

插图索引

图1系统框图25

图2九针D型串口26

图3MAX232芯片管脚及定义28

图4AT89S51复位电路28

图5DS18B20管脚图29

图6下位机通信流程图39

图7系统原理图40

图8人机控制界面41

绪论

选题背景及目的

随着社会生活水平的提高和科学技术的发展，大型空调已经广泛应用在各种场合，比如公司，医院，车站等等。

然而这些空调都没有一个统一的管理和控制系统，比如在一个公司，员工下班后大部分人都不会主动关闭空调就离开了工作房间，有些人特意将空调温度设置的很低，因此造成大量的电能浪费，本系统旨在使家电趋向高效，节能，智能化方向发展，大大减少个人人为的任意操作，使其具有统一规范的控制管理系统。

节约能源是全人类永恒的话题与使命，任何项目的研究和开发都必须充分考虑高效与节能，杜绝浪费。

自从八十年代后期，PC机市场开始快速发展，越来越多的PC机应用得到开发。

PC机的广泛应用不仅改变了我们的计算方式，对自动测试系统领域也带来了革命性的变化。

充分利用计算机丰富的软硬件资源，大大突破了传统测试系统在数据信号处理、显示、传送、存储、打印等方面的限制。

目前，随着单片机及微机技术的不断发展，单片机组网技术越来越成熟，集散测控系统应用越来越广泛。

它既利用了单片机性价比高和面向控制等优点，又结合PC机具有丰富的软硬件资源，特别是非常友好的人机界面等特点。

在这种系统中，单片机主要进行实时数据采集及预处理，然后通过串行口将数据传送给PC机，PC机对这些数据进一步处理，基于PC机的测试系统与监控系统正向着高速、高效，智能化、多功能化、多样化发展。

国内外研究状况

如今有的空调控制系统仅仅采用的是以单片机为主，采用键盘或遥控器进行参数设置，外接报警等控制电路，不具备人性化，而且操作不方便，如果对多台空调进行控制更加显得麻烦，增大了工作量。

相比于本系统具有很大的缺陷性。

随着单片机技术的发展,在各种单片机应用系统的设计中,如智能仪器仪表、各类手持设备、GPS接收器等,常常需要PC机与外部设备进行信息交换,即通信。

串行通信已经成为计算机与其他设备进行数据交换的最广泛的途径之一。

这也是当今市场比较热门的技术，许多监控系统都是基于PC机与单片机的串行通信来实现上位机对下位机的控制与监控，管理员只需在监控室的电脑上操作一个Windows环境下的人机界面就可以对所有要控制的设备进行管理，这使得管理员的工作量大大减少，也提高了工作效率，更加具有现代化和人性化。

设计和研究方法

本系统设计方法采用的是PC机与多片单片机实现数据通信，利用PC机和单片机的串口实现数据通信，所谓串口通信是指按照逐位顺序传递数据的通信方式,由于仅需三根传输线传送信息且通信距离相对较远,所以在控制领域的现场监测、分布控制等场合有着重要的应用价值。

鉴于PC机具有强大的监控和管理功能,单片机则具有快速以及容易控制的特点,在数据量不大、传输要求不高的情况下,传输距离要求不远的情况下一般都采用给PC机配置的RS2232标准串行接口（如COM1,COM2）来实现应用系统与PC机之间的数据交换，PC机可以与一片单片机实现点对点通信，也可与对片单片机实现多机通信。

由于本系统是实行对多台空调的同时监控与控制，故采用PC机与单片机多机通信，每个房间的空调都安装一个单片机系统，实现对温度的采集和发送，接受PC机发来的控制命令字，驱动控制器工作。

上位PC机采用的是VisualBasic语言和它的MSCOMM控件来实现与单片机的串口通信，能任意发送命令给下位机并且也可以接收下位机发来的数据，实现双工通信。

上位机定时对下位机采集的温度数据进行读取，经过判断来决定要发送的控制命令。

在PC机Windows环境下实现串行通信一般有4种方法：

底层汇编操作；用某些高级语言（如C、PASCAL）提供的库函数；用Windows提供的API函数；用串行通信控件MSCOMM；这几种方法有各自的优缺点，使用局限性也各不相同。

有些通信方法可直接对串行口地址位操作，在此方式中，可传送一帧11位的信息：

1位起始位，8位数据位，1位可作“地址帧”和“数据帧”的标志位和1位停止位。

这可很方便实现多机通信（单片机通信方式2、3），但其复杂化和专业化程度高。

串行通信控件MSCOMM只发送一帧10位的信息，取8位数据位，1位起始位，1位停止位，这与单片机的串口工作方式1刚好相同。

利用此特性，在通信协议中，每台下位单片机都规定一个明确的地址，PC机发送出一个数据（地址或命令）给下位机后等待下位机的反应。

下位机接收到地址或命令后，比较确认，若为本机地址则继续接受PC机发来的命令。

利用这种查询方法可方便实现PC机与多台单片机的多机通信。

1方案比较与论证

方案一：

采用单片机与单片机多机通信，选定其中任意一片单片机作为主机，其余为从机，分别安装在每个房间控制每个房间的空调并采集每间房的温度。

单片机本身带有串口，可与单片机实现多机通信，但由于作为主机那块单片机需要管理与监控多台空调，对参数的设置以及实时监控带来了不便，没有一个很好的人机交互界面，不利于管理员的操作，不具备人性化的特点。

故本设计没有采纳。

方案二:

采用PC机与单片机多机通信，由于PC机本身自带有9针串口（如COM1,COM2），通过MAX232电平转换芯片实现RS232电平逻辑向TTL电平逻辑的双向转换就可以很方便的实现PC机与下位单片机的串口通信，通过该芯片可以实现长达十多米的通信距离的数据传输，若适当降低传输速率，可增加其通信距离，因此对于一个企业里，完全可以通过一台PC机，仅仅在一个人机交互界面上将所有房间的空调实行统一监控与管理，取代人为对空调的任意控制，大大节约了电能。

故本系统采用此方案。

2硬件设计

本系统主要是针对数据采集与通信进行研究，故硬件电路比较少，上位机只需一台普通的PC机，下位机采用常用的AT89S51，中间仅仅只需一片MAX232电平转换芯片，与下位机相连的温度采集模块，采用的是单总线制的DS18B20，它与单片机之间连接只需一根I/O口线，因此大大节省了单片机的I/O口，方便单片机与控制空调的控制器连接。

而且其价格比较便宜，性价比高。

2.1系统框图

系统框图如图1所示

图1系统框图

模块说明：

a.PC机为普通的带有串口的台式机，作用为：

在其Windows界面上创建一个人机界面，控制每台空调的工作并且实时监控。

b.MAX232为电平转换芯片，由于PC机串口为RS232接口只能识别EIA电平，而单片机机只能识别普通的TTL电平，此芯片的作用就是将两种电平进行转换，达到数据通信的目的。

c.以单片机为核心的下位机系统主要作用是采集房间内的温度，供单片机来读取并保存，当上位机通知该下位机发送温度时，单片机调用串口发送函数，将当前温度发送给上位机。

d.DS18B20为单线数字温度传感器，负责测量室内温度。

2.2PC机串口

台式计算机一般至少带有两个串行口COM1和COM2，串行口不同于并行口之处在于它的数据和控制信息是一位接一位串行地传送下午，这样，虽然速度会慢一些，但传送距离较并行口更长，因此对于距离较长的数据通信应该使用串行接口。

通常COM1使用的是9针D形连接器，而COM2有些使用的是老式的DB25针连接器，本系统采用的是常用的9针连接器。

由于CPU与接口之间按并行方式传输，接口与外设之间按串行方式传输，因此，在串口接口中，要由接收移位寄存器把串口方式转换为并行方式，由发送移位寄存器把并行方式转换成串行方式。

完成这样的转换功能的电路，叫做通用异步收发器UART，该接口芯片已经集成在串口接口中，典型的有Intel的8251A，NationalSemiconductor的8250，Motorola的6850等等。

其中九针D形串口如图2所示。

图2九针D型串口

目前RS232是PC机与通信工业中应用最广泛的一种串行接口。

RS232采用不平衡传输方式，即所谓单端通信。

收，发端的数据信号是相对于信号地。

其中9针串口引脚定义如表3所示，

其中引脚2和引脚3分别为数据接收和发送端，这与单片机的RXD和TXD相类似，数据都是一位接着一位的发送。

唯一不同的是两者之间的电平不同。

RS232是用正负电压来表示逻辑状态，发送数据时，发送器典型的工作电压是5V—15V和-5V---15V,接收数据时，接受器典型工作电压是+3V+12V和-3V-12V。

而TTL是用电平高低表示逻辑状态。

RS-232C主要用来定义计算机系统的一些数据终端设备（DTE）和数据电路终接设备（DCE）之间的电气性能。

例如CRT、打印机与CPU的通信大都采用RS-232C接口，MCS-51单片机与PC机的通信也是采用该种类型的接口。

由于MCS-51系列单片机本身有一个全双工的串行接口，因此该系列单片机用RS-232C串行接口总线非常方便。

RS-232C串行接口总线适用于：

设备之间的通信距离不大于15米，传输速率最大为20kB/s。

表1九针串口管脚定义

2.3电平转换芯片MAX232

MAX232是由德州仪器公司（TI）推出的一款兼容RS232标准的芯片。

由于电脑串口RS232电平是-12v+12v，而一般的单片机应用系统的信号电压是TTL电平0+5v,MAX232就是用来进行电平转换的,该器件包含2驱动器、2接收器和一个电压发生器电路提供TIA/EIA-232-F电平。

该器件符合TIA/EIA-232-F标准，每一个接收器将TIA/EIA-232-F电平转换成5-VTTL/CMOS电平。

每一个发送器将TTL/CMOS电平转换成TIA/EIA-232-F电平。

主要特点

1、单5V电源工作

2、LinBiCMOSTM工艺技术

3、两个驱动器及两个接收器

4、±30V输入电平

5、低电源电流：

典型值是8mA

6、符合甚至优于ANSI标准EIA/TIA-232-E及ITU推荐标准V.28

7、ESD保护大于MIL-STD-883（方法3015）标准的2000V

MAX232芯片管脚及各管脚定义如图3所示。

其中标号IN和OUT都是针对MAX232本身而言，即OUT脚接的是PC机或者单片机的RXD脚，同理IN脚接的是PC机或单片机的TXD脚利用此性质可以很容易实现PC机与单片机的连接。

由于它有两组收发器，所以7，8脚和9，10脚配合为一组，11，12脚和13，14脚为一组。

使用时人选一组即可。

图3MAX232芯片管脚及定义

2.4单片机AT89S51概述及系统复位电路设计

AT89S51是一个低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含4kB的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISPFlash存储单元，功能强大的微型计算机的AT89S51可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。

系统复位电路也就是单片机的复位电路,如图4所示:

图4AT89S51复位电路

当按下复位键时，ESET瞬间为高平，然后电源与电容、电阻构成回路，并对C1电容进行充电，R1上的电压逐渐下降，直至为低电平，系统处于正常工作状态。

2.5数字温度传感器DS18B20

DS18B20是美国DALLAS半导体公司继DS1820之后最新推出的一种改进型单总线智能温度传感器，信息经过单线接口送入DS18B20或从DS18B20送出，因此从处理器到DS18B20仅需一根线，读，写和完成温度转换所需电源可以由数据线本身提供，而不需要外部电源。

DS18B20内部主要由4部分组成：

64位光刻ROM，温度