房机环境参数监控系统软件设计本科毕业设计.docx

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房机环境参数监控系统软件设计本科毕业设计

毕业设计报告（论文）

报告（论文）题目：

机房环境参数监控系统

软件设计

作者所在系部：

电子工程系

作者所在专业：

电子信息工程

作者所在班级：

B09212

作者姓名：

作者学号：

20094021204

指导教师姓名：

完成时间：

2013年6月20日

北华航天工业学院教务处制

北华航天工业学院

毕业设计（论文）任务书（理工类）

学生姓名：

专业：

电子信息工程班级：

B09212学号：

指导教师：

职称：

副教授完成时间：

2013.6

毕业设计（论文）题目：

机房环境参数监控系统软件设计

题目来源

教师科研课题

纵向课题（）

题目类型

理论研究（　）

注：

请直接在所属项目括号内打“√”

横向课题（　）

应用研究（　）

教师自拟课题（√）

应用设计（√）

学生自拟课题（　）

其他（　）

总体设计要求及技术要点：

机房是数据中心重要的基础设施，可以比喻为数据中心的摇篮。

它是指在一个物理空间内实现信息的集中处理、存储、传输、交换、管理。

计算机设备、服务器设备、网络设备、存储设备等是数据中心机房的核心设备。

一旦机房环境设备出现故障，就会影响整个计算机系统运行，对数据传输、存储及系统运行的可靠性构成威胁，如事故严重又不能及时处理，就可能损坏硬件设备，造成严重后果。

机房环境参数监控系统主要是针对机房的环境进行监控，发现参数异常，即时采取电话、短消息等多种报警方式进行报警，并记录历史数据和报警事件，还可以通过以太网进行远程查看。

总体设计要求：

本课题主要研究机房环境参数监控系统的软件设计，需配合硬件实现监控功能，用LCD显示现场环境参数（主要是温度和湿度）的数值，可以进行数据的存储和查看，可以设定报警的上下限，超限后可以打电话或发短信报警，具有连接远程网络的功能，并考虑软件的健壮性。

技术要点：

单片机编程技术，通信模块编程，上位机编程

基本要求：

实现单片机控制的温度、湿度采集，用LCD显示数值，可以进行数据的存储和查看，可以设定报警的上下限，超限后可以打电话或发短信报警。

较高要求：

实现TCP/IP协议发送数据，实现连接远程网络的功能，在远程计算机上以Web形式浏览机房各环境参数值。

工作环境及技术条件：

工作环境：

实验室环境

技术条件：

单片机开发环境、模拟量信号采集技术、TCP/IP协议、Web主页设计

工作内容及最终成果：

本题目要求应用单片机设计一套机房环境参数的监控系统（主要侧重于软件设计），具体要求如下：

（1）测量精度：

温度误差不大于±0.5℃，湿度误差不大于±0.5%RH；

（2）测量点数：

不小于20个；

（3）系统工作环境温度:

-20℃～70℃；

（4）实时监测机房温度、湿度（可扩展增加水浸、烟雾、电源通断、门磁、窗磁监测）；

（5）可现场设置各报警参数的上下限，具有数码显示，报警显示等功能；

（6）具有拨打手机电话及发送手机短信的功能；

（7）提供基于Web的管理界面，具有远程设置、查看功能。

最终成果：

结合硬件（电路板级成果或成形产品）实现机房环境参数的监控，提供使用说明书。

时间进度安排：

1、第七学期第6周～第15周，查阅资料，完成开题报告、文献综述、外文文献翻译

2、第七学期第16周～第17周，开题报告审阅、答辩

3、第八学期第1周～第3周，分析机房环境，确定参数的路数，确定实现方案

4、第八学期第4周～第6周，设计软件流程图，完成温度、湿度信号的采集和调理

5、第八学期第7周～第11周，设计单片机控制的主程序，设计键盘输入、数据存储与LCD显示、超限报警等模块的子程序，设计GSM通信模块的子程序

6、第八学期第12周～第14周，进行软件联调，完成主程序对子程序的调用，进行软硬件联调，完成基本的温湿度监控功能

7、第八学期第14周～第15周，优化功能，完成毕业设计论文

指导教师签字：

年月日

教研室主任意见：

教研室主任签字：

年月日

北华航天工业学院

本科生毕业设计（论文）原创性及知识产权声明

本人郑重声明：

所呈交的毕业设计（论文）

机房环境参数监控系统软件设计

是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作取得的成果。

除文中已经注明引用的内容外，本设计（论文）不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品或成果。

对本设计（论文）的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。

因本毕业设计（论文）引起的法律结果完全由本人承担。

本毕业设计（论文）成果归北华航天工业学院所有。

本人遵循北华航天工业学院有关毕业设计（论文）的相关规定，提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本。

本人同意北华航天工业学院有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以营利为目的的前提下，可以公布非涉密毕业设计（论文）的部分或全部内容。

特此声明

毕业设计（论文）作者：

指导教师：

年月日年月日

摘要

随着通信技术的不断发展以及人们对生活要求的不断提高，实现机房智能远程控制已经成为必然趋势。

机房要实现六项智能化要求，其中包括实行安全防范自动化监控管理：

对机房的火灾、有害气体的泄漏实行自动报警；机房设置紧急呼叫系统；防盗报警系统应安装红外或微波等各种类型报警探测器；系统应能与计算机安全综合管理系统联网；计算机系统能对报警系统进行集中管理和控制。

针对机房应用环境,对无线报警系统进行了研究,提出一种低成本、面向机房应用的远程报警器。

硬件主要由STC89C51单片机、NRF24L01无线通信模块及DS18B20等传感器组成。

系统采用无线通信方式,可以完成温度监测、自动报警等功能。

实验证明,系统具有成本低、无需布线、安装简单、扩展性强等特点,可以广泛应用于机房自动化控制。

关键词单片机温度传感器通信单元机房

Abstract

Ascommunicationstechnologycontinuestoevolveandpeople'sincreasingrequirementsforlife,forhomeintelligentremotecontrolhasbecomeaninevitabletrend.MinistryofConstructionHousingIndustrializationPromotionCenterproposedtoachievethesixintelligentresidentialdistrictrequirements,includingtheimplementationofautomatedsecuritymonitoringandmanagement:

forresidentialfires,hazardousgasleakimplementautomaticalarm;residentialsettingemergencycallsystem;burglaralarmsystemshouldbeinstalledinfraredormicrowaveandothertypesofalarmdetectors;systemshouldbeintegratedwiththemanagementsystemfornetworkedcomputersecurity;computersystemcanalarmsystemforcentralizedmanagementandcontrol.

Forindoorapplicationsenvironmentforwirelessalarmsystemstudied,presentsalow-cost,family-orientedapplications,remotealarm.HardwareconsistsofSCMSTC89C51,NRF24L01wirelesscommunicationmoduleandDS18B20othersensors.Systemuseswirelesscommunication,youcancompletetemperaturemonitoring,automaticalarmfunctions.Experimentalresultsshowthatthesystemhasalowcost,nowiring,easyinstallation,scalability,andothercharacteristics,canbewidelyusedinhomeautomation.

KeywordsMicrocontrollertemperaturesensoracommunicationunitEngineroom

机房环境参数监控系统软件设计

第1章绪论

1.1课题背景及国内外研究概况

在现在社会中,单片机、传感器等电子元件的应用越来越广泛。

利用单片机和传感器等电子元件结合C语言编程，来实现温度智能控制，已经是现代一个普遍的研究课题。

机房环境自动温度控制系统，是以机房为环境，自动控制机房温度的单片机系统。

20世纪80年代末，铂热电阻温控系统刚出现时，为普通电子电路，非智能性结构，功能上也较单一，只有现实和热保护功能。

随后为实现温度信号的远传现实和控制，在温度控制系统上添加了4-20mA电流输出，使温控系统具备温度变送器功能，在测温同时同步输出温度信号。

在90年代，电子仪器产品大都采用微电子技术进行升级换代，大幅度提高产品的可靠性。

随着应用领域的不断扩展，温度控制系统继续采用RS-485有线通讯方式，在很多情况下都很难满足要求。

通讯的网络化、智能化、集成化、标准化是当代的发展趋势。

面向不同的应用，温度采集和控制系统也应改进通讯结构，尽量具有多样性的、使用标准协议的通讯方式。

1.2目的意义

目的：

本设计目的是设计一款基于温湿度传感器SHT11、AT89S51单片机，用，由12864字符型LCD显示的温湿度计。

意义：

随着人们生活水平的提高，现在在日常生活中为了人们的身体健康，经常需要对室内空气温度与湿度进行测量，当湿度达到一定值时对空气进行加湿，以减少疾病的发生，本设计为之提供一种快捷高效、低成本的测量工具。

1.3技术指标

1、时时检测当前温度和湿度；

2、当温湿度或者燃气超标时启动报警系统

3、采用LCD作为显示。

第2章方案选择

2.1方案选择

方案一：

采用单总线的DS18B20的温度传感器和HS110X相对湿度传感器为主要芯片的温湿度计。

图2-1HS110X温湿度传感器

方案二：

采用集温湿度传感器于一体的SHT11芯片为主要芯片的温湿度计。

图2-2SHT11温湿度传感器

由于方案一中采用的是传统的模拟式湿度传感器，一般不仅要设计信号调理电路，还要经过复杂的校准和标定过程，其测量精度难以保证。

而SHT11是瑞士Sensiri-on公司生产的具有二线串行接口的单片全校准数字式新型相对湿度和温度传感器，可用来测量相对湿度、温度和露点等参数，具有数字式输出、免调试、免标定、免外围电路及全互换的特点。

该传感器将CMOS芯片技术与传感器技术融合，为开发高集成度、高精度、高可靠性的温湿度测控系统提供了解决方案。

所以本设计采用的是方案二。

2.2整体电路的设计

本设计的核心部件为AT89S51,信号采集及处理部分由SHT11构成，进入单片机后经过处理后通过LCD12864显示温湿度，信号显示采用的液晶屏为5X7点阵，一行可显示16字，四行。

当湿度达到某一数值时启动加湿功能，这里用超声波雾化器对空气进行加湿。

在软件设计部分对测量的湿度进行设定，当测量的湿度超过限定值，通过超声波雾化器对空气进行加湿从而启动加湿功能。

硬件中包括一个开关，为复位开关。

开机后，所有器件初始化，温湿度传感器SHT11开始进行温湿度测量和计算，最后通过LCD1602液晶显示器显示结果。

在测量结果中有超过设定的湿度的，通过超声波雾化器做出反应。

整体电路方框图如下：

图2-3基于单片机的温湿度监控的整体电路方框图

本章小结

本章主要论述了设计的方案选择并最终确定了适合本设计的最佳方案同时对整体电路设计进行了简单的介绍，比如电路实现什么功能以及用到的芯片和电路器件，并画出了整体电路方框图。

第3章硬件电路的设计

3.1单片机电路

3.1.1单片机概述

1.单片机的产生与发展

单片机出现的历史并不长，但发展十分迅猛。

它的产生与发展和微处理器的产生与发展大体同步，自1971年美国Intel公司首先推出4位微处理器以来，它的发展到目前为止大致可分为5个阶段：

第1阶段（1971—1976）：

单片机发展的初级阶段。

1971年11月Intel公司首先设计出集成度为2000只晶体管/片的4位微处理器Intel4004，并配有RAM、ROM和移位寄存器，构成了第一台MCS-4微处理器，而后推出了8位微处理器。

它们虽然说还不是单片机，但从此拉开了研制单片机新技术的序幕。

第2阶段（1976—1980）：

低性能单片机阶段。

以1976年Intel公司推出的MCS-48系列为代表，采用将8位CPU、8位并行I/O接口、8位定时器电路、RAM和ROM等集成于一块半导体芯片上的单片结构，虽然其寻址范围有限（不大于4KB），也没有串行I/O，RAM、ROM容量小，中断系统也比较简单，但功能可满足一般工业控制和智能化仪器、仪表等的需要。

这种采用将CPU与计算机外围电路集成到一块芯片上的技术，标志着单片机与通用CPU的分道扬镳，在构成新型工业微控制器方面取得了成功，为进一步发展单片机开辟了成功之路。

第3阶段（1980—1983）：

高性能单片机阶段。

这一阶段推出的高性能8位单片机普遍带有串口，多级中断处理系统，多个16位定时器/计数器。

片内RAM、ROM的容量加大，且寻址范围可达64KB，个别片内还带有A/D转换接口。

其典型为1980年Inter公司推出的MCS-51系列单片机，其它代表产品有Motorola公司的6810和Zilog公司的Z8等。

这类单片机拓宽了单片机的应用领域，使之能用于智能终端、局部网络的接口等。

因而，它是目前国内外产品的主流，各制造公司还在不断地改进和发展它。

第4阶段（1983—80年代末）：

16位单片机阶段。

1983年Intel新的制造工艺，使芯片集成度高达12万只晶体管/片列，随后公司又推出了高性能的16位单片机MCS-96系列。

CPU为16位，支持16位算术逻辑运算，并具有32位除16位的进一步增大；除两个16位定时器片内RAM和ROM容量更大外，还可以设定4个软件定时器；具有8个中断源；片内带有多通道；运算速度和控制功能大幅度提高，具有很强的实时处理能力。

高精度A/D转换和高速输入、输出部件（HSIO）。

第5阶段（90年代）：

单片机在集成度、功能、速度、可靠性、应用领域等全方位向更高水平发展。

如：

CPU的位数有8位、一步采用双CPU结构或内部流水线结构16位、32位。

而结构上更进，以提高处理能力和运算速度；时钟频率高达20MHz，使指令执行速度相对加快；提供新型的串行总线结构，为系统的扩展与配置打下了良好的基础；增加新的特殊功能部件（例如：

PWM输出、监视定时器WDT、可编程计数器阵列PCA、DMA传输、调制解调器、通信控制器、浮点运算单元等）；半导体制造工艺的不断改进，使芯片向高集成化、低功耗方向发展等等。

以上这些方面的发展，使单片机在大量数据的实时处理、高级通信系统、数字信号处理、复杂工业过程控制、高级机器人以及局域网等方面得到大量应用。

2.单片机的应用

由于单片机具有体积小、重量轻、价格便宜、功耗低、控制功能强及运算速度快等特点，因而在国民经济建设、军事及家用电器等各个领域均得到了广泛的应用。

按照单片机的特点，其应用可分为单机应用与多机应用。

（1）单机应用

在一个应用系统中，只使用一片单片机称为单机应用，这是目前应用最多的一种方式。

单机应用的主要领域有：

测控系统、智能仪表、机电一体化产品、智能接口、智能民用产品等。

（2）多机应用

单片机的多机应用系统可分为：

功能集散系统、并行多机处理及局部网络系统。

综上所述，目前单片机已用于工业控制、机电一体化、仪器仪表、信号处理、现代兵器、交通能源、商用设备、医疗设备及家用电器等各个领域。

3.1.2MCS-51的硬件结构

1.MCS-51系列单片机内部结构

MCS-51系列单片机的内部结构框图如图3-1所示。

MCS-51单片机是把那些作为控制应用所必需的基本功能部件都集中在一个尺寸有限的集成电路芯片上。

随着大规模集成电路技术的发展，其控制系统已能够取代以前利用复杂电子线路或数字电路构成的控制系统，还可以用软件控制来实现，并能够实现智能化。

它由如下功能部件组成：

微处理器（CPU）。

MCS-51单片机中有1个8位的CPU，它由运算器和控制器等部件组成。

CPU是单片机的核心部件，决定了单片机的主要功能特性。

数据存储器（RAM）。

片内为128byte（52子系列为256byte外数据存储器的寻址）其片址范围为64KB，用于存放可读写的数据，如运算的中间结果或最终结果等。

程序存储器（ROM/EPROM/EEPROM/FLASHEEPROM）（8031和8032没有此部件）。

其片外最多可扩只读存储器的容量至64KB，主要用于存放已编写的程序，也可以存放一些原始数据和表格。

中断系统。

具有5个中断源，可编程为2个优先级的中断系统。

它可以接收外部中断申请，定时器/计数器中断申请和串行口中断申请。

常用于实时控制，故障自动处理，计算机与外设间传送数据及人—机对话等。

定时器/计数器。

片内有2个16位定时器/计数器（52子系列有3个16位定时器/计数器），具有四种工作方式。

它可以设置为计数方式对外部事件进行计数，也可以设置为定时方式进行定时。

计数或定时的范围由软件来设定，一旦计数或定时到则向CPU发出中断请求，CPU根据计数或定时的结果对计算机或外设进行控制。

1个片内振荡器及时钟电路。

4个8位并行I/O接口（PO口、P1口、P2口、P3口）32条可编辑I/O线，用于并行数据的输入或输出。

1个串行I/O接口。

它可使数据一位一位地在计算机与外设之间串行传递，可用软件设置为4种工作方式，用于多处理机和通讯、I/O口扩展或全双工通用异步接收器（UART）。

特殊功能寄存器SFR。

特殊功能寄存器共有21个，用于控制和管理内部接口工作。

实际上是一些控制寄存器和状态寄存器，是一个具有特殊功能RAM区。

由此可见，MCS-51单片机的硬件结构具有功能部件种类全、功能强等特点。

3.2振荡电路

单片机的定时控制功能是由片内的时钟电路和定时电路来完成的，时钟是单片机的心脏，单片机各功能部件的运行都是以时钟频率为基准，有条不紊的一拍一拍的工作，因此时钟频率直接影响单片机的速度，时钟电路的质量也直接影响单片机系统的稳定性，常用的单片机时钟电路有两种方式：

内部时钟方式和外部时钟方式，如图3-1（a）、（b）所示。

采用内部时钟方式时，如图3-1（a）所示。

MCS-51单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，该高增益反相放大器的输入端为芯片引脚XTAL1，输出端为引脚XTAL2，这两个引脚跨接石英晶体振荡器和微调电容，就构成一个稳定的自激振荡器，向内部时钟电路提供振荡时钟。

电路中的电容C1和C2典型值一般都选为30pf左右，对外接电容的值虽然没有严格的要求,但是电容的大小会影响振荡频率的高低和振荡器的稳定性以及起振的快速性，晶体的振荡频率的范围通常是在1.2MHz～12MHz之间,晶体的振荡频率越高，则系统的时钟频率也就越高，单片机的运行速度也就越快。

但是反过来运行速度快对存储器的速度要求越高，对印刷电路板的工艺要求也高，即要求线间的寄生电容要小，MCS-51单片机常选择振荡频率6MHz或12MHz的石英晶体。

（a）内部振荡器方式（b）外部振荡器方式

图3-1MCS-51单片机时钟产生方式

采用外部时钟方式时，如图3-3（b）所示。

外部振荡信号通过XTAL2端直接接至内部时钟电路，这时内部反相放大器的输入端XTAL1端应接地。

通常外接振荡信号为低于12MHz的方波信号。

本次设计中本电路选用内部振荡器方式，晶体振荡器频率为12MHz，如图3-3（a）所示。

选用内部振荡器比选用外部时钟电路简单并且易于实现，最重要的是此电路易于调试，而且精度高。

3.3复位电路

复位电路可分为上电复位和外部复位两种方式。

电路如图3-4所示，通过某种方式，使单片机内各寄存器的值变为初始状态的操作称为复位。

MCS-51单片机在时钟电路工作以后，在RST/VPD端持续给出2个机器周期的高电平就可以完成复位操作（一般复位正脉冲宽度大于10ms）。

上电复位是在单片机接通电源时，对单片机的复位。

上电复位电路如图3-2（a）所示，在上电瞬间RST/VPD端与VCC电位相同，随着电容上电压的逐渐上升，RST/VPD端电位逐渐下降。

上电复位所需的最短时间是振荡器振荡建立时间加2个机器周期。

复位电路的阻容参数通常由实验调整。

图3-2（a）参考电路中，电路参数C取22uF，R取1KΩ，可在RST/VPD端提供足够的高电平脉冲，使单片机能够可靠地上电自动复位。

图3-2（b）所示既可进行上电自动复位，也可外部手动复位的电路示意图，R1可取200Ω左右。

当需要外部复位时，按下复位按钮即可达到复位目的。

本文采用的是上电/外部复位电路，如图3-2（b）所示。

复位电路比上电复位电路在应用上更加实用、易于随时对单片机复位。

（a）上电复位电路（b）上电/外部复位电路图3-2复位电路的两种方式

此外，基于89S51设计有稳态逻辑，以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。

在闲置模式下，CPU停止工作。

但RAM、定时器、计数器、串口和中断系统仍在工作。

在掉电模式下，保存RAM的内容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。

3.4温湿度采集与传输模块

3.4.1选用SHT11的原因

本设计共涉及两类数据——温度和湿度，因此需要两个传感器芯片，一个负责温度采集，另一个负责湿度采集。

若采用独立式传感器芯片，会给程序带来不变，也会给单片机增加负担。

因此，本设计选用一款集温度、湿度测量于一体的复合式传感器——SHT11。

数字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的复合式传感器。

芯片内部主要由相对湿度传感器，温度传感器，校准存储器，14位A/D转换器，信号放大器和I²C总线接口构成。

SHT11具有温度和相对湿度测量，露点值计算输出、全部校准、数字输出、免外围电路、低功耗等优点。

是本设计理想的温湿度测量与传输芯片。

3.4.2SHT11温湿度传感器

（1）SHT11简介

SHT11是瑞士Scnsirion公司推出的一款数字温湿度传感器芯片。

该芯片广泛应用于暖通空调、汽车、消费电子、自动控制等领域。

其主要特点如下：

◆高度集成，将温度感测、湿度感测、信号变换、A/D转换和加热器等功能集成到一个芯片上；

◆提供二线数字串行接