劉鋒，王平，付蔚 發表於 2020-04-28 10:14:22
引言
在工業現場，特別是那些環境因素對生產過程影響比較大的車間，對現場環境因素的監測很重要，而隨著工業自動化的迅速發展，工業乙太網在工業中應用的普及，它能使用戶對現場的一些環境因素實現一個遠程的監測，突顯其便利性和適時性。本系統就是基於SHT75溫溼度傳感器，利用工業乙太網技術，實現對工業現場的溫溼度的遠程監測。
溫溼度測量的系統設計
在工業現場中使用溫溼度傳感器，為了達到遠程監測的目的，就少不了與工業乙太網或其它工業現場總線網絡相連，本系統就利用工業乙太網技術，由傳感器SHT75採集工業現場的溫溼度，經過CPU處理，通過工業乙太網進行通信，實現上位機對現場環境溫溼度的數據採集、監測。
本溫溼度測量系統包含了微處理器（C8051F120）、存儲器、傳感器模塊、網絡通信接口、串口通信等重要組成部分。在該設計中，電源使用了乙太網供電設備，該設備除了用於網口通信，還提供設計中所需要的電源。該電源經過電平轉換，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口與傳感器模塊進行數據交換。溫溼度測量系統的硬體框圖如圖1所示
圖1 溫溼度測量系統框圖
處理器C8051F120
C8051F120是美國Cygnal公司的一款控制晶片，它使用 Silicon Lab 的專利 CIP-51 微控制器內核，具有64個數字I/O 引腳、片內VDD 監視器、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；FLASH 存儲器具有在系統重新編程能力，可用於非易失性數據存儲，並允許現場更新 8051固件；片內 JTAG 調試電路允許使用安裝在最終應用系統上的產品 MCU 進行非侵入式（不佔用片內資源）、全速、在系統調試，該調試系統支持觀察和修改存儲器和寄存器，支持斷點、觀察點、單步及運行和停機命令；它能在工業溫度範圍（-45℃到+85℃）處工作，這些完全滿足在工業現場使用的要求。
微處理器部分的設計包含系統硬體的啟動與復位、地址總線、數據總線的分配和定義、與外設傳感器的連接等；系統由外部的22M鍾振作為時鐘源向CPU輸入時鐘信號；復位電路由10μF的電容、10K電阻組成低電平復位電路，該復位電路可實現上電低電平自動復位。
傳感器模塊
SHTxx 系列單晶片傳感器是由瑞士Sensirion的一款含有已校準數位訊號輸出的溫溼度複合傳感器。傳感器包括一個電容式聚合體測溼元件和一個能隙式測溫元件，並與一個 14 位的 A/D 轉換器以及串行接口電路在同一晶片上實現無縫連接。SHTxx採用串行接口，它的解析度可以根據對現場的採集速率而進行調整，一般情況下默認的測量解析度分別為 14bit（溫度）、12bit（溼度），如果在高速採集中就可分別降至 12bit 和 8bit，對溫度的量程範圍：-40～123.8℃，溼度的量程範圍：0～100%RH。它操作比較簡單，只需用一組「 啟動傳輸」時序，就能實現傳感器數據傳輸的初始化，同時，在測量和通訊結束後，SHTxx 會自動轉入休眠模式，這大大的減少了功耗。我們選擇的是SHT75，它的結構框圖如圖2所示。
圖2 SHT75結構框圖
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，來實現數據的交換；VDD與3.3V電壓相連。為避免信號衝突，微處理器應驅動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。
網絡通信接口
在設計中採用網絡接口將溫溼度傳感器接入工業乙太網，數據由乙太網傳遞到上位機中，實現工業現場的設備和上位機的通信。網絡隔離器採用的是HR61H50L，網卡晶片使用的是RTL8019AS。
RTL8019AS 是REALTEK公司的高度集成乙太網控制器，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是對網絡設備 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乙太網交換機。這個特性不僅使帶寬從10到20MBPS，而且避免了由於乙太網頻道爭奪特性導致的讀出多路存取協議的問題。為了提供完全解決即插即用方案，RTL8019AS集成10BASET收發器，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鬆的環境。RTL8019AS用 16k字節 SRAM 設計在單片晶片上，它的設計不僅提供了更友好的功能，而且節省了 SRAM 存儲資源。RTL8019AS的地址總線SA［7:0］與數據總線SD［7:0］分別與C8051F120的地址/數據總線相連。
電源
電源採用的是乙太網供電設備，該設備採用符合802.3受電設備標準，輸出標準的+24V，經過LM2576-5（Motorola生產）和AS1117-3.3（ALPHA生產）電源晶片，電平轉換後，輸出溫溼度測量系統中的微處理器、存儲器、網卡晶片和傳感器模塊上所需的5V和3.3V電源。
軟體設計
主程序結構主要由CPU與SHT75之間的數據傳遞和傳感器與上位機的數據傳遞並在上位機顯示兩部分組成。在數據傳遞部分，首先需要對CPU與SHT75對應I/O口以及相關寄存器的初始化，然後通過CPU發送命令啟動數據的傳輸，之後，傳感器開始進行信號的採集和數據的交換，CPU對數據進行處理，當進行完一次採集和傳遞後，再通過通信復位來循環工作；在上位機顯示部分，只需找一入口地址，把CPU處理好的數據傳給上位機，再通過EPA組態軟體來對數據進行客觀的顯示。程序結構如圖3所示。
圖3 程序結構
在本系統數據傳遞過程中，主要經過的是啟動傳輸、字節的讀與寫、狀態寄存器的讀與寫、最終數據的讀取和通信的復位幾部分。下面列出溫溼度數據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： //讀溫度數據
do {error = 0;
shtTransstart（）; //啟動傳輸，傳感器開始工作
error += shtWriteByte（SHT_MEASURE_TEMP）; //寫字節函數，寫一個字節
} while （error）;
break;
case SHT_MODE_HUMI： //讀溼度數據
do {error = 0;
shtTransstart（）; //啟動傳輸，傳感器開始工作
error += shtWriteByte（SHT_MEASURE_HUMI）; //寫字節函數，寫一個字節
} 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）; //讀字節函數，讀一個字節
Delay100us（10）;
*（ptr+1） = shtReadByte（SHT_ACK）;
crc = shtReadByte（SHT_NOACK）;
crc = crc;
return error;
}
溫溼度傳感器在工業現場中的應用
圖4它是一個網絡拓撲圖，設備掛在集線器上，集線器在給溫溼度傳感器供電的同時，還對傳感器採集的數據信息進行傳遞；集線器通過工業乙太網來與上位機相連，數據信息就通過工業乙太網傳送到上位機。通過上位機用戶可以遠程監測現場的溫度與溼度。
圖4 監測拓撲圖
在工業現場，此設備是直接通過工業乙太網的有線網絡進行數據傳輸的，通過在重慶重鋼集團的一個月試用結果來看，它的穩定性和精確度滿足要求。圖5是在重慶鋼鐵集團中板廠監測室的監測界面。
圖5 監測曲線圖
圖5是一監測曲線圖，通過直觀的曲線圖來顯示工業現場的溫溼度變化，它具有報警功能，用戶可以根據現場的具體要求自主設定上限與下限，當溫溼度值超過限制時，就會顯示紅色，並閃爍不定，以示報警。
結語
在重慶鋼鐵集團中板廠持續高溫車間裡的使用效果來看，傳感器的測量精度基本保持穩定，根據監控室人員的反映，監控界面所顯示的數據與車間實際數據誤差很小，並且它能適時性的顯示車間的溫度與溼度，刷新速率很快，滿足設計要求。
但是工業現場一般環境比較的惡劣，在使用過程中發現，設備自身的發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、更廣的工作範圍，這些對硬體設計和軟體優化提出了更高的要求。
責任編輯：gt
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