《基于單片機的檔案庫房溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)設計》12000字（論文）

基于單片機的檔案庫房溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)設計摘要檔案是人類無比珍貴的財富，屬于不可再生資源。檔案庫房儲存環(huán)境的溫度和濕度參數對檔案材料老化變質的速度有著至關重要的影響。對檔案庫房環(huán)境的溫度和濕度參數進行合理及時的監(jiān)控，是檔案壽命能夠得以延長的重要舉措之一。本文在參考、查閱了大量關于檔案保護、溫濕度監(jiān)控技術等方面資料的基礎上，基于本人所在單位檔案庫房現(xiàn)狀的需求，設計了基于STC10F08XE單片機的檔案庫房無線溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)。本監(jiān)控系統(tǒng)以單片機為核心，分為上、下位機兩個子系統(tǒng)。上位機系統(tǒng)主要是PC機；下位機系統(tǒng)包括數據采集終端和數據接收終端兩部分。整個系統(tǒng)由溫濕度傳感器數據采集模塊，液晶顯示模塊，無線傳輸模塊，紅外遙控模塊，串口通信模塊、報警模塊和執(zhí)行模塊組成。本文結合LabVIEW軟件工作平臺和單片機C語言軟件程序開發(fā)工具，對本監(jiān)控系統(tǒng)的主程序及各子模塊程序都做了詳細的設計，并在最后選用Proteus仿真軟件工具對監(jiān)控系統(tǒng)做了仿真測試，達到了預期的要求。關鍵詞：檔案保護；單片機；溫濕度監(jiān)控；LabVIEW；仿真目錄TOC\o"1-3"\h\u34581緒論 １1緒論1.1課題研究背景及意義檔案是在人類社會發(fā)展的過程中，政府機關、社會團體或個人等從事各種領域的社會活動而直接形成的對社會發(fā)展有保存價值的歷史紀錄。檔案具有多種表現(xiàn)形式，如文字、圖表、聲像等。檔案是人類無比珍貴的財富，屬于不可再生資源。它具有真實性、歷史性、參考性、社會性，對人類社會的發(fā)展起著至關重要的作用，具有十分重要的參考價值和保存價值。隨著科技的不斷發(fā)展，數字化技術已逐漸應用到檔案管理領域，電子檔案將被越來越廣泛的應用起來。但就當前看來，直至今后很長一段時期，紙質材料仍為檔案建立的主要載體。目前，絕大部分檔案館儲藏的檔案都是以紙質材料為主體。紙質檔案作為人類歷史文化遺產是不可再生的，是人類文化傳承的歷史見證之一。因此，必須做好檔案保護工作。怎樣才能更好的保護這些紙質檔案，一直是各級各類檔案館乃至整個人類社會所面臨的嚴峻問題之一本課題從上述問題為出發(fā)點，設計實現(xiàn)了溫度、濕度的監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)不僅能實時采集個抽樣點的溫度與濕度值，而且能夠迅速處理，友好的將數據結果顯示給用戶，當溫濕度偏離規(guī)定值時，系統(tǒng)發(fā)出警報，通知管理人員作出相應處理。1.2檔案庫房溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀1.2.1國外檔案庫房溫濕度監(jiān)控現(xiàn)狀目前，在國外一些發(fā)達國家，現(xiàn)代檔案庫房的溫濕度、空氣質量、防火防盜都是由電腦進行自動控制，這樣更加便于人工管理和維護，做到了檔案庫房既得到及時、有效的安全保護，同時又大大的降低了庫房工作人員的勞動強度等，由傳統(tǒng)的被動人工管理向現(xiàn)代的智能化、科學化、人性化的方向發(fā)展，以有效實現(xiàn)檔案庫房的安全保護工作。截止2000年，大多數外國檔案庫房都配備了包括溫度和濕度環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)在內的安全管理系統(tǒng)。1.2.2國內檔案庫房溫濕度監(jiān)控現(xiàn)狀國內大部分檔案庫房，尤其是各企事業(yè)單位的檔案庫房對檔案儲存的溫濕度監(jiān)控存在著一些問題，雖然大部分檔案庫房內配置了溫濕度的測量儀器、儀表甚至還配備了空調、除濕機等調控設備，但絕大多數是人工管理和維護，人工監(jiān)測溫濕度數據，根據經驗來確定是否需要對檔案庫房進行降溫、除濕、加濕、通風等措施。不能夠對檔案庫房環(huán)境溫濕度參數做到實時監(jiān)控，一旦溫濕度超限不能及時地進行調控。而且，很有可能出現(xiàn)由于檔案管理人員相應專業(yè)知識的缺乏或缺乏責任心，使這些監(jiān)測、調控設備成為擺設。比如不知道檔案保護的適宜溫濕度標準是多少；不懂測量儀表的使用方法或儀表放置的位置不合理，得不到正確的溫濕度環(huán)境數據；不會使用調控設備；三天打魚，兩天曬網，不能夠及時有效地對庫房溫濕度進行測量、記錄，使測量記錄數據凌亂不堪、達不到監(jiān)控效果；許多檔案管理員是憑借自己的經驗和主觀想象辦事，比如遇到晴天就開窗通風，遇到刮風下雨就關窗等。1.3課題研究的主要內容本文在參考、查閱了大量關于檔案保護、檔案庫房溫濕度監(jiān)控技術等方面的資料的基礎上，擬設計基于STC10F08XE單片機的檔案庫房無線溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)要達到低功耗、可靠性高、檢測精確、成本低、應用管理方便、實時性好等方面的要求。本系統(tǒng)的主體設計思路為：首先通過多點分布的溫濕度采集終端采集各個檔案庫房的溫濕度數據并由LCD液晶顯示器實時顯示，通過控制核心單片機對采集數據的分析、處理，得出當前溫濕度是否符合檔案儲存環(huán)境標準，若超限則輸出控制信號通過執(zhí)行機構控制調溫設備或調濕設備工作。與此同時通過無線射頻技術將數據傳輸到溫濕度數據接收終端，避免了長距離數據傳輸的重新布線問題。然后數據接收終端通過單片機串行通訊方式將數據上傳到上位機（PC機），同時在上位機監(jiān)控界面上顯示實時溫濕度，實現(xiàn)數據的記錄保存和報表打印。在本文中，首先對影響檔案儲存的主要因素進行了細致的分析，然后給出了我單位檔案庫房溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)的硬件電路設計，包括：溫度采集模塊電路設計、濕度采集模塊電路設計、電源模塊電路設計、無線數據傳輸模塊電路設計、紅外遙控模塊電路設計、串口通訊模塊電路設計、LCD液晶顯示模塊設計、聲光報警電路設計和執(zhí)行機構的控制電路設計。然后，采用LabVIEW虛擬儀器軟件工作平臺對監(jiān)控系統(tǒng)上位機（PC機）系統(tǒng)的監(jiān)控界面做了設計，同時采用單片機C語言與KeilμVision4相結合的方式對溫濕度監(jiān)控下位機系統(tǒng)各個子模塊均做出了相應的軟件設計。最后，通過PROTEUS軟件對本文所設計的監(jiān)控系統(tǒng)進行仿真測試。本文所設計的檔案庫房溫濕度監(jiān)控上、下位機系統(tǒng)能夠滿足環(huán)境溫濕度檢測、數據的無線傳輸、關鍵環(huán)境參數的調控的需要。上位機采用PC機，主要功能包括：完成溫濕度上下限設置、溫濕度實時顯示、數據存儲、報表打印等。溫濕度監(jiān)控下位機系統(tǒng)以STC10F08XE單片機為核心，分為溫濕度數據采集、發(fā)送終端和溫濕度數據接收終端兩部分，子模塊包括：數據采集模塊、輸出控制模塊、人機交互模塊、無線數據收發(fā)模塊，多個模塊在單片機的協(xié)調下工作，在沒有上位機的情況下也能夠獨立地進行溫濕度數據的采集與分析、處理、關鍵參數的設定、數據的實時顯示等功能，完全可以達到我單位檔案庫房溫濕度控制的要求。2影響檔案儲存的因素分析影響檔案存儲的因素很多，除了人為破壞，檔案存放環(huán)境的溫度和濕度對檔案的保護工作有著舉足輕重的影響。儲存環(huán)境的溫濕度不但直接地影響檔案的儲存，而且會間接影響其他因素對檔案造成的破壞，如果儲存環(huán)境的溫濕度不適宜就會造成檔案紙張、磁帶、光盤、膠片等發(fā)生降解碎化、字跡褪化或者檔案資料的失真等檔案損害情況，而且會造成蟲、霉等的大量繁衍生長。目前，在我國各級各類檔案館里，由于對檔案庫房環(huán)境的溫濕度控制的不合理，甚至沒有進行控制，導致大批檔案發(fā)霉變質、紙張脆化撕裂、害蟲蛀食的情況比較嚴重。2.1環(huán)境溫度對檔案的直接影響環(huán)境溫度過高會加速紙張的熱老化作用。當紙質材料存放環(huán)境溫度過高時，就會因熱老化作用而導致?lián)p壞，而且溫度越高，熱老化作用越嚴重。紙張由于熱老化的影響而損壞主要表現(xiàn)在兩個方面：一方面，受熱后紙張內部水分會蒸發(fā)、導致機械強度下降；另一方面，溫度的升高會使紙張中的各種化學反應速度加快。此外，環(huán)境溫度過高，紙張干燥易燃，容易造成火災隱患。紙張中都是含有一定量的水分的，當含水量較為理想的情況下，紙張能夠達到較高的機械強度和耐久性。但是當檔案儲存環(huán)境的溫度低于零度以下時，紙張內部結構就會因為水分的凍結而遭到破壞，嚴重影響紙張的機械強度和耐久性。2.2空氣相對濕度對檔案的直接影響紙張由于其物理結構而都含有一定的水分，檔案紙張如果含水率過低就會發(fā)脆，很容易碎裂；如果含水率過高，紙張的強度就會更明顯下降，甚至水解、降解，對倉儲物品有嚴重危害的倉蟲、霉菌等也會大量繁殖，檔案紙張上的字跡也會因為水分過高而加速褪化。相關研究表明，當紙張含水率在7±1%時，能夠達到做好的強度和柔韌性，字跡不易褪化，蟲、霉也不易生長。紙張含水率主要受空氣相對濕度的影響，據相關資料介紹，周圍環(huán)境相對濕度在50%時，紙張內的含水率是7.18%；空氣相對濕度在80%時，紙張內的含水率是12.6%。不同相對濕度下紙張含水率如表2-1所示。從表中可見，化學漿紙內的含水率在7±1%時的相對濕度是大約在40%-65%左右。2.3環(huán)境溫濕度對檔案的間接影響蟲、霉對檔案也具有相當嚴重的危害。它們可以使檔案被蛀食的千瘡百孔或發(fā)霉變質甚至霉變成磚。檔案害蟲是倉庫害蟲的一種，比較喜歡溫暖潮濕的環(huán)境。據有關資料記載，一般倉庫害蟲能夠生存的有效溫度為15℃-35℃，最適合生存的溫度為25℃-32℃，最適合生存的相對濕度在70%以上。如果能夠將檔案庫房環(huán)境的溫度控制在最適合倉庫害蟲生存、繁殖的溫度下限(20℃)以下，濕度控制在65%以下，就可以有效地抑制蟲災對檔案的危害。霉菌是一種體內含水量達80%-90%的低等植物，大量水分和適宜的溫度是霉菌生長、繁殖的重要條件，環(huán)境的溫濕度參數是霉菌能否生長的決定因素。有實驗證明，當相對濕度在75%以下時，不會生霉。還有人做了在溫度和濕度共同作用下，溫濕度參數對霉菌生長、繁殖影響的試驗，結果證明，當環(huán)境溫度低于18℃，相對濕度低于65%時，霉菌就不能正常生長、發(fā)育。綜上所述，對檔案庫房的溫濕度環(huán)境參數進行合理及時的監(jiān)控，是檔案壽命能夠得以延長的重要舉措之一。檔案儲藏的最合理的檔案庫房環(huán)境溫度標準為0℃-20℃，相對濕度標準為40%-65%。考慮到庫房管理人員經常需要在檔案庫房里進行管理工作，因此本文所設計的監(jiān)控系統(tǒng)將溫度標準調整為14℃-20℃，相對濕度標準不變，仍為40%-65%。3系統(tǒng)總體設計STC10F08XE單片機STC10F08XE單片機LCD1602液晶顯示器復位電路晶振電路電源電路RS485通信模塊PC機DS18B2溫度檢測CHTM-02/N濕度檢測系統(tǒng)總體設計圖4監(jiān)控系統(tǒng)硬件電路設計系統(tǒng)硬件電路的設計是整個檔案庫房溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)的根本，是檔案庫房監(jiān)控系統(tǒng)得以實現(xiàn)的基礎。硬件電路分為電源電路、監(jiān)控系統(tǒng)數據采集終端和數據接收終端三大部分。數據采集終端由單片機，溫度數據采集電路，濕度數據采集電路，LCD液晶顯示電路組成。監(jiān)控系統(tǒng)數據采集終端部分的整體電路；數據接收終端由單片機，串口通信接口電路，聲光報警電路等模塊組成，監(jiān)控系統(tǒng)數據接收終端的整體電路。4.1STC10F08XE單片機本監(jiān)控系統(tǒng)的控制核心處理器選用的是宏晶公司研發(fā)的新一代單時鐘8051單片機STC10F08XE。它能夠直接取代傳統(tǒng)的STC89C系列單片機，抗干擾能力更強，功耗更低，速度更快。4.1.1STC10F08XE單片機主要功能特性（1）1T單時鐘/機器周期；（2）STC10F08XE單片機工作電壓有兩種：5V單片機的電壓范圍為3.8V到5.5V之間；3V單片機的工作電壓為3.3V；（3）STC10F08XE單片機的工作頻率為0~35MHz，與傳統(tǒng)8051單片機的0~420MHz工作頻率相當；（4）它的Flash存儲器容量為8K字節(jié)，能夠反復擦寫10萬次以上，便于開發(fā)調試時的不斷反復擦除和燒寫程序；（5）內部數據存儲器容量為512字節(jié)；（6）通用I/O口個數為36個，比傳統(tǒng)51單片機多出4個通用I/O口；（7）具有ISP和IAP功能；（8）內部集成了MAX810專用復位電路；（9）設有外置的高精度晶體/時鐘和內部R/C振蕩器兩個時鐘模式；（10）內部集成了兩個定時計數器以及一個獨立的波特率發(fā)生器；（11）一個UART；（12）有PDIP-40和LQFP-44兩種封裝。4.1.2STC10F08XE單片機的管腳STC10F08XE管腳圖4.1.3STC10F08XE單片機時鐘及復位電路單片機時鐘及復位電路圖STC10F08XE單片機時鐘及復位電路圖4.2電源電路設計本文所設計的監(jiān)控系統(tǒng)中，擬采用常規(guī)DC5V電壓為STC10F08XE單片機供電，電源由220V交流民用電網輸入，經變壓器（AC220V~AC9V/15W）降壓至交流9V，再經過由四個IN4007二極管構成的全波整流橋進行整流、然后電容濾波，最后再通過集成穩(wěn)壓模塊CW7805使電壓穩(wěn)定在直流5V，作為單片機系統(tǒng)電源。然后經過集成穩(wěn)壓芯片CX1117-3.3V的穩(wěn)壓，再次將直流5V電壓變換為3.3V左右的直流電壓，以便用于為無線射頻模塊供電。這樣只需設計一個電源電路模塊就能滿足監(jiān)控系統(tǒng)所有子模塊的供電。電路如圖：電源電路圖4.3溫度數據采集電路設計4.3.1數字溫度傳感器DS18B20本文中所設計的檔案庫房溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)溫度采集模塊是Dallas公司的DS18B20數字溫度傳感器。該溫度傳感器一般為三腳的TO-92封裝形式，，各引腳功能：1、GND接地信號，2、DQ數據輸入／輸出引腳，3VDD外部電源引腳；寄生電源供電時須接地。DS18B20是“一線總線”接口的數字式傳感器，它能夠直接以數字的形式輸出所采集的溫度數據，進行溫度變換所需功率源于數據總線。所以在設計的監(jiān)控系統(tǒng)中采用DS18B20能夠讓電路更加簡單，具有更高的可靠性。DS18B20數字溫度傳感器技術性能（1）DS18B20與單片機使用單線的接口方式，只需要一條總線就可以形成單片機和DS18B20通訊；（2）能夠測量-55℃~+125℃之間的溫度，測量溫度范圍很廣。在實測環(huán)境溫度在-10℃~+85℃范圍內時，測量精度能夠達到±0.5℃；（3）正常工作所需電壓范圍很大，在DC+3.0V~DC+5.5V之間都可正常工作，甚至可以利用寄生電源通過數據線進行供電；（4）可實現(xiàn)高分辨率測溫。以9~12位數字量方式將測量結果串行傳送，對應實現(xiàn)9~12位可編程分辨率；（5）非易失性報警限值可以通過軟件編程設置；（6）可支持多點組網功能，在進行多點測溫時，憑借其各自都具有唯一的，與其他傳感器不同的序列號，能夠將很多DS18B20都掛在同一條端口線上，而互不影響；（7）內置CRC校驗功能；（8）DS18B20具有電源反接保護功能，防止了當電源正負極性被無意中接反時，傳感器因過熱被燒毀；（9）不銹鋼保護管直徑Φ6，對溫度傳感器內部芯片進行有效地保護。4.3.2溫度采集電路DS18B20測溫電路的供電電源既可以使用外部電源，又可以使用寄生電源。本系統(tǒng)采用的是外部供電工作方式，在外部電源供電方式下，完成溫度采集的時間比寄生電源方式要短，而且I/O線不需要強上拉，DS18B20的GND引腳必須接地，否則不能正常讀取溫度。DS18B20外部供電工作電路圖4.4濕度數據采集電路設計4.4.1濕度傳感器本設計選用CHTM-02/N濕度模塊作為濕度檢測部分的濕度傳感器，是一種電阻式濕度傳感器。CHTM-02/N傳感器主要特性如下：（1）濕敏元件為濕敏電阻“CHR-01”；（2）工作電壓為DC4.75V-5.25V；（3）最大工作電流5mA，平均工作電流2mA；（4）濕度變送范圍：0~100%RH；（5）在標準檢測條件下，測量準確度為±5%RH；CHTM-02/N傳感器中的濕敏元件為CHR-01，是一種高分子復合式濕敏電阻。CHR-01工作穩(wěn)定、漂移量低、溫度適應性和耐水性也較好，在調濕設備、電子儀表、氣象檢測、倉儲等領域廣泛應用。CHR-01是一種非線性電阻，電阻率受環(huán)境濕度的影響，進而影響到傳感器的輸出電壓采樣值，結合濕度傳感器電壓—溫度—濕度關系表，可以推算出當前的相對濕度值。4.4.2A/D轉換及其接口電路CHTM-02/N濕度模塊的輸出信號屬于模擬量（電壓信號），而單片機能夠接收和處理的是數字信號。這就需要經過A/D轉換將模擬電壓信號轉換為對應濕度傳感器檢測信息的數字信號，然后STC10F08XE單片機接收數據并進行運算和處理，最終讀取環(huán)境相對濕度值。其中，模/數轉換過程是通過ADC0832模擬/數字轉換芯片實現(xiàn)的，該轉換芯片引腳排列。ADC08032是一種逐次逼近式雙通道A/D轉換芯片，具有8位分辨率，輸入輸出電平與TTL/CMOS相兼容，如表圖1所示：ADC0832引腳功能表4.4.3濕度采集電路CHTM-02/N模塊采集到的模擬信號傳送到ADC0832模擬/數字轉換器，經過A/D轉換，由ADC0832輸出相應的濕度數字信號，并將得到的數字信號傳送給STC10F08XE單片機，進過單片機的數據處理和運算，最終得到當前環(huán)境相對濕度值。ADC0832與濕度模塊CHTM-02/N、單片機STC10F08XE的接口電路濕度檢測電路圖4.5紅外遙控電路設計紅外遙控是一種無線控制技術，并越來越廣泛的應用于生產生活中。本設計中也采用了紅外線遙控方式，以可靠、方便的進行控制系統(tǒng)參數設定、調節(jié)，并有效隔離電氣干擾紅外遙控設備一般由兩部分組成：發(fā)射部分和接收部分。為了降低成本，提高可靠性，本監(jiān)控系統(tǒng)紅外遙控模塊的發(fā)射部分直接采用市場上可以購買到的通用紅外遙控器來實現(xiàn)，接收部分采用以HS0038一體化紅外線接收頭為核心的接收電路來實現(xiàn)。HS0038將光電轉化、信號放大器、濾波和解調制功能都集成在了內部，在使用時非常方便，它接收到信號后首先進行解調，然后就可直接輸出能被單片機解碼的反相信號。HS0038引腳功能：GND為接地端；VCC為電源正極（DC5v）;OUT為脈沖信號輸出端；HS0038紅外接收頭與STC10F08XE單片機之間的連接很簡單。只需添加一個電阻元件（引腳1與引腳2間加上拉電阻）和一個電容元件（引腳2與引腳3間加10μF電容）即可構成的紅外遙控接收電路，它的輸出端接STC10F08XE的P3.2/INT0端口。紅外遙控接收電路圖4.6液晶顯示模塊設計4.6.1LCD1602液晶顯示器LCD液晶顯示器與普通數碼管相比，具有功耗低、體積小、應用方便、可顯示更為復雜的內容等多方面優(yōu)點，使人機交互界面變的更為直觀和形象。在本文中選用LCD1602字符型液晶顯示器作為監(jiān)控系統(tǒng)下位機的顯示模塊。字符型LCD1602一般有兩種接口形式：無背光顯示的14條引腳型和有背光顯示的16條引腳型。其引腳功能如下表圖2所示：LCD1602功能能表4.6.2LCD液晶顯示電路液晶顯示器LCD1602和單片機STC10F08XE連接形成監(jiān)控系統(tǒng)下位機的顯示模塊電路液晶顯示電路圖4.7報警電路設計本監(jiān)控系統(tǒng)設計了聲光報警模塊。當監(jiān)控系統(tǒng)采集到的檔案庫房溫度超過預先設置的溫度值上限或下限時，單片機對應I/O口輸出低電平并持續(xù)1分鐘，紅色LED發(fā)光二級管閃爍，三極管驅動揚聲器1發(fā)出聲音報警，當1分鐘延時結束后，單片機I/O口由低電平變?yōu)楦唠娖?，溫度警報解除。當監(jiān)控系統(tǒng)采集到的檔案庫房內濕度超過預先設置的濕度值上限或下限時，單片機對應I/O口輸出低電平并持續(xù)1分鐘，黃色LED發(fā)光二級管閃爍，三極管驅動揚聲器2發(fā)出聲音報警，當1分鐘延時結束后，單片機I/O口由低電平變?yōu)楦唠娖?，濕度警報解除。本監(jiān)控系統(tǒng)需三路聲光報警電路，分別對應單位三個檔案庫房。聲光報警電路圖4.8串行通信接口電路設計在本文所設計的溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)中，數據接收終端與計算機的通訊是通STC10F08XE單片機的串口（RXDHETXD）和計算機的串口之間的串行通訊數據專用通道來進行數據的接收、發(fā)送的。本監(jiān)控系統(tǒng)中串行通訊所使用的串行數據專用通道以RS-232-C協(xié)議作為異步串行通信標準。STC10F08XE單片機的所有I/O接口電平都屬于CMOS標準。它的輸出輸入數據對應的模擬電壓或者是5V或者是0V，而PC機上所配置的串行通訊接口采用的是EIA-RS-232C標準，它的輸出輸入數據對應的模擬電壓在-3V以下時表示高電平，在+3V以上時表示低電平，屬于負邏輯電平。單片機的串行接口和上位機的串行接口使用的電平標準不同，數據不能直接進行傳輸，在進行數據傳輸之前，必須先進行電平轉換。本文中所采用的是MAXIM公司生產的MAX232C電平轉換芯片。MAX232C芯片依靠內部的電壓變換器把輸入的TTL電平或CMOS電平轉變?yōu)樨撨壿嬰娖揭怨㏑S-232C輸出電平所需。MAX232C電平轉換電路的連接非常簡單，在STC10F08XE單片機串行接口(RXD/TXD)上連接MAX232C芯片電平轉換器，須注意管腳的對應輸入輸出關系，就能形成標準的RS-232C接口。RS-232C串口通信接口電路圖5監(jiān)控系統(tǒng)的軟件設計5.1監(jiān)控系統(tǒng)的程序設計方案本監(jiān)控系統(tǒng)開機后，首先要進行單片機的初始化以及開中斷，通過紅外遙控器設置溫濕度的上下限，并通過無線射頻方式將溫濕度上下限數值發(fā)送給溫濕度數據采集終端，數據采集終端讀取檔案庫房環(huán)境的溫濕度，然后通過LCD液晶顯示器實時顯示當前數值，并判斷是否超過預設值的上下限，若超出預設值則輸出控制信號以驅動執(zhí)行器動作；同時通過無線射頻將數據發(fā)送給數據接收終端，數據接收終端接收數據后，判斷是否超過預設值的上下限，若超出預設值則發(fā)出的聲光報警持續(xù)1分鐘停止；同時，溫濕度數據接收終端通過串行通訊接口將溫濕度數據上傳給上位機，上位機將溫濕度數據繪制成圖線，并保存數據。5.2上位機程序設計本系統(tǒng)通過異步串行通信方式將由STC10F08XE單片機控制的溫濕度傳感器采集到的溫濕度數據傳送到上位機。在此采用LabVIEW軟件來編寫上位機軟件，LabVIEW軟件的數據處理能力非常強大，在測量領域得到廣泛應用。LabVIEW軟件自帶的虛擬儀器軟件結構(VISA，VirtualInstrumentSoftwareArchitecture)可以進行串口數據通信，將當前溫濕度值在PC機上動態(tài)顯示并繪成曲線，還能夠將檢測數據保存下來。5.2.1LabVIEW概述LabVIEW是一種通用的數據采集和儀器控制軟件，它采用圖形化的方式來進行程序開發(fā)，其內部含有一個便于應用TCP/IP、ActiveX等軟件標準的龐大函數庫，LabVIEW還提供了很多控件，這些控件外觀與傳統(tǒng)儀器（如萬用表、示波器等）非常相似，可以很方便地幫助使用者創(chuàng)建用戶界面[10-11]。LabVIEW使用非常方便，它內置了非常豐富的功能模塊，這些模塊都是圖形化了的，在使用時只需將各所需功能模塊按照程序框圖的流程進行連接即可。虛擬儀器，是LabVIEW程序開發(fā)設計的精髓，也就是利用軟件技術制作出各種儀器模塊來實現(xiàn)實際儀器的各種功能[13]。虛擬儀器不僅在操控界面上與真實儀器相似，而且在對信號的采集、分析、處理等過程中所起到的作用完全可以取代真實儀器。虛擬儀器可構建成虛擬化的儀器系統(tǒng)。虛擬化儀器系統(tǒng)就是通過透明化的方式，將計算機軟硬件資源與單片機、數/模轉換芯片、模/數轉換芯片等外部硬件設備資源有機的結合在一起，采用圖形化編程的方式畫出程序框圖，在應用軟件的作用下協(xié)調計算機與各外部硬件設備一起工作，完成信號的采集、分析、通訊、處理等功能。虛擬化的儀器系統(tǒng)圖5.2.2上位機軟件界面abVIEW對于各種檢測和控制需求都儲備了豐富的虛擬模塊及虛擬接口以供選擇，LabVIEW通過VISA等通用驅動或接口程序，能夠與絕大多數NI公司甚至是其他公司提供的外部硬件設備進行通信。在本監(jiān)控系統(tǒng)中，上位機與下位機之間的通訊是通過DB-9串口通信方式來實現(xiàn)的，有時可能會用不帶串口的筆記本電腦作為上位機來使用，這樣就必須采用USB轉串口的方法來替代串行接口。LabVIEW上位機界面程序主要由前面板和圖形化編程的框圖程序等構成。前面板為人機交互界面，可以進行數據的輸入、輸出以及顯示、打印等工作。在前面板上放入控件可對程序的所有參數進行設置，輸出控件實時將溫濕度數據的圖線顯示出來，前面板上的圖形模塊與框圖程序模塊是相對應的。本系統(tǒng)上位機軟件監(jiān)控界面。上位機工作界面圖5.3下位機程序設計美國KeilSoftware公司推出的KeilμVision4是一種C語言軟件開發(fā)平臺，它與51系列單片機完全兼容的。KeilμVision4集成了大量的實用編程工具，如C語言編譯器、連接器、宏匯編、庫管理和仿真調試器等，Keil是現(xiàn)在應用于單片機軟件開發(fā)、編程、調試最為廣泛的軟件開發(fā)平臺之一本文單片機軟件程序的開發(fā)采用C語言與KeilμVision4相結合的方式來實現(xiàn)。KeilC51μVision4能夠將C語言源程序編譯成51系列單片機能夠執(zhí)行的HEX格式文件，編譯的程序除了能夠進行溫濕度數據的采集和顯示，還能夠通過下位機全雙工異步串行通訊接口與上位PC機以9600kbps波特率進行串口通訊，使上位PC機能夠得到實時、精準的溫濕度數字信號。在本下位機程序設計中，為了使編程效率提高，使程序盡可能的少占用儲存空間，采用了模塊化與結構化相結合的程序開發(fā)技術，采用這種技術在對程序進行調試和維護時也非常方便。5.3.1下位機程序設計下位機程序的構成分為兩大部分，分別為溫濕度數據采集終端主程序和溫濕度數據接收終端主程序。溫濕度數據采集終端主程序主要包括：溫度數據采集子程序、濕度數據采集子程序、LCD1602液晶顯示子程序、無線射頻通訊發(fā)送子程序、無線射頻通訊接收子程序、延時子程序和中斷（定時器）服務子程序等。溫濕度數據接收終端主程序主要包括：紅外遙控子程序、無線射頻通訊發(fā)送子程序、無線射頻通訊接收子程序、串口傳輸子程序、延時子程序和中斷（定時器）服務子程序等。1、溫濕度數據采集終端主程序設計監(jiān)控系統(tǒng)開機后，首先要進行系統(tǒng)的初始化，然后通過無線射頻通訊方式接收數據接收終端發(fā)來的溫濕度上下限參數值，然后數據采集終端讀取當前檔案庫房環(huán)境的溫濕度數值，通過LCD液晶顯示器實時顯示當前的數值，并判斷是否超過預設值的上下限，若超出預設值則輸出控制信號以驅動執(zhí)行器動作；同時通過無線射頻將數據發(fā)送給溫濕度數據接收終端。溫濕度數據采集終端主程序框圖2、溫濕度數據接收終端主程序設計監(jiān)控系統(tǒng)開機后，首先要進行系統(tǒng)的初始化，然后通過紅外遙控器設置溫濕度的上下限數值，并通過無線射頻方式將溫濕度上下限數值發(fā)送給溫濕度數據采集終端，然后等待數據采集終端通過無線射頻的方式將采集到的溫濕度數據給發(fā)送過來，數據接收終端接收數據后，判斷是否超過預設值的上下限，若超出預設限值則發(fā)出的聲光報警持續(xù)1分鐘然后停止報警；同時，溫濕度數據接收終端通過串行通訊接口將溫濕度數據上傳給上位機。然后判斷是否為最后一個測量點，如不是則繼續(xù)接收下一個數據采集終端發(fā)送過來的溫濕度數據，并判斷是否越限，若越限則發(fā)出1分鐘時長的聲光報警；同時串行上傳溫濕度數據到上位機；若已是最后一個測量點則重新接收第一個測量點采集并發(fā)送過來的數據。如此循環(huán)下去。溫濕度數據接收終端主程序框圖6監(jiān)控系統(tǒng)的仿真與測試6.1Proteus仿真軟件Proteus仿真軟件是一種EDA軟件工具。比起其它同類EDA工具軟件，Proteus除了傳統(tǒng)仿真功能以外，還具有單片機及外圍電路元器件的仿真功能，Proteus在單片機仿真領域目前是最好的。它支持包括51系列單片機在內的絕大多數處理器模型。因此本文使用Proteusv7.8SP2軟件工具對所設計的檔案庫房溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)進行仿真測試。6.2監(jiān)控系統(tǒng)的仿真電路本文所設計的溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)硬件電路由兩部分組成：監(jiān)控系統(tǒng)數據采集終端和監(jiān)控系統(tǒng)數據接收終端。由于有部分器件在Proteus軟件內找不到，在此根據器件的電氣特性，采用替代的方法來實現(xiàn)。1、用可變電阻替代CHTM-02/N濕度傳感器模塊CHTM-02/N的濕敏元件為濕敏電阻CHR-01。它的電氣特性表現(xiàn)為電阻值會跟隨周圍環(huán)境的相對濕度而改變，進而最終以變化的電壓值作為輸出信號，而且CHTM-02/N的輸出電壓U與周圍環(huán)境相對濕度RH成正比，關系等式如下：ΔU=100/3ΔRH因此，在仿真電路中可采用可變電阻來替代CHTM-02/N，在可變電阻兩端并聯(lián)一個電壓表，方便在用改變輸入電壓的方式來替代改變輸入濕度值時更加直觀。2、用普通交流電磁繼電器替代交流固態(tài)繼電器GTJ2-1A在仿真的執(zhí)行機構電路中，電磁繼電器和固態(tài)繼電器所起的作用是一樣的——控制調溫、調濕設備供電電路的通、斷。只有在實際使用中，兩者才會因各自的特點而體現(xiàn)出不同優(yōu)缺點。6.2.1監(jiān)控系統(tǒng)數據采集終端數據采集終端電路主要包括控制核心STC10F08XE單片機、溫度數據采集傳感器DS18B20模塊、濕度數據采集傳感器CHTM-02/N模塊、LCD1602數據顯示模塊、執(zhí)行機構電路模塊、無線射頻通訊模塊等。監(jiān)控系統(tǒng)數據采集終端圖6.2.2監(jiān)控系統(tǒng)數據接收終端數據接收終端電路主要包括STC10F08XE單片機、無線射頻通訊模塊、與上位機通訊的串口通訊模塊、紅外遙控接收模塊、聲光報警電路等。監(jiān)控系統(tǒng)數據接收終端圖6.3監(jiān)控系統(tǒng)的仿真檢測本文首先采用C語言和KeilμVision4相結合，對監(jiān)控系統(tǒng)可仿真的模塊進行了程序設計，在本次仿真中，為了能夠及時地采集到人為改變的輸入溫濕度數據，因此對環(huán)境溫濕度的采樣周期設定為2ms，在實際使用中，考慮到環(huán)境溫濕度參數具有大時滯性，不會發(fā)生忽高忽低的情況，可將采樣周期調整到2分鐘。本次仿真中將數據接收終端的聲光報警模塊與數據采集終端的溫濕度采集、顯示模塊放在一起進行仿真。另外，由于仿真界面大小的原因，本次仿真只取了一路溫濕度報警電路和一路溫度控制執(zhí)行電路。1、標準溫濕度范圍內的仿真，DS18B20溫度傳感器上顯示數據為17℃，CHTM-02/N模塊電壓表顯示電壓為1.31V，經公式換算，相對濕度為43.666%。LCD1602上顯示為Temp：17℃，RH：43.7%，基本一致。溫濕度均在檔案保護的標準溫濕度范圍內，報警電路所接的P3.3和P3.4端口電位均為高電平（紅色），發(fā)光二極管和揚聲器都不工作；執(zhí)行機構電路所接的P2.4端口電平為低（藍色），繼電器輸出端斷路，調控設備不工作（電機不轉）。標準溫濕度范圍內仿真效果圖2、溫度臨界仿真效果圖溫度臨界仿真效果圖3、超溫仿真效果圖超溫仿真效果圖當調節(jié)DS18B20數值為21℃時，報警電路的P3.3端口電平由高變低（由紅變藍），發(fā)光二極管D1發(fā)光，同時控制執(zhí)行電路的P2.4變?yōu)楦唠娖剑t色），電機開始轉動。4、濕度臨界加超溫仿真效果圖濕度臨界加超溫仿真效果圖5、溫濕度均超限仿真效果圖溫濕度均超限仿真效果圖6、濕度超限仿真效果圖濕度超限仿真效果圖6.4數據接收終端與PC機串口通訊的仿真（1）為了對監(jiān)控系統(tǒng)進行串口通訊仿真測試，需要做以下準備工作：①通過虛擬串口工具virtualserialportDriverXP5.1進行虛擬串口的設置。添加虛擬串口COM3和COM4虛擬串口的設置圖②打開串口調試助手，將串口設置為COM3，波特率為9600bit/s。串口調試助手設置圖③打開Proteus仿真軟件，繪制串口通訊仿真電路。因為Proteus內置TT