C8051单片机在温湿度网络远程监控体系开发中的应用

关键词：温湿度采集 嵌入式设计 网络远程监控 实时显示 

第1章引言

1.1研究背景及意义
具有五千年悠久历史的中国，与古埃及、古印度和古巴比伦并称为世界上的四大文明古国。在这五千年里，我们勤劳智慧的祖先给我们留下了许多珍贵的精神财富和物质财富。精神财富是博大精深的中国文化，而物质财富就是流传至今的文物。这些珍贵的文物对于我们现代人来说是不可再生的财富，如何保护好这些财富是我们需要考虑的问题。据全国政协委员、故宫博物院院长单雾翔介绍，在我国首次进行的“全国馆藏文物腐蚀损失调查”中显示，全国约有半数的馆藏文物存在不同程度的腐烛损害[2]。调查显示，“全国馆藏文物腐烛损失调查”项目组对全国2803家各类国有文物收藏单位的1470余万件馆藏文物进行了调查，共有50.66%的馆藏文物存在不同程度的腐烛损害。其中约有2%的馆藏文物处于颜危腐烛程度，达29.5万件；约有14%的馆藏文物处于重度腐烛程度，多达213万件[3]。

1.2国内外研究现状
随着全球变暖问题等气候环境问题的严重，世界人口逐渐增长的压力，以及煤炭、而I油等传统能源价格上涨和円渐枯竭，而可替代能源研究进展缓慢，清洁能源和可再生能源应用未能大范围地普及，人们迫切需要通过科技来实现自身的可持续发展。于是出现了精准农业、精细化工等技术，它们都是将本领域具体环境与当代计算机信息技术结合，以期望达到最优的效果。在供暖这个能源消耗巨大的领域里，也出现了这样的趋势。在国外，尤其是欧洲，供暖主要采取集中供热、分户计量方式。所谓"分户计量”指的是，在室内采暖系统加装温控阀和热量计等设备，由用户自行调节控制用热量，最终按照计量收费。这样的方式据统计可节约能源两到三成。
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第2章基于C8051单片机的温湿度网络远程采集器工作原理及开发环境简介

2. 1温湿度网络远程采集器的组成和工作原理
本文中设计的温湿度网络远程釆集器的控制模块选用C8051F040,温湿度传感器模块选用AM2301，以太网通信模块选用CP2200，存储模块选用ATMLH942铁电存储，时钟模块选用DS1302，电源模块选用BMm7(3.3V)和LM2940(5V)。采集器节点的核心控制模块采用CYGNAL公司生产的C8051F040,是完全集成的混合信号片上系统型MCU。C8051F040具有4352字节的内部数据RAM(256+4k)，系统内可编程FLASH程序存储器空间为64K，外部数据存储器接口可以寻址的地址空间也为64K。
电源模块负责对整个系统供电。电源模块可以将交流电转换成各个模块所需的电压，例如温湿度传感器工作电压为5V，其余芯片工作电压为3.3V。另外，电源模块中的CR1220电池负责给时钟模块供电，保证在主电源断电后，系统时钟仍能正常运行。

2. 2温湿度传感器简介
本文中设计的温湿度网络远程采集器的温湿度釆集模块选用数字温湿度传感器AM2301。AM2301传感器包括一个电容式的感湿元件和一个NTC测温元件，并与一个高性能8位单片机相连接。AM2301采集温湿度信息，在转换为数字信号时，会进行自动校准，然后再输出给MCUf20]。传感器与MCU的通信方式采用数字单总线数据格式—次通信时间仅为5ms左右。AM2301传感器为4针单排引脚封装，方便与MCU连接，体积小，功耗相应也很低，但信号的传输距离可达20米以匕所以AM2301温湿度传感器的主要优点有：体积小，便于安装、响应速度快、抗彳：扰能力强、性价比也极高、具有很高的可靠性和稳定性。AM2301的典型连接图见图2-2。
需要注意的地方有：①在MCU与AM2301的连接线长度小于20米时，建议使用上拉电阻，阻值选用5K即可。而连接线长度大于20米时，拉电阻的值要拟掘实际的情况來选用；②传感器上电后，会有段不稳定的状态，等待2s左右之后，必发送任何指令，便可恢复常；③在电源引脚和接地脚之问，可连接一个lOOnF的电容。

第3章基于C8051单片机的温湿度网络远程监控系统分析与设计..........19
3.1系统性能需求........ 19
第4章基于C8051单片机的温湿度网络远程监控系统的实现.......25
4.1温湿度网络远程采集器硬件实现.......... 25
第5章基于C8051单片机的温湿度网络远程监控系统测试...... 43
5.1建立测试环境....... 43

第5章基于C8051单片机的温湿度网络远程监控系统测试

5.1建立测试环境
测试之前，首先连接好系统与外部的各个接口。采集器方面：接上电源线，以太网口连上网线，接好温湿度传感器AM2301。采集器的外部接口接好之后，再通过J-TAG接口，将采集器与PC机连接起来，便于在PC上调试采集器上的程序，观测采集器上程序一些变量的数值。连接好的釆集器见图5-1。

5. 2功能测试
首先对采集器进行模块测试对于数据采集模块，待采集器上电后，将采集器端的稅序通过Silicon LabsIDE软件编译之后，确认没有警告和错误之后，连接单片机，将完整的程序烧至Ti片机中。待采集器工作稳定一段时间后，观测采集器程序中温湿度数据包TempPacket屮Humidity和Temperature变量-?的值，与不波器测到的AM2301发宋的数值是否一致。示波器所示波形见图5-3。
可维护性是系统在设计过程中重要考虑的指标之一。系统中，釆集器使用了以太网通信方式与服务器通信，发送温湿度数据和接收配置信息等。以太网环境一般比较稳定，不易出故障。网络出现故障时，采集器方面可以将温湿度数据存入铁电存储中，自发地提高了系统的可维护性；网络方面，一般应用环境中，网络出现故障都会有专人处理，也保证了系统的护性。
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第6章总结与展望

本文中基于C8051单片机的温湿度网络远程采集器釆用C8051F040作为主控芯片，采用CP2200作为以太网通信芯片，采用AM2301作为温湿度传感器。并且对AM2301的情况、性能指标、数据格式和温湿度数据采集方法，以及采集器的丌发环境——Silicon Labs IDE做了介绍。需求分析对于设计和实现一个系统是至关重要的。在确定了基于C8051单片机的温湿度网络远程监控系统的性能和功能需求之后，确立了系统的总体结构，板载软件和服务器端软件的架构，以及系统总体的软硬件设计。依据第2章釆集器和第3章远程监控系统的各项要求，分别给予设计和实现。首先设计了温湿度网络远程采集器的电路原理图，以及PCB布线和布局；然后是设计采集器板载软件的流程图，以及采集器的数据采集模块和通信模块的实现；最后设计服务器端程序组成和流程图，以及服务器的通信模块实现。在设计和实现系统后，必须对系统进行整体测试。测试之甜，搭建整个温湿度网络远程监控系统的测试环境。测试时，对系统的各项模块进行功能测试和性能测试，验证所设计系统的稳定性和可靠性。

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参考文献：

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• [2] 郭文强,张玉杰,侯勇严,付菊.  无线传感器网络在环境监测系统中的设计与应用[J]. 陕西科技大学学报(自然科学版). 2012(04)
• [3] 刘家真,廖茹.  我国古籍、纸质文物与档案保护比较研究[J]. 中国图书馆学报. 2012(04)
• [4] 刘海成.  单总线分布式温湿度监测系统设计[J]. 单片机与嵌入式系统应用. 2012(06)
• [5] 冯大捷.  基于DS1302电子时钟的设计[J]. 科技视界. 2012(02)
• [6] 王玉英.  JSP中SQL Server2000数据库访问技术[J]. 电脑与信息技术. 2011(04)
• [7] 吴来明,徐方圆,黄河.  博物馆环境监控及相关物联网技术应用需求分析[J]. 文物保护与考古科学. 2011(03)
• [8] 陈民.  基于J2EE学生网上评教系统的系统设计[J]. 电脑知识与技术. 2010(35)
• [9]   “十一五”国家科技支撑计划课题“馆藏文物保存环境应用技术研究”通过验收[J]. 文物保护与考古科学. 2010(02)
• [10] 单霁翔.  继承优良传统,坚持改革创新 推动中国博物馆事业科学发展——新中国博物馆事业60年回顾与展望[J]. 中国博物馆. 2009(03)