基于RS-485总线的多点温度监控系统设计

卢嫚，李彦斌

基于RS-485总线的多点温度监控系统设计

卢嫚，李彦斌

针对温室温度多点监测需要，设计了下位机+上位机温度多点监测系统，下位机以STC12C5A60S2为监测节点核心，节点采集的温度数据通过RS-485总线传输到上位机（PC机），用户可通过个人PC机实时查看温室内各节点数据。重点介绍系统的软硬件设计过程，上位机软件采用C#设计,上位机终端实现了温度数据的查询、保存、输出及报警功能。该系统已投入运用，实践表明该系统运行可靠，具有一定的实用性。

温度；RS-485总线；监测节点；上位机

0 引言

温度是在冶金、化工、机械、电力等工业中最主要的被控参数之一。在不同的环境和要求下，对温度的控制方式不同[1]。本文采用个人PC机作为上位机对温度进行实时监测，并能够实现超温报警功能，并针对多点远程监测温度的需求，采用现场总线进行传输。

目前现场总线的种类非常多，其中基金会现场总线FF、控制局域网络CAN、局部操作网络Lon work、过程现场总线Profibus、Hart协议等13种总线作为国际标准的现场总线[2]。

在分布式监测控制系统中，RS-485总线传输速度快，抗干扰能力强[3]、信号传输稳定、传输距离远，最远传输距离达 1200米[4]，同时可支持多点通信等优点，最多能支持接入32个监测节点。各节点之间连接简易，组网灵活，RS485总线成本低，因此该总线已成为数据传输的首选标准。

1 系统总体结构

系统主要由上位机、RS232/RS485转换器、现场监控层组成。系统总体框架图如图1所示：

图1 系统框架图

上位机主要作用是对下位机进行监测，它能够对下位机数据进行采集，实时显示，存储，查询，此外可以通过上位机对温度设定阈值，超过阈值进行报警处理，实现用户对下位机进行远程控制；RS232/RS485转换器实现了RS232信号和RS485信号的相互转换，下位机通过一个RS232/RS485转换器将下位机232信号转换成485信号，方便运用485总线传输，信号传输到上位机之前，再采用一个RS232/RS485转换器，将485信号转换为232信号，方便上位机对数据进行处理；下位机现场监测层采用的是 STC12C5A60S2单片机为监测节点核心，传感器监测数据传输到单片机中，单片机对数据进行处理，最终采用总线传输到上位机。

2 现场监控节点硬件设计

监控节点框架图如图2所示：

图2 监控节点框架图

监测节点由单片机模块、监测模块、控制模块、串口模块、按键模块、时钟模块、232/485转换模块等模块组成。监测模块由数字式温度传感器DS18B20监测温度，采集的温度值传输到单片机；单片机将温度值用12864液晶模块显示出来，液晶模块负责实时显示时间和温度值，为用户提供良好的人机交互界面；按键模块提供手动控制功能，用户能够手动设置时间及温度阈值；串口模块为用户下载程序提供方便，其输出232信号，采用232/485转换模块将232转换为485信号，实现了485总线远距离传输功能。

2.1 温度采集模块电路设计

温度采集采用的是 DS18B20数字式温度传感器，DS18B20数字式温度计提供9-12位摄氏温度测量而且有一个由高电平触发的可编程的不因电源消失而改变的报警功能。DS18B20通过一个单线接口发送或接受信息，只需要一根线与单片机连接。它的测温范围为-55—+125℃，DS18B20与单片机连接电路如图3所示[5]：

图3 DS18B20连接电路

2.2 串口模块电路设计

串口模块用于程序的下载，本系统采用的串口芯片为MAX232，因为电脑支持的是RS-232接口。由于电脑高低电平为±12V，单片机高电平为+5V，低电平为0V，二者之间不能直接通信，因此采用 MAX232进行电平转换，单片机TXD引脚输出的TTL电平输入到MAX232的T2IN引脚，MAX232输出TTL电平输入到单片机RXD引脚，即可实现单片机与电脑的通信，串口电路如图4所示：

图4 串口电路

2.3 232/485转换电路

下位机输出的是232信号，它的通信距离为30-60米，速度比较慢，RS-485允许多个收发器连接到一条总线上，可以接入32个节点，因此需要将232信号转换为485信号才能实现远距离传输。232/485转换电路图如图5所示：

图5 232转485模块电路

转换电路主要包括供电电源、232-485电平转换、485电路部分。232-485电平转换采用的芯片为NH232芯片，485电路部分采用的是 MAX485作为通信接口电路[6-7]，MAX485集成电路将TTL电平的串行接口通过芯片转换为RS-485串行接口[8]。本系统采用的是无源供电方式，其原理为从RS232接口的DTR和RTS两个引脚窃电。两个232转换器连接图如图6所示：

图6 232转换器连接示意图

3 现场监测节点软件设计

3.1 按键扫描程序设计

本设计每隔8ms扫描一次，根据单片机I/O输入电压不同，单片机根据AD转换后的数值即可判断是哪一个按键按下，并刷新一次显示，按键主程序流程图如图7所示：

图7 按键程序流程图

3.2 定时控制和阈值控制之间的冲突处理

对于处理定时控制和阈值之间的冲突，采取的思想为：

（1）在阈值控制中不做判断，只在定时控制中做判断；

（2）定时控制时，在阈值控制中设置一个标记，记录阈值控制端口状态是打开或者关闭；因为阈值控制、定时控制对应的端口是固定。因此，在阈值控制的时候屏蔽定时控制，同时阈值控制关闭时，定时控制也起作用，就可以通过阈值控制端口的状态来判断是否屏蔽定时控制，如图 8所示：

图8 定时中断0自动控制流程图

（3）关于延长时间，通过判断DS1302的秒位是否为0，可以确定时间过去 1m in，这样可以累加，实现延长时间的判断。

4 上位机管理软件实现

为方便用户观察，上位机必须有一个友好的人机交互图形界面，各项参数均能显示在上位机，方便用户操作。上位机采用C#语言，其软件系统主要有通信设备模式管理模块、数据库管理模块、报警显示模块、控制参数模块。基于 C#开发系统的485通信模块流程图如图9所示：

图9 485模块通信流程图

系统登录界面是系统与用户之间的接口，上位机界面显示如图10所示：

图10 上位机界面显示

上位机显示出测试时间、工作节点，通过对工作节点串口设置，下位机监测的温度值即可上传到上位机界面，通过手动输入工作节点最高温度、最低温度，即可进行超温报警，上位机温度显示界面如图11所示：

图11 上位机温度采集界面

点击左侧查询按钮即可对历史数据进行查询，通过历史数据即可监测出下位机工作状态，历史数据查询如图12所示：

图12 历史数据查询界面

5 总结

针对温度多点监测需求，本文设计出了一种基于RS-485总线的温室多点监控系统，该系统实现了多点温度监测，通过对外围设备的控制能将温度有效的控制在阈值范围内。此外设计出便于用户观察的上位机显示界面，下位机采集的数据能够实时显示、存储、打印。实践证明该系统投资少，结构简单，可扩展性强[9]，可被广泛用于温室、仓库、医院等场合[10]。

[1] 杨烈君. 基于 RS-485 总线的智能温度控制系统设计[J]. 宁德师专学报: 自然科学版, 2008, 20(1): 61-63.

[2] 田敏, 高安邦. “LonWorks” 现场总线技术的新发展[J].哈尔滨理工大学学报, 2010, 15(1): 33-39.

[3] 韩慧. 基于 RS-485 总线的温室环境监测系统[J]. 仪表技术与传感器, 2012 (3): 60-61.

[4] 高军丽, 王宝珠. 基于 RS-485 总线的智能分布式测控系统设计[J]. 计算机与现代化, 2012 (3): 151-154.

[5] 朱恒军, 于泓博, 王发智. 基于 CAN 总线的大棚温度测控系统设计[J]. 微电子学与计算机, 2012, 29(005): 183-187.

[6] Xing Z, Li D, Shan Y, et al. The design and implementation of a C8051F-based embedded image acquisition system[C]//Intelligent Systems and Applications (ISA), 2010 2nd International Workshop on. IEEE, 2010: 1-3.

[7] Zhigang L, Peng W. Network sensor of temperature & humidity based on RS485 interface[C]//Advanced Computer Theory and Engineering (ICACTE), 2010 3rd International Conference on. IEEE, 2010, 4: V4-40-V4-42.

[8] 陈志延, 叶晓燕, 赵洁. 基于 AT89C52 的远程温度数据采集系统设计[J]. 科技广场, 2008 (8): 198-200.

[9] 盛琥. 基于 485 总线的温度监控系统[J]. 电子产品世界, 2008 (2): 96-97.

[10] 李智祥, 陈瑞. 多点温度监控系统的设计[J]. 现代电子技术, 2009, 32(3): 140-142.

M ulti-Point Temperature M onitoring System Based on RS-485 Bus

Lu Man, Li Yanbin
(Xi'an Polytechnic University, College of Electronics and information, Xi'an 710048, China)

For the specific needs of multi-point temperature monitoring system, this paper designs a multi-point temperature monitoring system. PC. STC12C5A60S2 is used as core monitoring node of the Lower machine. The temperature data collected is transmitted to the PC by RS-485 bus, that users can view the real-time data of each node through personal PC in the greenhouse. This paper mainly introduces the design process of hardware and software. PC software is C # designed. PC terminal enables to query, save and output the temperature data and alarm. This system has been put into use. The practice shows that this system is reliable and practical.

Temperature; RS-485 Bus; DS18b20; 1-Wiree

TP311

A

2014.08.26）

国家自然科学基金（No. 21301134）；省教育厅自然科学专项（No. 2013JK0655）

卢 嫚（1988-），女，陕西商洛人，西安工程大学，助理工程师，硕士，研究方向：智能化检测与技术，西安，710048

李彦斌（1975-），男，陕西西安人，西安工程大学，工程师，硕士，研究方向：控制科学与控制工程，西安，710048

1007-757X(2014)11-0016-04