室内环境监控装置的设计与实现

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3.0 高德中 2024-11-19 5 4 2.35MB 53 页 15积分

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摘要

随着电子技术和计算机技术的飞速发展，采用传统方式开发设计的监控系统

存在如布线复杂、传输距离有限及可靠性不高等缺点，这些系统都不能方便的对

分散的监控地点进行统一、有效的管理。而现场总线技术的蓬勃发展，却极大的

推动了工业控制系统的发展。其中 CAN 现场总线技术具有可靠性高、实时性好、

价格低、容易实现等优点，得到了广泛的应用。如何利用这些先进的技术来设计

新的实现方案替代传统的室内环境监控系统是本文要研究的问题。

在分析已有的室内环境监控系统的基础上，本文提出了采用 MCU、SOPC 嵌

入式和 CAN 现场总线的分布式监控系统设计方案。根据监控系统的功能需求，

自行设计和建立了实验平台。根据温湿度监控的功能要求设计了部署于现场的单

片机 CAN 节点和 SOPC 智能 CAN 节点，主要用来实现对现场环境温湿度数据的

采集。系统采用 CAN 现场总线来对节点组网并传输数据。利用 NI 公司的图形化

编程环境 LabVIEW 开发了界面友好的上位机管理软件，能够实时显示和存储采

集到的现场环境数据，实现了对温湿度数据的管理。通过实验，本系统的各个模

块功能正常，具有一定的测控精度，能达到对室内环境进行温湿度监控的目的。

本文中所设计的监控系统，在硬件和软件上都采用了模块化的设计，不但能

有效的提高开发过程的清晰程度，而且增强了系统的通用性和可移植性，将这些

模块加以裁剪就可以改造成为适合多种不同场合和环境需要的监控系统。另外，

将SOPC 技术应用于本系统中，利用 SOPC 的可定制性、可裁剪性、可配置性的

特定，更有利于后续的系统升级和改造，以便推广应用到其他的领域中。

关键词：温湿度监控 CAN 单片机 SOPC LabVIEW

ABSTRACT

With the rapid development of electronic and computer technology,

environmental monitoring system which based on traditional methods have some

problems, such as wiring complexity, the transmission distance and reliability. These

issues are not beneficial to a unified and effective temperature and humidity

management of distributed monitoring locations. And the vigorous development of the

fieldbus technology, greatly promoted the development of industrial control

systems.CAN fieldbus technology has a wide range of applications, which has high

reliability, good real-time, low price and easy to implement, etc. So how to use these

advanced technology to achieve alternative to the traditional indoor environment

monitoring system is the issue which be studied in this paper.

Based on the analysis of the exiting indoor environment monitoring system, a

method of distributed monitor system is proposed by using MCU, SOPC and CAN

fieldbus. According to the function of the monitoring system requirements, to design

and build an experimental platform. And we design the single chip CAN node and

SOPC intelligence CAN node, which is deployed in the field, mainly used to

implement acquire data of environmental temperature and humidity. The system uses

the CAN fieldbus for data transmission. Developed a friendly interface management

software by using LabVIEW, it can real-time display and storage of data, and realize

the data management. Through the experiment, the various modules of the system is

normal and have certain measurement and control accuracy. It also can achieve the

purpose of the monitoring the indoor environment temperature and humidity.

In this paper the design of the monitoring system, its hardware and software using

on the modular design, not only can improve the development process of clarity, and

improves the system’s versatility and portability. These modules also can be

transformed into suitable for many different occasions and environment monitoring

system. In addition, the use of SOPC customizable, and can be cut, configurability

features, which is more conducive to system’s upgrade and reform, in order to promote

to other areas.

Key words: temperature and humidity monitor, CAN,

MCU,SOPC, LabVIEW

中文摘要

ABSTRACT

第一章绪论 ...................................................................................................................1

§1.1 引言 ...................................................................................................................1

§1.2 课题的研究背景 ...............................................................................................1

§1.3 国内外研究的现状 ...........................................................................................3

§1.4 本文的研究目的和意义 ...................................................................................4

§1.5 室内环境监控系统功能与特点 .......................................................................4

§1.6 论文的结构安排 ...............................................................................................5

第二章系统硬件设计与实现 .........................................................................................7

§2.1 现场总线系统概述 ...........................................................................................7

§2.2 室内环境监控系统的整体硬件结构 ...............................................................8

§2.3 现场智能监控节点的硬件结构 .......................................................................9

§2.4 MCU 智能监控节点 ........................................................................................10

§2.4.1 MCU 模块 ...........................................................................................10

§2.4.2 CAN 通讯模块 .................................................................................... 11

§2.4.3 实时时钟模块 .....................................................................................15

§2.4.4 温度测量模块 .....................................................................................17

§2.4.5 湿度测量模块 .....................................................................................18

§2.5 SOPC 智能监控节点 .......................................................................................20

§2.5.1 SOPC 模块 .............................................................................................20

§2.5.2 CAN 通讯模块 .......................................................................................23

第三章智能监控节点底层软件设计 ...........................................................................25

§3.1 MCU 智能节点的驱动软件 ............................................................................25

§3.1.1 MCU 开发环境 ......................................................................................25

§3.1.2 SJA1000 驱动程序 ................................................................................25

§3.2 SOPC 智能节点软的驱动软件 .......................................................................29

§3.2.1 SOPC 的软件开发环境 .........................................................................29

§3.2.2 MCP2515 驱动程序 ...............................................................................29

§3.3 温度采集模块软件 .........................................................................................33

§3.4 湿度采集模块软件 .........................................................................................35

第四章上位机管理软件的设计与实现 .......................................................................37

§4.1 LabVIEW 介绍 ................................................................................................37

§4.2 基于 LabVIEW 的软件设计 ..........................................................................37

§4.3 LabVIEW 串行通讯模块设计 ........................................................................39

§4.3.1 基本功能模块介绍 ...............................................................................39

§4.3.2 设计的基本步骤 ...................................................................................40

§4.4 数据处理及显示模块 .....................................................................................40

§4.5 越限报警模块 .................................................................................................41

§4.6 数据存储模块 .................................................................................................42

第五章系统调试和功能验证 .......................................................................................43

§5.1 温度测量模块的测试 .....................................................................................43

§5.2 CAN 网络通信模块的测试 .............................................................................43

§5.3 系统联合调试 .................................................................................................46

第六章总结与展望 .......................................................................................................47

参考文献 .........................................................................................................................48

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 .............................................50

致谢 .............................................................................................................................51

第一章绪论

§1.1 引言

温度湿度检测在人们的现实生产生活中的应用已经是日渐广泛，在仓库、图

书馆、温室大棚、医药、档案馆、建筑工地等众多的场所，对温度和湿度都有严

格的要求和相应的标准。由于这些地点大多是分散的，要实现对温度、湿度的集

中统一监控、管理有一定的难度[1]。传统的温度、湿度监控系统多是采用 RS485

总线或者 DCS 的分布式系统，这些系统由于布线比较复杂、传输距离有限等缺点，

对于实际中的温度、湿度监控已经不能很好的解决了[1]。

伴随计算机技术的普及和信息化技术的飞速发展，在各个领域也都出现了各

式各样的监控系统，这些系统的出现使得生产变得更有效率、更加的智能化。工

业现场总线技术的不断进步和发展及其在工业领域的应用不断深入，现场总线控

制系统（FCS--Fieldbus Control System）已成为控制系统的主流发展方向。基于新

的现场总线技术的温度湿度监控系统结合了计算机控制技术、传感器技术、单片

机技术等新兴技术的优势，使温度湿度监控系统更加适应新的发展的需要。因而

能否对现场环境的温度湿度进行检测与控制已经是一个十分重要的课题。

本文通过比较和方案论证，并提出了一种基于嵌入式系统和 CAN 现场总线

的分布式室内环境监控装置。还提出了一种方案，即可以作为一种通用平台性质

的系统，利用该系统可以方便的开发出适应不同室内环境的监控装置，而且由于

采用了模块化设计，可以很方便的实现系统功能的扩展和升级，使其能成为适应

不同场合的多地点、多用途的基于现场总线的温度、湿度智能监控系统。

§1.2 课题的研究背景

温度、湿度关系到人们生活和工作的方方面面，对温度、湿度进行监测、控

制也早已渗透到了各个领域，很难找到与温度、湿度无关的领域。

1.温度、湿度监控在温室大棚中的应用

植物的生长讲究适时、适地，也就是对生长环境的温度、湿度、光照强度及

土壤条件的要求比较严格，只有给予植物合适的生长环境，才会有理想的收获。

在温室大棚中，温度、湿度的变化能直接影响到农作物的生长[2]。使用温度、湿

度监控装置或系统，可以自动的将温度、湿度的变化记录下来，并能将温度、湿

度值以图表或者曲线图的形势输出在 PC 机上，这样为后续的管理工作提供了极

大的便利。而且这些系统都具有报警提示的功能，在温度、湿度超过了设定值的

室内环境监控装置的设计与实现

范围时，可以通过报警装置提醒工作人员及时调整大棚内的温度、湿度值。通过

使用温度、湿度监控系统可以节约大棚的建设成本、简化工作，而且记录的温度、

湿度数据能真实的反映实际的环境状况。

2.温度、湿度监控在食品行业的应用

食品行业在中国目前总体上还是属于一个管理粗放、劳动密集型的传统行业。

随着社会的进步发展，更是需要用科学的方法来管理和严格控制食品工业生产中

的各个工艺流程。特别是一些生鲜和敏温食品，从原料、加工、仓储、运输、货

架等环节，都需要严格的温度监控记录；食品的加工过程相关的灭菌工艺，也是

需要严格的温度、湿度环境。这些环节的安全与否都关系到食品的安全、企业的

利益及消费者的健康。

3.温度、湿度监控在医药行业中的应用，

药品、疫苗行业是一个严谨又竞争激烈的行业，药品、疫苗的生产、存储对

温度、湿度有着严格的要求。温度与湿度处于不合适的状态可能会影响药物的效

用及疫苗的活性。过高或过低都是不允许的，针对这样的情况，需要实时的记录

温度、湿度的变化，以保证药品、疫苗处于最合适的环境中，保证药品、疫苗安

全的投入到临床的使用中。

4.温度、湿度监控在档案管、博物馆管理中的应用

博物馆中各种文物的构成材料各不相同，这些文物的自然损坏就是由于构成

文物的材料受环境影响而变质或者劣化造成的。在文物藏品的保存过程中温度和

湿度是最重要的两个因素。因此使用温度湿度监控装置及时的了解和掌握文物所

处环境的变化，防止文物变质，保证文物在保存过程中尽可能的不受损坏、变质。

档案馆中的关键档案的纸张在温度、湿度都合适的情况下可以保存的更长久一些，

而一旦适合纸张保存的温度、湿度环境发生变化，有可能损坏这些关键的文档，

造成重要资料的损失。因而对档案馆进行温度、湿度的监控，可以预防并避免发

生文物损坏事故，也能降低文物的保存成本。

5.温度、湿度监控在建筑材料实验中的应用

在建筑材料中尤其是混凝土的干燥过程中，有一项重要的指标即混凝土的干燥

趋势[3]。记录这些数据也为建筑的施工方提供了可靠的参考依据，有利于准确的

把握混凝土的干燥时间，在施工过程中可以准确的把握工期及施工进度，保障安

全生产的顺利进行。

6.温度、湿度监控在仓储领域的应用

在进行仓库管理时，对库房的环境控制，是十分必要的，尤其是进行防潮、防

霉等工作。随着我国经济的快速发展，仓储式物流企业也随之快速发展，对仓库

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摘要随着电子技术和计算机技术的飞速发展，采用传统方式开发设计的监控系统存在如布线复杂、传输距离有限及可靠性不高等缺点，这些系统都不能方便的对分散的监控地点进行统一、有效的管理。而现场总线技术的蓬勃发展，却极大的推动了工业控制系统的发展。其中CAN现场总线技术具有可靠性高、实时性好、价格低、容易实现等优点，得到了广泛的应用。如何利用这些先进的技术来设计新的实现方案替代传统的室内环境监控系统是本文要研究的问题。在分析已有的室内环境监控系统的基础上，本文提出了采用MCU、SOPC嵌入式和CAN现场总线的分布式监控系统设计方案。根据监控系统的功能需求，自行设计和建立了实验平台。根据温湿度监控的功能要求...

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