引言

在工業(yè)現(xiàn)場，特別是那些環(huán)境因素對生產(chǎn)過程影響比較大的車間，對現(xiàn)場環(huán)境因素的監(jiān)測很重要，而隨著工業(yè)自動化的迅速發(fā)展，工業(yè)以太網(wǎng)在工業(yè)中應(yīng)用的普及，它能使用戶對現(xiàn)場的一些環(huán)境因素實現(xiàn)一個遠(yuǎn)程的監(jiān)測，突顯其便利性和適時性。本系統(tǒng)就是基于SHT75溫濕度傳感器，利用工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)，實現(xiàn)對工業(yè)現(xiàn)場的溫濕度的遠(yuǎn)程監(jiān)測。

溫濕度測量的系統(tǒng)設(shè)計

在工業(yè)現(xiàn)場中使用溫濕度傳感器，為了達(dá)到遠(yuǎn)程監(jiān)測的目的，就少不了與工業(yè)以太網(wǎng)或其它工業(yè)現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)相連，本系統(tǒng)就利用工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)，由傳感器SHT75采集工業(yè)現(xiàn)場的溫濕度，經(jīng)過CPU處理，通過工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行通信，實現(xiàn)上位機(jī)對現(xiàn)場環(huán)境溫濕度的數(shù)據(jù)采集、監(jiān)測。

本溫濕度測量系統(tǒng)包含了微處理器（C8051F120）、存儲器、傳感器模塊、網(wǎng)絡(luò)通信接口、串口通信等重要組成部分。在該設(shè)計中，電源使用了以太網(wǎng)供電設(shè)備，該設(shè)備除了用于網(wǎng)口通信，還提供設(shè)計中所需要的電源。該電源經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換，為微處理器、存儲器、傳感器模塊等提供所需的+5V和+3.3V電壓。微處理器C8051F120通過I/O口與傳感器模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。溫濕度測量系統(tǒng)的硬件框圖如圖1所示

圖1 溫濕度測量系統(tǒng)框圖

處理器C8051F120

C8051F120是美國Cygnal公司的一款控制芯片，它使用 Silicon Lab 的專利 CIP-51 微控制器內(nèi)核，具有64個數(shù)字I/O 引腳、片內(nèi)VDD 監(jiān)視器、看門狗定時器和時鐘振蕩器，它使C8051F120器件成為真正能獨立工作的片上系統(tǒng)；FLASH 存儲器具有在系統(tǒng)重新編程能力，可用于非易失性數(shù)據(jù)存儲，并允許現(xiàn)場更新 8051固件；片內(nèi) JTAG 調(diào)試電路允許使用安裝在最終應(yīng)用系統(tǒng)上的產(chǎn)品 MCU 進(jìn)行非侵入式（不占用片內(nèi)資源）、全速、在系統(tǒng)調(diào)試，該調(diào)試系統(tǒng)支持觀察和修改存儲器和寄存器，支持?jǐn)帱c、觀察點、單步及運行和停機(jī)命令；它能在工業(yè)溫度范圍（-45℃到+85℃）處工作，這些完全滿足在工業(yè)現(xiàn)場使用的要求。

微處理器部分的設(shè)計包含系統(tǒng)硬件的啟動與復(fù)位、地址總線、數(shù)據(jù)總線的分配和定義、與外設(shè)傳感器的連接等；系統(tǒng)由外部的22M鐘振作為時鐘源向CPU輸入時鐘信號；復(fù)位電路由10μF的電容、10K電阻組成低電平復(fù)位電路，該復(fù)位電路可實現(xiàn)上電低電平自動復(fù)位。

傳感器模塊

SHTxx 系列單芯片傳感器是由瑞士Sensirion的一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號輸出的溫濕度復(fù)合傳感器。傳感器包括一個電容式聚合體測濕元件和一個能隙式測溫元件，并與一個 14 位的 A/D 轉(zhuǎn)換器以及串行接口電路在同一芯片上實現(xiàn)無縫連接。SHTxx采用串行接口，它的分辨率可以根據(jù)對現(xiàn)場的采集速率而進(jìn)行調(diào)整，一般情況下默認(rèn)的測量分辨率分別為 14bit（溫度）、12bit（濕度），如果在高速采集中就可分別降至 12bit 和 8bit，對溫度的量程范圍：-40～123.8℃，濕度的量程范圍：0～100%RH。它操作比較簡單，只需用一組“ 啟動傳輸”時序，就能實現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)傳輸?shù)某跏蓟瑫r，在測量和通訊結(jié)束后，SHTxx 會自動轉(zhuǎn)入休眠模式，這大大的減少了功耗。我們選擇的是SHT75，它的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 SHT75結(jié)構(gòu)框圖

SHT75與微處理器的連接，是通過C8051F120的兩個I/O口來分別與傳感器SHT10的SCK引腳和DATA引腳相連，來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的交換；VDD與3.3V電壓相連。為避免信號沖突，微處理器應(yīng)驅(qū)動DATA 在低電平，所以還必須在I/O電路中，DATA引腳上加上一個上拉電阻將信號提拉至高電平，用一個10kΩ的電阻接至3.3V電壓。

網(wǎng)絡(luò)通信接口

在設(shè)計中采用網(wǎng)絡(luò)接口將溫濕度傳感器接入工業(yè)以太網(wǎng)，數(shù)據(jù)由以太網(wǎng)傳遞到上位機(jī)中，實現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)場的設(shè)備和上位機(jī)的通信。網(wǎng)絡(luò)隔離器采用的是HR61H50L，網(wǎng)卡芯片使用的是RTL8019AS。

RTL8019AS 是REALTEK公司的高度集成以太網(wǎng)控制器，它能夠簡單的解答即插即用 NE2000兼容適配器，這種適配器具有二重和功率下降特性。通過三電平控制特性，RTL8019AS是對網(wǎng)絡(luò)設(shè)備 GREEN PC 理想的選擇。全二重功能能夠模擬傳播和接收在雙絞線到全二重以太網(wǎng)交換機(jī)。這個特性不僅使帶寬從10到20MBPS，而且避免了由于以太網(wǎng)頻道爭奪特性導(dǎo)致的讀出多路存取協(xié)議的問題。為了提供完全解決即插即用方案，RTL8019AS集成10BASET收發(fā)器，BNC，和AUI接口之間的自動檢測功能。此外，8條IRQ 總線和16條基本地址總線為大資源情況下提供了寬松的環(huán)境。RTL8019AS用 16k字節(jié) SRAM 設(shè)計在單片芯片上，它的設(shè)計不僅提供了更友好的功能，而且節(jié)省了 SRAM 存儲資源。RTL8019AS的地址總線SA［7:0］與數(shù)據(jù)總線SD［7:0］分別與C8051F120的地址/數(shù)據(jù)總線相連。

電源

電源采用的是以太網(wǎng)供電設(shè)備，該設(shè)備采用符合802.3受電設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)，輸出標(biāo)準(zhǔn)的+24V，經(jīng)過LM2576-5（Motorola生產(chǎn)）和AS1117-3.3（ALPHA生產(chǎn)）電源芯片，電平轉(zhuǎn)換后，輸出溫濕度測量系統(tǒng)中的微處理器、存儲器、網(wǎng)卡芯片和傳感器模塊上所需的5V和3.3V電源。

軟件設(shè)計

主程序結(jié)構(gòu)主要由CPU與SHT75之間的數(shù)據(jù)傳遞和傳感器與上位機(jī)的數(shù)據(jù)傳遞并在上位機(jī)顯示兩部分組成。在數(shù)據(jù)傳遞部分，首先需要對CPU與SHT75對應(yīng)I/O口以及相關(guān)寄存器的初始化，然后通過CPU發(fā)送命令啟動數(shù)據(jù)的傳輸，之后，傳感器開始進(jìn)行信號的采集和數(shù)據(jù)的交換，CPU對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，當(dāng)進(jìn)行完一次采集和傳遞后，再通過通信復(fù)位來循環(huán)工作；在上位機(jī)顯示部分，只需找一入口地址，把CPU處理好的數(shù)據(jù)傳給上位機(jī)，再通過EPA組態(tài)軟件來對數(shù)據(jù)進(jìn)行客觀的顯示。程序結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 程序結(jié)構(gòu)

在本系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳遞過程中，主要經(jīng)過的是啟動傳輸、字節(jié)的讀與寫、狀態(tài)寄存器的讀與寫、最終數(shù)據(jù)的讀取和通信的復(fù)位幾部分。下面列出溫濕度數(shù)據(jù)的讀取程序的部分代碼：

BYTE shtMeasure（BYTE *ptr，BYTE mode）

{BYTE error，crc; BYTE i;

switch（mode） {

case SHT_MODE_TEMP： //讀溫度數(shù)據(jù)

do {error = 0;

shtTransstart（）; //啟動傳輸，傳感器開始工作

error += shtWriteByte（SHT_MEASURE_TEMP）; //寫字節(jié)函數(shù)，寫一個字節(jié)

} while （error）;

break;

case SHT_MODE_HUMI： //讀濕度數(shù)據(jù)

do {error = 0;

shtTransstart（）; //啟動傳輸，傳感器開始工作

error += shtWriteByte（SHT_MEASURE_HUMI）; //寫字節(jié)函數(shù)，寫一個字節(jié)

} while （error）;

break;

default：

break;

}

for （i=0;i《65535;i++） { if （SHT_DATA==0） {

break;

}

}

Delay100us（20）; //不需要定時器的延時

*ptr = shtReadByte（SHT_ACK）; //讀字節(jié)函數(shù)，讀一個字節(jié)

Delay100us（10）;

*（ptr+1） = shtReadByte（SHT_ACK）;

crc = shtReadByte（SHT_NOACK）;

crc = crc;

return error;

}

溫濕度傳感器在工業(yè)現(xiàn)場中的應(yīng)用

圖4它是一個網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D，設(shè)備掛在集線器上，集線器在給溫濕度傳感器供電的同時，還對傳感器采集的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行傳遞；集線器通過工業(yè)以太網(wǎng)來與上位機(jī)相連，數(shù)據(jù)信息就通過工業(yè)以太網(wǎng)傳送到上位機(jī)。通過上位機(jī)用戶可以遠(yuǎn)程監(jiān)測現(xiàn)場的溫度與濕度。

圖4 監(jiān)測拓?fù)鋱D

在工業(yè)現(xiàn)場，此設(shè)備是直接通過工業(yè)以太網(wǎng)的有線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)模ㄟ^在重慶重鋼集團(tuán)的一個月試用結(jié)果來看，它的穩(wěn)定性和精確度滿足要求。圖5是在重慶鋼鐵集團(tuán)中板廠監(jiān)測室的監(jiān)測界面。

圖5 監(jiān)測曲線圖

圖5是一監(jiān)測曲線圖，通過直觀的曲線圖來顯示工業(yè)現(xiàn)場的溫濕度變化，它具有報警功能，用戶可以根據(jù)現(xiàn)場的具體要求自主設(shè)定上限與下限，當(dāng)溫濕度值超過限制時，就會顯示紅色，并閃爍不定，以示報警。

結(jié)語

在重慶鋼鐵集團(tuán)中板廠持續(xù)高溫車間里的使用效果來看，傳感器的測量精度基本保持穩(wěn)定，根據(jù)監(jiān)控室人員的反映，監(jiān)控界面所顯示的數(shù)據(jù)與車間實際數(shù)據(jù)誤差很小，并且它能適時性的顯示車間的溫度與濕度，刷新速率很快，滿足設(shè)計要求。

但是工業(yè)現(xiàn)場一般環(huán)境比較的惡劣，在使用過程中發(fā)現(xiàn)，設(shè)備自身的發(fā)熱量以及長久使用對自身的損耗直接影響著傳感器對外界環(huán)境因素的靈敏度，所以，怎樣使傳感器模塊擁有更好的靈敏度、更低的功耗、更廣的工作范圍，這些對硬件設(shè)計和軟件優(yōu)化提出了更高的要求。

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