畢業(yè)設計（論文）-基于CAN_現(xiàn)場總線的溫室溫濕度測控系統(tǒng)設計

1、本科生畢業(yè)論文(設計)題 目： 基于CAN 現(xiàn)場總線的溫室 溫濕度測控系統(tǒng)設計 學生姓名： 向 哲 奇 學 號： 20211602023 專業(yè)班級： 通信08102班 指導教師： 張 曉 虎 完成時間： 2021年5月10日 目 錄摘 要IABSTRACTII第1章 緒論11.1 引言11.2 CAN總線特點及國內外應用現(xiàn)狀2課題的提出和解決4課題的主要任務4第2章 系統(tǒng)總體方案設計6 概述62.2 方案選擇62.2.1 單片機選型62.2.2 溫濕度傳感器選型6 總線控制器選型72.3 系統(tǒng)組成總體結構7第3章 硬件設計93.1 單片機最小系統(tǒng)93.2 溫度檢測電路93.3 A/D轉換電路1

2、03.4 濕度傳感器電路113.5 鍵盤電路123.6 顯示電路123.7 CAN接口電路133.7.1 總線控制器133.7.2 光電耦合器143.7.3 CAN收發(fā)器153.8 電源電路163.9 語音報警模塊163.9.1 ISD1420語音芯片錄放音電路設計173.9.2 錄音、放音簡介203.9.3 ISD1420與AT89S52接口電路設計203.10 溫、濕度升降控制模塊203.10.1 SSR固態(tài)繼電器的工作原理及應用203.10.2 SSR固態(tài)繼電器特性21第4章 軟件設計22 CAN總線主分機通信協(xié)議224.1.1 總線通信協(xié)議224.1.2 下位機通信模式234.2 主程

3、序流程圖234.3 SJA1000初始化程序流程圖244.4 發(fā)送程序流程254.5 接收程序流程26結 論28參考文獻29致 謝31摘 要針對以往溫室內變量檢測勞動強度大、精度低、范圍小的現(xiàn)象，本文應用溫度和濕度傳感器，提出了基于CAN總線的溫濕度測控系統(tǒng)設計方案。本設計詳細分析了基于CAN總線的溫濕度檢測和系統(tǒng)的通信原理，設計了單片機最小系統(tǒng)、CAN通信接口電路、溫度傳感器電路、濕度傳感器電路、鍵盤電路、顯示電路和語音報警等模塊。基于CAN總線的溫濕度測控系統(tǒng)實現(xiàn)了溫濕度的檢測和實時顯示，并可以與其它節(jié)點通信以便于溫室內大范圍的溫濕度監(jiān)測和控制，節(jié)點結構簡單，便于拓展，降低了勞動強度，提高

4、系統(tǒng)的實時性和可靠性。關鍵詞：CAN總線；單片機；溫濕度檢測；通信接口AbstractFor the variable detection of labor within the past greenhouse intensity, low accuracy, a small range of phenomena, this paper, temperature and humidity sensors, temperature and humidity monitoring and control system design based on the CAN bus. This design

5、, a detailed analysis of the temperature and humidity testing and systems based on CAN bus communication theory, the smallest single-chip system, CAN communications interface circuits, the temperature sensor circuit, the humidity sensor circuit, the keyboard circuit, display circuit, and voice alarm

6、 module. Detection and real-time display of temperature and humidity, temperature and humidity monitoring and control system based on CAN bus and can communicate with other nodes in the greenhouse so that a wide range of temperature and humidity monitoring and control, the node structure is simple,

7、easy to expand, reduce labor intensity and improve the real-time and reliability of the system.Keywords: CAN bus; microcontroller; temperature and humidity testing; communication interface第1章 緒論1.1 引言20世紀80年代末、90年代初興起的現(xiàn)場總線技術引發(fā)了工業(yè)自動化領域的重大變革，它代表著工業(yè)控制網(wǎng)絡技術的開展方向?，F(xiàn)場總線控制系統(tǒng)(FCS)將集散式控制系統(tǒng)中集中與分散相結合的模式變成了新型的全分布

8、式控制模式，控制功能徹底下放到現(xiàn)場，現(xiàn)場控制設備通過總線與管理層交換信息。在企業(yè)信息系統(tǒng)的層次上，整個企業(yè)信息網(wǎng)絡可以分為現(xiàn)場控制層、過程監(jiān)控層、生產(chǎn)管理層、市場經(jīng)營層等多個層次。工業(yè)控制網(wǎng)絡是控制技術、通信技術、計算機技術在企業(yè)現(xiàn)場控制層、過程監(jiān)控層的綜合表達，被稱為工廠底層網(wǎng)絡。目前，工業(yè)控制網(wǎng)絡技術的應用已經(jīng)推廣到過程控制自動化、制造自動化、樓宇自動化以及交通運輸?shù)榷鄠€領域。目前一般把現(xiàn)場總線系統(tǒng)稱為第五代控制系統(tǒng)，也稱作現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)(FCS)。人們一般把50年代前的氣動信號控制系統(tǒng)PCS稱作第一代，把420mA等電動模擬信號控制系統(tǒng)稱為第二代，把數(shù)字計算機集中式控制系統(tǒng)稱為第三代，

9、而把70年代中期以來的集散式分布控制系統(tǒng)DCS稱為第四代?，F(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS作為新一代控制系統(tǒng)，一方面，它突破了DCS系統(tǒng)采用通信專用網(wǎng)絡的局限，采用了基于公開化、標準化的解決方案，克服了封閉系統(tǒng)所造成的缺陷；另一方面把DCS的集中與分散相結合的集散系統(tǒng)結構，變成了新型全分布式結構，把控制功能徹底下放到現(xiàn)場?？梢哉f，開放性、分散性與數(shù)字通訊是現(xiàn)場總線系統(tǒng)的最顯著的特征。目前的現(xiàn)場總線技術有較強實力和影響的有：基金會現(xiàn)場總線FF(Foudation Fieldbus)、局部操作網(wǎng)絡LonWorks(Local Operating Network)、過程現(xiàn)場總線Profibus(Process

10、 Field Bus)、HART協(xié)議、控制局域網(wǎng)絡CAN(Controller AreaNetwork)和Dupline等。它們各具特色，在不同的應用領域形成了自己獨特的優(yōu)勢。CAN總線是德國Bosch公司在20世紀80年代初為解決汽車中大量的控制與測試儀器之間的數(shù)據(jù)交換而開發(fā)的一種串行數(shù)據(jù)通信協(xié)議。CAN能靈活有效地支持具有較高平安等級的分布式控制其數(shù)據(jù)傳輸速度可達1Mbps，在汽車、煤礦平安檢測、自動化儀表、智能樓宇、機械制造等領域應用廣泛。本文介紹了一種基于CAN總線的智能溫、濕度檢測系統(tǒng)，可應用于不同的工業(yè)自動化領域。近些年來，溫室大棚種植為提高人們的生活水平帶來極大的便利，得到了迅速

11、的推廣和應用國家科技部提出的工廠化高效農(nóng)業(yè)示范工程，推動了溫室監(jiān)控技術的開展。但總體來講，我國溫室產(chǎn)業(yè)環(huán)境控制能力弱，自動化程度低，抵御自然條件能力差。這在很大程度上限制了溫室總體效益的進一步提高。種植環(huán)境中的溫度、濕度、光照度等環(huán)境因子，對作物的生產(chǎn)有很大的影響傳統(tǒng)的人工控制方式難以到達科學合理種植的要求，國內實現(xiàn)上述環(huán)境因子自動監(jiān)控的系統(tǒng)還不多見，而引進國外具有多功能的大型連棟溫室控制系統(tǒng)價格昂貴，不適合國情。對溫濕度的精確檢測和遠距離傳輸越來越受到人們的重視，針對這一情況，研制一種高精度、高穩(wěn)定性、低本錢且實用的分布式環(huán)境溫濕度檢測控制系統(tǒng)顯得非常重要。而利用CAN總線實現(xiàn)遠距離節(jié)點間和

12、PC機的實時通信，具有結構簡單、可靠性高、本錢低、實時性好、安裝維護方便且便于功能擴展等優(yōu)點，提高了管理水平和工作效率，所以將CAN總線應用于溫室控制具有較好的前景。1.2 CAN總線特點及國內外應用現(xiàn)狀目的現(xiàn)場總線在美國和歐洲等興旺國家和地區(qū)開展迅速，并已有較多的應用范例。國內的大學和一些公司也正致力于基于CAN總線的系統(tǒng)開發(fā)。在汽車信號傳輸，電力監(jiān)控，樓宇智能化，工業(yè)測控，安防等領域有著廣泛的應用，現(xiàn)場總線的主要優(yōu)點：(1)增強了現(xiàn)場級信息集成能力；(2)開放式、互操作性、互換性，可集成性；(3)系統(tǒng)可靠性高、可維護性好；(4)降低了系統(tǒng)及工程本錢。現(xiàn)代自動控制越來越朝著智能化開展，在很多

13、自動控制系統(tǒng)中都用到了工控機，小型機、甚至是巨型機處理機等，當然這些處理機有一個很大的特點，那就是很高的運行速度，很大的內存，大量的數(shù)據(jù)存儲器。但隨之而來的是巨額的本錢。在很多的小型系統(tǒng)中，處理機的本錢占系統(tǒng)本錢的比例高達20%，而對于這些小型的系統(tǒng)來說，配置一個如此高速的處理機沒有任何必要，因為這些小系統(tǒng)追求經(jīng)濟效益，而不是最在乎系統(tǒng)的快速性，所以用本錢低廉的單片機控制小型的，而又不是很復雜，不需要大量復雜運算的系統(tǒng)是非常適合的。單片機，又稱微處理器，已經(jīng)應用到各行各業(yè)，制造單片機的半導體廠家也從十幾年前的屈指可數(shù)的幾家開展到現(xiàn)在的幾十家甚至更多。不同廠家提供了基于不同架構平臺，具備不同功能

14、特點的單片機，這就使得我們根據(jù)具體設計的要求，挑選一款最適宜的芯片進行系統(tǒng)開發(fā)，在滿足功能要求的同時最大限度地降低本錢。本文介紹的溫濕度實時控制裝置可0-50和20%-98%RH(相對濕度)間任意設定溫溫、濕度值，由執(zhí)行機構控制溫度、濕度滿足預定設置，設有語音提示功能，方便用戶使用。另外，本系統(tǒng)中還應用了CAN總線通信協(xié)議，使得通信距離比以前的溫濕度控制系統(tǒng)更遠、更實用。同時本系統(tǒng)中還用到ISD語音芯片，它與目前的語音芯片相比擬，具有以下的特點：語音芯片精度高、集成度高， 使微機的語音輸出結構簡化，造價大大降低。2.在單片機的控制下，將語音芯片與其它儀表配接，便可制成“會說話的智能型儀器儀表。

15、3.由于ISD語音器件抗干擾性強，所以在環(huán)境惡劣的系統(tǒng)中，如機車車輛，也能進行正常的語音輸出，信息保存時間長，工作可靠。尤其適用于復雜的機電系統(tǒng)的狀態(tài)檢測和故障診斷， ISD作為語音輸出， 不但可以給出系統(tǒng)狀態(tài)的故障信息，還可以給出故障部位及性質，比原來的數(shù)碼管顯示更加迅速、準確、豐富，使操縱人員易于緊急處理。5.由于ISD芯片的輸出可以高保真的再現(xiàn)原聲，可將ISD語音芯片用于語音及聲音信號的檢測或模擬系統(tǒng)。所以，ISD系列單片語音器件具有廣泛的應用前景。正是基于ISD公司生產(chǎn)的這種語音芯片的諸多特點與優(yōu)點，所以目前市場上，語音芯片的應用正在慢慢的向這樣使用簡單、操作方便、性價比高的ISD語音

16、芯片靠攏。例如在“司機模擬駕駛器及“微機輔助教學培訓裝置的開發(fā)研制中都是應用了ISD語音芯片來作為提示語音，并由于其輸入與輸出信息的高保真特點，還被用來模擬機車內部各種機器運行及故障時所發(fā)出的相應聲音信號。1.3 課題的提出和解決隨著科技的開展和人們生活水平的提高，溫室的管理也越來越智能化。它采用傳感技術、計算機技術和現(xiàn)代通信技術，實現(xiàn)對溫室實行綜合自動管理，具有各種平安保護、運行監(jiān)控等管理功能，給植物提供舒適、平安的內部環(huán)境。溫室的溫濕度必須常年控制在某一特定的范圍內，實現(xiàn)溫濕度控制智能化。同時時由于溫濕度設定的橫糊性和個體差異性，需要有一種智能化的毆定方法，柬實現(xiàn)溫濕度沒定值的自動匹配。本

17、文介紹的溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)，基于CAN總線，采用AT89S52單片機作為智能節(jié)點控制器，系統(tǒng)通信可靠、快捷，硬件電路設計和軟件編程簡單，能較好地滿足對環(huán)境溫濕度監(jiān)控的智能化要求。1.4 課題的主要任務 綜合以前所學知識，利用?電路?、?電子技術?、?單片機的原理與應用?等知識，然后查閱國內外關于檢測與傳感技術以及語音報警等方面的開展動態(tài)和已有的技術，設計一個基于CAN現(xiàn)場總線的溫室溫濕控制系統(tǒng)設計，因此到達如下要求：1.通過本課題硬件設計，可以使我們了解檢測與傳感技術的根本原理和語音報警系統(tǒng)的使用方法。2.能夠靈活的運用單片機進行其他各種控制電路的設計開發(fā)。通過本課題軟件編程能提升我們對單片機的編

18、程水平，能夠具有一定的編程技能。3.通過課題設計能讓自己將所學的知識綜合應用,了解本專業(yè)在社會中的應用價值,掌握更多的專業(yè)外語知識,增加見識,增強實踐能力,創(chuàng)新能力和綜合分析問題能力,學會使用專業(yè)軟件,特別是專業(yè)畫圖軟件，另外，在熟練的使用計算機根底上,提高了自己檢索資料和利用知識的能力,更新知識,讓自己養(yǎng)成良好的學習習慣和嚴謹?shù)墓ぷ黠L。4.通過CAN總線串口通信協(xié)議的學習、使用，能使我從實踐層面了解了通信協(xié)議理論知識的應用及作用，為以后更好的學習、應用單片機編程打下了根底。5.詳細分析課題任務書，對溫室溫濕度控制的歷史和現(xiàn)狀進行分析，并對溫濕度傳感器和語音芯片的原理進行深入的研究，將其綜合。

19、然后根據(jù)課題任務書的要求設計出實現(xiàn)控制任務的硬件原理圖和軟件，并進行仿真調試。第2章 系統(tǒng)總體方案設計2.1 概述本設計是一個基于CAN總線的溫室溫濕度測控系統(tǒng)，節(jié)點采集溫濕度模擬量信號送入主控制器，并將節(jié)點的主控制器連接在CAN總線上，可實現(xiàn)遠程通信和監(jiān)控。 應用場合：系統(tǒng)可應用于溫室、糧食倉儲、紡紗車間、圖書館等環(huán)境監(jiān)測調節(jié)和報警監(jiān)控等。 系統(tǒng)功能介紹：基于CAN總線的溫室溫濕度測控系統(tǒng)可以實時檢測溫室內溫度和濕度值，并可以進行鍵盤控制和實時顯示溫濕度值，主控制器可以與總線其他節(jié)點通信，溫室總線檢測范圍可到達3000米，通信速率最高可達20bit/s。2.2 方案選擇2.2.1 單片機選型

20、由要求可知，系統(tǒng)設計的主控制器為單片機，而單片機分為很多種，選擇有以下兩種方案。方案一：主控制器選擇16位凌陽單片機，該單片機具有語音處理功能、集成A/D和D/A模塊，時鐘頻率比擬高，具有較強的信息處理功能。方案二：主控制器選擇51系列單片機AT89S52，該單片機有8K字節(jié)Flash ROM，256字節(jié)RAM，32位I/O口線，看門狗定時器，2個數(shù)據(jù)指針，三個16位定時器/計數(shù)器，一個6向量2級中斷結構，全雙工串行口，片內晶振及時鐘電路。凌陽單片機集成度高，價格較貴，而AT89S52單片機應用普遍、技術相對成熟、價格低廉，完全可以滿足本系統(tǒng)設計的要求，應選擇方案二。2.2.2 溫濕度傳感器選

21、型方案一：選用DHT11作為溫濕度檢測模塊。DHT11是一款數(shù)字輸出的復合傳感器，包含一個電阻式感濕元件和NTC式溫度檢測元件，可測2090%RH濕度，誤差5%RH，050攝氏度，誤差2攝氏度。方案二：選用LM35溫度傳感器和HS1101濕度傳感器。LM35輸出電壓與攝氏溫標呈線性關系，不需要額外的校準處理即可到達 1/4的準確率，輸出可為電壓或者電流信號。測量范圍在0 到 100。HS1101是電容式濕度傳感器，可測相對濕度范圍在0%100%RH，誤差為-+2%RH，可以與555定時器構振蕩電路輸出與濕度對應的脈沖信號。由上述數(shù)據(jù)可知，方案一的集成溫濕度傳感器輸出數(shù)字信號，且傳感器的誤差較大

22、，而方案二的分立溫度傳感器輸出模擬信號，適宜溫室內的遠距離傳輸，精度較高，并且濕度傳感器的輸出脈沖信號抗干擾能力強。 2.2.3 總線控制器選型CAN總線控制器分為兩類，一類是集成于微處理器中的CAN控制器，另一類是獨立CAN控制器。集成于微處理器中的CAN控制器自帶MCU，在系統(tǒng)設計中可以減少制版面積、降低系統(tǒng)功耗。獨立的CAN控制器的優(yōu)點是可以與多種微處理器連接，使用靈活方便，便于基層開發(fā)，并且本錢較低。綜上可知，本系統(tǒng)設計有獨立的單片機，應選擇獨立的CAN總線控制器，可以降低本錢、靈活地擴展節(jié)點功能。CAN控制器是以一塊可編程芯片上的邏輯電路的組合來實現(xiàn)網(wǎng)絡層次結構中數(shù)據(jù)鏈路層和物理層功

23、能的器件，對外它提供了與微處理器的物理線路的接口。目前生產(chǎn)CAN器件的知名廠商有：Intel、PHILIPS、Motorola、TI以及SIEMENS等。系統(tǒng)選取PHILIPS公司生產(chǎn)的SJAl000作為CAN總線控制器。2.3 系統(tǒng)組成總體結構本設計由單片機最小系統(tǒng)、濕度檢測電路、溫度檢測電路、A/D轉換電路、鍵盤電路、顯示電路、CAN控制器、光電耦合電路、CAN收發(fā)器和電源電路構成。本系統(tǒng)以單片機AT89S52為主控制器，鍵盤設定溫濕度的上下限，由溫度傳感器檢測溫室內的溫度并經(jīng)A/D轉換后送往單片機，濕度傳感器檢測濕度值轉換為脈沖信號送往單片機，LCD實時顯示室內的溫濕度值及報警信息，單片

24、機通過CAN總線控制器、光電耦合電路和CAN驅動器連接至CAN總線，與總線的其他節(jié)點通信，實現(xiàn)溫濕度值的檢測、處理及監(jiān)控。工作原理：由集成的熱電偶傳感器、集成濕敏電容傳感器分別完成對系統(tǒng)溫、濕度進行檢測，并完成信號標準化、變送功能。通過CAN總線通信協(xié)議，把采集的溫濕度數(shù)據(jù)由單片機傳送給主機，并執(zhí)行控制功能，由固態(tài)繼電器控制大功率發(fā)熱器除濕機、加熱器電源的導通與斷開，從而到達控制環(huán)境溫濕度的目的，使溫室溫濕度控制在溫室可控的范圍之內。系統(tǒng)原理框圖分機0PCA82C2506N13光隔SJA1000AT89S52顯示報警鍵盤繼電器繼電器加熱器除濕機PCA82C2506N13光隔SJA1000AT8

25、9S52溫度傳感器濕度傳感器主機CAN總線圖 系統(tǒng)方案的原理框圖第3章 硬件設計3.1 單片機最小系統(tǒng)單片機最小系統(tǒng)由單片機AT89S52、時鐘電路和復位電路構成。單片機的P0口與A/D轉換器、LCD1602顯示器和SJA1000控制器的地址/數(shù)據(jù)口相連，P2口作為轉換器和CAN控制器的片選控制端口，P1口作為鍵盤輸入和顯示控制端口，計數(shù)器T0口記錄來自濕度傳感器的脈沖信號，外部中斷INT0接收CAN控制器的中斷信號。單片機最小系統(tǒng)電路如下圖。圖3.1 單片機最小系統(tǒng)電路3.2 溫度檢測電路本設計選用LM35為溫度傳感器，LM35溫度傳感器輸出電壓與攝氏溫標的線性度好，而且輸出模擬量信號適合遠

26、距離傳輸，LM35輸出與溫度值對應的電壓信號經(jīng)放大10倍后變?yōu)闃藴市盘査屯鵄/D轉換電路，溫度檢測電路如下圖。圖3.2 溫度檢測電路3.3 A/D轉換電路LM35輸出的電壓信號要轉換為對應的數(shù)字信號才可被單片機接收，本設計選取ADC0809作為A/D轉換器即可滿足要求，由于ADC0809的時鐘信號為500KHZ，故將單片機的ALE端接四分頻器后給轉換器作為時鐘。A/D轉換電路如下圖。圖3.3 A/D轉換電路3.4 濕度傳感器電路本設計的濕度檢測電路由555多諧振蕩器來實現(xiàn)，HS1101作為電容變量接在555芯片的2、5腳之間，引腳7用作電阻R2的短路，等量電容HS1101通過R3、R4充電到門

27、限電壓約，通過R5放電到觸發(fā)電平，然后R4通過7短路到地，傳感器由不同的電阻R3、R4充放電，進行工作循環(huán),形成方波。其周期計算如下： T充電=C*R3+R4*ln2； T放電=C*R4*In2；由此可知輸出方波頻率為f =1/T充電+ T放電=1/C*R3+2R4*ln2；HS1101傳感器的電容值與溫室濕度成線性關系，可見空氣濕度通過555測量振蕩電路后，就轉變?yōu)榕c之呈反比例的頻率信號，后將頻率信號送單片機的計數(shù)器即可計算出濕度值。濕度檢測電路如下圖。 圖3.4 濕度檢測電路3.5 鍵盤電路本設計的鍵盤功能較少，可以選用32矩陣鍵盤，鍵盤用來設定溫濕度的上下限值和控制通信，鍵盤電路如下列圖

28、所示。圖3.5 鍵盤電路3.6 顯示電路由于智能節(jié)點的需要實時顯示室內的溫濕度值和報警信息，數(shù)據(jù)較為復雜，應選擇LCD1602液晶顯示器，可以顯示162 個字符，具有顯示質量高、數(shù)字式接口 、體積小、重量輕 、功耗低等優(yōu)點，可以滿足設計的要求。顯示電路如下列圖所示。圖3.6 顯示電路3.7 CAN接口電路CAN接口電路主要由CAN控制器SJA1000、光電耦合器6N137和CAN驅動器PCA82C250構成。CAN總線控制器的地址/數(shù)據(jù)復用總線與單片機的P0口相連，并將中斷輸出到單片機中端口，總線控制器串行數(shù)據(jù)輸出線(TX)和串行數(shù)據(jù)輸入線(RX)分別經(jīng)光電耦合電路連接至總線驅動器82C250

29、，總線驅動器通過有差分發(fā)送和接收功能的兩個總線端CANH和CANL連接至CAN總線電纜。CAN總線鏈路層的規(guī)定主要由CAN總線控制器實現(xiàn)，物理層的標準主要由CAN總線驅動起來實現(xiàn)，光電耦合電路主要實現(xiàn)網(wǎng)絡和信息采集電路的電氣隔離，保障總線網(wǎng)絡的正常運行。節(jié)點通過單片機編程控制CAN總線控制器來實現(xiàn)CAN總線節(jié)點間的通信CAN控制器。3.7.1 總線控制器CAN總線控制器提供了與單片機控制器的數(shù)據(jù)線路接口，單片機通過對控制器編程設置其工作模式，控制其工作狀態(tài)，啟動CAN報文的發(fā)送并對反響報文接收予以相應，即CAN總線控制器實現(xiàn)了CAN協(xié)議中最復雜的數(shù)據(jù)鏈路功能。本設計的總線控制器選用SJA100

30、0，SJA1000的引腳圖如下列圖所示。圖3.7 SJA1000的引腳圖SJAl000是適用于汽車和一般工業(yè)環(huán)境的獨立CAN控制器。它是PCA82C200CAN控制器的替代品，而且增加了新的工作模式PeliCAN，這種模式支持具有新特點的協(xié)議。SJA1000CAN總線控制器的性能如下：標準結構和擴展結構信息的接收和發(fā)送；有標準的接收緩沖器64字節(jié)，先進先出(FIFO)；支持CAN20A和CAN20B協(xié)議；通信位速率可達1Mbps；支持11位和29位標識碼；在PeliCAN模式下，SJAl000具有以下新增特性：接收和發(fā)送標準和擴展格式報文；達64字節(jié)的接收FIFO；對于標準和擴展幀都有單雙接收

31、過濾器，接收過濾器包括屏蔽碼和接收碼存放器；可讀/訪問的錯誤計數(shù)器；可編程的錯誤報警限；最近一次錯誤代碼存放器；對于每種CAN總線錯誤都能產(chǎn)生不同的出錯中斷；仲裁喪失中斷；并帶有詳細喪失仲裁時不重發(fā)；只聽模式(監(jiān)視CAN總線，無應答，無出錯標志)；支持熱拔插(對總線無干擾的傳輸速率檢測)；自身發(fā)送報文接收(自接收請求)；硬件禁止CLKOUT輸出。3.7.2 光電耦合器由于總線傳輸距離遠，現(xiàn)場環(huán)境干擾大，為了增強抗干擾能力，在SJA1000與PCA82C250間采用高速光耦6N137實現(xiàn)總線電氣隔離。為了有效隔離，6N137兩端的電源使用B0505S-1W隔離，而且可以減少CAN總線有效回路信號

32、的傳輸延遲時間，傳輸延遲時間短。6N137引腳圖如下列圖所示。圖3.8 6N137引腳圖3.7.3 CAN收發(fā)器 CAN總線收發(fā)器實現(xiàn)了物理層的功能，一方面將控制器發(fā)送信號轉化為符合CAN物理層標準的信號，進行放大、傳輸；另一方面將總線上收到的信號轉變?yōu)榭刂破魉芙邮盏碾娖叫盘?。其本質是提供了CAN控制器與物理總線之間的接口：即為總線提供差分信號的發(fā)送功能，為控制器提供差分信號的接收功能。本設計的CAN收發(fā)器選擇PCA82C250， PCA82C250引腳圖如下列圖所示。 圖3.9 PCA82C250引腳圖CAN接口電路如下圖。圖3.10 CAN接口電路3.8 電源電路由于單片機最小系統(tǒng)、溫濕

33、度傳感器、A/D轉換器和CAN驅動發(fā)送模塊都需要供電，而且電壓不同，故將220V交流電經(jīng)變壓、濾波后，經(jīng)穩(wěn)壓器LM7812輸出12V電壓給放大器供電，后經(jīng)LM7805輸出VCC電壓給單片機、溫濕度傳感器和總線控制器供電，而光電耦合電路要實現(xiàn)與CAN總線電氣隔離，故將LM7805后接B0505S-1W進行電源隔離VCC1給耦合器和收發(fā)器供電。電源電路如下圖。圖3.11 電源電路3.9 語音報警模塊本模塊采用的核心語音芯片ISD1420語音芯片是美國ISD(Information Storage Device)公司的產(chǎn)品。它包括時鐘振蕩器、128K可編程電擦除只讀存儲器EEPROM、低噪前置放大器

34、、自動增益控制電路、抗干擾濾波器、差分功率放大器等電路。ISD1400系列語音芯片采用直接存儲模擬信號，自動待機省電，可編程電擦除只讀存儲和總線技術。ISD1400是一種具有高保真、錄音數(shù)據(jù)永久保存、省電、適用于同單片機接口特點的新一代語音芯片。ISD1420是ISD1400系列中錄音時長為20s語音芯片。ISD1420是采用模擬存取技術集成的可反復錄放的20秒語音芯片，掉電語音不喪失，最大可分160段，最小每段語音長度為125ms，每段語音都可由地址線控制輸出，每125ms為一個地址，由A0-A7八根地址線控制。3.9.1 ISD1420語音芯片錄放音電路設計分段錄音時，ISD1420的A0

35、-A7用作地址輸入線，A6、A7不可同時為高電平，所以地址范圍為00H-9FH，即為十進制碼0-159 共160個數(shù)值。這說明ISD1420的EEPROM模擬存儲器最多可被劃分為160個存儲單元，也就是說ISD1420最多可存儲160個語音段，語音段的最小時間長度為。不同分段的選擇是通過對A0-A7端接不同的上下電平來實現(xiàn)。ISD1420分段錄音可以通過硬件開關來實現(xiàn)也可以通過軟件編程來實現(xiàn)。圖3.12 語音芯片錄音和放音電路其中ISD1420各引腳說明如下：A0-A7地址輸入端，當A6和A7不全為高電平時，A0-A7為分段錄音信息地址線，不同的地址對應不同的錄音片斷。MIC話筒輸入端，話筒輸

36、入信號通過電容交流耦合至此引腳并傳給片上預放大器，耦合電容C7的值和該端內阻R7(10K)決定語音信號通頻帶下限頻率。MICREF話筒參考輸人端，MICREF是預放大器的反相輸入端，配合外電路可使片上預放大器具有較高的噪聲抑制比和共模抑制比。ANA IN模擬信號輸人端，對于話筒輸入，ANA IN 引腳應通過外部電容C4與ANA OUT引腳連接，耦合電容C4決定片上控制預放大器通頻帶的下限頻率。ANA OUT預放大器的輸出端，預放大器的電壓增益取決于AGC電平，對于小信號輸入電平，其增益最大為24dB，對于強信號，增益較低。AGC自動增益控制端，AGC 動態(tài)地調整預放大器增益，使加至MIC輸入端

37、的非失真信號的范圍擴展。內阻抗5歐和外部電容決定AGC的響應時間，外部電容和外部電阻的RC時間常數(shù)決定AGC的釋放時間。SP+、SP- 喇叭輸出端，該端可直接驅動16歐的喇叭。XCLK外接時鐘輸入端，ISD1420具有內部時鐘，一旦接人外部時鐘，內部時鐘會自動失去作用。改電路不用外部時鐘該引腳接地，一般不推薦使用外部時鐘，除非要求時鐘信號特別精確。RECLED工作狀態(tài)指示端，在錄音或放音時該端輸出低電平，可驅動一個LED來指示狀態(tài)。在錄音過程中指示燈一直亮著，在放音結束時，指示燈閃爍一下。PLAYE邊沿觸發(fā)放音控制端，該端輸人一低脈沖，芯片即進入放音狀態(tài)，直至遇到信息結束標記EOM或到存儲空間

38、的末尾時回放過程結束，電路自動進入準備狀態(tài)?；胤胚^程中PLAYE變化不會影響回放過程。PLAYL電平觸發(fā)放音控制端，該端電平變?yōu)榈碗娖讲⒈３?，芯片進入放音狀態(tài)，放音過程持續(xù)到該端電平由低變高或遇到信息結束標記EOM，結束后電路進入準備狀態(tài)。REC錄音觸發(fā)端，REC 一旦變?yōu)榈碗娖?，芯片就進入錄音狀態(tài)，REC的權限優(yōu)先于PLAYE和PLAYL，在放音期間假設遇REC 接低電平時，放音就會立即停止并轉入錄音狀態(tài)開始錄音。錄音期間REC 應始終保持低電平，REC變高或存儲空間變滿時錄音過程結束，這時在錄音截止的地方會記錄一個信息結束標記EOM。VCCD、VCCA數(shù)字電源正端和模擬電源正端。VSSD、

39、VSSA數(shù)字地和模擬地。電路實現(xiàn)錄音功能說明如下，S1、S2、S3分別是控制錄音和放音按鍵，當按下S1時開始錄音，S2、S3為兩種方式的放音按鍵，當按一下S2時開始放音，是下降沿觸發(fā)的，而S3為電平控制的，必須一直按著此鍵直至放音結束。LED和限流電阻組成錄放音指示電路，當錄音結束、錄音超出時限存儲器溢出或放音結束時，ISD1420的25腳呈高電平，LED熄滅。對ISD1420進行分段錄音之前要先列出語音信息與分段地址的對照表，如表所示。然后檢查電路連接、接線和電源情況。并通過對照表來設置8個開關選擇要錄音的地址，最后按下錄音鍵直至錄音結束，松開錄音鍵，重復此操作就可以將自己需要錄入的內容全部

40、錄入到芯片中。另外，A0和A1都需要接地，因為我們要確保分段間隔不小于，所以至少要四段，否那么錄音的信息可能會重疊，導致放音時達不到自己的要求。用戶錄制的語音每一段結束后芯片自動設有段結束標志EOM，芯片錄滿后設有溢出標志OVF。表3.1 分段語音信息與地址對照表語音信息分段地址A7A6A5A4A3A2A1A0100H00000000208H00001000310H00010000418H00011000520H00100000628H00101000730H00110000838H00111000940H01000000十48H01001000攝氏度50H01010000現(xiàn)在溫度是58H10

41、0110003.9.2 錄音、放音簡介如下圖，首先通過麥克風向語音芯片ISD1420錄入“0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10，點，度、“10%RH，20%RH，30%RH，40%RH，50%RH，60%RH，70%RH，80%RH，90%RH等音符。當單片機AT89S52接收到溫度值或濕度值時，就會自動地去尋找相對應音符的地址，并把這些音符通過揚聲器播放出來。3.9.3 ISD1420與AT89S52接口電路設計ISD1420錄音和放音電路可以通過硬件開關控制。本設計錄音是用硬件控制，但是播報溫度放音是通過AT89S52來控制的。單片機某一段的起始地址進行放音操作，遇到段結束標志EO

42、M即自動停止放音，單片機收到段結束標志EOM就開始觸發(fā)下一段語音的起始地址，如此控制，即可以將很多、不同段的語音組合在一起成一句話放音出來，實現(xiàn)語音的自動組合。ISD1420與AT89S52的接口連接入下：AT89S52的P1端口連接地址線ISD1420的A0-A7，ISD1420放音電路通過AT89S52的口控制PLAYER放音。具體連接圖見圖3.123.10 溫、濕度升降控制模塊 溫濕度升降控制主要采用固態(tài)繼電器和電器驅動控制設備來完成，要了解溫濕度升降控制的工作過程，先了解固態(tài)繼電器的工作原理，以及特征。固態(tài)繼電器與機電繼電器相比，是一種沒有機械運動，不含運動零件的繼電器，但它具有與機電

43、繼電器本質上相同的功能。SSR是一種全部由固態(tài)電子元件組成的無觸點開關元件，他利用電子元器件的電，磁和光特性來完成輸入與輸出的可靠隔離，利用大功率三極管，功率場效應管，單向可控硅和雙向可控硅等器件的開關特性，來到達無觸點，無火花地接通和斷開被控電路。在此次設計中選擇的固態(tài)繼電器是國產(chǎn)的H220D15。3.10.1 SSR固態(tài)繼電器的工作原理及應用 固態(tài)繼電器SSR(Solidstatereleys)是一種無觸點通斷電子開關,為四端有源器件。其中兩個端子為輸入控制端,另外兩端為輸出受控端,中間采用光電隔離,作為輸入輸出之間電氣隔離(浮空)。在輸入端加上直流或脈沖信號,輸出端就能從關斷狀態(tài)轉變成導

44、通狀態(tài)(無信號時呈阻斷狀態(tài)),從而控制較大負載。整個器件無可動部件及觸點,可實現(xiàn)相當于常用的機械式電磁繼電器一樣的功能。SSR固態(tài)繼電器以觸發(fā)形式,可分為過零型、隨機型、峰值型和相位型開關。在輸入端施加適宜的控制信號4-32VDC或20-280VAC時,過零型、隨機型、峰值型SSR立即根據(jù)對應的方式導通。當控制信號撤銷后,負載電流低于雙向可控硅維持電流時(交流換向),SSR關斷。S系列固態(tài)繼電器,HS系列增強型固態(tài)繼電器、可以廣泛用于:計算機外圍接口裝置,恒溫器和電阻爐控制、交流電機控制、中間繼電器和電磁閥控制、復印機和全自動洗衣機控制、信號燈交通燈和閃爍器控制、照明和舞臺燈光控制、數(shù)控機械遙

45、控系統(tǒng)、自動消防和保安系統(tǒng)、大功率可控硅觸發(fā)和工業(yè)自動化裝置等。在應用中需要考慮下述問題：1.器件發(fā)熱；2.封裝和安裝形式；3.輸入端驅動；4.干擾問題；5.過流/過壓問題；6.關于負載的考慮。3.10.2 SSR固態(tài)繼電器特性 1.高壽命，高可靠:SSR沒有機械零部件，有固體器件完成觸點功能，由于沒有運動的零部件，因此能在高沖擊，振動的環(huán)境下工作，由于組成固態(tài)繼電器的元器件的固有特性，決定了固態(tài)繼電器的壽命長，可靠性高。 2.靈敏度高，控制功率小，電磁兼容性好:固態(tài)繼電器的輸入電壓范圍較寬，驅動功率低，可與大多數(shù)邏輯集成電路兼容不需加緩沖器或驅動器。 3.快速轉換:固態(tài)繼電器因為采用固體器件

46、，所以切換速度可從幾毫秒至幾微妙。 4.電磁干擾小:固態(tài)繼電器沒有輸入線圈，沒有觸點燃弧和回跳，因而減少了電磁干擾。大多數(shù)交流輸出固態(tài)繼電器是一個零電壓開關，在零電壓處導通，零電流處關斷，減少了電流波形的突然中斷，從而減少了開關瞬態(tài)效應。第4章 軟件設計程序主要包括主程序、CAN控制器初始化程序、濕度檢測中斷程序、接收程序和發(fā)送程序。其中主程序主要完成中斷初始化、鍵盤掃描、溫度檢測和溫濕度顯示及報警等功能；CAN控制器初始化程序主要完成SJA1000的初始化設置；濕度檢測中斷程序完成濕度傳感器的脈沖計數(shù)及對應適度的計算；接收程序由單片機的外部中斷完成，主要實現(xiàn)系統(tǒng)接收報文的處理；發(fā)送程序主要實

47、現(xiàn)系統(tǒng)報文的發(fā)送。4.1 CAN總線主分機通信協(xié)議基于CAN現(xiàn)場總線的溫室溫濕度測控系統(tǒng)設計是一個多點溫濕度采集測控系統(tǒng)，溫度、濕度多點采集與控制處理是一個綜合性強、涉及面廣的系統(tǒng)，可以對不同對象的溫度、濕度進行監(jiān)測及控制溫度、濕度的大小，具有較強的應用性。由于是多點采集溫、濕度，而且在一定的空間內，那么不能利用分機不定時的向主機發(fā)送溫、濕度采集數(shù)據(jù)，如果這樣就會出現(xiàn)測控重復或者各點信息擠占通信回路。因此，為了防止出現(xiàn)上述現(xiàn)象，這里將采用主機定時每隔100ms依次發(fā)送上各個分機發(fā)送地址信息的模式，接到相應分機地址的分機才作出反響；而沒有接到相應分機地址的分機降將處于待定狀態(tài)，等待下一次主機發(fā)送

48、的信息。在設計總線通信協(xié)議時，分別對各個下位機分機進行地址編號，此設計利用了多個下位機，那么編號可以為：J0、J1、J2、J3、J4、J5、J6、J7，下位機及主機都連接在物理總線CAN總線上，這樣便于主分機的通信，也簡化了控制設計的布線。主機發(fā)送下位機的編號地址來采集相應下位機Jx(x：07)的溫、濕度信息，通過并調用溫、濕度采樣子程序，判斷下位機Jx處的傳感器采集的溫、濕度是否在程序的預置值范圍內。4.1.1 總線通信協(xié)議1假設不在預置值范圍內便進行發(fā)一脈沖信號設置為：1啟動外部加熱設備，此時調用掃描顯示方程子程序，當主機發(fā)送該下位機地址所采集的溫、濕度在預置值范圍內時，便又會發(fā)送一個脈沖

49、信號設置為：0關閉外部驅動電路。2假設采集的溫、濕度數(shù)據(jù)在預置值范圍內，CPU不會發(fā)送一脈沖信號給外部驅動電路，而是返回進行下一下位機的溫、濕度采集，并判斷。如此循環(huán)的進行多點的溫、濕度測控。4.1.2 下位機通信模式 CAN總線通信協(xié)議格式中有四種幀格式：數(shù)據(jù)癥遠程癥出錯幀和超載鄭其中數(shù)據(jù)幀和遠程幀的發(fā)送需要在CPU控制下進行，而出錯幀和超載幀的發(fā)送那么是在錯誤發(fā)生或超載發(fā)生時自動進行的。因此人們更關心前兩個幀的結構。 一個完整的數(shù)據(jù)幀格式，除仲裁嘗控制嘗數(shù)據(jù)場外都是CAN控制器發(fā)送數(shù)據(jù)時自動加上去的，而仲裁嘗控制嘗數(shù)據(jù)場那么必須由CPU控制給出。用SJA1000時，寫出發(fā)送緩沖器的TXID

50、0、TXID1即設定了相應的仲裁場和控制常TXID0即為仲裁場的高8位，TXID1的高3位為仲裁場的低3位，仲裁場共11位。TXID1的第5位為RTR位，即遠程請求位，在數(shù)據(jù)幀中為“0”；TXID1低四位標示數(shù)據(jù)場所含字節(jié)數(shù)的多少，稱為DLC。RTR與DLC共同構成控制常發(fā)送的數(shù)據(jù)組成數(shù)據(jù)場，最多不超過8個字節(jié)。遠程幀與數(shù)據(jù)幀的形式差異在于沒有數(shù)據(jù)常除此形式上的差異外，在遠程幀中RTR位須置“1”，表示請求數(shù)據(jù)源節(jié)點向它的目的點即發(fā)送遠程幀的節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)。源節(jié)點接收到該幀后，把要發(fā)送數(shù)據(jù)用數(shù)據(jù)幀發(fā)給目的節(jié)點，完成數(shù)據(jù)請求。CRC場與ACK場都是在低層次上為提高傳輸?shù)目煽啃远詣舆M行的。任何幀與

51、幀之間是幀間空間。下位機通過CAN總線一幀一幀的發(fā)送信息，接到主機發(fā)送過來的信心后，各下位機便發(fā)送出各自的：分機編號、溫度值、濕度值、結束標志；分機編號前面已經(jīng)設置，而這里的溫、濕度傳感器能把溫、濕度值轉換成8位二進制形式；結束標志可以設置為：FFFFH。4.2 主程序流程圖主程序要完成中斷初始化，并調用SJA1000初始化程序，對矩陣鍵盤的掃描并存儲設定的溫濕度上下限及相應的控制信息，對溫度信號進行采樣，同時將系統(tǒng)采集的溫濕度數(shù)據(jù)幀發(fā)送到總線上，并將溫濕度值和報警信息送往LCD1602液晶顯示器。初始化完成后，系統(tǒng)將開始正常運行，并進行溫濕度檢測、鍵盤掃描及定時處理等操作。SJA1000初始

52、化程序流程圖如所示。開始中斷初始化SJA100初始化調用鍵盤掃描程序存儲溫濕度限值及控制信息調用溫度采樣程序調用發(fā)送程序調用LCD顯示程序圖4.1 主程序流程圖4.3 SJA1000初始化程序流程圖CAN初始化主要是設置CAN的通信參數(shù)，需要設置的存放器有：模式存放器、時分存放器、接受代碼存放器、屏蔽存放器、總線定時存放器、輸出控制存放器等。需要注意的是這些存放器僅能在復位期間進行訪問，因此，這些存放器初始化前，必須確保系統(tǒng)進入復位狀態(tài)，并且系統(tǒng)中各CAN控制器的總線定時存放器的初始化字必須相同。信息從CAN控制器發(fā)送到CAN總線是由CAN控制器自動完成的，發(fā)送程序只需將發(fā)送的信息禎送到CAN

53、的發(fā)送緩沖區(qū)，且啟動發(fā)送命令即可。SJA1000控制器初始化主要完成工作方式設置、接收濾波方式設置、接收屏蔽存放器和接收代碼存放器的設置、波特率參數(shù)設置和中斷允許存放器設置等。SJA1000初始化程序流程圖如下列圖所示。開始置復位狀態(tài)接收代碼存放器賦初值設置總線定時存放器工作模式時鐘分頻去除錯誤存放器和代碼捕捉存放器開中斷返回正常模式接收屏蔽存放器賦初值返回圖4.2 SJA1000初始化程序流程圖4.4 發(fā)送程序流程發(fā)送溫濕度數(shù)據(jù)時，將待發(fā)送的數(shù)據(jù)按特定格式組合為一幀報文，送入SJA1000發(fā)送緩沖區(qū)，然后啟動SJA1000發(fā)送。開始發(fā)送緩沖區(qū)鎖定？讀狀態(tài)存放器 N是否在接收？ Y Y設置標示符 N寫發(fā)送讀狀態(tài)存放器是否發(fā)送完？啟動發(fā)送 N返回讀狀態(tài)存放器 Y圖4.3 發(fā)送程序流程圖4.5 接收程序流程數(shù)據(jù)幀的接收在外部中斷效勞程序里面完成，其中當SJA1000將總線驅動器收到的數(shù)據(jù)轉換存入接收緩沖區(qū)后即給單片機產(chǎn)生中斷，提示單片機對通信數(shù)據(jù)進行接收。接收程序流程圖如下列圖所示