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2015年新款 RF无线接收多功能室内外设置报警时钟日历智能温度计
优质温湿度计产品TLXDTH-84智能温度计，欢迎选购！
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温度测量精度 :
&1℃（℃）
湿度测量范围 :
温度分辨率 :
0.1℃（℃）
接收机139*80*21，发射机90*60*25（mm）
加工定制 :
0.21（kg）
湿度分辨率 :
适用范围 :
家庭室内外
湿度测量精度 :
温度测量范围 :
in 0-50℃，out-20-70℃（℃）
温度测量误差 :
使用电池 :
精度等级 :
数字式温湿度计
Product details
产品介绍产品信息名称:无线室内外温度计 品牌： TLX货号： DTH-84 颜色： 黑白
产品特点同屏显示：时钟、日月、IN/OUT温度及对应MAX、MIN记录(24小时内)4个功能按键：SET, UP, DOWN, CH，产品尺寸：接收机：139*80*21MM，发射机：90*60*25MM4位显示：时，分，12/24小时显示格式选择单响闹报警IN/OUT LOW_BATT功能室内温度检测范围：0-50℃，分辨率0.1℃，检测周期30S3个室外通道温度显示室外温度检测范围：+70~-50℃，分辨率0.1℃IN/OUT温度MAX/MIN显示 产品实拍图产品颜色系列图
产品尺寸参考图
厂家出厂包装图： 注明：包装可以根据客人需要求定制，定制包装价格另算
CE和ROSH证书
非本型号CE
非本型号ROSH
工厂车间实拍图：
操作说明：标准模式：在标准模式下，单按“SET键切换显示时间和ALARM当显示时间时，长按“SET”键大于2秒进入时间设置模式当显示ALARM时，长按“SET”键大于2秒进入ALARM设置模式当显示ALARM时，单按UP或DOWN键,开启或关闭ALARM在标准模式下，单按“CH”键，切换RF通道，顺序为CH1èCH2èCH3èCH1在标准模式下，长按“CH”键大于2秒，将重新登记当前通道在标准模式下，单按“DOWN”键，切换C和F温度显示格式在标准模式下，单按“UP”键，切换显示24小时MEM记录在标准模式下,长按”UP”键,清除MEM的记录时间设置模式：在标准模式下，单按“SET”键，切换到时间显示模式长按“SET”键进入时间设置模式，被设置项目1HZ/秒闪烁设置顺序为：12/24HRèOFFSETè小时è分钟è年è月è日è 退出单按“UP”键，设置项目加1，长按此键，设置项目8步/秒递加单按“DOWN”键，设置项目减1，长按此键，设置项目8步/秒递减当时间有设置时，秒自动清零当20秒无按键操作，将自动退出设置模式，已经设置项目自动保存ALARM设置模式：在标准模式下，单按“SET”键，切换显示到ALARM模式在此显示模式下，单按“UP”键或”DOWN”键，开启或关闭ALARM长按“SET”键进入ALARM设置模式，被设置项目以1HZ/秒闪烁设置顺序为：小时è分钟è退出单按“UP”键，设置项目加1，长按此键，设置项目8步/秒递加单按“DOWN”键，设置项目减1，长按此键，设置项目8步/秒递减当20秒无按键操作，将自动退出设置模式，已经设置项目自动保存.响闹功能：响闹时间2分钟响闹格式：0-10秒：每秒BI一声10-20秒：每秒BI BI，两声20-30秒每秒BI BI BI BI四声30秒以后连续BI声RF开启时间：
1.开机或复位后自动登记3分钟
2.手动按住“CH”键大于2秒，重新登记当前通道3分钟
3.同步周期到达，开启3秒钟
同步规律：
1.同步周期：CH1=57S，CH2=59S，CH3=61S
2.同步开启时长，最多3秒
3.登记成功后，在下次同步时间到达前1.5S开启，延迟1.5S结束，如果同步成功，将立即退出，等待下一次同步
4. RF接收时：天线符号将会以1HZ/秒闪烁
5.如果上电时，3个通道均未登记到数据，之后将不会自动开启RF接收
6. RF连续1小时未接收到相同ID信号，将显示为---,并长开启接收3S,如果接收成功则继续同步,如果接收失败，则永久关闭RF.MEM功能IN/OUT温度有单独的MAX/MIN显示未收到RF或刚清除记录时显示---单按UP键显示24小时最大/最小记录(以显示日历计算)长按UP键清除当前的最大/最小历史记录开机&复位开机或者复位时，LCD将全图显示3S，检测温度后并进入RF登记模式，3分钟后自动退出上电默认：1)0：002)Alarm默认为：0：003)ALARM默认为OFF4)温度显示格式：℃；
定制说明 1.联系工作人员；2.说明定制要求，提供定制资料。购买须知1、厂家货源正品自家厂家一手货源， 产品质量保证，通过CE、ROHS认证，材质环保。2、关于尺码若不特殊说明，报价为常规尺寸价格。 3、关于颜色本店商品均为实物拍摄，颜色经专业校对，与实物平铺图最为接近，因电脑显示器的色彩对比度和色温等都有差异等等。 4、关于客服若您的咨询没有及时回复，请留言。5、关于售后本店购买产品保修一年。 6、关于发货与我们合作的快递有速尔、龙邦，如需发其它快递及物流，请提请说明。
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基于CAN的粮仓温湿度监控系统的设计
毕业论文（设计）基于单片机的粮仓温湿度监控系统的设计系别自动化工程系 自动化 5060509 卫一恒 刘云静老师专业名称 班级学号 学生姓名 指导教师2010 年 06 月 16 日东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 基于单片机的粮仓温湿度监控系统的设计第I页摘要在粮食的储藏的过程中，由于粮仓温湿度异常而造成粮食变质，带来的经济损失是 惊人的。 目前我国许多粮食仓储单位采用测温仪器与人工抄录、 管理相结合的传统方法， 消耗了大量的人力和财力，并且效果不佳，发霉变质等现象大量存在。因此设计智能粮 仓温湿度监控系统，提高了工作效率，实现粮仓温湿度的实时监控，是仓储单位亟待解 决的重要问题。 在实际的生产过程中，温湿度监控问题是一个很复杂的问题。本文通过全面分析温 湿度监控问题的特点以及国内外研究发展状况，提出了一种温湿度监控系统的设计方 法。该系统采用单片机自动检测粮仓温湿度信息，并通过 CAN 总线与上位机进行通信， 来解决粮仓内温度和湿度的实时检测和可靠控制的问题。进而根据问题的特殊性，在检 测、存储和控制实现上，都做了改进，使问题可以在一个可行的时间范围内得到解决。 在仿真和模拟试验中， 验证了该系统的可行性， 分析了该系统在解决实际问题时的不足， 并提出了改进的办法。 每个粮仓设有一个智能节点， 该节点以 STC89C52 单片机为核心,主要完成粮仓内温 湿度的采集，处理，显示并做出判断实现超限报警和无差控制，还通过 CAN 总线传至 上位机有关信息。上位机通过接收智能节点传来的信息，了解各粮仓温湿度情况，并且 能根据各智能节点地址，设定任何一个粮仓温湿度的报警阈值，从而解决了多个粮仓的 温湿度监控问题。 最后，对论文工作进行了总结，并说明了进一步开发和研究的方向。关键词：粮仓，温湿度控制，CAN 总线
东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文）第2页The Design of Barn?s Temperature and Humidity Monitor System based on SCMAuthor：Wei Yi Heng Tutor：Liu YunJingAbstractIn the process of grain storage, grain deteriorates due to the abnormal of the barn? s temperature and humidity, and the economic losses which brought about are amazing. At present many grain storage units in our country use the traditional methods which is combined of thermometer device, artificial transcription and artificial management, consuming a lot of manpower and financial resources, and the results are poor, the phenomena of mildewing and metamorphism exists in large quantities. Therefore, designing the temperature and humidity monitor system on barn, improving efficiency and achieving real-time monitoring of barn?s temperature and humidity, is an important problem demanding prompt solution by storage units. In the actual production process, the monitoring of temperature and humidity?s is a very complex issue. In this paper, a method of designing the barn?s temperature and humidity monitor system after fully analysis the characteristics of temperature and humidity monitor issues and domestic and the research and development status both at home and abroad. The system uses microcomputer to detect the temperature and humidity information automatic, communicate with the host computer by the CAN bus and solve the problem of temperature and humidity?s real-time detection and reliable control in the barn. Then according to the specificity of problem, an improvement is made on detection, storage and control?s realizing, which solves the problem reasonably in relatively short time. In the simulation, the feasibility of the system is verified, the shortage of this system when processing actual problem is also analyzed and the new improvement is raised. Each barn has an intelligent node, which is based on STC89C52 microcontroller mainly complete the collection and processing of temperature and humidity inside the barn, and东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文）第3页display and make judgments on the over-limit alarm and No difference control. It also deliver the relevant information to PC by the CAN bus. Host computer find out each barn? s temperatures and humidity through the information coming from intelligent nodes, and set temperature and humidity alarm threshold in every ban based due to every intelligent node?s address, and therefore the problem on Multiple barn?s temperature and humidity monitor has been solved. In the end, the work in this paper is summarized and the further step of this research is clarified.Key Words: barn, temperature and humidity control, CAN-bus东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文）第4页目录1 绪论 ............................................................................................................................ 1 1.1 背景 ....................................................................................................................... 1 1.2 国内外研究现状与发展趋势 ............................................................................... 3 1.3 设计的目的及意义 ............................................................................................... 4 1.4 设计的主要工作 ................................................................................................... 5 1.5 本文的研究内容 ................................................................................................... 5 2 方案选择与总体设计 ................................................................................................ 6 2.1 温湿度的相关概念 ............................................................................................... 6 2.2 温湿度的测量方法 ............................................................................................... 8 2.3 温湿度传感器的选取 ........................................................................................... 9 2.4 系统总体设计 ..................................................................................................... 10 3 系统硬件设计 .......................................................................................................... 15 3.1 STC89C52 简介 .................................................................................................. 15 3.2 数据采集电路 ..................................................................................................... 16 3.2.1 DHT21 性能说明 ......................................................................................... 17 3.2.2 DHT21 引脚介绍 ......................................................................................... 18 3.2.3 DHT21 数据格式 ......................................................................................... 18 3.2.4 DHT21 时序 ................................................................................................. 18 3.3 键盘输入电路 ..................................................................................................... 20 3.4 LCD 显示电路 .................................................................................................... 21 3.4.1 电路概述 ...................................................................................................... 21 3.4.2 LCD1602 引脚 ............................................................................................. 21 3.4.3 LCD1602 控制器 ......................................................................................... 21 3.4.4 LCD1602 基本操作 ..................................................................................... 22 3.5 实时时钟电路 ..................................................................................................... 23 3.5.1 电路及芯片概述 .......................................................................................... 23 3.5.2 DS1302 引脚 ................................................................................................ 23 3.5.3 DS1302 寄存器 ............................................................................................ 24 3.5.4 DS1302 控制字 ............................................................................................ 24 3.5.5 DS1302 时序 ................................................................................................ 25 3.6 掉电保护电路 ..................................................................................................... 26 3.7 CAN 总线通信.................................................................................................... 28 3.7.1 CAN 总线概述............................................................................................. 28 3.7.2 CAN 控制器 MCP2515 ............................................................................... 29 3.7.3 CAN 收发器 TJA1050 ................................................................................. 31 3.7.4 光电隔离器 6N137 ...................................................................................... 32第5页 3.7.5 上位机与 CAN 的连接................................................................................ 33 3.7.6 下位机与 CAN 的连接................................................................................ 34 3.8 输出控制电路 ..................................................................................................... 35 3.9 声光报警电路 ..................................................................................................... 35 3.10 系统电源电路 ................................................................................................... 36 4 系统软件设计 .......................................................................................................... 37 4.1 温湿度设置 ......................................................................................................... 37 4.2 数据的采集与处理 ............................................................................................. 37 4.3 PWM 控制算法 .................................................................................................. 38 4.4 系统通信程序 ..................................................................................................... 39 4.5 人机界面设计 ..................................................................................................... 40 4.5.1 主要内容概述 .............................................................................................. 40 4.5.2 系统首页 ...................................................................................................... 42 4.5.3 MDI 窗体首页 ............................................................................................. 42 4.5.4 实时数据窗口 .............................................................................................. 43 4.5.5 历史数据查询窗口 ...................................................................................... 43 4.5.6 标值设定窗口 .............................................................................................. 44 4.5.7 系统数据库 .................................................................................................. 44 5 系统的抗干扰问题 .................................................................................................. 45 5.1 干扰因素 ............................................................................................................. 45 5.2 硬件抗干扰措施 ................................................................................................. 45 5.2.1 合理选择元器件 .......................................................................................... 45 5.2.2 抑制电源的干扰 .......................................................................................... 45 5.2.3 电场、磁场干扰的抑制 .............................................................................. 45 5.2.4 接地技术 ...................................................................................................... 46 5.2.5 通道技术 ...................................................................................................... 46 5.2.6 布线抗干扰设计 .......................................................................................... 47 5.3 软件抗干扰措施 ................................................................................................. 48 5.3.1 数字滤波技术 .............................................................................................. 48 5.3.2 软件冗余技术 .............................................................................................. 48 5.3.3 软件陷阱技术 .............................................................................................. 48 5.3.4 数据的保护与恢复技术 .............................................................................. 48 5.3.5 “看门狗”技术 .......................................................................................... 49 总 结 ........................................................................................................................ 50 致 谢 ........................................................................................................................ 52 参考文献 ........................................................................................................................ 53 附录：英文原文及翻译 ................................................................................................ 54东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文）
东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文）第1页1 绪论1.1 背景 “国以民为本，民以食为天” “兵马未动，粮草先行” ， ，这些都充分说明粮食对国 家的重要性。储粮是为了防备战争、保证非农业人口的粮食消费需求、调节国内粮食供 求平衡、稳定粮食市场价格、应对重大自然灾害及其它突发性事件而采取的有效措施， 因此，粮食的科学储藏具有重要的战略意义和经济意义。 一般来说，粮食存放在粮仓中，大型的粮仓可存放数以万计的粮食，而且这些粮食 存放的时间有长有短。目前，我国地方及垦区的各种大型粮仓都还存在着不同程度的粮 食储存变质问题。根据国家粮食保护法规定，必须定期抽样检查粮仓各点的粮食温度和 湿度，以便及时采取相应的措施，防止粮食的变质。但大部分粮仓目前还是采取人工测 量温度和湿度的方法，这不仅使粮仓工作人员工作量增大，且工作效率低，尤其是大型 粮仓的温度和湿度检测任务如不能及时彻底完成，则有可能会造成粮食大面积变质。据 有关资料统计，我国每年因粮食变质而损失的粮食达数亿千克，直接造成的经济损失是 惊人的。 影响储粮安全的最主要因素是粮堆内的大气条件，即温度和相对湿度的日变化和季 节变化，而温度和湿度两者之间又是相互关联的。为了保证存放在粮仓中的粮食不致腐 烂变质，就必须使粮仓内的温度和湿度保持在一定的范围以内。 利用制冷机产生的冷量对自然空气进行冷却降温、除湿，再通过风机及粮仓内的通 风管道使冷却后的空气穿过粮堆，使粮食温度降到 15℃以下进行低温储藏的一项科学、 先进的粮食储藏技术。运用该技术可使粮食的低温储藏不受气候条件的影响，即使在炎 热的夏季或雨季都可实现。目前在发达国家特别是西欧国家已获得了广泛的应用，对于 保证粮食品质，安全储藏粮食起着重要的作用。 利用机械制冷方法将粮温降到 5～15℃进行低温储藏是一种科学、先进的储粮方式， 具有以下特点： （1）与常温储藏相比，低温储藏使粮食的呼吸活动大大减弱，可延缓粮食的陈化， 保持粮食的新鲜度并降低储粮自然减量损失。粮食在 10℃时储藏，由于呼吸产生的干物东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文）质损失要比在 20℃和 30℃ 时储藏分别少 4 倍和 15 倍。第2页（2）当粮温达到 13℃时，害虫的繁殖和活动就基本停止，粮温降至 10℃时完全 停 止，因此低温储藏可以避免粮食遭受虫害而造成的损失。在一些西欧国家，低温储 粮已 不需要进行化学药剂熏蒸杀虫，从而改善了粮仓工人的工作环境，避免残留药剂 对人们 身体健康的危害。 （3）因为霉菌等微生物喜温，所以低温储粮使霉菌的活动基本停止，可有效地防 止粮食发生霉变。 （4）粮食在通常储藏过程中，含水量一般在 12%以下为安全状态，不会产生温度 突变，一旦粮仓进水、结露等使粮食的含水量达到 20%以上时，由于粮粒受潮，胚芽萌 发，新陈代谢加快而产生呼吸热，使局部粮食温度突然升高，必然引起粮食“发烧”和 霉变，并可能形成连锁反应，从而造成不可挽回的损失。而对粮食利用机械制冷方法进 行降温，使得粮食在高于安全水分时储藏成为可能，因此可以提高储粮和加工单位的效 益。 对于稻谷，最适合的碾磨水分是 15 %左右，但常温下稻谷储藏的安全水分是 13.5～ 14 %，加工前需进行人工增湿， 使稻谷易于产生爆腰，碾磨的整米率下降。若采用人 工冷却降温方法， 稻谷可在 15 %水分下安全储藏(见表 1.1)，从而提高稻谷碾磨的整 米 率，同时减少储粮水分减量损失。在西班牙的一个碾米厂，采用机械制冷低温储藏 稻谷 后提高整米率 20 %。对于 10000 吨的粮食储量，在 15 %的水分下储藏，可减少储 粮单位 水分减量损失 116～173 吨。表 1.1 粮食水分(%) 12. 0 - 15. 5 15. 5 - 17. 5 17. 5 - 18. 5 18. 5 - 20. 0 20. 0 - 23. 0 23. 0 - 25. 0 粮温为 10℃时粮食水分与安全储藏期的关系 粮食安全储藏期(月) 8 - 12 6 - 10 4-6 1-4 0. 5 - 2 0. 25 - 0. 5东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文）1.2 国内外研究现状与发展趋势第3页随着传感器技术、 计算机应用技术、 超大规模集成电路技术和网络通信技术的发展， 监控系统广泛应用于工农业生产等领域，在此同时，粮仓温湿度监控技术的研究在软、 硬件等方面都有了一定的进展。 初期，以热敏电阻，湿敏电阻作为传感器件，通过检测电阻的变化来反映粮食温湿 度的变化，为粮食保管提供参考依据。采用人工测量与人工抄录、管理相结合的传统方 法，并且用人工的办法对粮食进行晾晒，通风，喷洒药剂防止因存储不当引起的温湿度 异常及虫害， 消耗了大量的人力和财力， 效率较低， 然而往往由于判断失误和管理不力， 效果不佳，发霉变质等现象大量存在。广大科技工作者近 30 年的共同努力下，粮情检 测技术不断完善、提高、并日趋成熟，逐步形成了样式繁多的粮情检测系统，为安全、 科学储粮起到了积极作用。 目前，国内生产的粮仓温湿度监控系统品种繁多，系统结构各异，在粮仓内外温湿 度检测、粮食内部温湿度检测及分析、通风机械的控制等方面，比之前有了不少进步但 仍有进步空间。现场检测电路和上位机的通讯大多采用 RS-485，使整个系统抗干扰能力 差，实时性和纠错能力不强，增加了节点困难。当某一通信节点出现故障时，还会影响 整个系统。 国外的温湿度监控系统相对比较先进，主要体现在以下三个方面： （1）无论是传感器的测量精度、反应速度、稳定性、功能多样性还是使用环境方 面，国外的传感器都比较先进。 （2）构成系统整体的测控技术和管理，无论是硬件还是软件，都已普遍采用相应 的标准模块集成，并且早已实现组态。 （3）系统结构已经普遍采用网络连接的现场总线技术(FCS)，有些需要的场合，则 连接到 Internet 上，实现远程控制、远程诊断。 温湿度监控系统主要应用于控制环境空间的温度和相对湿度，从系统控制的角度来 看，属于纯滞后控制，而这一技术已经相当成熟。目前研制高精度，高性能，多功能的 温湿度监控系统是主流，提高可靠性、灵活性和降低成本也是其考虑的重点，并且系统 在报警、记录、控制、通信等方面的自动化和智能化也将逐步完善。东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文）1.3 设计的目的及意义第4页科学储粮是粮食生产的一个重要环节，若管理不当，粮食发霉或生虫会造成极大浪 费，而粮仓管理中最重要的问题是监测粮堆中温度和湿度的变化。粮仓一般由几十个甚 至上百个由水泥或钢板构成的圆型仓组成，仓高 20-30m。现在，我国在粮仓建设上己 经实现了规范化，但是监测手段一直未能实现同步现代化。我国许多储备粮仓每年都因 测控设备的不完善而导致部分粮食霉变，许多大型储备粮仓的测控设备仍需高价进口， 因此国家准备在未来的几年内对全国所有的粮仓进行翻新和改造工作，要求规范粮仓管 理，实现粮仓管理现代化。 影响储粮安全的最主要因素是粮堆内的温度和湿度，因此这就要求有一种经济实用 的粮仓温湿度监控系统能够及时监测粮仓温度和湿度分布，准确分析粮仓温湿度变化， 并及时采取相应控制措施，使得管理人员能够方便有效地进行监控操作。 本文只阐述了对温湿度的检测和控制，以下所说粮情仅指温度和湿度，但涉及到的 一些方法也适合其他粮情检测情况。在综合研究国内粮仓管理现状和发展的前提下，吸 收了国内多种粮仓温湿度监控系统的成功经验后，我们设计了自己的粮仓温湿度监控系 统。 该粮仓温湿度监控系统， 用单片机作为前沿机 （或叫下位机） 对现场进行数据采集、 分析和控制，用 PC 机作为监控机（或叫上位机）对粮仓进行监控，通过 CAN 总线实 现下位机与上位机联网通信，从而实现即时遥测遥控功能。该系统具有可靠性和高性价 比，而且操作维修简便，具有检测、数显、控制等诸多功能。 粮仓温湿度监控系统是利用现场的前沿机检测粮食储备库中粮食的基本温湿度情 况，并结合其他粮情信息（如入仓时间、品种、仓型、天气状况等）进行综合分析（温 湿度设定，实时温湿度显示，报警电路） ，然后通过控制电机启停，达到对温湿度的控 制。 利用监控室的上位机对粮仓进行监控， 用户可方便地构造自己需要的数据采集系统， 在任何时候把粮仓现场的信息实时地传到控制室，管理人员不需要深入现场，就可以按 照所需的温湿度要求对粮仓内的温湿度情况进行控制，还可以查看历史数据，优化现场 作业，提高了生产效率，增强了国家粮食储备安全水平，以获得实时粮仓管理，实现自 动化、智能化，为实现我国粮仓管理现代化更近了一步。东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文）1.4 设计的主要工作第5页该课题主要利用单片机来测量并控制粮仓中的温度和湿度，为了完成这个测量监控 系统的任务需要做以下设计： (1) 根据粮仓温度、湿度的测量范围及要求，选择温湿度传感器。 (2) 设计温湿度测量系统，使之具有多点测量及实时显示的功能。 (3) 设计现场控制单元，使之能快速、准确、稳定地控制温湿度。 (4) 设计基于 CAN 总线的远程通讯系统及基于 VB 的人机界面。 1.5 本文的研究内容 本文对所设计的系统进行了介绍和总结，具体安排如下： 第一章为绪论，主要介 绍了本系统的研究意义，研究现状，发展方向以及本设计主 要内容； 第二章为方案选择和总体设计，主要介绍了温湿度的基本概念和测量方法， 及由此 确定的本系统方案，并对系统总体设计进行了简要介绍； 第三章为系统硬件设计，主 要对系统中各模块的硬件电路结构，主要功能及相关性 能进行了介绍； 第四章为系统软件设计，主要对系统运行时，对应功能实现所用程序 进行了介绍， 并对软件设计中应当注意的问题进行了总结； 第五章为系统抗干扰技术，主要对系统 运行时所受的主要干扰，以及在硬件和软件 方面的抗干扰措施进行了介绍； 第六章为总结，则是对本次毕业设计的设计和仿真及 毕业论文的撰写过程进行了总 结，并对系统完成的功能和存在的问题进行了分析，还对下一步（如果继续做下去）的 工作内容进行了陈述。 第七、八、九章，分别为致谢，参考文献和附录。东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文）第6页2 方案选择与总体设计2.1温湿度的相关概念 温度（Temperature） 温度是表示物体冷热程度的物理量，从分子运动论 观点看，温度是物体分子热运动的剧烈程度。 分子运动愈快，物体 愈热，即温度愈高； 分子运动愈慢，物 体愈冷，即温度愈低 。温度是大量分子热 运动的集体表现，含 有统计意义，对于 个别分子来说，温度是没有意义的。 温度只能通过物 体随 温度变化的某些 特性 来间接测量，而 用来 量度物体温度 数值的标尺叫温标。 它规定了温度的读数 起点（零点）和测量 温度的基本单位。 目前 国际 上用 得较 多 的温 标有 华氏 温标 (H )、 摄 氏 温标 （ ° ） 、 热力 学温 标 (K)和 C 国际实用温标。 温度是分 子平 均动能 的标志， 它决定 一个 系统是否 与其它 系统 处于热平 衡 状 态，它的基本特征在 于一切互为热平衡的 系统都具有相同的温 度。 随着物体温度 的变化，物体的状态 会在固态、液体和气 态之间变化。整个世 界这么精彩就是因 为这些不同的分子、原子在不同的温度下变化而来的。 湿度（Humidity） 湿度是表示大气干燥程度的物理量，在一定的温度下在一定 体积的空气里含有的水 汽越少，则空气越干燥；水汽越多，则空气越潮湿。空气的干湿程度叫做“湿度” ，在 此意义下，常用绝对湿度、相对湿度、比较湿度、混合比、饱和差以及露点等物理量来 表示。 绝对湿度是一定体积的空气中含有的水蒸气的质量， 一般其单位是克 /立方米， 其计算见公式（2.1）。绝对湿度的最大限度是饱和状态下的最高湿度。绝对湿度 只有与温度一起才有意义，因为空气中能够含有的水蒸气的量随温度的变化而变 化。高度不同绝对湿度也不同，因为随着高度的变化空气的体积变化。东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文）ρω =其中的符号分别是： e m = Rω ?T V第7页 （2.1）ρω C绝对湿度，单位是克/立方米e C 蒸汽压，单位是帕斯卡 Rù C水的气体常数=461.52J/(kg K) T C 温度，单位是开尔文 m C 在空气中溶解的水的质量，单位是克 V C 空气的体积，单位是立方米 相对湿度（RH）是绝对湿度与最高湿度之间的比，它的值显示水蒸气 的饱和 度有多高，其计算的见公式（2.2）。相对湿度是 0%的空气不含水蒸气，相对湿度 为 100%的空气是饱和的空气，相对湿度超过 100%的空气中的水蒸气一般凝结出 来。随着温度的增高空气中可以含的水就越多，也就是说，在同样多的水蒸气的 情况下温度升高相对湿度就会降低。?=其中的符号分别是：ρω e ?100% = ?100% ρM E（2.2）? C表示相对湿度，单位是 1ρ M C最高湿度，单位是克/立方米E C 饱和蒸汽压，单位是帕斯卡 随着粮仓中湿度的变化，粮仓中的粮食会因为湿度大而加速发芽或发霉，也会因湿 度小变得干燥。但是，粮食的水分到底有多少则与相对湿度的大小直接有关，相对湿度 小，说明空气所含水蒸汽量还远没有接近饱和量，也就是说还能容纳更多的水分，相对 湿度大，说明空气所含水蒸汽量己接近饱和量不能再容纳更多的水分，反而会吸收空气 中的水分。若用绝对湿度来表示库房湿度时，很难准确反映粮食中水分的变化，故粮仓 中湿度都用相对湿度来表示。所以，通常我们说的粮仓湿度大小，都是指粮食的相对湿 度大小。而湿度与温度息息相关，所以我们也要关心粮仓的温度高低。东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文）2.2 温湿度的测量方法第8页温度的测量方法 温度不能直接测定，它的测定是采用间接的手段，通过观察另 一种物质，即所谓测 温介质的物理特性变化的方法来确定。按照测量体是否与被测介 质接触，可分为接 触式测温法和非接触式测温法两大类。 接触式测温法的特点是测温元件直接与被测对象接触，两者之间进行充分的 热交换，最后达到热平衡，这时感温元件的某一物理参数的量值就代表了被测对 象的温度值。这种方法优点是直观可靠，缺点是感温元件影响被测温度场的分布， 接触不良等都会带来测量误差，另外温度太高和腐蚀性介质对感温元件的性能和 寿命会产生不利影响。 非接触式测温法 的特 点是感温元件不 与被 测对象相接触， 而是 通过辐射进行 热交换，故可以避免 接触式测温法的缺点 ，具有较高的测温上 限。此外，非接触 式测温法热惯性小，可达 1/1000 秒，故便于测量运动物体的温度和快速变化的温 度。由于受物体的发 射率、被测对象到仪 表之间的距离以及烟 尘、水汽等其他的 介质的影响，这种方法一般测温误差较大。 湿度的测量方法 湿度测量技术中最准确的方法是绝对湿度测量的称重法，国际 上普遍使用该法作为 湿度基准，其次是作为二级检定标准的阿斯曼通风干湿计。但是这两种方法都难以用于 自动化测控系统的现场传感测量，工程技术中常采用绝对湿度、相对湿度和露点温度表 示法和相应的测量技术。 相对湿度测量：空气的相对湿度所表达的是其中水气接近饱和的程度，是指标准状 况下，空气中水气的摩尔分数与相同条件下纯水表面的饱和水气的摩尔分数之比表示 为%RH。相对湿度测量主要用于要求保持一定湿度气氛的纺织、薄膜生产等行业，武器 装备封存、仓储等场所，防止材料的腐蚀、霉变主要依赖于相对湿度控制。 相对湿度的测量方法有毛发湿度计、 干湿温度计、 各种露点计等人工视检测量方式， 而应用最为普及的相对湿度测量方法是温湿度自动测控系统所采用的各种类型的多路 温度与湿度检测系统的研制。东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文）2.3 温湿度传感器的选取第9页要考虑用何种原理的传感器，首先要看所进行的具体测量工作，这需要分析多方面 的因素之后才能确定。 因为， 即使是测量同一物理量， 也有多种原理的传感器可以选用， 哪一种原理的传感器更为适合，则需要根据被测量的特点和传感器的使用条件考虑以下 具体问题：量程的大小、被测位置对传感器体积的要求、测量方式是接触式的还是非接 触式的、信号的引出方法、传感器的来源，国产还是进口，价格是否能承受。 在考虑上述问题之后就能确定选用何种类型的传感器，然后再考虑传感器的具体性 能指标。传感器的具体指标有灵敏度，频率响应特性，线性范围，稳定性，精度等。这 些参数并不是要求越高越好，因为要求越高不仅会带来成本的提高，也会带来信号处理 的难度，噪音等问题。在满足检测系统要求的前提下我们一般选择价格便宜和简单的传 感器。 传统的现场温湿度检测大都采用模拟温湿度传感器经前端放大、信号调理、A/D 变 换和数据线性修正等过程来完成。放大、A/D 电路的性能对测量的精度影响较大，特别 是当传感器经较长距离传输后与电路相连时，对电路要求更加严格。为提高测量精度， 需增加系统成本和花费大量的时间进行硬件电路及软件的调试。而数字温度传感器其信 号的处理都在芯片内部完成，芯片在生产时进行了数据的线性校正，用户只需通过一定 的协议从芯片中取出数字信号，就可完成精度较高的温度测量，不必考虑模拟信号带来 的不便，大大降低了产品的成本，缩短了开发周期。 本系统中，我采用集温度、湿度测量于一体的数字传感器 DHT21，温度传感器湿 度传感器合二为一，避免了温度和湿度在同时测量或读取时引起的冲突，简单方便，快 速高效， 经济耐用。 采用该款传感器避免了模拟传感器带来的共地干扰和线路干扰问题， 简化了系统复杂度，提高了系统测量的准确程度和智能化程度，并在一定程度上降低了 系统成本。DHT21 输出数字量已经过校准，传感器包括电容式感湿元件和一个 NTC 测 温元件，并与一个高性能 8 位单片机相连接，无需额外部件，只有一根信号线，便于扩 展，性能稳定，并且比同类产品要便宜的多，所以用在这里是我们理想的选择。东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文）2.4 系统总体设计第 10 页根据设计任务，为了保证系统工作稳定可靠，采用集散控制的方法，每个粮仓配备 一台现场控制器。现场控制器只有在接收到上位主控计算机的指令时才进行其相应操 作，其他时间单独工作，并不断向上位机发送测量数据，其特点如下： 当计算机系统出现故障时，现场控制器可以继续工作，不会影响控制功能； 温湿度控制器的工作状态由现场控制器独立控制； 当某一台现场控制器出现故障时，可以立即利用备用的现场控制器替换，不会 影响其他粮仓温湿度的控制，保证控制质量。 本系统的设计包括现场控制器的硬件、软件设计，上位机监控程序设计。按照目标 要求，现场控制器完成的功能如下： 采集现场温湿度并传给上位机， 根据设定温湿度进行实时控制， 满足控制要求； 通过 CAN 总线与上位机机进行通信； 显示当前的温湿度测量值、设定值、实时时间； 可通过键盘设定温湿度理想值； 在温湿度超限时实现声光报警； 能实现对关键数据的掉电保护。 上位机软件完成的功能如下： 采集、储存温湿度值，绘制、打印实时曲线； 设定温湿度上下限，并给出报警； 控制现场控制器是否发送实时数据； 查询、打印温湿度数据的历史曲线； 与现场控制器进行通信，显示控制器状态。 根据粮仓温湿度范围和控制精度 要求，采用数字温湿度复合传感器 DHT21。由于 使用 CAN 总线实现现场与主控室的通信，传输距离可达到 10km，最高通信速率可达 1Mbps，完全能满足通信距离和通行速率的要求。由于现场环境有干扰，为了保证系统 可靠工作，采用自带看门狗的单片机 STC89C52，保证有干扰时，程序能够自动复位并 开始正常工作。第 11 页 根据系统的目标任务及总体设计方案，绘制系统的总体框图如图 2.1 所示。东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文）图 2.1 系统总体结构原理图本系统以粮仓的温湿度为监测对象，主要由 PC 机、USB 转 CAN 总线模块和智能 节点三部分组成。 位于主控室的上位监控机，可以随时随地通过界面友好、使用方便的监控软件实现 对各个粮仓中各采集点温湿度的监控。 作为信号传输层的 USB 转 CAN 总线模块是连接 上位监控机和智能节点的桥梁，上位监控机发出的控制信号，以及智能节点的反馈信号 都是通过它传递的。粮仓内的智能节点，能独立完成温湿度的测量和控制，还能通过 CAN 总线与上位监控机通信，并根据命令按照上位机的设定温湿度进行控制以及决定 是否向上位机发送实时温湿度数据，智能节点原理图如图 2.2 所示。东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文）第 12 页图 2.2 智能节点原理图第 13 页 智能节点由 STC89C52 最小系统和 DHT21 温湿度测量电路，键盘输入电路，LCD 液晶显示电路，声光报警电路，掉电保护电路，实时时钟电路，输出控制电路以及 CAN 总线通信模块构成，能完成对一个粮仓内多点温湿度数据采集，温湿度控制，能输入所 要控制到的温湿度值，能显示出温湿度值和实时时间，能超限报警，有掉电保护功能， 还能通过 CAN 总线接口与 CAN 总线通信。智能节点的原理框图如图 2.3 所示。东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文）图 2.3 智能节点的原理框图因为固态继电器的输入控制属于两位控制，只有开或关两个状态，不能进行线性控 制，所以其控制算法采用 PWM 控制。为了达到很快的控制速度，很高的控制精度，取 得令人满意的控制效果，再结合粮仓温湿度这一被控对象的特点，系统中，对传统的 PWM 控制又做了一些改进。系统控制原理框图如图 2.4 所示。图 2.4 系统控制原理框图第 14 页 系统中，下位机通过程序控制各外围器件的工作，完成检测实时温湿度，判断是否 报警，并控制温湿度，还能实现与上位机的通信，其主程序流程图如图 2.5 所示。开始东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文）初始化读取温湿度标值向 CGRAM 写字符否 设定状态？ 否 是 上位机允许？ 是 发 清看门狗寄存器 送到 can 总线设定并显示设定值 声光报警处理存储温湿度设定值 PWM 控制输出数字滤波 接收 can 总线数 据显示前数据处理否 发向本节点？ 否 显示温湿度？ 是 是 显 算出温湿度设定值 示实时温湿度存储温湿度设定值 读取实时时间读取实时温湿度显示实时时间图 2.5 下位机主程序流程图东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文）第 15 页3 系统硬件设计3.1 STC89C52 简介 STC89C52 是 STC 公司推出的 8 位单片机，与 MCS-51 单片机产品兼容，超强的加 密功能，极高的擦写次数（大于 100000） 。 STC89C52 最高可支持 80MHz 时钟频率，具有 1 个看门狗定时器（WDT） 个中 ，4 断优先级。本系统设计时，采用了 12M 的时钟频率，用 T0 产生 PWM 脉冲，用 WDT 保证系统稳定运行。 在本系统中，每个粮仓设一个智能节点，该节点以 STC89C52 为现场控制器，可以 实现一个粮仓内温湿度的监控。 系统中， 单片机用到的各引脚与外围电路的连接情况为： P07 连接数据采集电路，P00、P01 、P02 以及 P03 连接 CAN 总线通信模块，P10、P11、 P12 以及 P2 口连接 LCD，P13、P14 和 P15 连接 DS1302，P04、P05、P06、P32 以及 P33 连接键盘电路，P34 连接声光报警电路，P35 连接输出控制电路，P36 和 P37 连接掉 电保护电路，STC89C52 的最小系统如图 3.1 所示。图 3.1 单片机最小系统东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文）3.2 数据采集电路第 16 页本设计中的数据采集电路是由多路模拟开关和一系列的数字温湿度传感器 DHT21 构成的，每个传感器都有特定的编号，在特定的位置测量，其电源一直供电，通过单片 机控制多路模拟开关的导通，选择性读取具体的某一个 DHT21 的测量结果，多路模拟 开 关逐个导通就实现了循环数据采集。 DHT21 是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器，它应用专用的数字 模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。采 用该款传感器避免了模拟传感器带来的共地干扰和线路干扰问题，同时也避免了温度和 湿度分开测量和处理的复杂和麻烦，简化了系统复杂度，提高了系统测量的准确程度和 智能化程度，并在一定程度上降低了系统成本。 传感器包括一个电容式感湿元件和一个 NTC 测温元件，并与一个高性能 8 位单片 机 相连接，无需额外部件。每个 DHT21 传感器都在极为精确的湿度校验室中进行校 准，校 准系数以程序的形式储存在 OTP 内存中，传感器内部在检测信号的处理过程中 要调用这 些校准系数。单线制串行接口，使系统集成变得简易快捷，连接方便。该产 品具有品质 卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比高等优点，超小的体积、极低的 功耗，较远的 信号传输距离，使其成为各类应用甚至最为苛刻的应用场合的最佳选 则，其应用领域有 暖通空调、汽车、家电、气象站、医疗、湿度调节器、除湿器、数 据记录器、测试及检 测设备等，传感器的实物图和封装信息如图 3.2 所示。图 3.2 DHT21 实物及封装图东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文）3.2.1 DHT21 性能说明 DHT21 的主要性能指标如表 3.1 所示。第 17 页表 3.1 传感器性能说明（响应时间的测量条件 25℃，1m/s 空气） 参数 条件 测量 供电电流 待机 采样周期 -0.9 1 湿度 -分辨率 --重复性 -25℃ 精度 0－50℃ 互换性 响应时间 迟滞 长期稳定性 1/e(63%) -典型值 ---温度 -分辨率 -重复性 精度 量程范围 响应时间 ---1/e(63%) ---40 6 16 ± 0.5 -----± 0.5 80 20 Bit ℃ ℃ ℃ S -0.1 -℃ --可完全互换 2 ± 0.3 ± 1 ---S %RH %RH/yr ± 5 %RH --16 ± 1 ± 3 ---Bit %RH %RH 0.1 -%RH 1.1 2 1.3 -mA S Min 1.3 Typ 1.5 Max 2.1 单位 mA注：采样周期不得低于最小值，否则会引起错误。建议连接线长度短于 20 米时用 5K 上拉电阻,大于 20 米时 根 据实际情况使用合适的上拉电阻。东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文）3.2.2 DHT21 引脚介绍第 18 页DHT21 的标值供电电压为 5V，传感器上电后，要等待 1s 以越过不稳定状态在此期 间无需发送任何指令。电源引脚 VDD 电源正极，供电 3.3-5.5VDC，GND 电源负极， 接 地，这两个引脚之间可增加一个 100nF 的电容，用以去耦滤波。 DATA 引脚是串行数据接口，用于微处理器与 DHT21 之间的通讯和同步，采用 单 总线数据格式，一次通讯时间 5ms 左右，具体格式在下面说明，当前数据传输为 40bit， 高位先出。NC 引脚是空脚，要悬空，不能接 VCC 或 GND。 3.2.3 DHT21 数据格式 DHT21 所能测量的，温度和湿度都是有一位小数的数据其数据格式如式 3.1 所示。 40bit 数据=16bit 湿度数据+16bit 温度数据+8bit 校验和 校验和的算法和验证如式 3.2 所示。 湿度高 8 位+湿度低 8 位+温度高 8 位+温度低 8 位=和的末 8 位=校验和 （3.2） 例如：接收 40bit 数据为 00 01 10 1110 验证：00 01+10 1110，那么对应湿度=65.2％RH 温度=35.1℃ 当温度低于 0℃时温度数据的最高位置 1。例如：-10.1℃表示为 10 .4 DHT21 时序 用户主机（MCU）发送一次开始信号后，DHT21 从低功耗模式转换到高速模式， 等待主机开始信号结束后，DHT21 发送响应信号，送出 40bit 的数据，并触发一次信号 采 集，总线上的信号如图 3.3 所示。由于主机从 DHT21 读取的温湿度数据总是前一 次的测 量值，如两次测量间隔时间很长，则要连续读两次以获得实时的温湿度值。 （3.1）图 3.3 主从机对话信号第 19 页 空闲时总线为高电平，通讯开始时主机(MCU)拉低总线 500us 后释放总线，延时 20-40us 后主机开始检测从机（DHT21）的响应信号，从机的响应信号是一个 80us 左右 的 低电平，随后从机在拉高总线 80us 左右代表即将进入数据传送，总线上的信号如 图 3.4 所示。东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文）图 3.4 开始数据传送时信号高电平后就是数据位，每 1bit 数据都是由一个低电平时隙和一个高电平组成。低电 平时隙就是一个 50us 左右的低电平，它代表数据位的起始，其后的高电平的长度决定数 据位所代表的数值，较长的高电平代表 1，较短的高电平代表 0。共 40bit 数据，当最后 一 位数据传送完毕后，从机将再次拉低总线 50us 左右，随后释放总线，由上拉电阻拉 高。 数字 1 信号表示方法如图 3.5 所示，数字 0 信号表示方法如图 3.6 所示。图 3.5 DHT21 数字 1 信号表示法图 3.6 DHT21 数字 0 信号表示 法东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文）3.3 键盘输入电路第 20 页为了提高系统监控的灵活性，在下位机的设计中加入了键盘和显示功能，这样不仅 可以通过上位管理机对参数进行设置、显示，下位机也可直接进行设置和显示，然后通 过 CAN 网络通信给上位管理机，进行同步控制。 键盘是由若干个按键组成的开关或开关矩阵，它是一种廉价而常用的输入设备。常 用的键盘电路分为两种：独立键盘和矩阵键盘。独立键盘适合于单个输入，一个键盘对 应一个 I/O 口，可以通过查询 I/O 口的高低电平确定按键的状态。矩阵键盘用于按键数 量较多的场合，它有行线和列线组成，按键位于行、列的交叉点上，行线、列线分别连 接到按键开关的两端，按键个数等于行数乘以列数，所以可大大节省 I/O 口的使用。查 询按键的状态时，常用的方法有：行扫描法、列扫描法和线翻转法。 使用按键时，必须要考虑的消除按键抖动的影响，消除按键抖动简称按键消抖，其 方法分为硬件消抖和软件消抖。硬件消抖有用 RC 滤波电路，单稳态电路和双稳态电路, 用的最多且效果最好的是双稳态的 RS 触发器电路。软件消抖也就是延时消抖，节省硬 件资源，使用广泛。 在本系统中，由于不需要很多按键，I/O 口又有大量剩余，系统采用了一个拨码开 关 K1 和四个独立按键开关 K2、K3、K4、K5。为了防止在单片机引脚在悬空状态下外 界的干扰可能会导致单片机的误动作， 而给每一个开关加上了 5.1k 上拉电阻来提高抗干 扰能力。判读按键是否按下，等待按键释放以及按键去除抖动都是在软件里实现的。键 盘电路原理图如图 3.7 所示。图 3.7 键盘电路原理图东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文）3.4 LCD 显示电路 3.4.1 电路概述第 21 页系统中，采用了工业字符型液晶 1602 做信息显示器件，1602 上下两行共可显示 32 个字符，1602 有体积小，重量轻，寿命长，功耗低，显示信息清晰稳定的优点。系统工 作时，LCD1602 显示如图 3.8 所示。图 3.8 LCD1602 显示的信息3.4.2 LCD1602 引脚 1602 采用标准的 16 脚接口，各引脚说明如表 3.2 所示。在系统中，单片机 P10、 P11、P12 分别连接着 RS、R/W、E，P2 口连接着数据总线 D0～D7。通过这些接口， 单片机控制着 LCD1602 的工作。表 3.2 LCD1602 引脚功能说明 编号 1 2 3 4 5 符号 VSS VDD VL RS R/W 引脚说明 电源地 电源正极（典型值 5V） 液晶显示偏压信号（可调） 数据/命令选择端（H/L） 读/写选择端（H/L） 编号 6 7-14 15 16 符号 E D0～D7 BLA BLK 引脚说明 使能信号 Data I/O 数据线 背光源正极 背光源负极3.4.3 LCD1602 控制器 整个 1602 模块主要由 LCD 显示屏、控制器、列驱动器和偏压产生电路构成。控制 器主要由指令寄存器 IR、数据寄存器 DR、忙标志位 BF、地址计数器 AC、字符显示缓 冲区 DDRAM、标准字模区 CGROM、自建字模区 CGRAM 及时序发生电路组成。 指令寄存器 IR，内部存储 DDRAM 和 CGRAM 中的数据显示的指令代码和地址信东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文）息，只能由单片机对其执行写操作。第 22 页数据寄存器 DR， 内部暂时存储单片机与模块内部 DDRAM 和 CGRAM 之间的传送 数据，内部操作使 DR 与 DDRAM 或者 CGRAM 之间的数据传送自动进行。 忙标志位 BF，为“1”表明模块正在进行内部操作，此时不接受任何外部指令和数 据；只有 BF 为“0”时，单片机才能访问模块。 地址计数器 AC，是 DDRAM 或者 CGRAM 的地址指针。随着 IR 中指令码的写入， 指令码中携带的地址信息自动送入 AC 中， 并确定 AC 做 DDRAM 还是 CGRAM 的地址 指针。DR 与 DDRAM 或者 CGRAM 之间完成一次数据传送后，AC 会自动加 1 或减 1。 字符显示缓冲区 DDRAM，存储显示字符的字符码，直接和屏幕上的点相对应，屏 幕上的一个点和 DDRAM 中的一个位对应，共 80 个字节。 标准字模区 CGROM，保存了厂家生产时固化的 192 个不同字符字模，字符字模是 与显示字符点阵相对应的 5×8 矩阵位图数据。每组字模都有一个由其在 CGROM 中存 放的高八位数据组成的字符码对应，字符码的地址范围为 00h~BFh。 自建字模区 CGRAM， 是留给用户自己定义字符的字模组的。 共有地址为 00h～3Fh 的 64 个字节空间，最多可自己定义 8 个 5×8 点阵的字模数据，相应的字符码地址为 00h～07h 或 08h～0Fh，其中 00h 与 08h 对应同一个字模，01h 与 09h 对应同一个字模， 以次类推。 3.4.4 LCD1602 基本操作 对 1602 的控制，共有四种基本方式，如表 3.3 所示。表 3.3 LCD1602 基本操作控制 功能 读状态 E 1 1 1→0 1→0 RS 0 1 0 1 R/W 1 1 0 0 说明 读取由 AC 和 BF 的内容组成的状态字 D0~D7 将 DR 内的数据读到 D0~D7，模块内部操作自动将 DDRAM 或 读数据 CGRAM 中的数据送入 DR 中 将 D0~D7 的指令码写入指令寄存器 IR 中 将 D0~D7 的数据写入 DR 中，模块内部操作自动将 DR 中的数 写数据 据写到 DDRAM 或 CGRAM 中写指令东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文）3.5 实时时钟电路 3.5.1 电路及芯片概述第 23 页为 了 使 记 录的 温 湿 度更 清 晰 ， 也便 于 以 后 查 询 ， 设 计中 系 统 采 用 了 时 钟 芯 片 DS1302， 在记录各温湿度值的同时把其对应的测量时间也记录了下来， 这种记录对长时 间的连续测控系统结果的分析及对异常数据出现的原因的查找具有重要意义。 DS1302 是美国 DALLAS 公司推出的一款高性能、低功耗、带 RAM 及涓流充电功 能的时钟芯片。该芯片是 DS1202 的升级产品，与 DS1202 兼容，内含有一个实时时钟/ 日历和 31 个字节静态 RAM，能提供 2100 年之前的年、月、日、时、分、秒及星期的 信息， 每月的天数和闰年的天数可自动调整。 时钟/RAM 的读/写数据可以一次一个字节， 也可以采用突发方式一次传送多个字节的字符组方式通信， 通过对时钟/RAM 读/写数据 来查询时间信息和控制芯片的工作状态。 DS1302 工作时功耗很低，保持数据和时钟信息时功率小于 1mW；DS1302 工作温 度范围在可选工业级温度范围(-40℃~ +85℃）内；DS1302 采用 8 脚 DIP 封装形式。该 芯片的接口简单、价格低廉、使用方便，被广泛应用于电话、传真、便携式仪器以及电 池供电的仪器仪表等领域。 3.5.2 DS1302 引脚 DS1302 的 RST 复位线、 I/O 数据线和 SCLK 串行时钟用来与单片机之间进行通信。 X1 和 X2 是振荡源接口，外接普通 32.768kHz 晶振； VCC2 和 VCC1 分别为 DS1302 的主 电源和备用电源管脚。 VCC1 为备用电源，有可编程涓流充电能力，附加七个字节暂存 存储器，VCC2 为主电源，工作电压范围较宽（2.5V~5.5V），能兼容 TTL 电平，芯片由 VCC1 或 VCC2 两者中的较大者供电。DS1302 在系统中的电路原理图如图 3.9 所示图 3.9 DS1302 电路原理图东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文）3.5.3 DS1302 寄存器第 24 页DS1302 有关日历、时间的寄存器共有 12 个，其中有 7 个寄存器，存放的数据格式 为 BCD 码形式，在系统中要到的寄存器如表 3.4 所示。表 3.4 DS1302 有关日历、时间的寄存器 读地址 81h 83h 85h 87h 89h 8Bh 8Dh 8Fh 写地址 80h 82h 84h 86h 88h 8Ah 8Ch 8Eh WP 0 TT 0 0 0 0 0 0 0 10 年 0 0 0 0 0 0 bit7 CH bit6 bit5 10 秒 10 分 AP 10 日 10 月 0 0 年 0 0 时 bit4 bit3 bit2 秒 分 时 日 月 周日 bit1 bit0 数据范围 00-59 00-59 1-12/0-23 1-31 1-12 1-7 00-99 --注 1：秒寄存器（81h、80h）的位 7 定义为时钟暂停标志（CH）。当该位置为 1 时，时钟振荡器停止，DS1302 处于低功耗状态；当该位置为 0 时，时钟开始运行。 注 2：小时寄存器（85h、84h）的位 7（TT）用于定义 DS1302 是运行于 12 小时模式还是 24 小时模式。当为高 时，选择 12 小时模式。在 12 小时模式时，位 5（AP）是 ，当为 1 时，表示 PM。在 24 小时模式时，位 5 是第二个 10 小时位。 注 3：控制寄存器（8Fh、8Eh）的位 7 是写保护位（WP），其它 7 位均置为 0。在任何的对时钟和 RAM 的写 操作之前，WP 位必须为 0。当 WP 位为 1 时，写保护位防止对任一寄存器的写操作。3.5.4 DS1302 控制字 DS1302 是 SPI 总线驱动方式， 它不仅要向寄存器写入控制字， 还需要读取相应寄存 器的数据。要想与 DS1302 通信，首先要先了解 DS1302 的控制字，控制字的具体信息 如表 3.5 所示。表 3.5 DS1302 的控制字 bit7 1 bit6 bit5 bit4 bit3 bit2 bit1 bit0A4 A3 A2 A1 A0 RAM / CK RD / WR 位 7（最高有效位）：必须是逻辑 1，如果它为 0，则禁止写 DS1302。位 6：如果为 0，则表示存取日历时钟数据，为 1 表示存取 RAM 数据。第 25 页 位 5 至位 1（A4～A0）：指示操作单元的地址。31 个字节 RAM 的地址为 00000 到 11110。 位 0（最低有效位）：如为 0，表示要进行写操作，为 1 表示进行读操作。 3.5.5 DS1302 时序 进行单字节传送时，控制字总是从最低位开始输出，在控制字指令输入后的下一个 SCLK 脉冲的上升沿，写入数据，数据输入是从最低位（0 位）开始。同样，在紧跟 8 位的控制字指令后的下一个 SCLK 脉冲的下降沿，读出数据，数据输出也是从最低位到 最高位，DS1302 单字节读写时序分别如图 3.10 和 3.11 所示。东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文）图 3.10 DS1302 单字节读时序图 3.11 DS1302 单字节写时序东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文）3.6 掉电保护电路第 26 页系统中，为了防止突然掉电导致数据丢失，可以采用外部存储器把那些要保护的数 据存储起来。前面提到 DS1302 的 RAM 可以当作外部存储器来用，但是由于数据采集 是实时进行的，那么相应时间也是实时记录的，考虑到系统工作效率，系统采用了 AT24C02A 芯片组成的掉电保护电路，如 3.12 所示。由于 AT24C02A 的容量有限，可 以采用环形存储，即按存储单元地址顺序存入数据，当存满时，用最新的数据覆盖在最 旧的数据，以次类推。但是由于这些数据都已传到上位机，所以只需要用前四个字节就 可以了。图 3.12 AT24C02A 电路原理图AT24C02A 是 Atmel 公司生产的 2K 位串行 CMOS EEPROM， 内部含有 256 个 8 位 字节。采用 8 脚 DIP、SOIC 或 TSSOP 封装，其引脚描述如表 3.6 所示。表 3.6 AT24C02A 引脚描述 引脚名称 功能 A0 A1 A2 GND 地 SDA 串行数据/地址 SCL 串行时钟 WP 写保护 VCC 工作电压器件地址选择A0、A1、A2 ：这些输入引脚用于多个器件级联时设置器件地址，当被悬空时默认 值为 0，使用时最大可级联 8 个器件，如果只有一个器件被总线寻址，这三个地址输入 脚 A0、A1、A2 可悬空或连接到 GND。 SCL：输入引脚，提供器件所有数据发送或接收的串行时钟。 SDA：开漏输出引 脚，双向串行数据/地址管脚用于器件所有数据的发送或接收。 WP：当该引脚连 接到 VCC 时，所有的内容都被写保护，只能读；当 WP 管脚连接到 GND 或悬空时，允许器件进行正常的读/写操作。 GND 和 VCC：芯片电源引脚，提供电源，构成回路，维持正常工作。东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文）第 27 页AT24C02A 通过 I2 C 总线接口进行操作，时序图如图 3.13， I2 C 总线协议定义如下： ① 只有在总线空闲时才允许启动数据传送。 ② 数据传送过程中当时钟线为高电平时数据线必须保持稳定状态不允许有跳变 （因 为在时钟线保持高电平期间，数据线电平从高到低的跳变为起始信号，从低到高的跳变 为停止信号）。图 3.13 AT24C02A 总线时序单片机作为主器件通过发送一个起始信号启动发送过程，接着发送它所要寻址的从 器件 AT24C02A 的地址，其中地址位的组成如表 3.7 所示，然后 AT24C02A 监视总线并 当 其地址与发送的从地址相符时，通过 SDA 线响应一个应答信号。如果器件已选择了 写操 作，则在每接收一个 8 位字节之后响应一个应答信号，即应答的器件在第 9 个时 钟周期时 将 SDA 线拉低。如果器件工作于读模式时，在发送一个 8 位数据后释放 SDA 线并监视一 个应答信号，一旦接收到应答信号，则继续发送数据，如主器件没有 发送应答信号，器 件停止传送数据且等待一个停止信号。表 3.7 AT24C02A 地址位 bit7 1 bit6 0 bit5 1 bit4 0 bit3 A2 bit2 A1 bit1 A0 bit0R/ W8 位从器件地址的高 4 位固定为 1010，接下来的 3 位为器件的地址位，用来定义哪 个器件以及器件的哪个部分被主器件访问，从器件 8 位地址的最低位 R/ W ，作为读写 控制位。“1”表示对从器件进行读操作，“0”表示对从器件进行写操作。写操作主要 有字节写、页写、写周期和写保护四种；读操作也有三种不同的方式：立即地址读、选 择读和连续读。东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文）3.7 CAN 总线通信第 28 页3.7.1 CAN 总线概述 CAN（Controller Area Network，控制器局域网）是一种有效支持分布式实时控制的 串行通信网络。CAN 总线最早出现在 20 世纪 80 年代末的汽车工业中，由德国 BOSCH 公司最先提出。如今，CAN 总线已经成为国际上应用最广泛的现场总线之一。 CAN 具有下列主要特性：多主站依据优先权进行总线访问；无破坏性的基于优先权 的仲裁；借助接收滤波的多地址帧传送；全系统数据相容性；废除了常用的地址编码， 而代之以对通信数据块进行编码；可靠的错误处理和检错机制，极强的错误检测能力， 发送期间若丢失仲裁或由于出错而遭破坏的帧可自动重发送；暂时错误和永久性故障节 点的判别以及故障节点的自动脱离；可以根据用户的需要，改变总线上分机的数量，理 论上可连无数个分机；CAN 总线的接收数据长度最多为 8 个字节，因而不存在占用总 线时间过长的问题，可以保证通信的实时性。 CAN 总线用“显性”和“隐性”两个互补的逻辑数值表示 “0”和“l”。在“显 性”和“隐性”位同时发送期间，总线的最后数值将是“显性”（0 与 1=0）。CAN 总 线收发器通过两个物理引脚 CANH 和 CANL 与总线相连，CANH 只能是高电平或悬浮 状态，CANL 只能是低电平或悬浮状态。在隐性状态下，两管脚都处于悬浮状态，对应 电平 VCANH 和 VCANL 被固定于平均电压电平附近，差分电压 Vdiff 近似为零。显性状态 以 Vdiff 大于最小阈值的差分电压表示。总线上的电平如图 3.14 所示.图 3.14 CAN 总线上电平位的表示CAN 总线是一种多主站总线，系统内各节点都有权向其它节点发送信息，通信介质 可以是同轴电缆， 光纤甚至是双绞线， 两个任意节点之间的最大传输距离与位速率有关，东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文）其关系如表 3.8 所示。表 3.8 CAN 总线两任意节点间最大距离与位速率的关系 位速率（bps） 最大总线长度（m） 1M 40 500k 130 250k 270 125k 530 100k 620 50k 1.3k 20k 3.3k第 29 页10k 6.7k5k 10k正是基于 CAN 总线的上述优点，目前 CAN 总线在众多领域被广泛采用， 其应用 范围不再局限于原先的汽车行业，而向航空航天，航海，火车等各类运输行业、消防管 理，楼宇管理，建筑管理等环境控制领域、纺织工业，过程工业，机械工业等工业控制 领域，传感器，自动化仪表，机器人技术等自动化领域发展，CAN 总线已经形成国际 标准，并已被公认为是几种最有前途的现场总线之一。 考虑到 CAN 总线技术具有先进的多主网络结构和通信距离远、成本低、可靠性高、 系统容量大、安装方便、维护费用低、性价比高等优点，用在库区较大、仓库分布较分 散的大型粮仓的温湿度监控系统是一种合理而新颖的尝试。 3.7.2 CAN 控制器 MCP2515 MCP2515 是 Microchip 公司的一款独立 CAN 控制器，完全支持 CAN V2.0B 技术 规范。该器件能发送和接收标准和扩展数据帧以及远程帧。MCP2515 自带的两个验收 屏蔽寄存器和六个验收滤波寄存器可以过滤掉不想要的报文，因此减少了主单片机 （MCU） 的管理负担。MCP2515 与 MCU 的连接是通过业界标准串行外设接口 （Searial Peripheral Interface，SPI）来实现的。MCP2515 的操作简单，使用方便，可以简化需要 与 CAN 总线连接的应用。 MCP2515 该器件主要由三个部分组成： CAN 模块，包括 CAN 协议引擎、验收滤波寄存器、验收屏蔽寄存器、发送 和接收缓冲器。 用于配置该器件及其运行的控制逻辑和寄存器。 SPI 协议模块。 其内部结构 框图如图 3.15 所示。东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文）第 30 页图 3.15 MCP2515 的结构框图系统中，单片机通过 SPI 接口控制 MCP2515，将要发送的数据转化成特定格式（标 准和扩展数据帧或远程帧） 发送到 CAN 总线上进而传给上位机， 同时从 CAN 总线上读 取上位机发来的数据，通过设置验收屏蔽寄存器和验收滤波寄存器，由选择性地接收上 位机发给该智能节点的数据。使用时，只需要对 MCP2515 某些寄存器进行设置，光电 耦合和高速 CAN 收发器对用户是透明的，操作简单。其中 SPI 接口引脚和 CAN 总线收 发引脚说明如表 3.9 所示。表 3.9 MCP2515 一些有必要说明的引脚 引脚号 1 2 13 14 15 16 类型 O I I I O I 名称 TXCAN RXCAN SCK SI SO 说明 连接到 CAN 总线的发送输出引脚 连接到 CAN 总线的接收输入引脚 SPI 接口的时钟输入引脚 SPI 接口的数据输入引脚 SPI 接口的数据输出引脚 SPI 接口的片选输入引脚 通过 6N137、TJA1050 最后连到 CAN 总线 与单片机相连，通过该 接口，实现 MCP2515 与单片机之间的通信， 进而完成整个工作过程CS东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文）3.7.3 CAN 收发器 TJA1050第 31 页TJA1050 是 CAN 控制器和物理总线之间的接口。TJA1050 可以为总线提供不同的 发送性能， CAN 控制器提供不同的接收性能。 为 TJA1050 是 PCA82C250 高速 CAN 收 发器的后继产品。所做的改进为：CANH 和 CANL 理想配合，使电磁辐射减到更低； 在有不上电节点时，性能有所改进。TJA1050 内部功能框图如图 3.16 所示。图 3.16 TJA1050 功能框图热保护，在正或负电源电压因意外造成的短路时，能保护发送器的输出级，并且当 发送器的连接点的温度超过大约 165℃时，会断开与发送器的连接。当引脚 TXD 变为 高电平时，发送器由关闭状态复位。当总线短路时，尤其需要这个热保护。 通过引脚 S 可以选择两种工作模式：高速模式或静音模式。将引脚 S 接地或悬空， 就进入了高速模式，也就是普通的工作模式，在本系统里用的就是该模式。将 S 引脚连 接到 VCC 可以进入静音模式，此时发送器是禁能的，但 IC 的其他功能可以继续使用。 静音模式可以防止在 CAN 控制器不受控制时对网络通讯造成堵塞。 当引脚 TXD 由于硬件或软件程序的错误而持久地为低电平时， “TXD 控制超时” 定时器电路可以防止总线进入这种持久的支配状态，而阻塞所有网络通信 。由于这个 定时器是由引脚 TXD 的下降沿触发，上升沿复位，当引脚 TXD 的低电平持续时间超 过内部定时器的值，发送器会被禁能，使总线进入隐性状态，从而解除了 CAN 总线被 该发送器的长时间占用。东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文）3.7.4 光电隔离器 6N137第 32 页虽然 CAN 接口采用的是差分传输方式，具有一定的抗共模干扰的能力，但当共模 电压超过 CAN 驱动器的极限接收电压时，CAN 驱动器就无法正常工作了，严重时甚至 会烧毁芯片和仪器设备。因此，在强干扰环境中，或是高的性能要求下，就必须对 CAN 总线各个通信节点实行隔离。 系统中采用 Toshiba 公司生产的一款单通道的高速光电耦合器件 6N137 来实现 CAN 总线各个通信节点隔离。该器件内部有一个 850 nm 波长 AlGaAs LED 和一个集成检测 器组成，其检测器由一个光敏二极管、高增益线性运放及一个肖特基钳位的集电极开路 的三极管组成，示意图如 3.17 所示。6N137 体积小，重量轻，使用方便，性能稳定；不 受磁场影响，无需磁屏蔽，抗干扰能力强；无触点，寿命长，响应速度快，可以传输高 达 10MHz 的脉冲信号；隔离电压等级高，输入和输出两端之间绝缘电压可达万伏以上。图 3.17 6N137 原理示意图应该特别说明的是光耦部分电路所采用的两个电源 VCC 和 VF 必须完全隔离， 否则 采用光耦也就失去了意义。系统中采用的是定电压高隔离系 DC/DC 模块 B5050S，该器 件体积特别小，功率密度大，占线路板空间小；高低温特性好，能满足工业级产品技术 要求；温升低，自然空冷，无需外加散热片；最重要的优点是隔离电压高，耐冲击性好。 由于在输入电压为 4.5-5.5VDC 的范围内时，输出就能稳定在 5VDC 的固定电压，系统 中将单片机的工作电源 5V 电压做输入，输出做为 CAN 控制器的电源。为了减少纹波 值使输出电压更稳定，在输入端外加了滤波电容以滤除噪声和纹波。这些部分虽然增加 了节点的复杂程度，但是却提高了节点的稳定性和安全。东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文）3.7.5 上位机与 CAN 的连接第 33 页由于系统由上位机、CAN 总线和智能节点组成，CAN 总线连接着上位机和智能节 点，实现它们之间的通信。 上位管理机采用普通 PC 机， 通过 USB-CAN 转换模块与现场 CAN 总线相连， 主要 负责参数设定，数据的处理、保存和显示，以及对下位监控机的管理等功能。USB-CAN 转换模块是系统中的重要部分，它的性能如何将直接影响着本系统的工作品质。 USB-CAN 转换模块带有 USB2.0 接口和 1 路 CAN 接口，USB2.0 接口的最高传输 速率可达 12MB/s，并且支持双向数据传输，完全满足 CAN 总线的传输波特率的范围及 传输方向要求。可进行收、发双向透传。主要特点：传输协议非常简洁、透明，支持进 行二次开发。 USB 虚拟串口， 可以在各种操作系统下， 像使用普通串口一样方便地使用。 USB-CAN 转换模块的内部结构框图和实物图分别如图 3.18 和图 3.19 所示。图 3.18 USB-CAN 结构图图 3.19 USB-CAN 实物图东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文）3.7.6 下位机与 CAN 的连接第 34 页下位机以单片机为智能控制器，在粮仓温湿度控制系统中，通过温湿度传感器来采 集粮仓内的温度、湿度，经过单片机处理后发出信号，控制风机、加湿器和去湿器的打 开和关闭，以达到对温、湿度的自动调节。 单片机通过 MCP2515 的 SPI 接口与 CAN 总线通信，将采集到的数据发送到 MCP2515，进而再发送到 CAN 总线。对于接收数据，则采用中断方式。一旦中断发生， 即将接收的数据自动装载到相应的报文寄存器中。此时还可利用屏蔽滤波寄存器对接收 报文的标识符和预先在接收缓冲器初始化时设定的标识符进行有选择的逐位比较，只有 标识符匹配的报文才能进入接收缓冲器。其中通信模块原理图如图 3.20 所示。图 3.20 CAN 通信模块电路图图中，TJA1050 的 CANH 和 CANL 与地之间并联了两个 30P 的小电容，可以起到 滤除 总线上的高频干扰和一定的防电磁辐射的能力， 在两根 CAN 总线接入端与地之间 分别反 接了一个保护二极管，起过压保护作用。总线两端都端接一个 120 的额定电 阻，终端电 阻和电缆阻抗的紧密匹配，确保了数据信号不会在总线的两端反射。东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文）3.8 输出控制电路第 35 页输出控制电路的功能的是通过检测的结果根据需要，通过制冷机产生的冷量对自然 空气进行冷却降温、除湿，再通过风机及粮仓内的通风管道使冷却后的空气穿过粮堆， 从而实现温湿度的快速无差的控制。控制电路如图 3.21 所示，但是由于条件限制， 系统中，用小电风扇来代替了继电器输出端的制冷机和风机等用电器，进行的模 拟实验。实际上，受继电器相应速度和功耗的影响，该电路效率不高，如能采用 光电双向晶闸管代替电磁继电器来耦合，后面的用电器也用双向晶闸管，其触发端与光 电双向晶闸管相连，能大大提高工作效率，延长系统寿命，节省系统成本图 3.21 系统输出控制电路3.9 声光报警电路 系统中，设计了温湿度报警电路，用来在温湿度超限时的报警，其原理图如图 3.22 所示。其实，真正的粮仓中还可以通过高灵敏度的离子感烟探测器来感知待测粮仓内的 烟雾浓度，以此在火灾的初期发出报警信号。图 3.22 声光报警电路东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文）3.10 系统电源电路第 36 页该电路只提供+5V 电压， 主要为智能节点供电， 其电路原理图和仿真图分别如图 3.23 和图 3.24 所示。 上位监控机以及该电路直接由二相电力线供电。 小功率变压器的变比为 29.3： 所以当输入的有效值为 220V 的交流电时， 1， 输出为同频率同相位的有效值位 7.5V 的交流电。经过全桥整流后，变成馒头型直流电。经过电容 C1 和 C2 的滤波，波形变 得更平滑。经三端稳压芯片 7805 后，输出为 5VDC 电压。为了提高带负载的能力，加 了达林顿管以增大输出电流，其中 R1 为限流电阻，R3 为功率电阻。还采用了发光二极 管作为，电源信号指示灯。图 3.23 系统电源电路原理图图 3.24 系统电源电路仿真图东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文）第 37 页4 系统软件设计4.1温湿度设置 系统中，传感器读取的温湿度精度是 0.1，为了能满足精度要求，键盘设定的温湿度可以精确到 0.01。设置过程用到五个按键，分两类：一类是电平触发方式，只有 K1； 另一类是上升沿触发方式，并采用状态机的形式，有 K2、K3、K4 和 K5。其功能都是 通过程序设定的，简要说明如表 4.1 所示。表 4.1 系统按键功能 名称 K1 设定（为?0?） 功能 显示（为?1?） 无效 实时温湿度/实时时间 K2 当前位加一 K3 当前位减一 K4 选择当前位 K5 温度/湿度4.2数据的采集与处理 数据采集指的是是从各外围器件读取温度、湿度、时间等信息。按照 DHT21 通信协议依据其读写时序，从 DHT21 中读取的 16 位温度数据和 16 位湿度数据。具体温湿 度值按公式 4.1 和 4.2 计算可得。 至于实时时间， 按表 3.4 中每个寄存器对应每一位的信 息，可以轻易计算出来。 温度值=（高 8 位温度数据×256+低 8 位温度数据）×0.1 湿度值=（高 8 位湿度数据×256+低 8 位湿度数据）×0.1（4.1） （4.2）数据处理指对得到的这些数据进行滤波、存储、显示和发送处理。 系统采用数字 滤波来克服随机干扰引起的误差。由传感器采样周期限制，采样速度 较慢，不能对每一个有效的采样值进行若干次采样。所以，系统采用滑动平均滤波法， 即只采样一次，将这一次采样值和过去的若干次采样值一起求平均，得到的有效采样值 即可投入使用。每新采集一个数据的同时去掉一个最老的数据，保持这些固定个数的数 据始终是最新的数据。存储、显示和发送的处理较简单，就不再赘述。东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文）4.3 PWM 控制算法第 38 页本系统采用分段 PWM 控制算法，原理简单、稳定性好、工作可靠、调整方便，首先 设定控制周期 T、比例系数 P、偏差上下限 e1、e2、e3、e4，他们由程序调试时设定固 化 到程序里。继电器的导通、截止时间通过定时器控制。 具体控制随偏差 e 的关系 为： 当 e 增大时有： 若 0&e&e2，固态继电器保持截止； 若 e2&e&e4，PWM 控制； 若 e&e2，固态继电器始终导通； 当 e 减小时有： 若 e&e3，固态继电器始终导通； 若 e1&e&e3，PWM 控制； 若 0&e&e1，固态继电器保持截止； 输出随偏差 e 的变化关系如图 4.1 所 示。图 4.1 系统控制输入输出关系东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文）4.4 系统通信程序第 39 页本系统的通信程序主要是指现场控制机与 CAN 总线的通信程序。采用的是 20Kbps 的波特率，理论传输距离为 3.3Km，能满足任务要求。帧是 CAN 总线通讯的基本单位， 本系统采用扩展帧，只接受和发送扩展帧，其格式如式 4.3 所示。帧信息（1 字节）+识别码（4 字节）+数据字节（8 字节）（4.3）为了方便，为每个智能节点设置了一个 ID，即不同的识别码。的扩展标识符低位为 0x01，二号的为 0x02，依次类推。标准标识符的高位和扩展标识符的高位都是 0x00， 标准标识符的低位，由于其中一位在帧格式为扩展帧时为 1，所以标准标识符的低位统 一为 0x08。 向上位机发送数据时，用的是发送缓冲器 0（TX0） ，发送带有四个字节 ID、四个字 节实时温湿度值、一位报警标志和若干空闲位的信息。报警标志有四种取值 0、1、2 和 3，分别表示湿度正常温度正常，湿度正常温度超限，湿度超限温度正常，湿度超限温 度超限。 接收上位机发送的数据时， 用到了接收缓冲器 0 （RX0） 验收屏蔽寄存器 0 ， （RXM0） 和验收滤波寄存器（RXF0） 。接收包括四个字节 ID、四个字节温湿度设定值、一位是否 继续向上位机发送数据标志和若干空闲位的信息。ID 的标准标识符的高位和扩展标识 符的低位都是 0x00，标准标识符的低位为 0x08，一号节点所能接收帧的扩展标识符的 高位为 0x01，二号的为 0x02，依次类推。每个智能节点只接受唯一一种 ID 的信息，即 发给本节的的信息。东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文）4.5 人机界面设计第 40 页4.5.1 主要内容概述 上位机的监控软件一方面负责处理从 USB-CAN 模块传递上来的报文和给仓房测控 节点发送命令，另一方面要为操作人员提供良好的人机界面，操作人员可以通过它对各 仓房进行监控。根据监控软件所完成的任务，对于人机交互环节采用直观易懂、操作简 单的图形界面。 监控软件的开发采用了 Microsoft 公司推出的 Visual Basic 编写， 集成度 高，人机界面友好，便于维护与管理，很容易做到与下位监控机之间的数据通信和数据 管理等，其结构图如图 4.2 所示。 COM 端口选择 总线连接/断开 监 控 软 件 图 标 软 件 启 动 画 面 用 户 登 录 窗 口 MDI 主 题 界 面 账 号 密 码修 改 实 时 数 据显 示 历 史 数 据查 询 理论数值设定 软件帮助系统图 4.2 上位机监控结构图上位机软件除了完成了系统设计时预定的主要功能外，还具有以下功能： 精美得体的启动图标，如图 4.3 所示； 安全方便的登录系统，如图 4.4 和图 4.5 所示； 实现账号和密码的修改，如图 4.6 所示； 显示当前日期，时间，星期等信息； 显示程序开始运行和已经运行的时间； 输入数据错误时，提示出错，如设定的温湿度值有范围限制，输入的查询时间 有格式限制； 对符合要求的采集到的数据，能自动保存到相应数据库中； 能实现对通信 COM 口的选择,如图 4.8 所示； 连接和断开 CAN 总线选择菜单，如图 4.7 所示； 提供了关于系统的介绍如图 4.4 所示，以及帮助模块，如图 4.9 所示；第 41 页 图 4.4 所示的关于系统，链接了一个关于系统介绍的 word 文档，方便用户对系统 的了解。在图 4.5 所示的登录窗体下，如果连续三次输错密码或账号，系统会自动关闭。东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文）图 4.3 启动图标图 4.4 登录菜单图 4.5 登录界面在图 4.6 所示的窗口里，可以修改密码或账号，也可以都修改或都不修改。如果修 改，则下次登录时，就要用新的账号密码。图 4.6 账号密码修改界面系统启动后，只有连接 CAN 总线才能与下位机通信，COM 口默认为 COM1 口。图 4.7 系统菜单图 4.8 COM 口选择图 4.9 帮助系统东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文）4.5.2 系统首页第 42 页系统首页如图 4.10 所示，简洁明了，以学校宏伟的工学馆为背景，有系统名称和 制作人所在单位名称，有当前时间信息，用弹出式菜单，选择登录与否，如图 4.4 所 示。用户选择退出程序时，会弹出一个对话框，防止用户的误操作。图 4.10 系统首页4.5.3 MDI 窗体首页 图 4.11 所示的窗体是用户登录成功后出现的第一个窗体，所有监控操作都是在该窗 体下实现的。图 4.11 MDI 窗体首页东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文）4.5.4 实时数据窗口第 43 页在用户选择好 COM 口，连接好 CAN 总线后，就可以进行监控操作了。图 4.12 所 示的是一个显示窗口，用户可以选择所要监视的粮仓，然后该窗体就会显示出该粮仓的 下位监控机传来的最新的温度、湿度测量值及其测量时间，以及正常还是超限的报警信 息，并以红绿灯配合显示。图 4.12 实时数据显示窗口4.5.5 历史数据查询窗口 在如图 4.13 所示窗口下，用户可以查询，所选粮仓所选时间的温湿度数据，包括测 量值和设定值，并能显示出这些数据随时间的变化曲线。图 4.13 历史数据查询窗口东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文）4.5.6 标值设定窗口第 44 页在如图 4.14 所示窗口下， 用户可以设定， 所选粮仓温湿度标值和下位机的通信命令， 并能通过表格显示曾经对该粮仓设定的温湿度值和通信命令，还具有打印表格的功能。图 4.14 标值设定窗口4.5.7 系统数据库 数据库主要实现对数据的长期存放和管理，VB 的数据控件提供了一