畢業論文基于pc機空調控制系統數據通信的設計(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 supervisal”. This system can be adopted in large pany, hospital and so on ,which need the large amounts aircondition. All of the airconditon are managed unitively. Lots of power waste can be avoided. It has much more practicability and science..【Key Words】 PCs MCU MAX232 temperature sensor Visual Basic緒論選題背景及目的隨著社會生活水平的提高和科學技術的發展，大型空調已經廣泛應用在各種場合，比如公司，醫院，車站等等。然而這些空調都沒有一個統一的管理和控制系統，比如在一個公司，員工下班后大部分人都不會主動關閉空調就離開了工作房間，有些人特意將空調溫度設置的很低，因此造成大量的電能浪費，本系統旨在使家電趨向高效，節能，智能化方向發展，大大減少個人人為的任意操作，使其具有統一規范的控制管理系統。節約能源是全人類永恒的話題與使命，任何項目的研究和開發都必須充分考慮高效與節能，杜絕浪費。自從八十年代后期，PC機市場開始快速發展，越來越多的PC機應用得到開發。PC機的廣泛應用不僅改變了我們的計算方式，對自動測試系統領域也帶來了革命性的變化。充分利用計算機豐富的軟硬件資源，大大突破了傳統測試系統在數據信號處理、顯示、傳送、存儲、打印等方面的限制。目前，隨著單片機及微機技術的不斷發展，單片機組網技術越來越成熟，集散測控系統應用越來越廣泛。它既利用了單片機性價比高和面向控制等優點，又結合PC機具有豐富的軟硬件資源，特別是非常友好的人機界面等特點。在這種系統中，單片機主要進行實時數據采集及預處理，然后通過串行口將數據傳送給PC機，PC機對這些數據進一步處理，基于PC機的測試系統與監控系統正向著高速、高效，智能化、多功能化、多樣化發展。國內外研究狀況如今有的空調控制系統僅僅采用的是以單片機為主，采用鍵盤或遙控器進行參數設置，外接報警等控制電路，不具備人性化，而且操作不方便，如果對多臺空調進行控制更加顯得麻煩，增大了工作量。相比于本系統具有很大的缺陷性。隨著單片機技術的發展,在各種單片機應用系統的設計中,如智能儀器儀表、各類手持設備、GPS接收器等,常常需要PC機與外部設備進行信息交換,即通信。串行通信已經成為計算機與其他設備進行數據交換的最廣泛的途徑之一。這也是當今市場比較熱門的技術，許多監控系統都是基于PC機與單片機的串行通信來實現上位機對下位機的控制與監控，管理員只需在監控室的電腦上操作一個Windows環境下的人機界面就可以對所有要控制的設備進行管理，這使得管理員的工作量大大減少，也提高了工作效率，更加具有現代化和人性化。設計和研究方法本系統設計方法采用的是PC機與多片單片機實現數據通信，利用PC機和單片機的串口實現數據通信，所謂串口通信是指按照逐位順序傳遞數據的通信方式,由于僅需三根傳輸線傳送信息且通信距離相對較遠,所以在控制領域的現場監測、分布控制等場合有著重要的應用價值。鑒于PC 機具有強大的監控和管理功能,單片機則具有快速以及容易控制的特點,在數據量不大、傳輸要求不高的情況下,傳輸距離要求不遠的情況下一般都采用給PC 機配置的RS2232 標準串行接口(如COM1 ,COM2) 來實現應用系統與PC 機之間的數據交換，PC機可以與一片單片機實現點對點通信，也可與對片單片機實現多機通信。由于本系統是實行對多臺空調的同時監控與控制，故采用PC機與單片機多機通信，每個房間的空調都安裝一個單片機系統，實現對溫度的采集和發送，接受PC機發來的控制命令字，驅動控制器工作。上位PC機采用的是Visual Basic 語言和它的MSCOMM控件來實現與單片機的串口通信，能任意發送命令給下位機并且也可以接收下位機發來的數據，實現雙工通信。上位機定時對下位機采集的溫度數據進行讀取，經過判斷來決定要發送的控制命令。在PC機Windows環境下實現串行通信一般有4種方法：底層匯編操作；用某些高級語言（如C、PASCAL）提供的庫函數；用Windows提供的API函數；用串行通信控件MSCOMM；這幾種方法有各自的優缺點，使用局限性也各不相同。有些通信方法可直接對串行口地址位操作，在此方式中，可傳送一幀11位的信息：1位起始位，8位數據位，1位可作“地址幀”和“數據幀”的標志位和1位停止位。這可很方便實現多機通信（單片機通信方式3），但其復雜化和專業化程度高。串行通信控件MSCOMM只發送一幀10位的信息，取8位數據位，1位起始位，1位停止位，這與單片機的串口工作方式1 剛好相同。利用此特性，在通信協議中，每臺下位單片機都規定一個明確的地址，PC機發送出一個數據（地址或命令）給下位機后等待下位機的反應。下位機接收到地址或命令后，比較確認，若為本機地址則繼續接受PC機發來的命令。利用這種查詢方法可方便實現PC機與多臺單片機的多機通信。1 方案比較與論證方案一：采用單片機與單片機多機通信，選定其中任意一片單片機作為主機，其余為從機，分別安裝在每個房間控制每個房間的空調并采集每間房的溫度。單片機本身帶有串口，可與單片機實現多機通信，但由于作為主機那塊單片機需要管理與監控多臺空調，對參數的設置以及實時監控帶來了不便，沒有一個很好的人機交互界面，不利于管理員的操作，不具備人性化的特點。故本設計沒有采納。方案二: 采用PC機與單片機多機通信，由于PC機本身自帶有9針串口（如COM1,COM2），通過MAX232電平轉換芯片實現RS232電平邏輯向TTL電平邏輯的雙向轉換就可以很方便的實現PC機與下位單片機的串口通信，通過該芯片可以實現長達十多米的通信距離的數據傳輸，若適當降低傳輸速率，可增加其通信距離，因此對于一個企業里，完全可以通過一臺PC機，僅僅在一個人機交互界面上將所有房間的空調實行統一監控與管理，取代人為對空調的任意控制，大大節約了電能。故本系統采用此方案。2 硬件設計 本系統主要是針對數據采集與通信進行研究，故硬件電路比較少，上位機只需一臺普通的PC機，下位機采用常用的AT89S51，中間僅僅只需一片MAX232電平轉換芯片，與下位機相連的溫度采集模塊，采用的是單總線制的DS18B20，它與單片機之間連接只需一根I/O口線，因此大大節省了單片機的I/O口，方便單片機與控制空調的控制器連接。而且其價格比較便宜，性價比高。 系統框圖 系統框圖如圖1所示 圖1 系統框圖模塊說明：a. PC機為普通的帶有串口的臺式機，作用為：在其Windows界面上創建一個人機界面，控制每臺空調的工作并且實時監控。b. MAX232為電平轉換芯片，由于PC機串口為RS232接口只能識別EIA電平，而單片機機只能識別普通的TTL電平，此芯片的作用就是將兩種電平進行轉換，達到數據通信的目的。c. 以單片機為核心的下位機系統主要作用是采集房間內的溫度，供單片機來讀取并保存，當上位機通知該下位機發送溫度時，單片機調用串口發送函數，將當前溫度發送給上位機。d. DS18B20為單線數字溫度傳感器，負責測量室內溫度。 PC機串口臺式計算機一般至少帶有兩個串行口COM1和COM2，串行口不同于并行口之處在于它的數據和控制信息是一位接一位串行地傳送下午，這樣，雖然速度會慢一些，但傳送距離較并行口更長，因此對于距離較長的數據通信應該使用串行接口。通常COM1使用的是9針D形連接器，而COM2有些使用的是老式的DB25針連接器，本系統采用的是常用的9針連接器。由于CPU與接口之間按并行方式傳輸，接口與外設之間按串行方式傳輸，因此，在串口接口中，要由接收移位寄存器把串口方式轉換為并行方式，由發送移位寄存器把并行方式轉換成串行方式。完成這樣的轉換功能的電路，叫做通用異步收發器UART，該接口芯片已經集成在串口接口中，典型的有Intel的8251A，National Semiconductor的8250，Motorola的6850等等。其中九針D形串口如圖2所示 。 圖 2 九針D型串口 目前RS232是PC機與通信工業中應用最廣泛的一種串行接口。RS232采用不平衡傳輸方式，即所謂單端通信。收，發端的數據信號是相對于信號地。其中9針串口引腳定義如表3所示，其中引腳2和引腳3分別為數據接收和發送端，這與單片機的RXD和TXD相類似，數據都是一位接著一位的發送。唯一不同的是兩者之間的電平不同。RS232是用正負電壓來表示邏輯狀態，發送數據時，發送器典型的工作電壓是5V—15V和5V15V,接收數據時，接受器典型工作電壓是+3V +12V和3V 12V。而TTL是用電平高低表示邏輯狀態。RS232C主要用來定義計算機系統的一些數據終端設備（DTE）和數據電路終接設備（DCE）之間的電氣性能。例如CRT、打印機與CPU的通信大都采用RS232C接口，MCS51單片機與PC機的通信也是采用該種類型的接口。由于MCS51系列單片機本身有一個全雙工的串行接口，因此該系列單片機用RS232C串行接口總線非常方便。RS232C串行接口總線適用于：設備之間的通信距離不大于15米，傳輸速率最大為20kB/s。 表1 九針串口管腳定義 電平轉換芯片MAX232MAX232是由德州儀器公司（TI）推出的一款兼容RS232標準的芯片。由于電腦串口RS232電平是12v +12v，而一般的單片機應用系統的信號電壓是TTL電平0 +5v,MAX232就是用來進行電平轉換的,該器件包含2驅動器、2接收器和一個電壓發生器電路提供TIA/EIA232F電平。該器件符合TIA/EIA232F標準，每一個接收器將TIA/EIA232F電平轉換成5VTTL/CMOS電平。每一個發送器將TTL/CMOS電平轉換成TIA/EIA232F電平。主要特點 單5V電源工作LinBiCMOSTM工藝技術兩個驅動器及兩個接收器 177。30V輸入電平低電源電流：典型值是8mA符合甚至優于ANSI標準 EIA/ESD保護大于MILSTD883（方 法3015）標準的2000VMAX232芯片管腳及各管腳定義如圖3所示。 其中標號IN和OUT都是針對MAX232本身而言，即OUT腳接的是PC機或者單片機的RXD腳，同理IN腳接的是PC機或單片機的TXD腳利用此性質可以很容易實現PC機與單片機的連接。由于它有兩組收發器，所以7，8腳和9，10腳配合為一組，11，12腳和13，14腳為一組。使用時人選一組即可。 圖3 MAX232芯片管腳及定義AT89S51是一個低功耗，高性能CMOS 8位單片機，片內含4kB的可反復擦寫1000次的Flash只讀程序存儲器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術制造，兼容標準MCS51指令系統及80C51引腳結構，芯片內集成了通用8位中央處理器和ISP Flash存儲單元，功能強大的微型計算機的AT89S51可為許多嵌入式控制應用系統提供高性價比的解決方案。系統復位電路也就是單片機的復位電路,如圖4所示:圖4 AT89S51復位電路當按下復位鍵時，ESET瞬間為高平，然后電源與電容、電阻構成回路，并對C1電容進行充電，R1上的電壓逐漸下降，直至為低電平，系統處于正常工作狀態。 數字溫度傳感器DS18B20 DS18B20是美國DALLAS半導體公司繼DS1820之后最新推出的一種改進型單總線智能溫度傳感器，信息經過單線接口送入DS18B20或從DS18B20送出，因此從處理器到DS18B20僅需一根線，讀，寫和完成溫度轉換所需電源可以由數據線本身提供，而不需要外部電源。DS18B20內部主要由4部分組成：64位光刻ROM，溫度傳感器，非揮發的溫度報警觸發器TH和TL，配置寄存器。DS18B20管腳圖如圖5所示 DS18B20 的特點如下：1. 獨特的單線接口方式。DS18B20與處理器連接時僅需一根口線即可實現處理器與DS18B20的雙向通信。2. 在使用中不需要任何外圍元件。3. 可用數據線供電，電壓范圍為+~+。4. 測溫范圍為55~+125攝氏度，5. 通過編程可實現912位的數字讀數方式。最大轉換時間為200MS6. 用戶可自設定非易失性的報警上下限值7. 支持多點組網功能。多個DS18B20可用并聯在唯一的3線上，實現多點測溫。8. 負壓特性，電源極性接反時，溫度計不會因發熱而燒毀，但不能正常工作。 圖 5 DS18B20管腳圖3 軟件設計 本系統主要研究的是PC機與單片機的串口通信，所以大部分是通過軟件來實現，上位機（PC）采用的是VB編程，利用MSCOMM控件實現PC機數據的接收與發送，下位機（單片機）采用的是C51編程，C51具有可讀性強，移植性強的特點，因此被廣泛采用。為了達到上位機與下位機的通信的協調與匹配，因此雙方需要一套相同的通信協議，該協議是人為自己規定的。有了這套協議就可以順利實現雙工通信。 串口通信控件MSCOMM MSCOMM控件全稱為Microsoft Communication Control,是Microsoft公司提供的簡化Windows下串行通信編程的ActiveX控件，它為應用程序提供了通過串行接口收發數據的簡便方法，MSCOMM控件提供兩種處理通信的方式：事件驅動方式和查詢方式。事件驅動通信是處理串行端口