毕业设计(论文)-基于modbus的远程温湿度监控系统的设计与实现.doc
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1、计算机信息工程学院毕业设计说明书SJ005-1CHANGZHOU INSTITUTE OF TECHNOLOGY毕 业 设 计 说 明 书题目:基于modbus协议的温湿度监控系统的设计与研究二级学院(直属学部):计算机信息工程学院 专业:计算机科学与技术 班级:12计 学生姓名: 学号: 指导教师姓名: 职称:讲师 评阅教师姓名: 职称: 2016年5月基于modbus协议的温湿度监控系统的设计与研究摘要如今很多企业拥有多个仓库,仓库温湿度监测面临很难操作的境地。作为库房管理的重要指标,仓库温湿度需要进行信息化管理,同样能实现仓库管理自动化。现在,温湿度监测系统的主要技术有CAN总线通信设计
2、,计算机集成控制技术和共享总线型传输媒体方式的局域网使用的CSMA/CD技术。本文采用的是已广泛利用的MODBUS协议实现的检测系统,此系统具有有实时性好,准确率高等特点,在模拟两个控制设备之间的相互传输,i/o及寄存器数据时,MODBUS的兼容性好等原因决定了它成为综合管理系统的接口。文章中对各监控系统的优势长短及适应范围对比分析,选择了合适的监控系统的设计方案。选择了基于MODBUS协议的监控系统,在自动化,综合管理系统,传输准确性等不同条件下的满足。论文中介绍了各芯片硬件设计及软件设计,描绘了设计和研究思想。关键词:计算机集成控制技术;MODBUS协议;自动化;综合管理系统;温湿度监测计
3、算机信息工程学院毕业设计说明书BASING ON MODBUS PROTOCOL, DESIGN AND RESERCH OF REMOTE TEMPERATURE AND HUMIDITY MONITORING SYSTEMAbstractNow, many companies have a lot of warehouses. But it is hard for us to monitor the temperature and humidity of the warehouses. As an important indicator of warehouse management, w
4、arehouse temperature and humidity needs informational management, also can achieve the automation of warehouse management. Now, the main technology of temperature and humidity monitoring system is CAN bus communication design, computer integrated control technology and shared bus transmission media
5、mode of local area network using CSMA/CD technology.The detection system which has been widely used in the Modbus protocol is adopted in this paper. This system has good real-time, high accuracity, in the simulation of the mutual transfer between two control devices, I / O and register data, MODBUS
6、compatibility making it integrated management system interface.In this paper, basing on the advantages of each monitoring system and the scope of adaptation of the comparative analysis, we select the appropriate monitoring system design. We choose the monitoring system based on MODBUS protocol, in t
7、he automation, the integrated management system, the transmission accuracy and so on under the different conditions of satisfaction. In this paper, the hardware design and software design of each chip are introduced, and the design and research ideas are described.Keywords: Computer integrated contr
8、ol technology; Modbus protocol; automation; integrated management system; temperature and humidity monitoring目 录第1章 绪论11.1 课题背景及其意义11.2 国内外研究现状11.2.1 基于RS485总线的监控系统11.2.2 基于以太网的监控系统21.2.3 基于CAN总线的监控系统31.3 本设计的实用价值41.4 设计的理论意义41.5 本课题的主要内容和结构4第2章 RS485总线技术52.1 RS485总线介绍52.2 RS485通讯协议介绍5第3章 硬件设计93.1 系
9、统硬件设计方案9 3.1.1 控制模块93.2 从机的硬件设计(STC12C5410AD)10 3.2.1 电源设计11 3.2.2 CPU外部电路设计12 3.2.3 测温模块(热敏电阻)13 3.2.4 测湿模块(HF3223)163.3 主机的硬件设计18 3.3.1 串口通讯电路19 3.3.2 LED按键与显示电路19第4章 软件设计214.1 从机的主程序设计21 4.1.1温度采集模块(热敏电阻)21 4.1.2 测湿模块程序设计244.2 串口通讯模块254.3 主机的主程序设计26 4.3.1报警及显示模块27第5章 系统的生成以及调试335.1 KEIL的烧写335.2 调
10、试和总结33结论35致谢36参考文献37III前 言对于现代工农商业和信息系统,环境的复杂性(概括温湿度)间接或直接影响设备安全,这意味着不能确定室内情况的条件下人员进入可能存在危险。监控系统便在这种条件下诞生了。相比以前的人工检测,监测维度和广度以及精度都不同以往,有着很大进步。但如何选择控制系统,如何依据需要减少成本、用材设计各种因素下产生的一系列问题都需要解决。一个简单地单片机综合系统可以帮助我们解决了这些烦恼。同样要考虑的通信问题,RS485总线正好符合一般工农业生产中的库房管理等方向的发展。伴随技术进步,在科学研究,工农业生产或者一些特殊器材的养护问题上,温湿度监控都具有不可忽视的重
11、大意义。相对的在监控的精确性,监测维度和实时性需要很高的要求,本次设计中,测量主要使用了HF3223湿度传感器和热敏电阻,监测主要用了数码管显示和蜂鸣器报警,而且使用了加热排风继电器设备。应生于计算机硬件技术的高速发展以及其投入生产应用的背景下,温湿度测控元器件的发展换代,预示这方面的测量更加自动化、综合监控能力更加智能化的趋势。在与库房管理类似的温湿度监控技术中,这些技术以及硬件的发展保证了产品的质量更好、养护更佳、安全性更高。因此温湿度测控依然拥有更广的应用发展空间。计算机信息工程学院毕业设计说明书第1章 绪论1.1 课题背景及其意义 在原先,用来监测库房的温度,湿度的方法是人工进入监测,
12、可这种方法在获取所测数值时有相当大不可避免的误差和以及人为的失误例如操作等,因此使得测量效率低下,并且测量结果准确性很低,监测数值也不具备了原本意义;操作上,如果控制此时的温湿度的情况时,没有依据真正发生的条件情况准确及时地做出相应操作。在操作可行性上,例如在某些条件和环境,需要测量人不可进入的环境内设施的表面温度时,更不可能测量到直接的数据,而且有些库房可能不允许人员再不能确定情况下进入,测量便还需要考虑到人员的安全性。不同的复杂环境下想要测量温湿度必然会损耗大量资源和人力。伴随电子元器件的更新换代,原先的原始温度计湿度计终于被温湿度传感器逐渐取代,更有了以单片机为核心的小型综合计算机监测系
13、统,用来监控的同时亦可实现更多功能如预设温度控制范围,超控报警,温湿度有偿反馈诸多功能。在如何解决较长距的传输课题上,温湿度监测系统采用的数字传感器直接用mcu内部flash存储器可以保存设置参数,根据设置参数与温湿度比较来控制风扇和加热器完美地实现。同时计算机的优越性体现在又快又准,避免了各种人为因素导致的误差和错误。这种监测形式可以说极大提升了实际工作效率,也扩展温湿度监测在生产设计中的应用。 单片机作为核心的集成监测系统的出现有着很大的意义,对生产生活有重大贡献,对我国监测技术应用在国际应用水平有了一席之地起了很大助推,同样是工业自动化发展重大进步的体现。1.2 国内外研究现状上世纪八十
14、年代,鉴于温湿度测量和控制技术在中国起步较晚,这时的工程技术人员刚接触运用计算机控制技术,用来研究监测和监控系统的应用。于此,我国终于与大致整体上从了解、掌握简易的试验应用阶段向真正在各行各业各个领域实际运用,科学应用阶段改变。可是温度监测、控制的发展现状依然尚未发展到工厂大量生产需求的程度。与之相对,这方面科技发达的国家,与我们还是有着很大的鸿沟要逾越。例如生产中出现的:生产设备效率低,自动化程度低,监测反馈系统的不完整,从硬至软的各方面缺陷。然而,当我国单片机快速发展,这些科技难关都迎刃而解,所以现在温湿度监控技术的系统类别很丰富,有RS485总线的监控系统、以太网监控系统、CAN监控系统
15、等。1.2.1 基于RS485总线的监控系统RS485总线是多电气规格分数据传输的一种通讯方式,成为行业标准通信接口的应用的通信接口之一被广泛接受。RS485总线有着其他方式无法比拟的长处,可短板因此明显,可传输数量少,较长距传输速率低,消耗大,只有串行电缆可用,无法形成其他所有可能的分支星型,因此一个节点出错便出现整个网络中的部分通讯失败。虽然它的抗噪性能强大并且可靠性高,又拥有通讯速率快,以及可在一根总线上传输的优点。图1-1是基于RS485总线的监控系统。图1-1 基于RS485总线的监控系统由两级主从式的总线型网络拓扑结构组成该系统,组成部分是作为下位机的多个52单片机和一部上位主机以
16、及485通讯总线网络结构,然后系统在监控系统管理软件的调度下,一致统筹功能,完成设计模块。本设计就采用这种监控系统。1.2.2 基于以太网的监控系统以太网监控系统即一种把以太网技术应用在分布式结构的监控系统。如今以太网正在以令人惊讶的速度进行技术革新,所以愈来愈多的系统设计开始利用因特网和Web服务器的相互通信建造监控系统。他有这样的优点就是无需专线,也不需要铺设现场总线即可利用以太网监控系统,以太网同时拥有着巨大的通讯资源可利用。虽说如此,以太网技术现如今依然有着明显短处就是加入直接运用在控制方向。在通讯时是非常不安全的,同时不可完全控制。没有通用的应用层协议,所以不同生产来源的设备不互相兼
17、容。以太网的可攻破性也就是会被黑客攻击等问题影响导致通讯消息丢失也亟待解决。图1-2是以太网通信原理图。该结构中的各个节点都可自发地选择通讯信息的发出与接受,计算机作为通讯网络中的节点对这些信息进行控制。图1-2 以太网通信原理图基于以太网的监控系统是有着可以适用于很多小系统、兼容性好的优点,在的与主机和从机连接方面出色,可信息传递的安全性依然亟待解决,同时如果传输信息量过大会导致通讯瘫痪的可能。因此以太网技术目前应用不如总线通讯方式广泛,尤其在控制和安全方面有着很大的改善空间。以太网的养护成本过高也是他的缺陷之一。1.2.3 基于CAN总线的监控系统在设计基于CAN总线的监控系统时,需要考虑
18、如何较少损耗实现温湿度数据的传递处理,因此作为有着极低成本和研发时间短等优点的单片机列入考虑,他可以收集各个节点的所有数据,对测得的温湿度进行处理。他现在正在工农业生产活动被大范围应用,如图1-3基于CAN总线的分布式远程温湿度监控系统。图1-3 当前基于CAN总线的原理电路基于CAN总线的监控系统不同以太网的是传输的安全性和可控性,同时成本很低,操作便捷,未来发展前景巨大。1.3 本设计的实用价值在当前社会,自动化控制在科技发展的今天显得越来越重要,而在远程控制中,通信技术又是其中的灵魂,它们代表了国家科技水平在国际上的高度。分析整个社会的发展现状,可以看出,一个现代化的国家在工业自动化控制
19、必须要踏进世界先进行列,这样才能满足当前与之匹配的工业化发展的需求。随着企业的发展,企业对于仓库管理上,要求也越来越严格,为了保障库房产品及零配件的安全,在温湿度控制上要求更实时控制。科技与工业需求共同发展,为了很好的解决这个问题,分布式监控系统可以直观的通过中央处理器来完成对数据的采集,控制和报警等功能。而各节点之间通过RS485总线更能实时传递温湿度信息。避免了因为环境影响而使精密仪器受到损坏。使企业的经济得到保障。1.4 设计的理论意义在说明书中详细介绍了RS485总线的监控系统,在传输各节点的温湿度数据时可靠性高,可控性强。此次设计的主要困难之处就是监控系统的硬件和软件设计,以及如何完
20、成各元件间的RS485通信,还要对所有的外协件进行设计等。实际意义在于:(1)数据的准确性和实时性提高是生产生活水平的提升, 人可以通过监控系统来控制相应库房的处理。(2)在一些无法监测的环境中也能很好的发挥作用并大大提高了安全性。(3)工业监控系统集成性高,便捷高效,对在未来工业监测方向前进的努力有着非比寻常的意义。1.5 本课题的主要内容和结构这篇论文主要是介绍了以STC12C5410AD单片机为控制节点基于RS485总线和modbus协议的温湿度监控系统,其中主要是实现从机的硬件设计以及通讯连接,而且介绍了它的主要模块热敏电阻,HF3223的主要技术和软件设计。论文的结构:第一章是绪论,
21、重点介绍了该系统设计背景,现状和研究其价值与重要性。 第二章是此次将从总线通信技术的基本介绍和报文方面着重讲解。第三章是包括重点使用的模块设计以及主从机在节点中模块的电路设计等硬件设计。第四章是实现从主到从的各个模块编程,通过软件模块分析与流程表达的软件设计。 第五章是监控系统的烧写和调试。第2章 RS485总线技术2.1 RS485总线介绍RS485总线作为现在监测系统中数据收集应用最广的方式,只允许半双工模式,却可连接32个节点;传输距离高达1200米,同时可以实现每秒100kb传输,信号稳定性高,布线操作简单。 RS485通讯网络结构是总线式的,即上位机(PC)和下位机(C51)接在同一
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