基于CAN总线的温湿度数据采集系统设计.doc

南京邮电大学 毕 业 设 计（论 文）题 目基于CAN总线的温湿度数据采集系统设计专 业自动化学生姓名曹正尧班级学号B11050225指导教师丁洁评阅教师指导单位自动化学院 日期： 年 月 日至 年 月 日毕业设计（论文）原创性声明本人郑重声明：所提交的毕业设计（论文），是本人在导师指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容外，本毕业设计（论文）不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本研究做出过重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明并表示了谢意。 论文作者签名： 日期： 年 月 日摘 要 CAN总线是一种能实现各个设备间互连形成通信网络的技术，通过数字总线和物理总线实现数据的实时共享。它目前使用最广、最具发展潜力的现场总线之一。它的实时性、灵活性、可靠性、低成本以及良好的故障珍断和纠错能力都有着很大的吸引力及市场空间。同时，温度和湿度的采集与控制对生产生活也越来越重要。所以，将二者结合实现温湿度数据采集的网络化有着深远的意义。本文主要研究的是基于CAN总线的温湿度数据采集系统设计的实现。主要完成了包括背景知识的收集与学习，借助单片机实现硬件系统的设计与搭建，基于C语言实现软件程序的编写与测试，借助了Keil C51集成开发环境和Protel电路仿真软件，完成了系统的设计与测试工作，最终实现了温湿度数据的实时显示与实时传送。实验结果证明了CAN总线通信的可行性与可靠性。本课题的研究是对CAN总线通信技术的应用的初步探索，相信随着科技进步的需要，CAN总线通信技术将在各行各业中得到广泛的应用与发展。关键词：CAN总线；单片机；温湿度传感器；液晶显示ABSTRACT CAN bus is a technology that can interconnect the interconnection of various devices and form the communication network. It can share data by digital bus and physical bus. It is currently one of the most widely used and most potential of the field bus. Its real-time, flexibility, reliability, low cost and good fault diagnosis ability are very attractive and market space. At the same time, the temperature and humidity of the collection and control of the production of life is also more important. So, the combination of the two temperature and humidity data acquisition network has a far-reaching significance. This paper mainly studies the design of temperature and humidity data acquisition system based on CAN bus. Mainly completed the collection of background knowledge and learning, by means of single chip implementation of the hardware system is designed and built, based on C language program written and tested, with the help of the Keil C51 integrated development environment and Protel circuit simulation software, completed the system design and testing, and ultimately achieve the real-time display of the temperature and humidity data and real-time transmission. The feasibility and reliability of CAN bus communication are proved by the experimental results. This topic research is a preliminary exploration of the application of the CAN bus communication technology, I believe that along with the progress of science and technology, can bus communication technology will be in all walks of life have a wide range of applications and development.Keywords：CAN bus；single chip microcomputer；temperature and humidity sensor；LCD display目 录第一章 绪论11.1 课题研究的背景介绍11.2 现场总线技术21.3 CAN总线技术21.4 温湿度传感器41.5 课题的研究思路及论文章节安排5第二章 系统总体设计62.1 总体方案设计62.2 单片机芯片介绍72.3 温湿度传感器芯片介绍92.3 液晶显示器芯片介绍102.4 CAN模块芯片介绍112.5 本章小结13第三章 硬件电路设计133.1 单片机最小系统设计133.3 温湿度采集模块设计143.4 液晶显示模块设计153.5 报警模块设计153.6 CAN总线模块设计163.7 本章小结18第四章 软件程序设计194.1 温湿度采集程序设计194.2 液晶显示程序设计214.3 SJA1000初始化程序224.3 CAN报文发送程序设计244.4 CAN报文接收程序设计254.5 主程序设计26结束语27致 谢28参考文献29附录（系统源程序）1南京邮电大学2015届本科生毕业设计（论文）第一章 绪论1.1 课题研究的背景介绍(1) 课题研究目的和意义随着计算机技术的飞速发展和普及，各行各业都进入了网络化和信息化的时代。数据的共享越来越重要。另外，人们生产生活中对温度和湿度的要求也越来越高。从家庭中最普遍的家用电器和城市中的智能楼宇，到农业生产中的可控温湿度的蔬菜大棚，再到工业生产中需要对温湿度进行精确调控的流水线等等，温度和湿度的测控已经与人们的生产生活密切相关。过去的温湿度采集方式大都是人工的、非实时的、相对独立的采集模式。在这种模式下，工作效率低，资源得不到充分利用，而且不能实现数据的实时采集，缺乏科学性和完整的管理系统。因此，如何有效地、实时地对温湿度进行测量和监控成为一个非常重要的问题。抱着对现场总线技术和CAN总线技术的极大的好奇，我的毕业设计课题选择了“基于CAN总线的温湿度数据采集系统设计”。本次毕业设计，将CAN现场总线技术和温湿度数据采集系统1结合，设计基于CAN总线的温湿度数据采集系统。课题本质就是设计一种智能温度测控网络。温度采集系统中使用CAN总线技术，提高了系统内部的通信速率、实时性，降低了误码传送率。对实现采集控制系统的网络化非常有意义，也能在不断的学习和研究中提高自己的专业能力和综合素质。增加自己对电子系统设计的乐趣。CAN总线与数据采集系统是工业应用中的核心内容，它们应用几乎是建立在整个大学专业课知识之上的，能够提升自己对专业知识的理解与掌握。不仅提高了动手能力，对它们的学习有利于自身发展，更加适应社会的需要。温湿度数据采集系统需要能够远程实时采集与控制，CAN总线其高可靠性和简易性使其组网简单，同时扩展性良好。两者相结合，探讨如何组建更有效的温湿度采集网络，有着非常现实的意义。(2) 课题研究现状与发展前景 将CAN总线应用到温湿度采集系统中是研究CAN总线应用2，发挥CAN总线通信能力的一步尝试。这对实现采集控制系统的网络化非常有意义。使得温湿度采集系统可以实现远程采集与控制，大大提高了系统的性能。CAN在全球市场上仍然处于起始点，CAN总线在组网和通信功能上的优点以及它的高性能价格比，决定了它在许多领域都有广阔的应用前景和发展潜力。CAN 总线以其独特的设计思想、优良的性能和极高的可靠性，越来越受到人们的重视。CAN总线的应用从以前的汽车上，到现在的工农业生产的各个领域。CAN总线的产生顺应了世界发展的潮流，就是朝着网络化、信息化、自动化方向发展。国内对CAN总线的研究还刚刚起步，国内的一些高科技公司虽然也尝试着在自己的产品中使用CAN总线，并也制造出了一些相应的产品，但在成熟度方面无疑与那些著名的公司还有着很大的差距。专家学者们正在对CAN总线进行一步步的探索，努力发觉它的巨大潜力。本课题在充分了解了现场总线的优点后认为对于未来工业控制技术的发展,我们很有必要对现场总线进行深入的学习和探究。1.2 现场总线技术所谓总线，好比是公共汽车，总线是计算机多个模块之间互相连接的通信的公共通路。总线不仅仅是一组传输线，还包括了一套管理信息传输的规则。它能联通将许多现场设备与控制现场形成通信网络。现场总线（fieldbus）是上个世纪八十年代才开始形成和发展的，是一种工业数据总线。用于自动化领域的智能设备的互联互通，解决设备之间的数据通信和信息交流。现场总线是指开放式、数字化、标准化、能够相互操作、双向传输、连接智能仪器和控制系统的通信网络。它不仅是一个基层网络，而且还是一种开放式、新型全粉不控制网络。它是能将计算机、网络通信和控制相融合的技术。它的实时性、灵活性、可靠性、低成本以及良好的故障珍断和纠错能力都有着很大的吸引力及市场空间。现场总线技术能大大提高系统的运行能力。它具有较高的开放性，简单的操作性，足够的智能性和对恶劣环境的适应性。它的优点在于提升了系统的可操作性和准确性，节省了系统的资金花费，简化了系统的复杂度等。现场总线的出现大大提高了工作效率，必将对社会的发展起到重大的作用。现场总线的本质包括了现场通信网络，互操作和互换性，分散功能模块，通信线供电，开放式互联网络。它不仅仅是最底层的控制系统,而且还是建立于整个工业体系的通信系统。目前出现的有五种主要的的现场总线3，分别是基金会现场总线、LONWORKS(局部操作网络)、PROFIBUS(过程现场总线)、HART(远程可寻址传感器高速数据通道)和CAN(控制器局域网)。下面简要介绍这五种现场总线。(1) 基金会现场总线FF基金会现场总线FF（Foundation Fieldbus）是由现场总线基金会组织开发的，随后被列入了IEC61158国际现场总线标准。这是为了适应自动化系统，特别是为了适应过程自动化控制系统在环境、技术以及功能上的需求而专门设计的。它适合工作在流程复杂的工业生产之中，并能够适应本质安全防爆的要求，另外它还有一个很强大的功能，可以通过通信总线为现场设备提供电源13。(2) LONWORKS LONWORKS即是局部操作网络，1990年由摩托罗拉和东芝等公司创立的。它采用的是面向对象的设计方法，它被誉为通用控制网络。它采用了LONTALK协议。(3) PROFIBUSPROFIBUS是Process Fieldbus的缩写，属于IEC国际现场总线标准子集之一。主要是面向流程自动化以及工厂自动化的现场总线。PROFIBUS已经被广泛运用在了各类重工业制造业（汽车、装瓶、仓库系统）之中，以及过程自动化系统中（如石油、化工、造纸、纺织业等），除此之外，其在交通管理系统（自动红绿灯）、电子工业、电力输送以及最近兴起的楼宇自动化（照明控制、自动门控制、冷热空调控制）方面。具有非常广泛的使用前景。(4) HART HART是指可远程通信寻址，1993年成立了HART通信基金会。它是一种开放的通信协议。它是由物理层、数据链路层和应用层组成的。它能在模拟信号的线路上，进行数字通信。它是一种过渡性的产品。 (5) CAN总线控制器局域网CAN（Controller area network）是德国Bosch公司在1986年为解决汽车中各类测量控制器在数据交换上存在困难的问题而着手开发的一种串行数据通信总线。CAN总线其实是最早成为国际标准总线之一的现场总线。CAN总线有着众多不同于其他总线的特点，其节点不分主从，任意节点任意时刻都可以向总线上任意其他节点发起通信，具有极强的灵活性，因此本课题采用CAN总线作为现场总线，由此来实现对当前环境照度信息采集之后的传送显示14。1.3 CAN总线技术(1) CAN总线的介绍CAN，即控制器局域网，是现场总线的一种。CAN是20世纪80年代(1983)德国Bosch(博世)公司为解决汽车中众多的测量控制部件之间的数据交换问题而开发的一种串行数据通信总线。它最早开发出来是为了解决测量部件之间数据交换问题的，是一种串型通信总线。最初用在汽车上的电子控制，凭着它相比于其他的通信总线的独特的新技术和新设计，受到到了广泛的应用。本课题就是基于CAN总线技术的应用研究。CAN属于现场总线的范畴，它是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络。它的实时性、灵活性、可靠性、低成本以及良好的故障珍断和纠错能力都有着很大的吸引力及市场空间。CAN技术和产业化在中国一定会拥有更加广阔的市场前景。目前国内对此技术的研究大都还处于探索阶段。(2) CAN总线的技术介绍4CAN总线包括CAN控制器、CAN收发器和数据传输线。CAN总线通过多个控制单元并联的方式经收发器与总线相连。每个控制单元都有权向总线发送信息。CAN总线发送数据时，传感器上采集的数据经节点向总线发送，每次只允许一个控制单元发送数据，其他几点根据需要选择是否接受总线上的数据。在肯定没有其它发送数据传递的情况下才允许控制单元发送数据。CAN总线是以报文的形式传送数据的，报文是由若干个帧组成的。CAN协议支持两种报文格式，这两种报文的格式大体相同，其唯一的不同是标识符(ID)长度不同，CAN标准格式为11位，扩展格式为29位。图1-1 CAN数据帧标准格式图1-2 CAN数据帧扩展格式在报文传输时，不同的帧具有不同的传输结构，传输帧的结构有四种，分别是数据帧、远程帧、错误帧和过载帧。只有严格按照该结构进行帧的传输，才能被节点正确接收和发送。 CAN总线的技术规范主要包含了位仲裁机制、报文滤波、波特率设置和位同步等。位仲裁机制：位仲裁技术主要用来解决数据读取的冲突问题， 报文滤波：通过滤波，节点可以选择自己需要的数据。滤波器的滤波值由标识符验收控制寄存器和标识符掩码寄存器决定。根据Bosch CAN 2.0 A/B 协议规范，一共有三种不同的滤波器模式：32位可屏蔽标识符接收寄存器、16位可屏蔽标识符接收寄存器、8位可屏蔽标识符接收寄存器。滤波器使用三组寄存器来提供滤波器配置。首先，标识符验收控制寄存器决定配置中的滤波器大学和滤波器数量；其次标识符掩码寄存器通过把0放在滤波器寄存器中的适当位置来决定将比较的滤波器位；最后，标识符掩码寄存器CANIDAR0/1/2/3决定CANIDMR0/1/2/3所决定的位的值。波特率设置：波特率（Baud rate），即调制速率，指的是信号被调至以后在单位时间内的变化，即单位时间内载波参数变化的次数。通过对CAN位定时寄存器CANBIT及CAN波特率预分频扩展寄存器CANBRPE的设置可以得到需要的CAN通信波特率。-0(3) CAN总线的特点 和许多其他的现场总线相比，CAN总线采用了新的技术，增添了许多独特的技术。使它的通信能力更加的可靠和灵活，数据通信的实时性也大大增强。CAN总线具有如下的特点5： 它是世界上到目前为止唯一的一个具有国际标准的现场总线。 它的通信距离很长，可达几千米，通信速率也非常高，可达几兆每秒。 它的工作方式是不分主从的，主节点可以向从节点发送信息，从节点也可以向主节点发送信息，网络上任一节点都可以作为发送和接收信息的节点，数据通信的灵活性大大增强。 它对发送的报文的每一帧都有进行检错的措施，检错效果很好。 它的通信传输介质有很多种类可以选择，通常情况下选择双绞线，使用很方便。 它的结构相对比较简单，价格便宜，性价比非常高。相比于其它的现场总线，CAN总线的市场应用和发展前景更好。(4) CAN总线的发展前景 上个世纪八十年代，在欧洲，德国的工程师们率先研究总线在汽车系统上的应用，CAN总线技术也就应运而生。CAN总线在欧洲已经研究和应用了有近三十个年头，制定了相应的标准和技术规范，目前CAN总线是世界上唯一一个拥有世界标准的规范。CAN总线的应用从以前的汽车上，到现在的工农业生产的各个领域。CAN总线的产生顺应了世界发展的潮流，就是朝着网络化、信息化、自动化方向发展。国内对CAN总线的研究还刚刚起步，国内的一些高科技公司虽然也尝试着在自己的产品中使用CAN总线，并也制造出了一些相应的产品，但在成熟度方面无疑与那些著名的公司还有着很大的差距。专家学者们正在对CAN总线进行一步步的探索，努力发觉它的巨大潜力。 CAN在全球市场上仍然处于起始点，CAN总线在组网和通信功能上的优点以及它的高性能价格比，决定了它在许多领域都有广阔的应用前景和发展潜力。CAN 总线以其独特的设计思想、优良的性能和极高的可靠性，越来越受到人们的重视。CAN总线在未来的发展前景上，将具有如下几个方向：与企业以太网的互联，与模糊控制技术和智能技术的结合，与无线技术的结合。1.4 温湿度传感器 温度和湿度是生产生活中非常重要的两个物理量，人们对温度和湿度这两个物理量有着很强的检测需求。而且，在很多的情况下，温度和湿度是同时出现的，比如用于植物养殖的大棚，所以既能采集温度也能采集湿度的温湿度一体的传感器就会相应产生。温湿度传感器是指能将温度量和湿度量转换成容易被测量处理的电信号的设备或装置6。温度，是用来表示物体或者某个环境冷热的物理量。它是非常重要的物理量之一，被列入了国际单位制的基本物理量。它与人类的生产和生活密切相关。湿度，对湿度的定义有很多种，分为绝对湿度、相对湿度、饱和湿度和露点等。这里我们主要要了解的是相对湿度。相对湿度是我们日常生活中接触比较多的，它用RH% 表示。即气体中（通常为空气中）所含水蒸气量（水蒸气压）与其空气相同情况下饱和水蒸气量（饱和水蒸汽压）的百分比。市面上的温湿度传感器一般是测量温度量和测量相对湿度量。温湿度传感器在当今的生产和生活中有着广泛的应用，温湿度传感器一般应用于食品、档案管理、温室大棚、动物养殖、药品存储、烟草、工业控制等行业。1.5 课题的研究思路及论文章节安排首先理解课题要求，学习单片机的基本工作原理，包括其外设电路的设计方法，合理选择各模块所需的器件，比如液晶显示电路、传感器电路、独立按键电路、报警电路等。然后学习掌握现场总线技术和CAN总线的通信原理，SJA1000的工作原理7。重点设计CAN模块电路，然后将所有部分整合在一起形成一套硬件系统，再进行软件程序部分的设计，最后进行电路板的焊接以及系统调试，直到达到课题要求。设计工作的完成需要借助Keil C51集成开发环境和Protel 99se电路设计仿真软件等工具。章节安排如下：第一章介绍了现场总线技术的背景和发展状况以及CAN总线技术的特点和广阔的的应用前景。简单介绍温湿度传感器以及课题完成的基本思路。第二章分析系统总体的设计方案，详细的介绍了个模块的芯片的基本知识。第三章介绍了系统各个硬件电路部分的设计，包括了各模块的接线方法。第四章介绍了系统的软件设计，包括了各部分的程序及其流程图。第二章 系统总体设计2.1 总体方案设计 本次毕设的课题名称是基于CAN总线的温湿度数据采集系统的设计，顾名思义就是利用CAN总线通信技术来实现温湿度数据的实时传送，系统的关键部分就是CAN总线模块。整个系统涉及到了温湿度数据的采集、显示、接收、发送和判断等过程。利用单片机来控制整个系统的运行。 下面是电路总体结构设计框图： 单片机 单片机温湿度采集液晶显示报警模块液晶显示CAN模块CAN模块HL上位机下位机 图3-1 系统总体结构框图本系统包括了单片机模块电路、CAN控制器模块电路、CAN收发器模块电路、温湿度采集模块电路、液晶显示模块电路、电源模块电路。处理器采用的是STC89C52单片机芯片，主要负责数据的处理与控制。温湿度传感器采用的是DHT11输出数字信号温湿度传感器，负责数据的采集。液晶采用的是工业字符型液晶LCD1602，负责温湿度的显示。CAN控制器采用的是SJA1000，负责CAN模块的控制。CAN收发器选择TJA1050，负责数据的发送与接收。为了更好地展现CAN总线模块的数据通信功能，将系统设计为两个部分，分位上位机和下位机。上位机负责数据的接收与显示，下位机负责数据的发送与显示。下位机上，温湿度传感器DHT11将采集的信号经单片机处理后传送到显示液晶显示器LCD1602上，同时单片机将获得的温湿度数据经过CAN总线模块传送物理总线上，上位机的CAN总线模块接收物理总线上的数据，传送给上位机的单片机，单片机再将数据处理后控制液晶显示，当上位机检测到的温湿度数据超过设定的极限值是，报警模块的的蜂鸣器鸣叫，发出报警信号。整个系统的设计简洁易懂，能很好的体现CAN总线的通信技术。2.2 单片机芯片介绍单片机是把处理器，存储器和输入输出接口集成在了一个模拟电路上，它是一种微型计算机。它是由CPU系统、程序存储器、数据存储器、各种输入输出端口和基本功能单元组成8。单片机在软件的控制下能准确、迅速、高效地完成程序设计者想要完成的工作。单片机具有很高的性价比，极低的功耗，高度的可靠性以及优良的控制能力和扩展能力等特点，是电子系统中重要的工具。单片机的出现是大大简化了复杂的电路系统设计，提高了系统的智能化程度，它已经被广泛的应用到科技发展和人类生活的各个领域，它正朝着更高性能、更多品种的方向发展，将有着广阔的应用前景。其内部结构图如图：时钟模块OSC程序存储器ROM定时器计数器各种I/O端口中央处理器CPU数据存储器RAM中断图3-2 单片机内部结构图单片机内部主要的部件有：一个8位CPU，一个时钟电路，4KB以上的程序存储器。128字节数据存储器，两个16位定时器/计数器，64KB扩展总线控制电路，4个8位并行输入输出端口，一个可编程串行接口，5个中断源。CPU就是中央处理器的简称，是单片机的核心部件，有控制器和运算器组成，完成各种运算和控制操作。时钟系统用于产生单片机工作所需的时钟信号。程序存储器主用来固话单片机的应用程序和一些表格常数。目前有多种类型的程序存储器，包括MASKROM型、EPROM型、RONLESS型、OTPROM型和FLASHROM型。数据存储器是一种可读可写的存储器，可以作为数据缓冲器使用，存放输入的零食数据或运算的结果。停电后数据就自动消失。单片机的工作电压在5V左右，工作频率范围040MHZ，用户程序空间有4KB64KB不同的规格。输入输出口中P0口是开漏输出，作为中线扩展使用，不用加上拉电阻，作为输入输出口使用时要加上拉电阻。单片机片内有3个16位定时器/计数器。通用异步串口，可以通过串口P3.0和P3.1直接下载用户程序，速度很快，只需短短的几秒钟就能下载成功。它的工作温度范围很大，适用于绝大部分工作环境的使用。目前市面上的单片机有很多种型号，本次设计选用的是STC公司生产的51系列高速低功耗单片机STC89C52。它是标准的40 引脚双列直插式集成电路芯片，其引脚功能如下表：表2-1 STC89C52芯片的引脚介绍引脚类型引脚名称引脚号引脚功能主电源引脚VCC40+5V电压GND20接地外接晶体引脚XTAL119外接晶体XTAL218外接晶体控制及电源复用引脚RST/VPD9复位ALE/PROG30地址锁存PSEN29外部程序存储EA/VPP31使能输入输出引脚P03932双向8位I/O口P118准双向8位I/O口P22128准双向8位I/O口P31017准双向8位I/O口P3口是准双向8位输入输出口，这8个引脚还专门的复用功能。作为第一功能时就作为普通的输入输出口使用；作为第二功能时，各引脚有其它的功能，其功能介绍如下表：表2-2 单片机P3口功能介绍引脚口线引脚号引脚名称引脚功能P3.010RXD串型输入口P3.111TXD串型输出口P3.212INT0外部中断0P3.313INT1外部中断1P3.414T0定时器0外部输入P3.515T1定时器1外部输入P3.616WR外部数据存储器写脉冲P3.717RD外部数据存储器读脉冲2.3 温湿度传感器芯片介绍本设计采用的是DHT11数字温湿度传感器9，它是一款含有已校准数字信号输出的温度和湿度的复合传感器。DHT11温湿度传感器的原理DHT11温湿度传感器包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件，能分别检测湿度数据和温度数据。它的工作电压范围3.55.5V，它能输出单总线数字信号，由于输出的是数字信号，就不需要进行模数转换，这大大简化了硬件设计。其内部原理图如下： OTP MCU 电阻式感湿元件 NTC测温元件GNDNCDATAVCC 图2-2 DHT11内部结构原理图DHT11是通过内部的感湿元件和测温元件来采集温湿度数据的。DHT11的内部自带有处理器和存储器，用于处理温湿度数据和存储温湿度数据。它有4个外部引脚，其引脚功能介绍如下：表2-3 DHT11引脚介绍引脚号引脚名称引脚功能1VCC供电电源正极2DATA单总线串型数据线3NC悬空脚4GND接地脚1号引脚和4号引脚用来给温湿度传感器供电，2号引脚是信号引脚，3号引脚悬空，不用接入电路。DHT11温湿度传感器主要应用与汽车数据记录器、暖通空调测试及检测设备、消费品自动控制、气象站、家电、湿度调节器、医疗设备等领域。然而DHT11也有它的缺点，就是它的测量范围不够大和测量精度不够高，它的测量范围为：湿度范围2090%RH， 温度范围050，测量精度为：湿度5%RH， 温度2。2.3 液晶显示器芯片介绍考虑到要显示的是温度和湿度这两个数据，所以只需要能够显示一到两行的显示器即可。我选择了LCD1602液晶显示器10。它是一款工业字符型液晶，可以显示两行数据，每行可以显示十六个符号、字母或者数字，刚好可以满足设计的需要。它体积小巧，功耗较低，显示效果良好，是一款非常实用的液晶显示设备。 LCD 1602有16个引脚，它的引脚介绍如下：表2-4 LCD1602引脚介绍引脚号引脚名称引脚功能1GND电源接地端2VCC5V电源正极3VL调节显示器对比度4RS寄存器选择端5RW读写信号线6E使能端口714D0D7双向数据端口15BL+背光正极16BL-背光负极LCD1602工作在3.5V5V的工作电压下，它内部设计有复位电路，可以进行光标移动、清屏的操作。显示的亮度可以通过外部连接的电位计进行调节。内部带有存储器可以储存数据。它可以直接与单片机相连接，通过单片机程序来控制液晶的显示。LCD 1602有16个引脚，其中RS、RW的值控制单片机对它的读写： 表2-5 LCD工作状态介绍RSRW操作命令00写入指令寄存器（清清屏等）01读busy(DB7)，以及读取位址计数器 （DB0DB6） 的值10写入数据寄存器（显示各字符等）11从数据寄存器读取数据LCD1602液晶显示在执行程序指令之前要进行模块标志位的忙信号，只有当它的忙标志位为低电平时才表示可以执行指令。2.4 CAN模块芯片介绍CAN总线通信模块包括CAN控制器、CAN收发器和物理总线。(1) CAN控制器12CAN控制器主要由CAN总线协议和微处理器接口的的两部分电路组成。通过单片机程序，可以设置它的工作方式，来控制他的工作状态，进行数据的发送和接收。CAN控制器采用的是SJA1000芯片，SJA1000是飞利浦公司的一种新型独立式控制器，在原来的的基础上增加了一种支持CAN2.0协议的PeliCAN工作模式。它有28个引脚，具体描述如下：表2-6 SJA1000芯片的引脚介绍引脚引脚符号引脚功能2，1，2328AD7AD0多路地址数据总线3ALE/ASALE输入信号，AS输入信号4CS片选信号，低电平允许访问SJA10005RD/E读信号6WR写信号7CLKOUT时钟输出信号8VSSI接地9XTAL1振荡信号输入10XTAL2振荡信号输出11MODE模式选择12VDD3输出驱动5V电压源13TX0从CAN输出驱动器0 输出到物理总线14TX1从CAN输出驱动器1 输出到物理总线15VSS3输出驱动接地16INT中断输出17RST复位输入18VDD2输出比较器5V电压源19，20RX0，RX1物理总线到SJA1000的输出比较器的输入21VSS2输入比较器接地22VDD1逻辑电路5V电压源SJA1000上有三个独立电源，分别给输入电路、输出电路以及内部逻辑管理电路供电，这样可以吧逻辑功能电路与外部装修等号的隔离，减少外部干扰。(2) CAN收发器CAN收发器13采用的是TJA1050芯片，TJA1050 是CAN协议控制器区域网络控制器和物理总线之间的接口。TJA1050可以为总线提供不同的发送性能，为CAN控制器提供不同的接收性能。TJA1050是PCA82C250高速CAN驱动器的后继产品。TJA1050速度快，能达到1Mbit/s，具有很低的电磁辐射，抗电磁干扰，能自动对总线引脚进行保护，可以连接超过一百个以上的节点数，带有有效地接地保护。CAN总线控制器TJA1050有八个引脚，各引脚功能描述如下表：表2-7 TJA1050芯片的引脚介绍引脚号引脚标记引脚功能1TXD发送数据输入2GND接地3VCC电源电压4RXD接收数据输出5Vref参考电压输出6CANL低电平CAN总线7CANH高电平CAN总线8S待机模式控制输入TJA1050有高速模式和静音模式这两种工作模式。在通电的瞬间，CANL和CANH引脚受到保护。第8号引脚S来控制它们。S接地，进入高速模式，该模式信号有固定的斜率，并且以尽量快的速度切换。S接高电平，进入静音模式，发送器禁止，此时工作在收发状态。2.5 本章小结本章的首先总体上介绍了系统的设计，分析了系统的主要模块和系统的功能及工作流程。然后针对系统的总体设计，分别介绍了各个模块主要用到的芯片，介绍了它们的主要功能。为后面的硬件电路设计和软件程序设计提供知识与理论基础。第三章 硬件电路设计3.1 单片机最小系统设计 单片机最小系统，是指使用最少的电子元器件能使单片机正常工作的单元电路。它包括了单片机芯片、电源电路、晶振电路和复位电路。(1) 单片机单片机是把处理器，存储器和输入输出接口集成在了一个模拟电路上，它是一种微型计算机。它是由CPU系统、程序存储器、数据存储器、各种输入输出端口和基本功能单元组成。单片机在软件的控制下能准确、迅速、高效地完成程序设计者想要完成的工作。单片机具有很高的性价比，极低的功耗，高度的可靠性以及优良的控制能力和扩展能力等特点，是电子系统中重要的工具。单片机的出现是大大简化了复杂的电路系统设计，提高了系统的智能化程度，它已经被广泛的应用到科技发展和人类生活的各个领域，它正朝着更高性能、更多品种的方向发展，将有着广阔的应用前景。(2) 电源电路对于一个完整的电子设计来讲，首要问题就是为整个系统提供电源供电模块，电源模块的稳定可靠是系统平稳运行的前提和基础。51单片机虽然使用时间最早、应用范围最广，但是在实际使用过程中，一个和典型的问题就是相比其他系列的单片机，51单片机更容易受到干扰而出现程序跑飞的现象，克服这种现象出现的一个重要手段就是为单片机系统配置一个稳定可靠的电源供电模块。电源电路可给整个电路供电，通常选用5V的USB供电。(3) 晶振电路晶振电路作用是为系统提供基本的时钟信号，单片机所有的工作都是在由晶振产生的节拍的控制下工作的。STC89C52使用11.0592MHz的晶体振荡器作为振荡源，由于单片机内部带有振荡电路，所以外部只要连接一个晶振和两个电容即可，电容容量一般在15pF至50pF之间。(4) 复位电路复位电路，用于复位，复位的主要作用是把特殊功能寄存器的数据刷新为默认数据，单片机在运算过程中由于干扰等外界原因造成寄存器中数据混乱不能使其正常继续执行程序（称死机）或产生的结果不正确时均需要复位，以使程序重新开始运行。原理是在单片机的复位引脚RST上外接电阻和电容，实现上电复位。当复位电平持续两个机器周期以上时复位有效。复位电平的持续时间必须大于单片机的两个机器周期。具体数值可以由RC电路计算出时间常数。采用的是高电平复位。单片机最小系统原理图如下：图3-1 单片机最小系统电路原理图3.3 温湿度采集模块设计此模块主要采用 DHT11数字温湿度传感器。它有四个引脚，第1脚为供电脚，接正5V电源；第2脚为DATA脚，是串行数据，它是单总线，即只有一根数据线，系统中的数据交换、控制均由单总线完成；接单片机P2.0，第3脚为NC脚，空脚悬空，第4脚为GND脚，接地。另外，需在第2脚上接一个10K的上拉电阻接到VCC上，当总线闲置时，其状态位高电平。当单片机引脚输出低电平的时候，外部电路提供电流给引脚。其电路原理图如下：图3-2 DHT11电路连接图3.4 液晶显示模块设计此模块采用的是LCD1602液晶，它有16个外部引脚。LCD1602的8位数据端分别与STC89C52的输入输出口P1连接，进行数据的传输；3号脚VL与10K的电位计相连接，用于调节液晶显示器的亮度；46号脚分别与STC89C52的1315号脚相连接，用于使能控制和读写控制；其余接地和电源正极，给液晶显示器提供电源。它的电路连接图如下：图3-3 LCD1602电路连接图3.5 报警模块设计本模块采用5V无源蜂鸣器，采用PNP型三极管放大器，起驱动作用，三极管的基极由I/O口控制。Alarm端口与单片机的P2.1口相连接。当Alarm口输出低电平时，三极管导通，处于工作状态，有电流通过蜂鸣器，蜂鸣器发出报警。主程序中设计了报警判断程序，温度设了30度，湿度设了70%，当温度或者湿度任何一个达到或超过设定的限定值时，输出低电平信号，蜂鸣器就发出报警信号。报警模块的电路设计图如下：图3-4 报警模块原理图3.6 CAN总线模块设计CAN总线通信模块包括CAN控制器SJA1000和CAN收发器TJA1050。(1) CAN控制器CAN控制器主要由CAN总线协议和微处理器接口的的两部分电路组成。通过单片机程序，可以设置它的工作方式，来控制他的工作状态，进行数据的发送和接收。SJA1000外围电路图如下：图3-5 SJA1000外围电路SJA1000内部结构主要由CAN 核心模块、接口管理逻辑（IML）、发送缓冲区(TXB)、接收缓冲器（RXB，RXFIFO）、验收滤波器（ACF）、位流处理器（BSP）、位时序逻辑（BTL）、错误管理逻辑（EML）等几部分组成。控制器SJA1000有两种工作状态，一种是复位状态，另一种是运行状态。复位状态用于SJA1000的初始化和在线传输参数的设置，运行状态实现对最新数据传输的控制。SJA1000与单片机的接口简单，单片机以访问外部存储器的方式来访问SJA1000。SJA1000的8位数据口与单片机的8位输入输出口P0相连，SJA1000的片选口与单片机的片选口P2.0相连，SJA1000的读写控制口与单片机的读写控制口P3.3和P3.4相连，SJA1000的中断口与单片机的中断口相连。下面是SJA1000与51系列单片机接口设计原理图：图3-6 SJA1000与51系列单片机接口设计原理图(2) CAN收发器TJA1050的CAN总线接口部分也采用了一定的安全和抗干扰措施。TJA1000的CANH，CANL引脚个连接了一个100欧姆的电阻与CAN总线相连，电阻可以起到限流作用，保护TJA1050免受过流冲击。在CANH，CANL与地之间并联两个30PF的小电容，可以滤除总线上的高频干扰和一定的防电磁辐射的能力。图3-7 TJA1050外围电路下面是SJA1000与TJA1050接口设计原理图：图3-8 SJA1000与TJA1050接口电路原