《工业控制网络课程设计（论文）基于CAN总线的大棚温湿度检测节点设计.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《工业控制网络课程设计（论文）基于CAN总线的大棚温湿度检测节点设计.doc（18页珍藏版）》请在三一办公上搜索。
1、 工业控制网络 课程设计（论文）题目： 基于CAN总线的大棚温湿度检测节点设计 院（系）： 电气工程学院 专业班级： 自动化082 学 号： 学生姓名： 指导教师： （签字）起止时间： 2011.12.282012.01.06 课程设计（论文）任务及评语院（系）：电气工程学院 教研室：自动化 学 号学生姓名专业班级课程设计（论文）题目基于CAN总线的大棚温湿度检测节点设计课程设计（论文）任务课题完成的功能、设计任务及要求、技术参数实现功能检测大棚内某点的温湿度信号，传递给单片机，完成单片机最小系统设计，并把此系统作为CAN的节点，节点的硬件包括主单片机、总线驱动器、控制器、接口电路，以一路信号
2、为例的模拟量信号连接在CAN总线上，可实现远程通信。设计任务及要求1、选择单片机、总线控制器型号，确定设计方案；2、设计单片机最小系统（晶振、电源、复位等）；3、设计实现系统功能的单片机外围电路，包括驱动电路、键盘、显示；4、设计CAN总线电路（包括控制器、驱动器、接口电路）；5、要求认真独立完成所规定的全部内容；所设计的内容要求正确、合理。6、撰写、打印设计说明书一份；设计说明书应在4000字以上。技术参数1、符合CAN2.0B规范；2、总线范围在3000米内，速率最高可达20bit/s；3、温湿度信号变化范围05 V；进度计划1、布置任务，熟悉课设题目，查找及收集相关书籍、资料。（1天）2
3、、确定控制方案、选型。（2天）3、CAN节点框图、硬件电路设计。（3天）4、编写程序流程图、主程序、发送、接收程序。（2天）5、撰写设计说明书。（1天）6、验收及答辩。（1天）指导教师评语及成绩平时： 论文质量： 答辩： 总成绩： 指导教师签字： 年 月 日注：成绩：平时20% 论文质量60% 答辩20% 以百分制计算摘 要本文针对目前大棚内比较常用的温湿度采集，设计了一种基于CAN总线的智能型温湿度数据在线采集系统，实现了利用CAN总线对检测数据的远程传输功能。该系统主要由现场数据采集模块和总线发送模块构成。现场数据的采集是以STC89C52RC单片机为核心控制单元，外接数字温湿度传感器AM
4、2302获得现场环境的温湿度信号。通过CAN总线控制器SJA1000和CAN总线驱动器PCA82C250将数据发送到CAN总线上。另外，在单片机电路中，通过键盘和数码管显示器件，实现对温湿度的实时显示功能。关键词：CAN总线；单片机；PCA82C250；SJA1000目 录第1章 绪论1第2章 课程设计的方案22.1 概述22.2 系统组成总体结构2第3章 CAN节点硬件系统设计43.1 单片机最小系统43.2 键盘电路53.3 显示电路53.4 电源电路63.5 SJA1000与单片机的连接73.6 SJA1000与PCA82C250的接口73.7 温湿度传感器8第4章 软件设计104.1
5、系统主程序设计104.2 报文发送和接收子程序流程图11第5章 课设总结12参考文献13附录14第1章 绪论温湿度监测系统是在环境试验、科学研究(诸如种植、养殖、生物工程、化工工程)、工业生产等领域应用广泛的现场环境控制系统。它能模拟各种环境条件，即按照实际要求精确控制环境的温度和湿度，为研究不同的生化过程创造了良好的环境条件。因此，温湿度监测系统广泛应用在科研、现代农业、医药、冶金、化工、林业、环境科学及生物遗传工程等领域。 国内生产的温度控制器，总体发展水平仍然不高，同日本、美国、德国等先进国家相比仍然有着较大的差距。目前，我国在这方面总体水平处于20实际80年代中后期水平，为了满足现代大
6、棚种植业对环境条件的需求，我们在传感器智能控制方案和具体应用中做了大量的研究和可行性分析，开发了一种具有智能化功能的温湿度监测系统。该系统由数据采集模块和总线信号发送模块组成。其中数据采集模块采用了以单片机STC89C52RC为核心外接传感器的结构框架，保证了系统对现场温湿度信号采集的实时性和准确性。发送模块利用总线发送器和驱动器，将数字信号变换成CAN总线上的模拟信号进行传输，从而有效的增加了传输距离。现场总线是当今自动化领域技术发展的热点之一，被誉为自动化领域的计算机局域网。CAN总线的全称为 局域网，属于现场总线的一种，是一种有效支持分布式控制和实时控制的串行通信网络。CAN总线的主要特
7、点有：多主方式工作，各节点不分主从；采用非破坏总线仲裁，不会出现网络瘫痪（以太网则可能）；最远通信距离可达10KM，最高通信速率可达1Mbps；采用短帧结构，硬件CRC校验，出错率极低。CAN总线是目前唯一形成了国际标准的现场总线，被公认为最有前途的现场总线之一。第2章 课程设计的方案2.1 概述本次设计主要是综合应用所学知识，设计出基于CAN总线的大棚温湿度检测节点。CAN总线属于总线式串行通信网络，由于其采用了许多新技术及独特的设计，与一般通信总线相比，CAN总线的数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性。在大棚室内，由于其长度较长，若采用数字信号远距离传输受外界干扰较强，因此应采用总线式
8、传输形式，而CAN总线具有较为先进的传输协议，且稳定性高，能够实现远距离通信的要求。本系统要求实现的技术参数为：1、符合CAN2.0B规范；2、总线范围在3000米内，速率最高可达20bit/s；3、温湿度信号变化范围05 V；4、单滤波接收数据。2.2 系统组成总体结构该系统主要由现场数据采集模块和总线发送模块构成。现场数据的采集是以STC89C52RC单片机为核心控制单元，外接数字温湿度传感器AM2302，从而获得现场环境的温湿度信号。通过CAN总线控制器SJA1000和CAN总线驱动器PCA82C250将数据发送到CAN总线上。另外，在单片机电路中，通过键盘和数码管显示器件，实现对温湿度
9、的实时显示和控制功能。在CAN总线两端需要有120欧的终端电阻，用来抑制回路的反射信号。CAN节点由微处理器、CAN控制器SJA1000、CAN驱动器PCA82C250构成。CAN控制器SJA1000执行在CAN规范中规定的完整的CAN协议，用于报文的缓冲和验收过滤，负责与微控制器进行状态、控制和命令等信息交换；在SJA1000下层是CAN收发器PCA82C250，是CAN控制器和总线接口，用于控制从CAN控制器到总线物理层或相反的逻辑电平信号，提供对总线的差动发送和对CAN控制器差动接收功能。系统总体框图如图2.1所示120欧数字温湿度传感器AM2302微处理器STC89C52RC时钟电路复
10、位电路键盘电路CAN总线控制器SJA1000数码管显示CAN驱动器PCA82C250120欧PC机5V电源图2.1 系统总体框图第3章 CAN节点硬件设计硬件电路的设计主要是CAN通信控制器和微处理器之间以及CAN总线收发器和物理总线之间的接口电路的设计。CAN控制器是CAN总线接口电路的核心，主要完成CAN的通信协议，而CAN总线收发器的功能主要是增加通信距离，实现差分电压输出，提高系统瞬间抗干扰能力，保护总线，降低射频干扰，实现热防护等。在CAN通信网络中，智能节点的硬件一般按照相同的模式设计开发，通信过程也按照相同的应用协议进行。3.1 单片机最小系统本系统采用STC89C52RC作为控
11、制器，其最小系统一般应该包括单片机芯片、时钟电路、复位电路等几部分。STC89C52RC具有8KB的FlashROM，32个双向I/O口，完全能够满足本设计要求。晶振电路选择12MHZ的外部晶振源，其具有稳定，精确地时钟发生功能。最小系统原理图如图3.1下所示。图3.1 单片机最小系统原理图3.2 键盘电路本系统采集温湿度数据并通过数码管显示。本系统设置两个独立按键K1和K2，单片机对按键循环扫描低电平有效。当K1有效时，数码管显示温度值；当K2有效时，数码管显示适度值。独立按键原理图如图3.2所示。图3.2 独立按键原理图3.3 显示电路本文采用6位数码管显示，前五位显示数据，包括三位整数和
12、两位小数显示。最后一位显示温度或湿度的标识，温度用 “C”表示，湿度用“H”表示。使用LED显示器时，工作电流一般为210mA/段，这样当LED全亮时，工作电流为1580mA。LED显示器的亮度和工作电流有关，由于单片机的I/O口送不出这么大的电流，所以数码管与单片机相连时需要加驱动电路。为了获得较大的驱动电流，可以用上拉电阻的方法或使用专门的数码管驱动芯片。本系统采用74HC573作为数码管的驱动电路，其输出电流较大，电路接口简单等特点。74HC573与数码管连接的电路如图3.3所示。锁存器U3、U4的数据输入端都连接到P0口，U3的输出端连接到数码管的段码端上，U4连接到位码选择端上。两个
13、锁存器的锁存端分别与单片机的P3.3和P3.4相连接，用来控制数据的锁存与输出。图3.3 数码管显示原理图3.4 电源电路本系统的硬件都使用+5V直流电源，因此设计一个从交流电源获取+5V直流电源的硬件电路。直流稳压电源一般由电源变压器、整流桥电路、滤波电路及稳压电路组成。电源变压器将市电220V降压至9V的交流电；整流桥电路由四个二极管构成，其将9V的交流电变换成脉动的直流电压；经过整流电路得到的脉动直流信号中含有较大的纹波，必须经过滤波电路予以消除，输出纹波较小的直流电压；稳压电路一般由稳压芯片组成，本文中采用LM7805稳压芯片。电源电路原理图如图3.4所示。图3.4 电源电路原理图3.
14、5 SJA1000与单片机的连接SJA1000支持两种模式和处理器的连接，即Intel模式和Motorola模式；通过MODE引脚来选择接口模式。MODE引脚接高电平，支持Intel模式；MODE接低电平，支持Motorola模式。本节点的电路原理图如图3.5所示，该节点的微控制器选用了8位单片机STC89C52RC。SJA1000的数据线和地址线是共用的，可以直接连接STC89C52RC的数据线和控制线。由原理图可知，SJA1000芯片的片选引脚是由单片机的P20引脚来控制的，即只有当P20引脚为低电平时，单片机才能对SJA1000进行读写操作。因此，可确定SJA1000的内部寄存器的基本地
15、址范围是0x0000H0x00FFH。SJA1000的读/写信号、锁存信号ALE直接与单片机对应的引脚连接。SJA1000的最高时钟可达24MHZ，这里选择16MHZ的外部晶振。晶振输入/输出端连接的R4电阻的作用是产生负反馈，保证连接晶振的芯片内部两端的运算放大器工作于高增益的线性区，使振荡电路容易起振。图3.5 SJA1000与单片机连接图3.6 SJA1000与PCA82C250的接口SJA1000有两路发送和接收引脚，本系统只使用第0路，即TX0和RX0。与PCA82C250的连接图如图3.6所示，在连接过程中应注意数据发送和接收引脚不能接反，发送端接发送端，接收端连接接收端。图3.6
16、 SJA1000与PCA82C250连接图在82C250的CANH和CANL引脚与外部连接之间各串联1个5欧姆电阻，以限制电流，保护82C250免受过流冲击。同时在CANH、CANL与地之间加入2个30pF的电容滤波，滤除总线上的高频干扰，防止电磁辐射。RS引脚为工作模式控制端，通过这个引脚来选择82C250的三种工作模式之一。1. 高速模式：当0.3时，器件工作在高速模式，可以将电阻直接接低电平，电阻的取值范围是01.8K。2. 斜率模式：传输速率较低，斜率可以通过Rs引脚电阻来进行调节，速率大小与流经电阻的电流大小成正比。此时，Rs端的电压范围为0.40.75时，器件进入低电流消耗的准备模
17、式。3.7 温湿度传感器根据任务要求，本系统选择AM2302数字温湿度传感器测量大棚内的温湿度。该传感器原理图如图3.7所示。该传感器有四个引脚，分别是电源、数据传输端、空引脚、地。该传感器采用单总线结构，其数据端只需一个。图3.7 AM2302数字温湿度传感器原理图AM2302湿敏电容数字温湿度模块是一款含有己校准数字信号输出的温湿度复合传感器。它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。传感器包括一个电容式感湿元件和一个高精度测温元件，并与一个高性能8位单片机相连接。因此该产品具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高等优点。每个传感器都
18、在极为精确的湿度校验室中进行校准。校准系数以程序的形式储存在单片机中，传感器内部在检测信号的处理过程中要调用这些校准系数。标准单总线接口，使系统集成变得简易快捷。该传感器具有体积小、功耗低，信号传输距离可达20米以上。温湿度传感器原理图如图3.7所示。数据线SDA引脚接单片机的P12，其为三态结构，用于读写传感器数据。AM2302 器件采用简化的单总线通信。单总线即只有一根数据线，系统中的数据交换、控制均由数据线完成。设备（微处理器）通过一个漏极开路或三态端口连至该数据线，以允许设备在不发送数据时能够释放总线，而让其它设备使用总线；单总线通常要求外接一个约 5.1k的上拉电阻，当总线闲置时，其
19、状态为高电平。图3.8 传感器电路原理图第4章 软件设计检测点软件方面主要实现两方面的功能：一是检测环境温湿度，并根据要求通过数码管显示出来；二是与主节点通信，响应其配置或查询命令并反馈报文。4.1 系统主程序设计检测点的主程序的功能主要包括：单片机初始化；CAN控制器SJA1000的初始化；变量的初始化；温度检测及显示；键盘查询；报文处理等。主程序流程图如图4.1所示。开始单片机初始化SJA1000初始化变量初始化温湿度检测发送报文接收报文处理发送报文反馈键盘扫描及显示图4.1 系统主程序流程图4.2 报文发送和接收子程序流程图检测节点有一个发送缓冲区和接收缓冲区。首先判断发送缓冲器，如果有
20、数据需要发送，则进行数据格式转换，将转换后的数据发送到CAN控制器的发送缓冲寄存器，最后启动发送。CAN报文接收采用中断服务程序实现。流程图如图4.2所示。数据格式转换写入CAN控制器发送缓冲器启动发送结束开始发送缓冲器有数据？YN开始接收缓冲区有足够的剩余空间？报文读入接收缓冲区释放接收缓冲器结束YN图4.2 发送和接收流程图第5章 课设总结本次课程设计的基于CAN总线的大棚温湿度检测节点设计加深了我对CAN总线的认识。在课程设计过程中，我查询了很多CAN总线和温湿度传感器的相关资料，获得了很多CAN总线设计的方法，弥补了在学习CAN总线过程中的不足。在选择温湿度传感器的过程中，通过网络，能
21、够十分方便的将器件资料下载下来，另外还能搜到很多相关应用的实例，这为今后的电子设计生涯积累了有用的信息。搜集完大棚温湿度相关资料，通过分析一些数据我发现，我们国家的现代化农业大棚步伐进展的非常缓慢，与国外差距非常大。在一些农业相对落后的地区，农业大棚离现代化还相差很远。这让我萌生了为农业大棚的现代化建设奉献终生的信念。我还要不断学习理论知识，积极参与实践，为我的梦想而奋斗终生！参考文献1 司士辉单片机应用 M化学工业出版社，20032 彭军传感器与检测技术M西安电子科技大学出版社，20033 陈杰，数字电子技术 M北京：高等教育出版社，20034 胡乾斌，李光斌，李玲单片机原理及仿真M华中科技大学出版社，2002，23-395 郁有文CAN总线设计实例M西安：西安电子科技大学出版社，20036 楼然苗，李光飞51系列单片机设计实例M北京航空航天大学出版社，20037 朱定华，戴汝平现场总线及工业控制网络M电子工业出版社，20038 卢丽君.现场总线技术及应用J 仪器仪表与分析监测，2007(04):5-7.9 张青春.基于单片机的CAN总线设计.哈淮阴工学院硕士学位论文.2010：20-2510胡华.总线在大棚检测中的应用 D.杭州:浙江大学,2008.11 潘永雄，沙河，刘向阳.Protues实用教程M.西安：西安电子科技大学出版社，2001.13-118.附录
