基于CAN总线的田间作业机车工况数据监测系统设计与实现概要.doc

精品文档基于CAN总线的田间作业机车工况数据监测系统设计与实现摘要农业是维持人民的基本生活的基础，然而农业的发展受到自然环境和农业科技的限制。大幅度提高土地利用率、劳动生产率，提高整体效率，必须依靠科学技术的进步。田间作业机车在田间松土、播种、施肥、收割等场合发挥着重要作用，但是随着机车的使用率的增多，与田间作业机车有关的安全事故也不断增加，威胁着机车司机的人生安全。为了提高田间机车在工作过程中的安全性，以往大多数的方法都是通过与司机电话联系或派人到现场查看来确定机车司机的安全和机车的的位置。深入研究以往的田间作业机车监测技术，并在此基础上设计并实现了“基于CAN总线的田间作业机车工况数据监测系统”，实现了对田间作业机车的位置、作业面积、油箱温度、机车速度等数据的实时监测，已达到减少田间作业机车在田地工作时出现意外情况的目的。本论文主要完成了一下几方面的工作：1、系统的分析了田间作业机车工作状态监测技术的发展历史和国内外研究概况，阐述了课题研究的意义和目的。同时对CAN总线做了深入学习。2、针对田间作业机车工作时可能出现的安全问题，结合监控系统的设计理念和实际情况，提出了“基于CAN总线的田间作业机车工况数据监测系统设计与实现”设计的总体框架，同时分析了该方案的设计理念，设计的缺点和不足及还需要解决的问题。3、设计了该系统的硬件部分，由数据采集端、CAN总线传输、和数据发送端等组成，实现了数据的采集、传输和发送。4、根据系统的设计的需要，设计了“基于CAN总线的田间作业机车工况数据监测系统设计与实现”的软件编程。包括单片机、GPRS、CAN总线的编程。5、通过多次试验调试，能够得到田间作业机车工况数据信息，并且可以在显示界面上实时的看到这些工作状态数据。实验的测试结果表明：实验的数据与参考的数据能够较好的吻合，说明误差较小，具有良好的精度。同时系统采用了CAN总线技术，减少了错综复杂的布线，提高了稳定性，操作简单，该系统将会提高田间作业机车的安全系数和工作效率，具有很好的应用前景，可以大范围推广使用。关键词：田间作业机车；CAN总线；传感器；GPS第一章绪论1.1选题的背景和意义 农业是保证国家发展和经济稳定的重要依据，随着时代的发展，各国清晰的认识到农业对于国家稳定的重要性。党在十七届三中全会中共中央关于推进农村改革发展若干重大问题的决定一文中明确指出：“积极发展现代农业，提高农业综合生产能力”，深入理解和认识发展现代农业的重要性。随着信息科学技术和微电子技术的发展，田间作业机车是否可以安全的运行，对于保障田间作业机车司机的生命安全、确保产出的农产品质量、提高农田的经济效益都具有十分重要的意义。同时我国北方地区常会出现一些极端气候的自然灾害，如持续低温、多雪多雨、气候异常、回暖偏晚等，这些对田间作业机车的正常工作带来了难题，在这样气候的影响下，机车达不到要求的效率3。因此对于北方田间机车作业来说，对田间作业机车的监测是个重要的过程。机车状态监测是针对机车或者机车部件在工作中的运行状态（如车速、油箱温度，作业面积，耗油量等）进行实时的监控和检测，通过各类传感器（如温度感光器，光感传感器、浮子传感器等）将这些数字信号转换成所需的数字信号或者电信号等，通过有效的传输后在处理器中进行分析和处理，最后将数据进行存储已达到对机车工况监测的目的。对于田间作业机车工作状态监测技术的研究是保障田间作业机车正常工作的基础条件。监测系统能对出现故障机车做出快速准确的反应，提高设备的可靠性和智能化调度水平，同时也能够保障田间作业机车司机的生命安全，减少维修费用，为公司减少了经济支出，带来了巨大经济效益。早期的田间作业机车工况数据监测系统主要在机车的布线中使用价格高昂的模拟信号线，而且每一个传感器需要单独布线，线多而乱，不仅给装机带来麻烦，而且也为以后更新传感器时带来不必要的麻烦。田间作业机车工况数据监测系统的采集端一般采用无线的传输模式，但是由于车载部分传输距离较近，再加上无线传输的性能不够稳定，农田地里环境恶劣，这些都将限制监控系统的正常工作。从数据传输的角度讲，无线传输的速度不如有线传输的速度快，这大大的影响了系统的实时性，进而影响监控系统，这一类型的田间作业机车工况数据监测系统已经不能适应现代的农业发展的需求。现代的田间作业机车工况数据监测系统一般利用计算机、网络、数字通信的技术支持，充分彰显了强大的工作能力和广阔的应用性。由这样的交叉组合技术组成的监测系统具有很高的可靠性和安全性，田间作业机车司机也可以依靠机车内的设备及时了解机车的内部情况，一旦出现问题，立即采取相应的措施，减少损失。随着科学技术的发展，嵌入式微控制器MCU(Micro Control Unit)的优越性能凸显出来，应用也越来月广泛。现代的通信技术日新月异，有线传输也取得了突破性的进展。这些技术都为田间作业机车工况数据监测系统提供了强有力的技术支持。1.2国内外发展现状新世纪以来，一些发达国家为了达到农业高效率和高产出的目的，开始着手于田间作业机车工况数据采集监控系统的研究与实践,与之相关企业也先后开发了各有特色的田间作业机车工况数据采集监控系统，CAN总线技术就是监测系统的重要组成部分。CAN总线是一项以计算机、智能传感和数据通信为主的综合性技术，在当代的自动化控制领域发展迅速，被誉为自动化领域的局域网。CAN总线（Controller Area Network）最早是由德国Bosch公司在1986年提出，它具有性价比高、传输速度快、实时性和可靠性强等特点，当时普遍适用于解决汽车问题，现如今已经被广泛运用到自动控制、楼宇自动化、医学设备等各个领域。随着CAN总线在各个领域的广泛使用，国际上也对CAN总线的通信格式提出了更加严格的要求，1991年在各方的共同努力下CAN总线技术规范（Version2.0）制定完成并正式发布。此外“现代农业靠科技，科技使用靠农机。”得益于我国大力推进农业现代化、农业信息化和农业机械化的国家政策。有效的采用田间作业机车工况数据监测，可以使田间作业机车达到高效率、低功耗的目的，更大的促进农业高效生产和农业经济的发展，在未来的中国，田间作业机车工况数据监控市场应用前景将十分广阔。1.2.1国外发展现状及趋势凯斯-纽荷兰Winner系列电子系统、8030系列的电子信息系统、迪尔Intellitrak电子仪表系统，道依兹Agrotronic-l电子驾驶操纵系统、福格森的Autotronic系统和Datatronic系统等6，这些装置主要控制田间作业机车的常规信息参数、液晶图形显示、超声光报警、和控制随机性能参数（机车实际前进速度、工作时间、发动机和动力输出轴（PTO）转速、机车作业面积、作业效率及滑转率等），还具有优化驾驶操纵方案、故障诊断和报警、前驱动、差速锁上和动力输出轴（PTO）自动控制等功能。国外田间作业机车大多安装机载计算机系统。功能是采集和分析处理机车作业过程中传感器采集回来的信息参数，这些信息参数主要包括发动机转速，PTO转速、作业行驶速度、打滑率等。为了促进CAN总线以及CAN总线协议的进一步发展，欧洲于1992年成立了CiA(CAN in Automation)。在CiA的作用下，CAN总线技术在纺织机械、汽车电子控制系统、电梯控制系统、安全监控系统、医疗仪器、船舶运输和航空航天控制等方面均得到了广泛的应用7。CiA现在有全世界400多家公司加入其中，如今CiA已经是全球应用CAN总线技术最权威的机构。根据国外资料报道，CAN总线技术已广泛的应用于家用电器、智能楼宇以及小区建设中。它的每个节点都可以随机的访问，通信速度能够满足要求。一些网关如CAN总线与TCP/IP协议的转换，可以使一个房间或者一整栋大厦的CAN总线信息转变为Internet的形式后传输出去或反过来通过这类网关把外网传来的信息转换为CAN总线的形式，即实现了远程控制10。1.2.2、国内发展现状及趋势在以往的国内测控领域，由于没有更好的选择，大多采用BITBUS或RS-485作为通信总线。其不足主要有：一主多从，无冗余；数据通信为命令响应，传输率低；错误处理能力弱，采用CAN总线技术后即可解决上述问题11。CAN总线上的每一个节点都可作为主节点交换数据并且可以分出优先级。这些特点使其在工业测控领域众多总线中成为首选的现场总线之一13。基于CAN总线的田间作业机车工况监测采用高新技术提高了机车性能、可靠性和安全性等。目前国内机车工况监控系统的研究情况主要如下：21世纪初期吉林大学任辉、杨印生等在泰国农机作业委托的调查中论述了农机作业委托的定义，郭鸿鹏开展了农机作业委托决策支持系统研究的工作。2006年国家农业信息化工程技术研究中心李洪等人开展了基于GPS、GPRS和GIS的农机监控调度系统的研究，实现为远距离快速采集农机信息、农机资源的实时监控和有效调度提供了一种切实可行的解决方案。2009年华南农业大学罗锡文、张智刚等设计东方红X-804机车的DGPS自动导航控制系统，针对东方红X-804机车在特定工况下，所提出的跨行地头转向控制方法对试验机车具有良好的适用性。2010年山东理工大学李进鹏和杨自栋设计了一套8行精密播种机的监测系统，采用液晶触摸屏作为人机界面,实现了直接地显示8行播种工况的功能。2004-2012年，浙江大学何勇等进行了基于网络的农业机械装备管理信息系统的研究，开发了农机性能综合检测仪，该仪器能够完成快速测定农机的工作状态，实现了一机多用16。目前，对机车的作业研究主要集中于驱动系统、行走机构、液压悬挂、制动、导航研究等几个方面，相对于作业参数的实时监测及本机工作状态的实时检测研究较少，对于CAN总线运用到农机中的研究也是较少的。系统将农机工况信息传输技术与装备研制，实现农机作业参数的本地及远程监控是本系统的主要研究内容。1.3 研究的主要内容本课题的主要任务是基于CAN总线的田间作业机车工况数据监测系统的建立。着重突出以下几方面的研究：第一章，分析了国内外的研究现状，阐述了本论文的目的和意义，并提出了本研究的主要内容第二章，详细的介绍了基于CAN总线的田间作业机车工况数据监测系统的总体框架设计，包括CAN总线的概述和协议，GPS接收器概述，各类传感器、单片机信息和GPRS发送等。第三章，设计硬件，包括传感器模块，GPS模块和GPRS模块，显示屏模块和CAN控制器模块信息采集端包括GPS（Global Positioning System）接收模块、浮子传感器，温度传感器等，将这些模块按照设计顺序依次连接进行测试。第四章，进行软件编程，软件编程部分是本论文的重点和难点。要进一步了解CAN总线的协议，并对2个单片机分开进行编程，必须要深入了解软件的开发平台。第五章，将软件和硬件合二为一，进行整体调试，针对运行时出现的问题进行分析，最终解决问题。最后对全文进行总结和展望，分析本系统的缺点和不足，并对未来要做的工作提出意见和方向。第二章系统的总体框架设计农田机车上的设备多而且复杂，将设备划分不同模块可以为以后拓展提供方便，现在流行的现场总线主要包括LonWorks、PROFIBUS和CAN几种，通过比较可以发现，CAN总线是具有通信速率高、容易实现、且性价比高等诸多特点，是一种已形成国际标准的现场总线，而且CAN还能对数据进行仲裁，确定优先传输，这些也是CAN总线应用于众多领域，具有强劲的市场竞争力的重要原因。本论文将重点介绍GPS模块、CAN控制器模块、显示屏模块和GPRS模块，系统由信息采集端、数据发送端和数据接收端组成。信息采集端对GPS接收器和温度传感器所采集的数据进行解析和处理，利用CAN总线传输方式将数据传输到数据发送端。数据发送端对信息采集端上传的数据进行整合和打包后，通过GPRS无线传输到上位机。上位机可以实时的对机车运行信息进行监测和存储，为实现田间作业机车精准作业提供了依据。本系统的应用对象是田间作业机车，由于田间机车的设备相对来说比较复杂，同时还要考虑到实时性、操作的难易程度，但对数据接收端不进行过多的讨论。图2.1 系统框图Fig2.1 Block diagram of system 如图2.1所示，在田间作业机车工况监控系统中，由GPS模块接收卫星信号，温度传感器采集油箱温度信息，单片机通过CAN总线获得传输数据，对接收到的数据解析和处理后进行显示，GPRS无线通信将处理后的数据传输给上位机，使得机车运行信息实时显示，自动跟踪，传输数据等。2.1 现场总线概述现场总线是指安装在制造或过程区域的现场装置与控制室内的自动装置之间的数字式、串行、多点通信的数据总线。它是一种工业数据总线，是自动化领域中底层数据通信网络。下面介绍几种流行的现场总线并且将CAN总线与RS-489进行对比如表2.1.1、基金会现场总线基金会现场总线（FoundationFieldbus 简称FF）是世界范围内的二百三十家公司在1994年9月将ISP协议和WorldFIP协议合并的，主要涉及领域是过程自动化领域。FF以ISO/OSI开放系统层上增加了用户层,通信标准有低速H1和高速H2两种，物理媒介的传输信号采用曼彻斯特编码。这些都使得FF在过程自动化领域得到了广泛的应用，具有良好的发展前景。2、LonWorksLonWorks总线采用神经元芯片为核心技术设计基本节点，LonTalk通信协议支持七层网络协议，LonTalk的规范和设计资料不公开，决定了它不是一个开放的总线系统，并且LonTalk硬件成本相对较高。国内的LonWorks总线应用普遍集中于早先的智能楼宇领域，支持低速率。多介质的网络通信，它的另一个重要特点就是它的互操作性。3、WorldFIPWorldFIP（World Factory Instrument Protocol）用于自动化系统的现场总线，提供现场设备和控制器以及控制器之间的数字化连接。它是一部完整的规范，是现场总线欧洲标准EN50170第三部分和国际标准IEC61158的第七部分。WorldFIP非常适合于对于传输时间具有严格要求的场合，同时也使得某些突发数据能够尽快在网络上传输。4、PROFIBUSPROFIBUS（Process Field Bus）是一种国际化、开放式、不依赖于设备生产商的现场总线标准。广泛适用于制造业自动化、流程工业自动化和楼宇、交通电力等其他领域自动化。它的传送速度在9.6kbaud12Mbaud之间，Profibus的重要优点是具有稳定的国际标准EN50170作保证，并且具有普遍性。它具有ProfibusDP、ProfibusPA和ProfibusFMS三个子集。表2.1 RS-485与CAN总线的特性对比特性RS-485CAN总线拓扑结构传输介质硬件成本总线利用率网络特性数据传输率容错机制通讯失败率节点错误影响通信距离网络调试开发难度后期维护成本直线拓扑双绞线很低低单主结构低无很高故障节点有可能导致整个网络瘫痪1.2Km容易容易较高直线拓扑双绞线每个节点大概20元高多主结构最高可达1Mbps有硬件完成错误处理和检错机制极低故障节点有可能导致整个网络无影响可达10Km需要一定技术基础需要一定技术支持很低2.1.1 CAN总线概述CAN(Controller Area Network)是控制器局域网络的简称，是以研发和生产汽车电子产品著称的德国BOSCH公司开发的，它一开始适用于汽车中，但最终成为国际标准（ISO11898），现在是国际上应用最广的现场总线之一。近年来CAN总线也开始走进中国的市场，并于2002年被正式确定为电力通讯领域国家标准，进而被大家逐渐重视。如今的CAN总线被广泛的运用楼宇智能化、汽车制造和工业自动化当中。它的优点包括故障节点可自动关闭，不影响其他网络节点；可以支持硬件节点的即插即用，可靠性高；采用芯片硬件ID方式管理网络，故障节点界定十分方便，网络维护成本低。ZLG提供了一系列开发CAN总线网络的硬件、软件资源，设计工作的难度也降低很多。CAN总线无需专门的调度，可实现点对点，点对多及全局广播等多种方式的数据传输，系统软件运行负担。当信号传输距离达到10km时，CAN仍可提供高达5kbit/s的数据传输速率。由于CAN总线具有很高的实时性能和应用范围，从位速率最高可达1Mbps的高速网络到低成本多线路的5Kbps网络都可以任意搭配。CAN总线位速率与最大距离关系如表2.2。表2.2 位速率与最大距离关系位速率/kbps10005002501251005020105最大距离/m4013027053062013003300670010000CAN总线的工作原理是CAN芯片将数据根据协议组织成一定的报文格式发出去，这时网上的其它节点均处于接收状态，当节点接收到了报文后马上进行检测，判断是否是发给自己来决定是否接收它。2.1.2 CAN总线协议CAN的协议是规定CAN各节点之间如何才能实现完整通信的协议规范。协议分为三层，包括数据链路层DLL、物理层PL和应用层。应用层可以明确CAN消息帧的11位标识符和8字节数据如何使用，CAN协议之对物理层和数据层做了描述和规定，但是对应用层则没有说明。CAN总线协议时建立在国际标准组织的开放系统互联参考模型基础上的，主要工作在数据链路层和物理层，层层之间是相互独立而又透明的，如图2.2。应用层数据链路层逻辑链路控制子层（LLC）验收滤波过滤通知恢复管理媒体访问控制子层（MAC）数据包装/解码帧编码（填充，消除填充）介质访问管理错误标志应答并行转换串行串行转换并行物理层 位编码/解码 位定时同步驱动器/接收器特性图2.2 CAN总线层结构物理层是由物理介质连接、物理信号层、介质相关接口组成。规定了通讯时统一的规格，来实现设备的信号传递。也定义了信号的发送方式、位定时、位编/解码和同步技术的步骤。但是没有规定驱动器接收器的特性。物理介质连接是实现接收/发送功能和提出检测故障方法，物理信号层是依据“不归零”方法对信号实现位定时、位编/解码和同步的功能。介质相关是实现介质与媒体访问之间的接口。数据链路层是将物理层收到的有意义的信号组成由使用价值的数据。其中MAC层作为重要，是CAN协议的核心，因为它连接了LLC子层和物理层，主要负责执行优先仲裁、传递规则、出错检查和故障鉴定等，同时也受到“故障界定”的管理和监督，故障界定提供一种特殊的自检机制，能够区分出永久错误和短暂的干扰，提高的CAN总线的使用价值。2.1.3CAN的帧结构帧将数据由发送器传入接收器，在CAN总线的系统中，数据在接收/发送时，帧有四种不同类型。MAC数据帧包括应答（ACK）场、帧结束（End of Frame）、循环冗余码（CRC）场、数据场、帧起始（Start of Frame）控制场和仲裁场七个不同位场，如图2.3所示。帧起始标识符RTR数据场控制场CRC场ACK场帧结束图2.3MAC数据帧结构1、 ACK场：ACK场包括ACK隙和ACK界定符，ACK隙和ACK界定符都是“隐性”位。ACK隙的可以将所有正确接收到该数据帧的节点，以“显性”位改成“隐性”位作为应答方式。2、 帧结束（End of Frame）：当每个MAC帧均有7个“隐性”位构成时标志帧结束。3、 CRC场：有CRC序列和CRC界定符组成。4、 数据场：由08个字节组成。5、 帧起始（SOF）：标志着帧的开始，由单个“显性”位构成，所以节点需同步于SOF的上升沿。 6、 控制场：由2位用于未来DLC扩展的保留位和4位数据场长度编码（DLC）组成。7、 仲裁场：包括LLC子层传来的11位标识符和RTR（Remote Tranimission Request）位，在MAC数据帧中，RTR数值为“0”。2.1.4 SJA1000本系统采用PHILIPS公司生产的SJA1000，它是一款独立的CAN控制器，主要适用于工业生产中，SJA1000是由发送缓冲区、CAN核心模块、接口管理逻辑、接口FIFO和验收滤波器组成的。SJA可以完成CAN总线的数据链路层和物理层的所有任务。SJA1000和它的前一款PCA82CA00控制器在软件和引脚上是兼容的，并且增加了BasicCAN模式和PeliCAN模式，并且SJA1000也全面的支持CAN2.0B协议2.2 全球定位系统由于田间作业面积较大，容易一时难以寻找作业机车，这样将会与机车短暂失联，如果遇到故障，这将会十分危险。在基于CAN总线的田间作业机车工况数据监测系统中，将会利用GPS接收器接收到田间作业机车的位置信息，包括经度、纬度和接收时的卫星数目，以便准确掌握机车的位置，提高设备的工作效率。GPS是全球定位系统（Global Positioning System）的简称，它是由24颗覆盖全球的卫星所组成的卫星系统，它可以保证在任何时刻，在地球上的任意地点都可以同时观测到至少4颗卫星，以保证卫星可以提供所在地点的经度纬度等信息，比便实现导航、定位和调度等功能，具有良好的抗干扰性和保密性。现在GPS已广泛使用到军事，地理，交通，通信等多个领域，以便达到时刻掌握目标位置的目的。它的基本特点是以高精度的原子钟为核心，以“多星、高频、高轨、测量-测距”为体制，具有高精度的三维定位，可以提供准确位置、速度和时间信息，无论你身在何方，只需1秒即可定位，这对用户尤为重要，它还可以同时容纳多为用户，具有较强的隐蔽性，抗干扰性和安全性，它的精确度可以达到厘米级，准确率非常高。2.2.1 GPS模块概述目前大多数的GPS模块的芯片是采用全球占有率第一的SiRFIII系列为主，GPS模块是由RF射频芯片、基带芯片和核心CPU，相关外围电路组成的集成电路。由于每个芯片的价格不同，GPS模块的价格也有差别，采用SIRF三代芯片组的GPS模块价格要比采用MTK和MSTAR的贵很多。GPS模块一般有2个波段L1和L2，每个卫星都要在2个载波上发送2个直接序列扩频信号。GPS模块高性能的指标主要有灵敏度准确、定位时间精确、功耗小、位置准等。GPS定位模块称为用户部分，它像“收音机”一样接收、解调卫星的广播C/A码信号，中以频率为1575.42MHz。GPS模块并不播发信号，属于被动定位。通过运算与每个卫星的伪距离，采用距离交会法求出接收机的得出经度、纬度、高度和时间修正量这四个参数，特点是点位速度快，但误差大。初次定位的模块至少需要4颗卫星参与计算，称为3D定位，3颗卫星即可实现2D定位，但精度不佳。GPS模块通过串行通信口不断输出NMEA格式的定位信息及辅助信息，供接收者选择应用。现在常用的GPS模块有一下几种：1、G-MOUSEG-Mouse是一种卫星接收器，主要应用于可以安装匹配的管理软件的某些特定的操作系统，它的接口主要是USB接口，串口（DB9接口），PS/2，S端子，航空接头等，并采用最先进的卫星接收核心,具有全方位功能，能满足工业级定位的严格要求与个人使用需要2、GSTARGSTAR模块性能指标主要有接收灵敏度、定位时间、位置精度、功耗、时间精度等。不同的GstarGPS模块有一定的性能差异，在各项参数上都有差别。GstarGPS模块的定位精度取决于很多方面，比如来自于GPS系统的卫星钟差及轨道差、可见GstarGPS卫星数量及几何分布、太阳辐射、大气层、多径效应等。另外，同一个GstarGPS模块，还会因为天线及馈线质量、天线位置和方向、测试时间段、开放天空范围及方向、天气、PCB设计等原因产生不同的定位误差。3、FASTRAXFASTRAX专门提供高性能GPS接收器、GPS软件解决方案和跟踪系统。它是选用SiGe半导体的SE4120产品来实现其软件GPS方案的，产品组合将GPS射频信号转换成数字、中频信号，提高了灵敏度，目标平台主要包括个人导航设备、移动互联网设备、产移动PC、智能电话等。2.2.2 NEO-6M-0-001模块NEO-6M-0-001采用U-blox芯片，模块体积16mm*12.2mm*2.4mm，也就是说模块的体积不如一个一角钱硬币大，体积非常小。冷启动和热启动首次定位时间都小于1秒，冷启动就是切断电源，重新启动机器，但是内存全都丢失，重新扫描电脑硬件，比如按机箱上的POWER键就是冷启动。热启动相对于冷启动是在计算机不切断电源情况下的程序启动。-162DBM(功率绝对值)的Supersense捕获和跟踪灵敏度，5Hz位更新频率，运行和存储温度在-40和+85，说明在恶劣天气下也可以正常使用，价格在五十元左右，性价比很高。2.3传感器概述传感器（Transducer Sensor）是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。传感器的特点包括：微型化、数字化、智能化、多功能化、系统化、网络化。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。人的感知器官有眼耳口鼻，五官可以通过味觉、嗅觉、听觉和视觉使人感知周围的变化。传感器的存在和发展，让物体有了触觉、味觉和嗅觉等感官，让物体慢慢变得活了起来。通常根据其基本感知功能分为热敏元件、光敏元件、气敏元件、力敏元件、磁敏元件、湿敏元件、声敏元件、放射线敏感元件、色敏元件和味敏元件等十大类. 传感器早已渗透到诸如工业生产、宇宙开发、海洋探测、环境保护、资源调查、医学诊断、生物工程、甚至文物保护等等极其之泛的领域。可以毫不夸张地说，从茫茫的太空，到浩瀚的海洋，以至各种复杂的工程系统，几乎每一个现代化项目，都离不开各种各样的传感器。由此可见，传感器技术在发展经济、推动社会进步方面的重要作用，是十分明显的。世界各国都十分重视这一领域的发展。相信不久的将来，传感器技术将会出现一个飞跃，达到与其重要地位相称的新水平。在本设计中，我们采用的是浮子传感器和温度传感器。2.3.1 DS18B20本文采用DS18B20温度传感器，它是常见的温度传感器，具有体积轻巧、使用方便、耐冷耐热、抗干扰能力强和性价比高等特点。DS18B20内部结构包括四部分：温度传感器、64位光刻ROM 、报警触发器、配置寄存器。它接线方便、封装后可以适用于狭小的设备中，包括锅炉测温、冷冻库测温、机房测温、农业大棚测温和粮库测温等普通温度场。DS18B20独特的单线接口方式使得仅需要一条口线即可实现与微处理器的双向通讯，它的测温范围在-55+125之间，测温误差1，精确度很高。支持多点组网，数个DS18B20可以并联在唯一的三线上，但最多只能连接8个，在使用中不需要添加任何外围元件。DS18B20的读写时序和测温原理与DS1820相同，只是得到的温度值的位数因分辨率不同而不同，且温度转换时的延时时间由2s 减为750ms。 DS18B20测温原理如图3所示。图中低温度系数晶振的振荡频率受温度影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给计数器1。高温度系数晶振 随温度变化其振荡率明显改变，所产生的信号作为计数器2的脉冲输入。计数器1和温度寄存器被预置在55所对应的一个基数值。计数器1对 低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当计数器1的预置值减到0时，温度寄存器的值将加1，计数器1的预置将重新被装入，计数器1重 新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数，如此循环直到计数器2计数到0时，停止温度寄存器值的累加，此时温度寄存器中的数值即 为所测温度。图3中的斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线性，其输出用于修正计数器1的预置值。2.3.22.4 单片机单片机因其主要的组成部分集中在一块芯片上而取名单片机，它包括中央处理器（CPU）、随机存储器（RAM）、定时/计数器、中断系统、只读存储器（ROM）以及I/O接口电路等，他虽然只是一个芯片，但在结构功能上，它具有和计算机一样的属性，所以也可以称它是单片微型计算机，即单片机。典型的单片机有ATMEL产AT89C51、Philips产P89C51RD2、Motorola产68HC05、Intel产MCS-51系列。单片机应用非常广泛，包括机电一体化、智能仪表、家用电器、分布式多机系统中。它的语言有三中，包括机器语言、汇编语言和高级语言。单片机的原理是自动自觉地进行控制和运算，把实现计算和控制的步骤一步步地用指令的形式，即一条条指令（Instruction）预先存入到存贮器中，单片机在CPU的控制下，将指令一条条地取出来，并加以翻译和执行，最后达到编程者的目的。目前按单片机内部数据通道的宽度，把它们分为4位、8位、16位及32位单片机。单片机独特的结构决定了它具有高集成度、高可靠性、控制功能强、性能价格比高、低电压和低功耗特点。2.4.1 STC12C5A60S2在众多的51系列单片机中，要算国内STC公司的1T增强系列更具有竞争力， STC12C5A60S