温湿度测量及以太网传输.docx

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温湿度测量及以太网传输

摘要

现在许多需要进行温湿度监控的环境都是相互远距离分布的，而传统的基于现场总线的温湿度监控系统又存在布线复杂和传输距离受限的问题，这些问题都不利于对分散的温湿度监控地点进行统一的温湿度管理。

而在通信领域，以太网正在蓬勃发展，延伸到生产、生活的各个角落，如何利用已经广泛应用的以太网来改造传统的温湿度监控系统是本文要解决的问题。

本文的目的是设计完成一个以温湿度数值为监控目标的通用平台。

该平台由单片机控制温湿度传感器模块，并实时显示到液晶屏上，通过通信模块将数据传送到上位机，上位机通过智能节点对监控环境的温湿度状况进行监测，当监控环境的温湿度数据不符合要求时，上位机通过智能节点发出警报并且驱动监控环境中的温湿度调节设备，从而对监控环境的温湿度进行调节。

上位机可以将对监控环境的温湿度要求发送到相应的智能节点，并且可以随时获取任意智能节点的温湿度数据。

系统的硬件和软件均采用了模块化设计，这样不仅提高了开发过程的清晰程度，并且增强了系统的通用性和可移植性，将本系统的模块设计稍加剪裁就可以改造为适合多种不同场合和环境的参数监控系统。

伴随着单片机技术，计算机技术和网络技术的飞速发展，温湿度远程监控系统将出现在生产生活的各个领域，如农业、食品行业、档案管理、建材管理、交通信息管理等等，其最终目的都是使生活变得更加智能，更加高效。

关键词：

温湿度监控；单片机；以太网通信

Abstract

Nowadaystherearealotofenvironmentswhichneedtemperatureandhumiditymonitoringhavealong-distancefromeachother．Andthetraditionalfieldbus．Basedmonitoringsystemfortemperatureandhumidityhastheproblemsofcomplexwiringandlimitedtransmissiondistance．Andtheseproblemsarenotadaptivetotheunifiedmonitoringtemperatureandhumidityintheconditionofspreadmonitoringplaces．Inthefieldofcommunications，Ethemetisboomingandextendingtoeverycomerofindustryanddailylife．

HowtomakeuseofEthemettotransformthetraditionalmonitoringsystemfortemperatureandhumidityistheproblemwillbesolvedinthisthesis．

Theultimateaimofthisthesisistodesignandcompleteauniversalplatformformonitoringtemperatureandhumidity．Theplatformcanbeeasilyusedtodevelopaparametersmonitoringsystemwhichhassimilarfunctions．Thehardwareandsoftwareofthesystemhaveamodulardesign，SOthatitisnotonlyimprovedtheclarityofthedevelopmentandenhancedtheversatilityandportabilityofthissystem．Itwillbeeasytomakeanewmonitoringsystemtofitdifferentoccasionsbymodifyingalittleofthedesign．

Withtherapiddevelopmentofthesingle—chip，computerandthenetwork，remotemonitoringsystemfortemperatureandhumidityisextendingineverysphereofyourlife，suchasriculture，foodindustry,filemanagement，buildingmanagement，trafficinformationmanagementetc．Theultimateobjectiveistomakelifesmarterandmoreefficient．

Thesystemiseasytobeinstalled．Nowthissystemhasbeguntobeusedandobtaingoodreputationandpracticalvalue．

KEYWORDS：

temperatureandhumiditymonitoring，single．chip，Ethemet

目录

摘要1

第一章绪论5

1.1概述5

1.2课题的研究背景5

1.4课题的研究意义10

1.3国内外的研究现状7

1．4．1监控模式7

1．4．2数据通信方式8

第二章系统硬件的设计与实现11

2.1便携式温湿度测量仪的硬件结构图11

便携式温湿度测量仪的硬件实现11

2.2主控单片机模块12

2.3时钟模块14

2.2.3温湿度传感器模块16

2.2.4存储模块19

2.2.5液晶显示模块20

2.2.6电源设计21

2.3PCB的设计与实现22

2.3.1PCB设计平台22

2.3.3PCB设计准则23

2.3.4特殊元件的放置24

第三章智能节点与上位机的通信方式24

3.1单片机接入以太网的方案27

3.2温湿度监控智能节点接入以太网的实现方式28

3.3通信模块与温湿度智能节点的PCB集成31

第四章温湿度监控节点的底层软件设计32

4．1单片机系统的开发环境32

4．1．1开发工具32

4．2温湿度智能节点的交互功能32

4．3温湿度智能节点的工作流程33

4．4单片机通信程序设计33

总结与展望36

参考文献36

致谢37

第一章绪论

1.1概述

温度、湿度是工农业生产的主要环境参数，对其进行适时准确的测量具有重要意义。

目前，随着经济的发展及生活环境的改善，在一些野外及流动性较大的场合（如农业温室、智能建筑等），传统的“温—阻”法和“湿—阻”法由于其体积大，操作不方便，消耗功率高（一般需加模拟风），已经很难适用。

因此，新一代准确可靠、快速灵敏、可便携式温湿度检测仪的研制势在必行。

1.2课题的研究背景

人类的生存和社会活动与湿度密切相关，随着现代化的实现，很难找出一个与湿度无关的领域来，而本课题的设计恰恰可以满足这一需求。

1.温湿度监控在农业中的应用

人工气候，塑料大棚环境中，温湿度变化值的大小直接影响农作物特别是幼苗期经济作物的生长。

采用温湿度监控系统，它将自动记录温湿度值，并通过PC智能分析软件对所记录的数值以图文表的形式输出，方便管理员分析管理。

并有自带告警功能，当温湿度超过设定的高低限时，报警器自动响应，及时提醒工作人员调节大棚或育苗温室等环境中的温湿度。

使用温湿度监控将简化人们的工作，也将节约成本，并不受过多的人为因素的干扰，客观真实的反映记录过程。

2.温湿度监控在食品行业的应用

在食品加工存储过程中，及时掌握食物所处的环境情况是否有处在食品安全条件下是非常重要的。

温度与湿度的超标能直接导致食物变质，如果过低或者过高也会使食物口感变差降低品质。

针对这种情况，要求实时记录温湿度变化，保证食品安全进入消费者口中。

3．温湿度监控博物馆文物、档案管理中的应用

这是温湿度监控应用的另一个大的领域。

档案的纸张在温湿度适宜的条件可以多存放一些时间，而一旦温湿度的条件遭到了破坏纸张将要变脆，重要资料也将随之荡然无存，对档案馆进行温湿度的记录是必要的，可以预防恶性事故的发生。

使用温湿度监控系统将使温湿度的记录工作得以简化，也将节约文物保管的成本，使这一工作得以科学化，不受到过多的人为因素的干扰。

从而保证了对艺术品的最小破坏的前提下，文物，包括其色彩、形状不受损毁。

4．温湿度监控在建材实验方面的应用

在建材尤其是混凝土干燥过程中，我们应注意其干燥趋势，这是评价产品的指标之一，也为建筑施工方提供了可靠的数据。

应用温湿度监控可以将此数据记录并提供给建材研究方，将为施工提供有益的帮助。

尤其是在军事建筑中，时间就是生命，准确把握混凝土干燥时间为先发致敌，为有效地将有生力量提供到战场上提供了保证。

5．温湿度监控在建筑验收方面的应用

主要体现在智能楼宇的验收。

由于建筑行业的验收项目多，对于暖通空调指标等建筑部要求符合人体健康指标也要监测，这些指标是直接关系到人体健康的。

如果在这些指标不明了的情况下，测试人员贸然进入这些场所并长期在其间进行记录，是对测试人员的人身健康的不负责任，而应用合适的温湿度监控方式在就会保证在取得可靠数据的同时对测试人员的人身安全进行最大保护。

6．温湿度监控在重要医药卫生场所的应用

按照《医院洁净手术部建筑技术规范征求意见稿》的要求手术室的温湿度必须控制在一定的范围内。

适宜的环境温湿度对操作者和病人都是非常重要的。

因此这些都要求卫生防疫部门通过自己的监测来确认各医院手术室的达标情况，在这里应用温湿度监控是一种很好的方法，不仅减少了工作人员的浪费，并且还使温湿度的准确性得到了很好的保证。

7．温湿度监控在管路维护中的应用

管路里的湿气会促进微生物生长，管道上发霉就是这样形成的。

这不但影响空气流动，还会滋生大量细菌。

这些遭到污染的区域对健康构成威胁，并最终导致室内空气质量（恶化。

而应用温湿度监控系统就会保证在取得可靠数据的同时对克服了对监控环境的限制。

8．温湿度监控在交通信息监控系统方面的应用

科学系统地分析和改造现有的交通监控体系是成为缓解城市交通难的当务之急，而有效地获取详细高精度的交通相关数据是分析掌握交通规律，优化交通体系的关键。

目前在交通工程领域实际道路数据的调查，采集和收集，往往需要大量的费用和人工干预，其采样率及精度都非常有限，缺少足够的真实详细的交通数据的支持，给大范围和长时段交通行为本质的深入研究带来困难。

因此在交通监控系统中，使用参数的智能监控十分有必要，而温湿度监控是交通信息参数监控的重要一部分。

1.3国内外的研究现状

1．3．1监控模式

1．基于温度计和湿度计的人工测量模式

对于温湿度监测来说，最早采用的测量方式是人工方式测量。

但由于人工方式存在人为误差的原因并且温度计本身也存在误差比较大，反应比较慢的原因，导致这种温湿度测量方式效率比较低，同时抽样也不具有代表性。

并且这种测量方式的应用环境也有很大的局限，进行监测的工作人员不可能直接到达一些危险的地带进行温湿度测量。

2．分散仪表控制模式

（1）基于温湿度传感器以单片机为核心的监控模式

基于温湿度传感器以单片机为核心的监控模式是使用温度传感器和湿度传感器对环境进行温湿度测量。

温度传感器和湿度传感器的输出信号均为模拟信号，必须经过A／D转换，转换所得的数字信号由单片机接收，通过单片机对温湿度进行监控。

这种监控模式的优点是温湿度的监控效率有了很大的提高，温湿度的实时数据可由LED数码管进行同步的显示，缺点就是温度传感器和湿度传感器的初始输出信号均为模拟信号，模拟信号在传输过程中容易发生损耗，使传输的信息产生误差，从而影响到了整体的监控精度。

（2）基于集成电路的监控模式

基于集成电路的监控模式主要体现了集成电路技术的提高对温湿度监控领域的影响。

随着集成电路技术的蓬勃发展，传统的基于模拟信号输出的温度传感器和湿度传感器已经不能再满足监控环境对系统的要求，取而代之的是数字化的温度传感器和湿度传感器。

在这类新型的传感器当中，温湿度检测芯片，A／D转换模块，温度补偿模块等均被集成于统一的整体，这样做不仅仅使整体系统的结构得以很大程度上的简化，并且降低了温湿度信号在传输过程中所发生的损耗，提高了信号的抗干扰性，从而从整体上提高了系统的精度。

大规模集成电路技术的发展为温湿度的数字化，网络化监控提供了技术上的可能。

虽然在系统的效率和结构上有了很大的提高和发展，但基于集成电路的温湿度监控模式依旧仍是采用单片机监控的简单模式，属于分散的仪表控制模式。

3．集中式计算机监控模式

近些年来伴随着计算机技术的蓬勃发展，已有许多温湿度监控系统都纷纷采用了主机——终端的监控模式，该模式的实现方式是采用一个主机作为整个温湿度监控系统的监控核心，个监控环境的温湿度情况由分别的监控子系统进行测量，而监控主机会对所有的子系统进行统一的监控管理，这种监控模式相对于以前的分散仪表监控模式已经有了很大的提高和进步，突破了仅仅只是依靠单片机的分散式控制，从整体上显著扩大了温湿度监控系统的使用功能和环境。

但主机——终端模式在系统的实现过程中也存在很多的缺点与不足，这种监控模式

的布线相对复杂，传输距离也受到限制，从而很难做到对不同地点的温湿度监控，并且这种模式应用起来不够灵活，对于温湿度的实时监控问题和子系统与中央监控系统的实时通信问题并不能很好的解决。

4．分布式监控模式

分布式监控不同于分散式仪表式的监控，也不同于主机——终端式的监控，而是弥补了两个方式的缺点并且融合了两个方式的优点。

分布式监控模式是目前的主要发展方向。

分布式监控系统（DistributedControlSystems，简称DCS），又称为分散监控系统，分散型监控系统，集散监控系统。

由多台计算机分别控制生产过程中多个控制回路，同时又可集中获取数据、集中管理和集中控制的自动控制系统。

分布式控制系统采用微处理机分别控制各个回路，而用中小型工业控制计算机或高性能的微处理机实施上一级的控制。

各回路之间和上下级之间通过高速数据通道交换信息。

分布式控制系统具有数据获取、直接数字控制、人机交互以及监控和管理等功能。

在分布式的温湿度监控系统中，整个系统包括有许多分散的温湿度监控节点，任意的温湿度监控节点都可以通过网络与服务主机或称为上位机进行数据通信。

系统通过每个温湿度监控节点处理所采集到的温湿度数值并进行监测，通过上位机进行数据存储并且显示温湿度监控节点所传送来的温湿度数据，并且上位机可以通过网络通信向任意的温湿度监控节点发送系统设置值或是其它的控制参数。

这种温湿度监控模式的优点是故障率较低，故障影响范围较小，从控制效果上来说这种监控模式易于实现系统的局部独立监控效果。

分布式监控是现代工业控制的标志，它的出现极大地推动了工业控制系统的发展。

随着各种高性能的工业设备的不断普及，分布式监控技术在现代工业控制领域中得到越来越广泛的应用。

1．3．2数据通信方式

1．独立的信号线通信

独立的信号线通常和基于温湿度传感器以单片机为核心的监控模式相结合使用。

其中每一个的智能测试点都需要通过各自独立的信号线进行通信，从而使得系统的布线十分复杂。

为了实现对多个检测环境的监控，系统不仅需要有很多的信号线，还需要设置多个转换开关电路对相应的测试点进行监测控制，这些都使独立信号线支持的监控系统在应用上难以维护并且价格也很昂贵。

2．单总线通信

单总线通信技术通常是和基于集成电路的温湿度监控模式相结合使用。

单总线是美国的达拉斯半导体公司推出了一项技术。

该技术采用单根信号线，既可传输时钟，又能传输数据，而且数据传输是双向的，因而这种单总线技术具有线路简单，硬件开销少，成本低廉，便于总线扩展和维护等优点。

缺点是单总线只适用于单主机系统，只能够控制一个或多个从机设备。

3．现场总线网络通信

现场总线网络通信通常是和集中式计算机控制模式相结合使用。

现场总线也常常被称为数字化、开放式、多点通信的底层控制网络，它所实现的是双向串行多节点的数字通信功能，现场总线常常应用于生产现场，实现微机化测量控制设备之间的通信。

现场总线技术将专用微处理器置入传统的测量控制仪表，使它们各自具有了数字计算和数字通信能力，采用可进行简单连接的双绞线等作为总线，把多个测量控制仪表连接成网络系统，并按公开、规范的通信协议，在位于现场的多个微机化测量控制设备之间及现场仪表与远程监控计算机之间，实现数据传输与信息交换，形成各种适应实际需要的自动控制系统。

现场总线是20世纪80年代中期在国际上发展起来的。

随着微处理器与计算机功能的不断增强和价格的降低，计算机与计算机网络系统得到迅速发展。

现场总线可实现整个企业的信息集成，实施综合自动化，形成工厂底层网络，完成现场自动化设备之间的多点数字通信，实现底层现场设备之间以及生产现场与外界的信息交换。

现场总线的缺点是布线繁琐、传输距离受限。

4．接入以太网通信

将温湿度监控的智能节点接入网络通常是和分布式监控模式相结合使用，而模块的直接入网也是当今智能监控发展的一个重要趋势。

以太网指得是基带局域网。

以太网标准是一个古老而又充满活力的标准。

之所以要接入以太网而不是其它的网络是因为自从1982年以太网协议被IEEE采纳成为标准以后，已经历了20年的风风雨雨，而在这20年中，以太网技术作为局域网链路层标准战胜了令牌总线、令牌环、ATM等技术，成为局域网事实标准。

以太网通过标准化和低价格淘汰了令牌总线、令牌环、等技术，确立了在桌面网络的统治地位，之后以太网又以高性价比和简洁的协议战胜ATM技术，成为局域网主流建网技术。

当其他网络出现对IP支持困难，标准争吵不休，价格居高不下，带宽升级困难等问题时，同期的以太网却飞速向前发展。

现今以太网技术在当前的局域网范围市场占有率超过了90％，由于以太网十分普遍，许多制造商把以太网卡直接集成安装进了计算机主板，因此，用以太网代替传统的现场总线控制网络在工业控制中己成为一个技术趋势也是提高控制系统性价比的一个表现。

1.4课题的研究意义

现在许多需要进行温湿度监控的环境都是相互远距离分布的，而传统的基于现场总线的温湿度监控系统又存在布线复杂和传输距离受限的问题，这些问题都不利于对分散的温湿度监控地点进行统一的温湿度管理。

而在通信领域，以太网正在蓬勃发展，延伸到生产、生活的各个角落，通过以太网远程监控是本文要解决的问题。

无线传感器网络技术是现代传感器技术、微电子技术、通信技术、嵌入式计算技术和分布式信息处理技术等多个学科的综合。

把无线传感器网络技术引入到温室大棚生产中来，农业将有可能逐渐地从以人力为中心，依赖于孤立的生产模式转向以信息和软件为中心的生产模式。

从而实现温室信息采集自动部署、自组织传输和智能控制、大幅度提高单位面积的劳动生产率和资源产出率、改善温室等设施内工作环境和工作条件、提高工作效率、保障农民身体健康、提高农民生活质量，有助于解决“三农”问题，对实现温室作物生产的可持续发展具有重要意义。

1.5论文的结构安排

本论文的研究工作主要分为以下几部分：

第一部分：

在第一章中对课题进行整体的概述，了解课题的研究背景和应用环境，总结课题相关技术的国内外发展现状，阐释课题的研究意义。

第二部分：

在第二章中规划系统的整体设计，并对系统的硬件部分进行模块化设计和实现，其中的主要设计工作是在protel99设计平台上完成。

第三部分：

在第三章中针对系统智能节点的网络通信功能进行智能节点的通信模块设计，其中的主要工作是在NeProt通信开发平台上完成。

第四部分：

在第四章中根据智能节点需要实现的功能完成其底层软件的设计，其中的大部分工作是在Proteus与Keil的联合开发平台上完成。

2系统硬件的设计与实现

2.1便携式温湿度测量仪的硬件结构图

每个温湿度监控智能节点由主控单片机模块、温湿度传感器模块、时钟模块、LCD显示模块、Flash存储模块、驱动板等组成。

温湿度监控智能节点的结构图如图2-1所示。

图2-1温湿度测量仪的硬件结构图

2.2便携式温湿度测量仪的硬件实现

系统的硬件部分是系统进行开发、创新的基础，因此制定良好的硬件方案是系统实施成功的可靠保证。

下面论文将逐个介绍各个模块的设计和原理，并且会从应用的角度介绍主要芯片的硬件结构主要特性，在开发中可能遇到的问题，从控芯片和主控芯片的连接方式等等。

并且为了适应温湿度监控的各种环境，尤其要注意选取宽温限的芯片，由于监控环境的不可预测，选取的芯片也需要具有较好的抗干扰性，这样才能保证将来系统的准确性和稳定性。

2.3主控单片机模块

1.主控单片机的选择

整个温湿度智能节点都以主控单片机为控制核心，因此主控芯片的选择和应用非常重要。

每一个温湿度监控智能节点主控芯片都采用上海宏晶科技公司的STC89C54RD单片机。

单片机是指一个集成在一块芯片上的完整计算机系统。

尽管他的大部分功能集成在一块小芯片上，但是它具有一个完整计算机所需要的大部分部件：

CPU、内存、内部和外部总线系统，目前大部分还会具有外存。

同时集成诸如通讯接口、定时器，实时时钟等外围设备。

而现在最强大的单片机系统甚至可以将声音、图像、网络、复杂的输入输出系统集成在一块芯片上。

2.主控单片机的特性

STC单片机是深圳宏晶科技公司的产品，对于STC89C54RD来说，它具有增强型51内核，有很高的指令运行速度，一个指令周期就可以完成一条指令。

STC89C54RD工作的电压范围为5．5～3．8V，温度范围为40℃～85℃，并且它还受到ESD保护，可以轻松通过4KV的快速脉冲干扰，具有高抗静电性能。

STC89C54RD还是一款低功耗单片机，它备有空闲模式，掉电模式和正常模式，当单片机处于空闲模式时，它的工作电流要小于1．3mA，而处于掉电模式时，它的工作电流小于0．1uA，因此非常适合用于低功耗的产品开发。

由于所要开发的是温湿度监控系统，所以对于智能监控节点的温湿度适应能力要求较高，而STC89C54RD的宽温限达．40℃～85℃，可以适应绝大部分的监控条件，而其增强型的51内核代表了它与5l单片机的兼容性，在开发的过程中我们可以利用对51单片机的熟悉和大量已掌握的51单片机开发资料来缩短开发周期，从而提高系统开发效率。

3.主控单片机的内部资源

STC89C54RD的具有：

·512字节片内RAM数据存储器

·512K字节片内E2PROM（512字节／扇区）

·ISP／IAP，在系统可编程，在应用可编程，无须专用编程器

·10位ADC，8通道

·4通道捕获／比较单元（PWM／PC～CCU）

·2个硬件16位定时／计数器

·硬件看门狗（WDT）

·高速同步串行通信接口SPI，全双工异步串行口UART

·32个通用寄存器，硬件乘／除法器

·27（DIP28，SOP28）有23个通用I／O口，可设置成四种模式。

每个I／O口的驱动能力均能达至20mA，但整个芯片最大不得超过55mA。

4.STC单片机在系统开发中的优越性

STC单片机有较高的处理速度和时钟频率，能轻松的实现各种移动算法；有SPI和UART串行口，能实现与PC机之间的数据交换；有掉电数据保护功能，其内部E2PROM可用于掉电存放各种设置参数和其他数据；还有ISP／IAP功能，使芯片可以在不脱板的情况下去下载程序，便于产品软件换代升级。

STC单片机还具有内部看门狗，使条屏可以工