基于CAN总线的大棚温湿度检测节点设计

1、工业控制网络工业控制网络 课程设计（论文）课程设计（论文） 题目：题目： 基于基于CANCAN总线的大棚温湿度检测节点设计总线的大棚温湿度检测节点设计 院（系）：院（系）： 电气工程学院电气工程学院 专业班级：专业班级： 自动化自动化082082 学学 号：号： 学生姓名：学生姓名： 指导教师：指导教师： （签字）（签字） 起止时间：起止时间： 2011.12.282011.12.282012.01.062012.01.06 课程设计（论文）任务及评语课程设计（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

2、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、技术参数课题完成的功能、设计任务及要求、技术参数 实现功能实现功能 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

3、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、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

4、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 AM2302 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

5、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.2 2.1 概述 .2 2.2 系统组成总体结构 .2 第 3 章 CAN 节点硬件系统设计.4 3.1 单片机最小系统 .4 3.2 键盘电路 .5 3.3 显示电路 .5 3.4 电源电路 .6 3.5 SJA1000 与单片机的连接 .7 3.6 SJA1000 与 PCA82C250 的接口 .7 3.7 温湿度传感器.8 第 4 章 软件设计.10 4.1 系统主程序设计 .10 4.2 报

6、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

7、平，为了满足现代大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

8、制和实时控制的串行通信网络。CAN 总线的主要特点有： 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

9、 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

10、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

11、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 数字温湿度传 感器 AM2302 微处理器 STC89C52RC 时钟电路 复位电路 键盘电路 CAN 总线控 制器 SJA1000 数码管显示 CAN 驱动器 PCA82C250 120 欧 PC 机 5V 电源 图 2.1 系统总体框图 120 欧 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

12、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

13、理图如图 3.1 下所示。 图 3.1 单片机最小系统原理图 XTAL2 18 XTAL1 19 ALE 30 EA 31 PSEN 29 RST 9 P0.0/AD0 39 P0.1/AD1 38 P0.2/AD2 37 P0.3/AD3 36 P0.4/AD4 35 P0.5/AD5 34 P0.6/AD6 33 P0.7/AD7 32 P1.0 1 P1.1 2 P1.2 3 P1.3 4 P1.4 5 P1.5 6 P1.6 7 P1.7 8 P3.0/RXD 10 P3.1/TXD 11 P3.2/INT0 12 P3.3/INT1 13 P3.4/T0 14 P3.7/RD 17

14、P3.6/WR 16 P3.5/T1 15 P2.7/A15 28 P2.0/A8 21 P2.1/A9 22 P2.2/A10 23 P2.3/A11 24 P2.4/A12 25 P2.5/A13 26 P2.6/A14 27 U1 STC89C52RC X1 12MHZ C1 20pF C2 20pF +5V R3 10k C3 22uF 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

15、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

16、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。 XTAL2 18 XTAL1 19 ALE 30 EA 31 PSEN 29 RST 9 P0.0/AD0 39 P0.1/AD1 38 P0.2/AD2 37 P0.3/AD3 36 P0.4/AD4 35 P0.5/AD5 34 P0.6/AD6 33 P0.7/AD7 32 P1.0 1 P1.1 2 P1.2 3 P1.3 4 P1.4 5 P1.5

17、6 P1.6 7 P1.7 8 P3.0/RXD 10 P3.1/TXD 11 P3.2/INT0 12 P3.3/INT1 13 P3.4/T0 14 P3.7/RD 17 P3.6/WR 16 P3.5/T1 15 P2.7/A15 28 P2.0/A8 21 P2.1/A9 22 P2.2/A10 23 P2.3/A11 24 P2.4/A12 25 P2.5/A13 26 P2.6/A14 27 U1 STC89C52RC R1 1k R2 1k +5V K1 K2 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

18、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 C0 C1 C2 C3 C4 C5 C0 C1 C2 C3 C4 C5 A B C D E F G DP A B C D E F G DP LEWEI LEDU

19、 D0 2 D1 3 D2 4 D3 5 D4 6 D5 7 D6 8 D7 9 Q0 19 Q1 18 Q2 17 Q3 16 Q4 15 Q5 14 Q6 13 Q7 12 LE 11 OE 1 U4 74HC573 D0 2 D1 3 D2 4 D3 5 D4 6 D5 7 D6 8 D7 9 Q0 19 Q1 18 Q2 17 Q3 16 Q4 15 Q5 14 Q6 13 Q7 12 LE 11 OE 1 U3 74HC573 V1 220V BR1 KBU4B SW1 SW-SPST TR1 9V 2A C1 4700uF C2 0.1uF VI 1 VO 3 GND 2 U2 7

20、805 C3 0.1uF C4 470uF R3 10k D1 LED 3.5 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

21、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 址范围是 0 x0000H0 x00FFH。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 SJ

22、A1000 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 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

23、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 RS V CC V 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 0.4 CC V 0.75时，器件进入低电流消耗的 RS V CC V 准备模式。 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

24、.7 AM2302 数字温湿度传感器原理图 VCC 1 SDA 2 NC 3 GND 4 AM2302 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

25、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

26、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

27、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？ Y N 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 Y N 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

28、传感器的过程中，通过网络，能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，2003 2 彭军传感器与检测技术M西安电子科技大学出版社，2003 3 陈杰，数字电子技术 M北京：高等教育出版社，2003 4

29、 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， 2002，23-39 5 郁有文CAN 总线设计实例M西安：西安电子科技大学出版社，2003 6 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， 2003 7 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，2003 8 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- 25 10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

30、.西安：西安电子科技大学出 版社，2001.13-118. 附录 tgKQcWA3PtGZ7R4I30kA1DkaGhn3XtKknBYCUDxqA7FHYi2CHhI92tgKQcWA3PtGshLs50cLmTWN60eo8Wgqv7XAv2OHUm32WGeaUwYDIAWGMeR4I30kA1DkaGhn3XtKknBYCUDxqA7FHYi2CHhI92tgKQcWA3PtGZ7R4I30kA1DkaGtgKQcWA3PtGZ7R4I30kA1DkaGhn3XtKknBYCUDxqA7FHYi2CHhI92tgKQcWA3PtGshLs50cLmTWN60eo8Wgqv7XAv2OH

31、Um32WGeaUwYDIAWGMeR4I30kA1DkaGhn3XtKknBYCUDxqA7FHYi2CHhI92tgKQcWA3PtGZ7R4I30kA1DkaGtgKQcWA3PtGZ7R4I30kA1DkaGhn3XtKknBYCUDxqA7FHYi2CHhI92tgKQcWA3PtGshLs50cLmTWN60eo8Wgqv7XAv2OHUm32WGeaUwYDIAWGeR4I30kA1DkaGhn3XtKknBYCUDxqA7FHYi2CHhI92tgKQcWA3PtGZ7R4I30kA1DkaGtgKQcWA3PtGZ7R4I30kA1DkaGhn3XtKknBYCUDxqA7F

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33、0kA1DkaGtgKQcWA3PtGZ7R4I30kA1DkaGhn3XtKknBYCUDxqA7FHYi2CHhI92tgKQcWA3PtGshLs50cLmTWN60eo8Wgqv7XAv2OHUm32WGeaUwYDIAWGMeR4I30kA1DkaGhn3XtKknBYCUDxqA7FHYi2CHhI92tgKQcWA3PtGZ7R4I30kA1DkaG TX0 RX0 ALE ALE TX0 RX0 CANH CANL P30 P30 P31 P31 DUAN WEI A B C D E F G DP 1 2 3 4 5 6 1 2 3 4 5 6 D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 WEI A B C D E F G DP D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 DUAN D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 XTAL2 18 XTAL1 19 ALE 30 EA 31 PSEN 29