煤气泄漏报警系统监控软件设计毕业设计.docx
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煤气泄漏报警系统监控软件设计毕业设计
煤气泄漏报警系统监控软件设计毕业设计
摘要I
ABSTRACTII
目录I
1绪论1
1.1课题背景1
1.2集散测控系统1
1.3室内煤气泄漏监控系统3
1.4课题主要任务4
2串行通信系统的设计与实现5
2.1串行通信简介5
2.1.1串行通信的基本概念5
2.1.2串行通信的方式6
2.2串行通信总线标准选择8
2.2.1RS-232和RS-485总线标准接口简介8
2.2.2总线标准的选择与通信网络结构设计11
2.3串行通信协议的制定13
2.3.1通信协议的概念13
2.3.2通信协议的内容13
2.3.3通信协议的制定14
2.4VB6.0环境下上位机通信的实现14
2.4.1MSComm控件15
2.4.2MSComm控件处理通信的方式15
2.4.3MSComm控件的引用16
2.4.4MSComm控件常用属性17
2.4.5MSComm控件通信步骤19
2.4.6Timer控件20
3监控信息存储数据库的设计21
3.1数据库的建立21
3.2VB6.0数据窗体向导21
3.3MSFlexGrid控件22
3.4DataGrid控件24
3.5Data控件25
3.6ADO控件28
3.7MSFlexGrid控件和Data控件的绑定30
3.8DataGrid控件和ADO控件的绑定32
4可视化界面设计34
4.1软件操作流程图34
4.2欢迎界面设计34
4.3用户操作界面设计35
4.4权限界面设计38
4.5管理界面设计39
4.6实时监控界面设计39
5监控系统的通信模拟实验44
致谢47
参考文献48
附录1
附录2
1绪论
1.1课题背景
随着单片机和计算机技术的不断发展,特别是网络技术在测控领域的广泛应用,由PC机和多台单片机构成的多机网络测控系统已成为单片机技术发展的一个方向。
它不仅体现了单片机现场实时数据采集时的快速性和灵活性,而且充分利用了PC机丰富的软硬件资源来实现友好的人机界面。
同时,windows环境下后台计算机在数据库管理上具有明显的优势。
二者结合,使得单片机的应用已不仅仅局限于传统意义上的自动监测或控制,而形成了向以网络为核心的分布式多点系统发展的趋势。
基于以上背景,本课题主要以煤气泄漏监控系统为例研究了PC机与多台单片机所构成的小型集散控制系统是如何进行通信的。
1.2集散控制系统
集散控制系统又称多级计算机分布控制系统和分布式控制系统,它是以微处理器为基础的集中分散型控制系统,根据分级设计的基本思想,实现功能上分离,位置上分散,以达到“分散控制为主,集中管理为辅”的控制目的。
目前,集散控制系统已在工业控制领域得到了广泛应用,越来越多的仪表和控制工程师已经认识到集散控制系统必将成为过程工业自动控制的主流。
在计算机集成制造系CIMS(ComputerIntegratedManufacturingSystem)或计算机集成作业系统CIPS(ComputerIntegratedProductionSystem)中,集散控制系统将成为主角,发挥其优势。
随着计算机技术和网络技术的发展,系统的开放性不仅能使不同制造厂商的集散控制系统产品互联,方便地进行数据交换,而且也使得第三方的软件可以方便地在现有的集散控制系统上应用。
目前,我国已引进不同型号集散控制系统的数量多达几百套,同时也有自行研发的DCS系统,应用领域遍及石化、轻化、冶金、建材、纺织、制药等各行各业[1]。
集散控制系统由过程控制站、操作站和通信系统三部分组成。
(1)过程控制站:
过程控制站由分散过程控制装置组成,是集散控制系统与生产过程之间的界面,它的主要功能是分散的过程控制,生产过程的各种过程变量通过分散过程控制装置转化为操作监视的数据,而操作的各种信息也通过分散过程控制装置送到执行机构。
(2)操作站:
操作站由操作管理装置,如由操作台、管理机和外部设备(如打印机、拷贝机)等组成,是操作人员与集散控制系统之间的界面,相当于车间操作管理级和全厂优化及调度管理级,实现人机接口。
它的主要功能是集中各分散过程控制装置送来的信息,通过监视和操作,把操作和命令下送给各分散控制装置。
(3)通信系统:
集散控制系统要达到分散控制和集中操作管理的目的,就需要使下一层信息向上一层集中,上一层指令向下一层传送,级与级或层与层进行数据交换,这都靠计算机通信网络(即通信系统)来完成。
通信系统是过程控制站与操作站之间完成数据传递和交换的桥梁,是集散控制系统的中枢。
通信系统常采用总线型、环型等计算机网络结构,不同的装置有不同的要求。
以上三部分之间的关系如图1.1所示。
图1.1集散测控系统组成
集散控制系统大体可分为三个发展阶段:
(1)第一阶段(1975年-1980年):
微处理器的发展导致第一代集散控制系统的产生,系统以实现分散控制为主。
(2)第二阶段(1980年-1985年):
局域网络技术的发展导致以全系统信息管理为主的第二代集散控制系统的产生。
同第一代相比,一个显著变化是:
数据通信系统由主从式的星型网络通信转变为效率更高的对等式总线网络通信或环型网络通信。
(3)第三阶段(1985年以后):
开放系统的发展使集散控制系统进入了第三代。
采用局部网络技术和国际标准化组织(ISO)的开放系统互联(OSI)参考模型,克服了第二代集散控制系统在应用过程中因难于互联多种不同标准而形成的“自动化孤岛”。
通信管理和控制软件变得更加丰富和完善。
集散控制系统因其一些优良特性而被广泛应用,成为过程控制的主流。
与常规模拟仪表相比,它具有连接方便,采用软连接方法进行连接,容易改变;显示方式灵活,显示内容多样;数据存储量大等优点。
与计算机集中控制系统比较,它具有操作监督方便、危险分散、功能分散等优点。
它始终围绕着功能结构灵活的分散性和安全运行维护的可靠性,紧跟时代的发展成为前沿技术[1]。
1.3室内煤气泄漏监控系统概述
在社会信息化进程日益发展的今天,信息技术应用己渗透到人类生存、活动的各个领域。
人们对生活环境、工作场所的要求不仅仅是一个遮风避雨的地方,而是要达到舒适健康、安全可靠、高效便利。
目前家用煤气,液化器、天然气作为气体燃料,已深入人民的生活之中。
气体燃料的应用和普及,随之而来的是由于使用不当和设备老化等问题所导致的燃气泄漏爆炸或中毒事故时有发生。
其中由于一氧化碳泄漏中毒死亡尤为严重。
众所周知,由于CO与血液中的血红素的结合能力是氧的240倍,因此当它进入人体血液循环系统后,就会大量取代氧而与血红素结合,抑制血液中氧气的释放,从而导致发生头痛、耳鸣、呕吐、血压降低等不同程度的症状发生。
如果CO中毒严重,轻者于康复过程中可能会头昏眼花、丧失记忆或引起视觉及神经上的障碍,严重者会导致脑部受损甚至发生死亡。
为了预防一氧化碳的泄漏,人们采用了各种措施。
家用智能煤气报警器是为了预防气体中毒的一种家用的自动报警器,也是一种高灵敏度的气体探测器。
一般都是应用高灵敏度的气敏元件作为气电转换元件,并配以电路和声光报警部分组成。
当泄漏的气体达到危险极限值时报警器就会发生鸣响和声光报警。
如果将煤气报警器通过RS-485总线与PC机连接起来,借助本课题所设计的室内煤气泄漏监控系统就可以实现实时报警监控,及时提醒用户,防止煤气中毒或爆炸。
一氧化碳报警器有便携式、壁挂式、固定式等,可对现场的一氧化碳浓度进行检测,浓度值达到预设值就会发生报警。
以下是本人了解到的一些一氧化碳报警器,如图1.2所示。
图1.2一氧化碳报警器
1.4课题主要任务
目前基于分布式控制结构的小型集散测控系统的应用越来越广泛,这种系统一般由两级微机组成:
上位机和下位机。
上位机多采用PC机,用于过程控制、计算或数据处理;下位机多采用单片机,用来完成实时控制及现场数据采集等。
因此,PC机与单片机之间的通信成为关键。
本课题中,上位机通过VB6.0进行可视化界面设计,通信软件程序编写,实现与多个以单片机为核心处理器的一氧化碳报警器的串行通信,以便达到室内煤气泄漏的实时监控。
具体而言,完成的任务如下:
(1)分析设计的内容,通过各种方法来搜集有关上位机通信的资料以及了解软件编写的方法。
(2)了解小型测控系统的通信网络结构。
(3)通过对串行通信的了解和研究,制定出相应的串行通信协议。
(4)根据制定好的串行通信协议开始设计串行通信软件,编写通信流程图,根据流程图,编写主程序、发送子程序和接收子程序及其它子程序。
(5)用VB6.0设计可视化界面并实现上位机对下位机所传输数据的显示、处理和存储等操作。
(6)完成5000字符与毕业设计相关的英文资料翻译。
(7)整理论文,撰写并排版。
2串行通信系统的设计与实现
随着计算机网络化和微机分级分布式应用系统的发展,通信的功能也越来越重要。
通信是指计算机与外界的信息传输,既包括计算机与计算机之间的传输,也包括计算机与外部设备,如终端、打印机和磁盘等设备之间的传输。
2.1串行通信简介
2.1.1串行通信的基本概念
在通信领域内,有两种数据通信方式:
并行通信和串行通信。
如图2.1所示:
(a)图为并行通信示意图,(b)图为串行通信示意图。
数据
(b)串行通信
所谓并行通信,是在一些联络信号的控制下,一次将8位或16位或32位数据同时传送完毕。
在并行通信中,传输线的数目没有限制,除了数据线之外还应设置有通信联络控制线。
但是当要传输的距离比较远时,一般不能使用并行通信,其原因基于以下两点:
一是通信线路费用昂贵;二是由于众多的连线间极易引入干扰,又容易发生线路故障,使整个系统的可靠性变得十分脆弱。
如果采用两条线,即一条通信线加上一条地线来进行单向通信,传送的信息(数据信息和控制信息)一次传送一位,如8位的数据信息分8次传送完毕,这种方式称为串行通信。
最简单的信息传送方式,应该就是用一条信号线路来传送电压的变化而达到传送信息的目的。
只要准备沟通的双方事先定义好什么样的状态代表什么样的意思,那么通过这一条线就可以让双方进行数据交换。
2.1.2串行通信的方式
由于信息在一个方向上传输只占用一根传输线,而这根线上既传送数据,又传送联络信号,因为此为区分这根线传送的信息流中,哪一部分是联络信号,哪一部分是数据,就必须引出串行通信的一系列约定。
于是,在串行通信中就有异步通信和同步通信两种基本串行通信方式。
(1)异步通信
异步方式通信ASYNC(AsynchronousDataCommunication),又称起止式异步通信,是计算机通信中最常用的数据信息传输方式。
它是以字符为单位进行传输的,字符之间没有固定的时间间隔要求,而每个字符中的各位则以固定的时间传送。
收、发双方取得同步的方法是采用在字符格式中设置的起始位和停止位。
在一个有效字符正式发送前,发送器先发送一个起始位,然后发送有效字符位,在字符结束时再发送一个停止位,起始位至停止位构成一帧[2]。
串行异步通信时的数据格式如图2.2所示。
图2.2异步通信一帧数据格式
a)起始位:
起始位必须是持续一个比特时间的逻辑“0”电平,标志着传送一个符的开始。
b)数据位为5-8位,它紧跟在起始位之后,是被传送字符的有效数据位。
传送时先传送字符的低位,后传送字符的高位。
数据位究竟是几位,可由硬件或软件来设定。
c)奇偶校验位:
奇偶校验位仅占一位,用于进行奇校验或偶校验,也可以不设奇偶校验位。
d)停止位:
停止位为1位、1.5位或2位,可由软件设定。
它一定是逻辑“1”电平,标志着传送一个字符的结束。
e)空闲位:
空闲位表示线路处于空闲状态,此时线路上为逻辑“1”电平。
空闲位可以没有,此时异步传送的效率为最高。
(2)同步通信
图2.3同步通信一帧数据格式
同步通信是一种连续串行传送数据的通信方式,一次通信只传送一帧信息。
这里的信息帧与异步通信中的字符帧不同,通常含有若干个数据字符。
它们均由同步字符、数据字符和校验字符(CRC)组成。
其中同步字符位于帧开头,用于确认数据字符的开始。
数据字符在同步字符之后,个数没有限制,由所需传输的数据块长度来决定;校验字符有1到2个,用于接收端对接收到的字符序列进行正确性的校验。
同步通信的缺点是要求发送时钟和接收时钟保持严格的同步[2]。
串行同步通信时的数据格式如图2.3所示。
同步通信中使用的数据格式根据所采用的控制规程(通信双方就如何交换信息所建立的一些规定和过程称为通信控制规程)又可分为面向字符型和面向位(比特)型两种。
面向字符型的数据格式又有单同步、双同步、外同步之分。
a)单同步:
发送方先传送1个同步字符,再传送数据块,接收方检测到同步字符后接收数据;
b)双同步:
发送方先传送2个同步字符,再传送数据块,接收方检测到同步字符
后接收数据;
c)外同步:
用一条专用线来传送同步字符,以实现收发双方同步操作。
同步传送,接收和发送时钟对于收、发双方之间的数据传送达到同步是至关重要的。
在发送方,一般都是在发送时钟的下降沿将数据串行移位输出;在接收方,一般都是在接收时钟的上升沿将数据串行移位输入。
(3)串行通信的传送方向
串行通信在两个站(或设备)之间传送,有单工、半双工、全双工三种形式。
a)单工:
仅能进行一个方向的传送,即A只能作为发送器,B只能作为接收器。
如图2.4所示。
图2.4单工形式
b)半双工:
交替地进行双向数据传送,但两个设备之间只有一根传输线,因此两
个方向的数据传送不能同时进行,如图2.5所示。
接收器
发送器
接收器
图2.5半双工形式
c)全双工:
两个设备之间有两条传输线,能在两个方向上同时进行数据传送,如图2.6所示。
接收器
图2.6全双工形式
2.2串行通信总线标准选择
EIA-232、EIA-422与EIA-485标准等串行通信技术应用很广,如录像机、计算机以及许多工业控制设备上都配备有EIA-232串行通信接口。
2.2.1RS-232和RS-485总线标准接口简介
1.RS-232总线标准接口
RS-232C总线标准接口是由美国电子工业协会(EIA)1969年正式公布的,全称是“使用二进制进行交换的数据终端设备和数据通信设备(DCE)之间的接口”。
在异步串行通信中应用最广的标准总线,它包括了按位传输的电器和机械方面的规定,适合于短距离或带调制解调器的通信场合,最大的传输速率为20Kb/s,最大传输距离为15m[3]。
目前RS-232是PC机与通信工业中应用最广泛的一种串行接口,RS-232被定义为一种在低速串行通信中增加通信距离的单端标准。
由于RS-232C并未定义连接器的物理特性,因此,出现了DB-25、DB-15和DB-9各种类型的连接器,其引脚的定义也各不相同。
本文通信用串口DB-9类型,如图2.7所示。
图2.7DB-9串口
在AT机及以后,不支持20mA电流环接口,使用DB-9连接器,作为提供多功能I/O卡或主板上COM1和COM2两个串行接口的连接器。
它只提供异步通信的9个信号。
其各引脚定义及功能如表2.1所示。
表2.1引脚定义及功能
9针RS-232串口(DB-9)
引脚
简写
功能说明
1
CD
载波侦测(CarrierDetect)
2
RXD
接收数据(Receive)
3
TXD
发送数据(Transmit)
4
DTR
数据终端准备(DataTerminalReady)
5
GND
地线(Ground)
6
DSR
数据准备好(DataSetReady)
7
RTS
请求发送(RequestToSend)
8
CTS
清除发送(ClearToSend)
9
RI
振铃指示(RingIndicator)
RS-232C标准(协议)的全称是EIA-RS-232C标准,其中EIA(ElectronicIndustryAssociation)代表美国电子工业协会,RS(RecommendedStandard)代表推荐标准,232是标识号,C代表RS232的最新一次修改(1969),在这之前,有RS232B、RS232A。
它规定连接电缆和机械、电气特性、信号功能及传送过程。
RS-232C对电器特性、逻辑电平和各种信号线功能都作了规定。
(1)在TXD和RXD管脚上:
逻辑1(MARK)=-3V~-15V,逻辑0(SPACE)=+3~+15V。
(2)在RTS、CTS、DSR、DTR和DCD等控制线上:
信号有效(接通,ON状态,正电压)=+3V~+15V,信号无效(断开,OFF状态,负电压)=-3V~-15V。
RS-232C是用正负电压来表示逻辑状态,与TTL以高低电平表示逻辑状态的规定不同。
因此,为了能够同计算机接口或终端的TTL器件连接,必须在RS-232C与TTL电路之间进行电平和逻辑关系的变换。
实现这种变换的方法可用分立元件,也可用集成电路芯片。
目前较为广泛地使用集成电路转换器件,如MC1488、SN75150芯片可完成TTL电平到EIA电平的转换,而MC1489、SN75154可实现EIA电平到TTL电平的转换。
MAX232芯片可完成TTL与EIA双向电平转换。
2.RS-485总线标准接口
电子工业协会(EIA)于1983年制订并发布RS-485标准,并经通讯工业协会(TIA),修订后命名为TIA/EIA-485-A,习惯地称之为RS-485标准。
RS-485总线作为一种多点差分数据传输的电气规范,已成为业界应用最为广泛的标准通信接口之一。
这种通信接口允许在简单的一对双绞线上进行多点双向通信,它所具有的噪声抑制能力、数据传输速率、电缆长度及可靠性是其他标准无法比拟的。
正因为如此,许多不同领域都采用RS-485作为数据传输链路。
例如:
汽车电子、电信设备局域网、智能楼宇等都经常可以见到具有RS-485接口电路的设备。
这项标准得到广泛接受的另外一个原因是它的通用性,RS-485标准只对接口的电气特性做出规定,而不涉及接插件电缆或协议,在此基础上用户可以建立自己的高层通信协议,如MODBUS协议。
RS-485总线电气性能如表2.2所示。
目前,在我国应用的现场网络中,RS-485半双工异步通信总线也是被各个研发机构广泛使用的数据通信总线。
但是基于在RS-485总线上任一时刻只能存在一个主机的特点,它往往应用在集中控制枢纽与分散控制单元之间。
表2.2RS485总线电器性能
性能指标
RS485总线
工作模式
差分传输(平衡传输)
允许的收发器数目
32(受芯片驱动能力限制)
最大电缆长度
4000英尺(1219米)
最高数据速率
10Mbps
最小驱动输出电压范围
±1.5V
最大驱动输出电压范围
±5V
最大输出短路电流
250mA
最大输入电流
1.0mA/12Vin、-0.8mA/-7Vin
驱动器输出阻抗
54欧
输入端电容
≤50pF
接收器输入灵敏度
±200mV
接收器最小输入阻抗
12k
接收器输入电压范围
-7V~+12V
接收器输出逻辑高
>200mV
接收器输出逻辑低
<200mV
2.2.2总线标准的选择与通信网络结构设计
目前最通用的串行通信接口是RS-232串口,但因其负载能力差,通信距离较较短的原因,用RS-232建立PC机与多单片机的通信网络是不合适的。
而RS-485是一个多引出线接口,这种接口可以有多个驱动器和接收器,能够实现PC机与多台单片机的串行通信,而且其通信距离可达1000米以上,适合远距离传输。
因此,在本课题所设计的室内煤气泄漏监控系统中采用RS-485总线建立PC机与多台一氧化碳报警器的传输网络是可行的。
PC机对外的两个串口COM1、COM2都是专门为RS-232通信设置的,所以当PC机与多台单片机远距离通信时,可使用RS-232/RS-485型通信接口转换器,将计算机上的RS-232通信口转为RS-485通信口,在信号进入单片机前在使用RS-485/RS-232转换器将RS-485通信口转RS-232通信口,再与单片机相连,如图2.8所示。
1号
图2.8PC机与多个单片机远距离连接
武汉波仕电子有限公司生产的波仕RS-232/RS-485/RS-422转换器都可将RS-232通信距离延长至1.2Km以上(9600bps时)。
都可以用于PC机之间、PC机与单片机之间构成远程多机通信网络。
波仕的485TC和485TA转换器外形都为DB-9/DB-9转接盒大小,其中DB-9(孔座)一端直接插在9芯RS-232插座(针座)上。
PC机RS-232串行口的DB-9芯连接器引脚分配如下:
2-RXD(收),3-TXD(发),5-GND(地)。
产品均无需任何初始化设置,只用到RXD(收)、TXD(发)、GND(地)信号,加上独有的内部零延时自动收发转换技术,确保适合所有软件。
485TC为全双工半双工通用型,485TA为半双工型,如图2.9所示。
由波仕RS-232/RS-485转换器所构成的RS-485总线式通信方式如图2.10所示。
图2.9波仕RS-232/RS-485转换器
图2.10典型的RS-485半双工多机通信
2.3串行通信协议的制定
2.3.1通信协议的概念
所谓通信协议是指通信双方的一种约定。
约定包括对数据格式、同步方式、传送速度、传送步骤、检纠错方式以及控制字符定义等问题做出统一规定,通信双方必须共同遵守。
因此,也叫做通信控制规程,或称传输控制规程,它属于ISO'S~OSI七层参考模型中的数据链路层[4]。
目前,采用的通信协议有两类:
异步协议和同步协议。
同步协议又有面向字符和面向比特以及面向字节计数三种。
其中,面向字节计数的同步协议主要用于DEC公司的网络体系结构中。
2.3.2通信协议的内容
通信协议是对数据传输方式的规定,包括数据格式定义和数据位定义等。
通信方式必须遵循统一的通信协议。
要想保证通信成功,通信双方必须有一系列的约定,比如作为发送方,必须知道什么时候发送信息、发什么、对方是否收到、收到的内容有没有错、要不要重发、怎么通知对方结束等;作为接收方,必须知道对方是否发送信息、发的是什么、收到的信息是否有错、如果有错如何通知对方、怎么判断结束等。
具体而言包括起始位、数据位、奇偶校验位、停止位、波特率设置和握手信号等。
1.起始位:
当通信线路上没有数据被传送时处于逻辑“1”状态。
当发送设备要发送一个字符数据时,首先发出一个逻辑“0”信号,这个逻辑低电平就是起始位。
起始位通过通信线传向接收设备,接收设备检测到这个逻辑低电平后,就开始准备接收数据位信号。
其作用就是使设备同步,通信双方必须在传送数据位前协调同步。
2.当接收设备收到起始位后,紧接着就会收到数据位。
数据位的个数可以是5、6、7或8,PC机中经常采用7位或8位数据传送。
3.奇偶校验位:
数据位发送完后,便可以发送奇偶校验位。
奇偶校验位用于有限差错检测,通信双方应约定一致的奇偶校验方式。
如果选择偶校验,那么组成数据位和奇偶位的逻辑“1”的个数必须是偶数,如果选择奇校验,那么逻辑“1”的个数必须是奇数。
4.停止位:
在奇偶位或数据位之后发送的是停止位。
停止位是一个字符数据的结束标志,可以是1
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