[信息与通信]基于CAN现场总线的温室温湿度测控系统设计.doc

基于CAN 现场总线的温室温湿度测控系统设计本科生毕业论文(设计)题 目： 基于CAN 现场总线的温室 温湿度测控系统设计 学生姓名： 向 哲 奇 学 号： 20081602023 专业班级： 通信08102班 指导教师： 张 晓 虎 完成时间： 2012年5月10日 33目 录摘 要IABSTRACTII第1章 绪论11.1 引言11.2 CAN总线特点及国内外应用现状21.3课题的提出和解决41.4课题的主要任务4第2章 系统总体方案设计62.1 概述62.2 方案选择62.2.1 单片机选型62.2.2 温湿度传感器选型62.2.3 总线控制器选型72.3 系统组成总体结构7第3章 硬件设计93.1 单片机最小系统93.2 温度检测电路93.3 A/D转换电路103.4 湿度传感器电路113.5 键盘电路123.6 显示电路123.7 CAN接口电路133.7.1 总线控制器133.7.2 光电耦合器143.7.3 CAN收发器153.8 电源电路163.9 语音报警模块163.9.1 ISD1420语音芯片录放音电路设计173.9.2 录音、放音简介203.9.3 ISD1420与AT89S52接口电路设计203.10 温、湿度升降控制模块203.10.1 SSR固态继电器的工作原理及应用203.10.2 SSR固态继电器特性21第4章 软件设计224.1 CAN总线主分机通信协议224.1.1 总线通信协议224.1.2 下位机通信模式234.2 主程序流程图234.3 SJA1000初始化程序流程图244.4 发送程序流程254.5 接收程序流程26结 论28参考文献29致 谢31摘 要针对以往温室内变量检测劳动强度大、精度低、范围小的现象，本文应用温度和湿度传感器，提出了基于CAN总线的温湿度测控系统设计方案。本设计详细分析了基于CAN总线的温湿度检测和系统的通信原理，设计了单片机最小系统、CAN通信接口电路、温度传感器电路、湿度传感器电路、键盘电路、显示电路和语音报警等模块。基于CAN总线的温湿度测控系统实现了温湿度的检测和实时显示，并可以与其它节点通信以便于温室内大范围的温湿度监测和控制，节点结构简单，便于拓展，降低了劳动强度，提高系统的实时性和可靠性。关键词：CAN总线；单片机；温湿度检测；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, 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 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, 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基于CAN 现场总线的温室温湿度测控系统设计第1章 绪论1.1 引言20世纪80年代末、90年代初兴起的现场总线技术引发了工业自动化领域的重大变革，它代表着工业控制网络技术的发展方向。现场总线控制系统(FCS)将集散式控制系统中集中与分散相结合的模式变成了新型的全分布式控制模式，控制功能彻底下放到现场，现场控制设备通过总线与管理层交换信息。在企业信息系统的层次上，整个企业信息网络可以分为现场控制层、过程监控层、生产管理层、市场经营层等多个层次。工业控制网络是控制技术、通信技术、计算机技术在企业现场控制层、过程监控层的综合体现，被称为工厂底层网络。目前，工业控制网络技术的应用已经推广到过程控制自动化、制造自动化、楼宇自动化以及交通运输等多个领域。目前一般把现场总线系统称为第五代控制系统，也称作现场总线控制系统(FCS)。人们一般把50年代前的气动信号控制系统PCS称作第一代，把420mA等电动模拟信号控制系统称为第二代，把数字计算机集中式控制系统称为第三代，而把70年代中期以来的集散式分布控制系统DCS称为第四代。现场总线控制系统FCS作为新一代控制系统，一方面，它突破了DCS系统采用通信专用网络的局限，采用了基于公开化、标准化的解决方案，克服了封闭系统所造成的缺陷；另一方面把DCS的集中与分散相结合的集散系统结构，变成了新型全分布式结构，把控制功能彻底下放到现场。可以说，开放性、分散性与数字通讯是现场总线系统的最显著的特征。目前的现场总线技术有较强实力和影响的有：基金会现场总线FF(Foudation Fieldbus)、局部操作网络LonWorks(Local Operating Network)、过程现场总线Profibus(Process Field Bus)、HART协议、控制局域网络CAN(Controller AreaNetwork)和Dupline等。它们各具特色，在不同的应用领域形成了自己独特的优势。CAN总线是德国Bosch公司在20世纪80年代初为解决汽车中大量的控制与测试仪器之间的数据交换而开发的一种串行数据通信协议。CAN能灵活有效地支持具有较高安全等级的分布式控制其数据传输速度可达1Mbps，在汽车、煤矿安全检测、自动化仪表、智能楼宇、机械制造等领域应用广泛。本文介绍了一种基于CAN总线的智能温、湿度检测系统，可应用于不同的工业自动化领域。近些年来，温室大棚种植为提高人们的生活水平带来极大的便利，得到了迅速的推广和应用国家科技部提出的工厂化高效农业示范工程，推动了温室监控技术的发展。但总体来讲，我国温室产业环境控制能力弱，自动化程度低，抵御自然条件能力差。这在很大程度上限制了温室总体效益的进一步提高。种植环境中的温度、湿度、光照度等环境因子，对作物的生产有很大的影响传统的人工控制方式难以达到科学合理种植的要求，国内实现上述环境因子自动监控的系统还不多见，而引进国外具有多功能的大型连栋温室控制系统价格昂贵，不适合国情。对温湿度的精确检测和远距离传输越来越受到人们的重视，针对这一情况，研制一种高精度、高稳定性、低成本且实用的分布式环境温湿度检测控制系统显得非常重要。而利用CAN总线实现远距离节点间和PC机的实时通信，具有结构简单、可靠性高、成本低、实时性好、安装维护方便且便于功能扩展等优点，提高了管理水平和工作效率，所以将CAN总线应用于温室控制具有较好的前景。1.2 CAN总线特点及国内外应用现状目的现场总线在美国和欧洲等发达国家和地区发展迅速，并已有较多的应用范例。国内的大学和一些公司也正致力于基于CAN总线的系统开发。在汽车信号传输，电力监控，楼宇智能化，工业测控，安防等领域有着广泛的应用，现场总线的主要优点：(1)增强了现场级信息集成能力；(2)开放式、互操作性、互换性，可集成性；(3)系统可靠性高、可维护性好；(4)降低了系统及工程成本。现代自动控制越来越朝着智能化发展，在很多自动控制系统中都用到了工控机，小型机、甚至是巨型机处理机等，当然这些处理机有一个很大的特点，那就是很高的运行速度，很大的内存，大量的数据存储器。但随之而来的是巨额的成本。在很多的小型系统中，处理机的成本占系统成本的比例高达20%，而对于这些小型的系统来说，配置一个如此高速的处理机没有任何必要，因为这些小系统追求经济效益，而不是最在乎系统的快速性，所以用成本低廉的单片机控制小型的，而又不是很复杂，不需要大量复杂运算的系统是非常适合的。单片机，又称微处理器，已经应用到各行各业，制造单片机的半导体厂家也从十几年前的屈指可数的几家发展到现在的几十家甚至更多。不同厂家提供了基于不同架构平台，具备不同功能特点的单片机，这就使得我们根据具体设计的要求，挑选一款最合适的芯片进行系统开发，在满足功能要求的同时最大限度地降低成本。本文介绍的温湿度实时控制装置可0-50和20%-98%RH(相对湿度)间任意设定温温、湿度值，由执行机构控制温度、湿度满足预定设置，设有语音提示功能，方便用户使用。另外，本系统中还应用了CAN总线通信协议，使得通信距离比以前的温湿度控制系统更远、更实用。同时本系统中还用到ISD语音芯片，它与目前的语音芯片相比较，具有以下的特点：1.ISD语音芯片精度高、集成度高， 使微机的语音输出结构简化，造价大大降低。2.在单片机的控制下，将语音芯片与其它仪表配接，便可制成“会说话”的智能型仪器仪表。3.由于ISD语音器件抗干扰性强，所以在环境恶劣的系统中，如机车车辆，也能进行正常的语音输出，信息保存时间长，工作可靠。4.ISD尤其适用于复杂的机电系统的状态检测和故障诊断， ISD作为语音输出， 不但可以给出系统状态的故障信息，还可以给出故障部位及性质，比原来的数码管显示更加迅速、准确、丰富，使操纵人员易于紧急处理。5.由于ISD芯片的输出可以高保真的再现原声，可将ISD语音芯片用于语音及声音信号的检测或模拟系统。所以，ISD系列单片语音器件具有广泛的应用前景。正是基于ISD公司生产的这种语音芯片的诸多特点与优点，所以目前市场上，语音芯片的应用正在慢慢的向这样使用简单、操作方便、性价比高的ISD语音芯片靠拢。例如在“司机模拟驾驶器”及“微机辅助教学培训装置”的开发研制中都是应用了ISD语音芯片来作为提示语音，并由于其输入与输出信息的高保真特点，还被用来模拟机车内部各种机器运行及故障时所发出的相应声音信号。1.3 课题的提出和解决随着科技的发展和人们生活水平的提高，温室的管理也越来越智能化。它采用传感技术、计算机技术和现代通信技术，实现对温室实行综合自动管理，具有各种安全保护、运行监控等管理功能，给植物提供舒适、安全的内部环境。温室的温湿度必须常年控制在某一特定的范围内，实现温湿度控制智能化。同时时由于温湿度设定的横糊性和个体差异性，需要有一种智能化的殴定方法，柬实现温湿度没定值的自动匹配。本文介绍的温湿度监控系统，基于CAN总线，采用AT89S52单片机作为智能节点控制器，系统通信可靠、快捷，硬件电路设计和软件编程简单，能较好地满足对环境温湿度监控的智能化要求。1.4 课题的主要任务 综合以前所学知识，利用电路、电子技术、单片机的原理与应用等知识，然后查阅国内外关于检测与传感技术以及语音报警等方面的发展动态和已有的技术，设计一个基于CAN现场总线的温室温湿控制系统设计，因此达到如下要求：1.通过本课题硬件设计，可以使我们了解检测与传感技术的基本原理和语音报警系统的使用方法。2.能够灵活的运用单片机进行其他各种控制电路的设计开发。通过本课题软件编程能提升我们对单片机的编程水平，能够具有一定的编程技能。3.通过课题设计能让自己将所学的知识综合应用,了解本专业在社会中的应用价值,掌握更多的专业外语知识,增加见识,增强实践能力,创新能力和综合分析问题能力,学会使用专业软件,特别是专业画图软件，另外，在熟练的使用计算机基础上,提高了自己检索资料和利用知识的能力,更新知识,让自己养成良好的学习习惯和严谨的工作风。4.通过CAN总线串口通信协议的学习、使用，能使我从实践层面了解了通信协议理论知识的应用及作用，为以后更好的学习、应用单片机编程打下了基础。5.详细分析课题任务书，对温室温湿度控制的历史和现状进行分析，并对温湿度传感器和语音芯片的原理进行深入的研究，将其综合。然后根据课题任务书的要求设计出实现控制任务的硬件原理图和软件，并进行仿真调试。第2章 系统总体方案设计2.1 概述本设计是一个基于CAN总线的温室温湿度测控系统，节点采集温湿度模拟量信号送入主控制器，并将节点的主控制器连接在CAN总线上，可实现远程通信和监控。 应用场合：系统可应用于温室、粮食仓储、纺纱车间、图书馆等环境监测调节和报警监控等。 系统功能介绍：基于CAN总线的温室温湿度测控系统可以实时检测温室内温度和湿度值，并可以进行键盘控制和实时显示温湿度值，主控制器可以与总线其他节点通信，温室总线检测范围可达到3000米，通信速率最高可达20bit/s。2.2 方案选择2.2.1 单片机选型由要求可知，系统设计的主控制器为单片机，而单片机分为很多种，选择有以下两种方案。方案一：主控制器选择16位凌阳单片机，该单片机具有语音处理功能、集成A/D和D/A模块，时钟频率比较高，具有较强的信息处理功能。方案二：主控制器选择51系列单片机AT89S52，该单片机有8K字节Flash ROM，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。凌阳单片机集成度高，价格较贵，而AT89S52单片机应用普遍、技术相对成熟、价格低廉，完全可以满足本系统设计的要求，故选择方案二。2.2.2 温湿度传感器选型方案一：选用DHT11作为温湿度检测模块。DHT11是一款数字输出的复合传感器，包含一个电阻式感湿元件和NTC式温度检测元件，可测2090%RH湿度，误差5%RH，050摄氏度，误差2摄氏度。方案二：选用LM35温度传感器和HS1101湿度传感器。LM35输出电压与摄氏温标呈线性关系，不需要额外的校准处理即可达到 1/4的准确率，输出可为电压或者电流信号。测量范围在0 到 100。HS1101是电容式湿度传感器，可测相对湿度范围在0%100%RH，误差为-+2%RH，可以与555定时器构振荡电路输出与湿度对应的脉冲信号。由上述数据可知，方案一的集成温湿度传感器输出数字信号，且传感器的误差较大，而方案二的分立温度传感器输出模拟信号，适宜温室内的远距离传输，精度较高，并且湿度传感器的输出脉冲信号抗干扰能力强。 2.2.3 总线控制器选型CAN总线控制器分为两类，一类是集成于微处理器中的CAN控制器，另一类是独立CAN控制器。集成于微处理器中的CAN控制器自带MCU，在系统设计中可以减少制版面积、降低系统功耗。独立的CAN控制器的优点是可以与多种微处理器连接，使用灵活方便，便于基层开发，并且成本较低。综上可知，本系统设计有独立的单片机，故选择独立的CAN总线控制器，可以降低成本、灵活地扩展节点功能。CAN控制器是以一块可编程芯片上的逻辑电路的组合来实现网络层次结构中数据链路层和物理层功能的器件，对外它提供了与微处理器的物理线路的接口。目前生产CAN器件的知名厂商有：Intel、PHILIPS、Motorola、TI以及SIEMENS等。系统选取PHILIPS公司生产的SJAl000作为CAN总线控制器。2.3 系统组成总体结构本设计由单片机最小系统、湿度检测电路、温度检测电路、A/D转换电路、键盘电路、显示电路、CAN控制器、光电耦合电路、CAN收发器和电源电路构成。本系统以单片机AT89S52为主控制器，键盘设定温湿度的上下限，由温度传感器检测温室内的温度并经A/D转换后送往单片机，湿度传感器检测湿度值转换为脉冲信号送往单片机，LCD实时显示室内的温湿度值及报警信息，单片机通过CAN总线控制器、光电耦合电路和CAN驱动器连接至CAN总线，与总线的其他节点通信，实现温湿度值的检测、处理及监控。工作原理：由集成的热电偶传感器、集成湿敏电容传感器分别完成对系统温、湿度进行检测，并完成信号标准化、变送功能。通过CAN总线通信协议，把采集的温湿度数据由单片机传送给主机，并执行控制功能，由固态继电器控制大功率发热器（除湿机、加热器）电源的导通与断开，从而达到控制环境温湿度的目的，使温室温湿度控制在温室可控的范围之内。系统原理框图分机0PCA82C2506N13光隔SJA1000AT89S52显示报警键盘继电器继电器加热器除湿机PCA82C2506N13光隔SJA1000AT89S52温度传感器湿度传感器主机CAN总线图2.1 系统方案的原理框图第3章 硬件设计3.1 单片机最小系统单片机最小系统由单片机AT89S52、时钟电路和复位电路构成。单片机的P0口与A/D转换器、LCD1602显示器和SJA1000控制器的地址/数据口相连，P2口作为转换器和CAN控制器的片选控制端口，P1口作为键盘输入和显示控制端口，计数器T0口记录来自湿度传感器的脉冲信号，外部中断INT0接收CAN控制器的中断信号。单片机最小系统电路如图3.1所示。图3.1 单片机最小系统电路3.2 温度检测电路本设计选用LM35为温度传感器，LM35温度传感器输出电压与摄氏温标的线性度好，而且输出模拟量信号适合远距离传输，LM35输出与温度值对应的电压信号经放大10倍后变为标准信号送往A/D转换电路，温度检测电路如图3.2所示。图3.2 温度检测电路3.3 A/D转换电路LM35输出的电压信号要转换为对应的数字信号才可被单片机接收，本设计选取ADC0809作为A/D转换器即可满足要求，由于ADC0809的时钟信号为500KHZ，故将单片机的ALE端接四分频器后给转换器作为时钟。A/D转换电路如图3.3所示。图3.3 A/D转换电路3.4 湿度传感器电路本设计的湿度检测电路由555多谐振荡器来实现，HS1101作为电容变量接在555芯片的2、5脚之间，引脚7用作电阻R2的短路，等量电容HS1101通过R3、R4充电到门限电压（约0.67V），通过R5放电到触发电平，然后R4通过7短路到地，传感器由不同的电阻R3、R4充放电，进行工作循环,形成方波。其周期计算如下： T充电=C*（R3+R4）*ln2； T放电=C*R4*In2；由此可知输出方波频率为f =1/（T充电+ T放电）=1/C*（R3+2R4）*ln2；HS1101传感器的电容值与温室湿度成线性关系，可见空气湿度通过555测量振荡电路后，就转变为与之呈反比例的频率信号，后将频率信号送单片机的计数器即可计算出湿度值。湿度检测电路如图3.4所示。 图3.4 湿度检测电路3.5 键盘电路本设计的键盘功能较少，可以选用32矩阵键盘，键盘用来设定温湿度的上下限值和控制通信，键盘电路如下图3.5所示。图3.5 键盘电路3.6 显示电路由于智能节点的需要实时显示室内的温湿度值和报警信息，数据较为复杂，故选择LCD1602液晶显示器，可以显示162 个字符，具有显示质量高、数字式接口 、体积小、重量轻 、功耗低等优点，可以满足设计的要求。显示电路如下图3.6所示。图3.6 显示电路3.7 CAN接口电路CAN接口电路主要由CAN控制器SJA1000、光电耦合器6N137和CAN驱动器PCA82C250构成。CAN总线控制器的地址/数据复用总线与单片机的P0口相连，并将中断输出到单片机中端口，总线控制器串行数据输出线(TX)和串行数据输入线(RX)分别经光电耦合电路连接至总线驱动器82C250，总线驱动器通过有差分发送和接收功能的两个总线端CANH和CANL连接至CAN总线电缆。CAN总线链路层的规定主要由CAN总线控制器实现，物理层的规范主要由CAN总线驱动起来实现，光电耦合电路主要实现网络和信息采集电路的电气隔离，保障总线网络的正常运行。节点通过单片机编程控制CAN总线控制器来实现CAN总线节点间的通信CAN控制器。3.7.1 总线控制器CAN总线控制器提供了与单片机控制器的数据线路接口，单片机通过对控制器编程设置其工作模式，控制其工作状态，启动CAN报文的发送并对反馈报文接收予以相应，即CAN总线控制器实现了CAN协议中最复杂的数据链路功能。本设计的总线控制器选用SJA1000，SJA1000的引脚图如下图3.7所示。图3.7 SJA1000的引脚图SJAl000是适用于汽车和一般工业环境的独立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），这种模式支持具有新特点的CAN2.0B协议。SJA1000CAN总线控制器的性能如下：标准结构和扩展结构信息的接收和发送；有标准的接收缓冲器64字节，先进先出(FIFO)；支持CAN20A和CAN20B协议；通信位速率可达1Mbps；支持11位和29位标识码；在PeliCAN模式下，SJAl000具有以下新增特性：接收和发送标准和扩展格式报文；达64字节的接收FIFO；对于标准和扩展帧都有单双接收过滤器，接收过滤器包括屏蔽码和接收码寄存器；可读/访问的错误计数器；可编程的错误报警限；最近一次错误代码寄存器；对于每种CAN总线错误都能产生不同的出错中断；仲裁丢失中断；并带有详细丢失仲裁时不重发；只听模式(监视CAN总线，无应答，无出错标志)；支持热拔插(对总线无干扰的传输速率检测)；自身发送报文接收(自接收请求)；硬件禁止CLKOUT输出。3.7.2 光电耦合器由于总线传输距离远，现场环境干扰大，为了增强抗干扰能力，在SJA1000与PCA82C250间采用高速光耦6N137实现总线电气隔离。为了有效隔离，6N137两端的电源使用B0505S-1W隔离，而且可以减少CAN总线有效回路信号的传输延迟时间，传输延迟时间短。6N137引脚图如下图3.8所示。图3.8 6N137引脚图3.7.3 CAN收发器 CAN总线收发器实现了物理层的功能，一方面将控制器发送信号转化为符合CAN物理层标准的信号，进行放大、传输；另一方面将总线上收到的信号转变为控制器所能接收的电平信号。其本质是提供了CAN控制器与物理总线之间的接口：即为总线提供差分信号的发送功能，为控制器提供差分信号的接收功能。本设计的CAN收发器选择PCA82C250， PCA82C250引脚图如下图3.9所示。 图3.9 PCA82C250引脚图CAN接口电路如图3.10所示。图3.10 CAN接口电路3.8 电源电路由于单片机最小系统、温湿度传感器、A/D转换器和CAN驱动发送模块都需要供电，而且电压不同，故将220V交流电经变压、滤波后，经稳压器LM7812输出12V电压给放大器供电，后经LM7805输出VCC电压给单片机、温湿度传感器和总线控制器供电，而光电耦合电路要实现与CAN总线电气隔离，故将LM7805后接B0505S-1W进行电源隔离VCC1给耦合器和收发器供电。电源电路如图3.11所示。图3.11 电源电路3.9 语音报警模块本模块采用的核心语音芯片ISD1420语音芯片是美国ISD(Information Storage Device)公司的产品。它包括时钟振荡器、128K可编程电擦除只读存储器（EEPROM）、低噪前置放大器、自动增益控制电路、抗干扰滤波器、差分功率放大器等电路。ISD1400系列语音芯片采用直接存储模拟信号，自动待机省电，可编程电擦除只读存储和总线技术。ISD1400是一种具有高保真、录音数据永久保存、省电、适用于同单片机接口特点的新一代语音芯片。ISD1420是ISD1400系列中录音时长为20s语音芯片。ISD1420是采用模拟存取技术集成的可反复录放的20秒语音芯片，掉电语音不丢失，最大可分160段，最小每段语音长度为125ms，每段语音都可由地址线控制输出，每125ms为一个地址，由A0-A7八根地址线控制。3.9.1 ISD1420语音芯片录放音电路设计分段录音时，ISD1420的A0-A7用作地址输入线，A6、A7不可同时为高电平，所以地址范围为00H-9FH，即为十进制码0-159 共160个数值。这表明ISD1420的EEPROM模拟存储器最多可被划分为160个存储单元，也就是说ISD1420最多可存储160个语音段，语音段的最小时间长度为0.125S。不同分段的选择是通过对A0-A7端接不同的高低电平来实现。ISD1420分段录音可以通过硬件（开关）来实现也可以通过软件编程来实现。图3.12 语音芯片录音和放音电路其中ISD1420各引脚说明如下：A0-A7地址输入端，当A6和A7不全为高电平时，A0-A7为分段录音信息地址线，不同的地址对应不同的录音片断。MIC话筒输入端，话筒输入信号通过电容交流耦合至此引脚并传给片上预放大器，耦合电容C7的值和该端内阻R7(10K)决定语音信号通频带下限频率。MICREF话筒参考输人端，MICREF是预放大器的反相输入端，配合外电路可使片上预放大器具有较高的噪声抑制比和共模抑制比。ANA IN模拟信号输人端，对于话筒输入，ANA IN 引脚应通过外部电容C4与ANA OUT引脚连接，耦合电容C4决定片上控制预放大器通频带的下限频率。ANA OUT预放大器的输出端，预放大器的电压增益取决于AGC电平，对于小信号输入电平，其增益最大为24dB，对于强信号，增益较低。AGC自动增益控制端，AGC 动态地调整预放大器增益，使加至MIC输入端的非失真信号的范围扩展。内阻抗（5欧）和外部电容决定AGC的响应时间，外部电容和外部电阻的RC时间常数决定AGC的释放时间。SP+、SP- 喇叭输出端，该端可直接驱动16欧的喇叭。XCLK外接时钟输入端，ISD1420具有内部时钟，一旦接人外部时钟，内部时钟会自动失去作用。改电路不用外部时钟该引脚接地，一般不推荐使用外部时钟，除非要求时钟信号特别精确。RECLED工作状态指示端，在录音或放音时该端输出低电平，可驱动一个LED来指示状态。在录音过程中指示灯一直亮着，在放音结束时，指示灯闪烁一下。PLAYE边沿触发放音控制端，该端输人一低脉冲，芯片即进入放音状态，直至遇到信息结束标记（EOM）或到存储空间的末尾时回放过程结束，电路自动进入准备状态。回放过程中PLAYE变化不会影响回放过程。PLAYL电平触发放音控制端，该端电平变为低电平并保持，芯片进入放音状态，放音过程持续到该端电平由低变高或遇到信息结束标记（EOM），结束后电路进入准备状态。REC录音触发端，REC 一旦变为低电平，芯片就进入录音状态，REC的权限优先于PLAYE和PLAYL，在放音期间若遇REC 接低电平时，放音就会立即停止并转入录音状态开始录音。录音期间REC 应始终保持低电平，REC变高或存储空间变满时录音过程结束，这时在录音截止的地方会记录一个信息结束标记（EOM）。VCCD、VCCA数字电源正端和模拟电源正端。VSSD、VSSA数字地和模拟地。电路实现录音功能说明如下，S1、S2、S3分别是控制录音和放音按键，当按下S1时开始录音，S2、S3为两种方式的放音按键，当按一下S2时开始放音，是下降沿触发的，而S3为电平控制的，必须一直按着此键直至放音结束。LED和限流电阻组成录放音指示电路，当录音结束、录音超出时限（存储器溢出）或放音结束时，ISD1420的25脚呈高电平，LED熄灭。对ISD1420进行分段录音之前要先列出语音信息与分段地址的对照表，如表4.4所示。然后检查电路连接、接线和电源情况。并通过对照表来设置8个开关选择要录音的地址，最后按下录音键直至录音结束，松开录音键，重复此操作就可以将自己需要录入的内容全部录入到芯片中。另外，A0和A1都需要接地，因为我们要确保分段间隔不小于0.5S，所以至少要四段，否则录音的信息可能会重叠，导致放音时达不到自己的要求。用户录制的语音每一段结束后芯片自动设有段结束标志（EOM），芯片录满后设有溢出标志（OVF）。表3.1 分段语音信息与地址对照表语音信息分段地址A7A6A5A4A3A2A1A0100H00000000208H00001000310H00010000418H00011000520H00100000628H00101000730H00110000838H00111000940H01000000十48H01001000摄氏度50H01010000现在温度是58H100110003.9.2 录音、放音简介如图所示，首先通过麦克风向语音芯片ISD1420录入“0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10，点，度”、“10%RH，20%RH，30%RH，40%RH，50%RH，60%RH，70%RH，80%RH，90%RH”等音符。当单片机AT89S52接收到温度值或湿度值时，就会自动地去寻找相对应音符的地址，并把这些音符通过扬声器播放出来。3.9.3 ISD1420与AT89S52接口电路设计ISD1420录音和放音电路可以通过硬件开关控制。本设计录音是用硬件控制，但是播报温度放音是通过AT89S52来控制的。单片机某一段的起始地址进行放音操作，遇到段结束标志（EOM）即自动停止放音，单片机收到段结束标志（EOM）就开始触发下一段语音的起始地址，如此控制，即可以将很多、不同段的语音组合在一起成一句话放音出来，实现语音的自动组合。ISD1420与AT89S52的接口连接入下：AT89S52的P1端口连接地址线ISD1420的A0-A7，ISD1420放音电路通过AT89S52的P3.3口控制PLAYER放音。具体连接图见图3.123.10 温、湿度升降控制模块 温湿度升降控制主要采用固态继电器和电器驱动控制设备来完成，要了解温湿度升降控制的工作过程，先了解固态继电器的工作原理，以及特征。固态继电器与机电继电器相比，是一种没有机械运动，不含运动零件的继电器，但它具有与机电继电器本质上相同的功能。SSR是一种全部由固态电子元件组成的无触点开关元件，他利用电子元器件的电，磁和光特性来完成输入与输出的可靠隔离，利用大功率三极管，功率场效应管，单向可控硅和双向可控硅等器件的开关特性，来达到无触点，无火花地接通和断开被控电路。在此次设计中选择的固态继电器是国产的H220D15。3.10.1 SSR固态继电器的工作原理及应用 固态继电器SSR(Solidstatereleys)是一种无触点通断电子开关,为四端有源器件。其中两个端子为输入控制端,另外两端为输出受控端,中间采用光电隔离,作为输入输出之间电气隔离(浮空)。在输入端加上直流或脉冲信号,输出端就能从关断状态转变成导通状态(无信号时呈阻断状态),从而控制较大负载。整个器件无可动部件及触点,可实现相当于常用的机械式电磁继电器一样的功能。SSR固态继电器以触发形式,可分为过零型、随机型、峰值型和相位型开关。在输入端施加合适的控制信号4-32VDC或20-280VAC时,过零型、随机型、峰值型SSR立即根据对应的方式导通。当控制信号撤销后,负载电流低于双向可控硅维持电流时(交流换向),SSR关断。S系列固态继电器,HS系列增强型固态继电器、可以广泛用于:计算机外围接口装置,恒温器和电阻炉控制、交流电机控制、中间继电器和电磁阀控制、复印机和全自动洗衣机控制、信号灯交通灯和闪烁器控制、照明和舞台灯光控制、数控机械遥控系统、自动消防和保安系统、大功率可控硅触发和工业自动化装置等。在应用中需要考虑下述问题：1.器件发热；2.封装和安装形式；3.输入端驱动；4.干扰问题；5.过流/过压问题；6.关于负载的考虑。3.10.2 SSR固态继电器特性 1.高寿命，高可靠:SSR没有机械零部件，有固体器件完成触点功能，由于没有运动的零部件，因此能在高冲击，振动的环境下工作，由于组成固态继电器的元器件的固有特性，决定了固态继电器的寿命长，可靠性高。 2.灵敏度高，控制功率小，电磁兼容性好:固态继电器的输入电压范围较宽，驱动功率低，可与大多数逻辑集成电路兼容不需加缓冲器或驱动器。 3.快速转换:固态继电器因为采用固体器件，所以切换速度可从几毫秒至几微妙。 4.电磁干扰小:固态继电器没有输入线圈，没有触点燃弧和回跳，因而减少了电磁干扰。大多数交流输出固态继电器是一个零电压开关，在零电压处导通，零电流处关断，减少了电流波形的突然中断，从而减少了开关瞬态效应。第4章 软件设计程序主要包括主程序、CAN控制器初始化程序、湿度检测中断程序、接收程序和发送程序。其中主程序主要完成中断初始化、键盘扫描、温度检测和温湿度显示及报警等功能；CAN控制器初始化程序主要完成SJA1000的初始化设置；湿度检测中断程序完成湿度传感器的脉冲计数及对应适度的计算；接收程序由单片机的外部中断完成，主要实现系统接收报文的处理；发送程序主要实现系统报文的发送。4.1 CAN总线主分机通信协议基于CAN现场总线的温室温湿度测控系统设计是一个多点温湿度采集测控系统，温度、湿度多点采集与控制处理是一个综合性强、涉及面广的系统，可以对不同对象的温度、湿度进行监测及控制温度、湿度的大小，具有较强的应用性。由于是多点采集温、湿度，而且在一定的空间内，那么不能利用分机不定时的向主机发送温、湿度采集数据，如果这样就会出现测控重复或者各点信息挤占通信回路。因此，为了避免出现上述现象，这里将采用主机定时（每隔100ms依次发送）上各个分机发送地址信息的模式，接到相应分机地址的分机才作出反应；而没有接到相应分机地址的分机降将处于待定状态，等待下一次主机发送的信息。在设计总线通信协议时，分别对各个下位机（分机）进行地址编号，此设计利用了多个下位机，那么编号可以为：J0、J1、J2、J3、J4、J5、J6、J7，下位机及主机都连接在物理总线（CAN总线）上，这样便于主分机的通信，也简化了控制设计的布线。主机发送下位机的编号地址来采集相应下位机Jx(x：07)的温、湿度信息，通过并调用温、湿度采样子程序，判断下位机Jx处的传感器采集的温、湿度是否在程序的预置值范围内。4.1.1 总线通信协议1若不在预置值范围内便进行发一脉冲信号（设置为：1）启动外部加热设备，此时调用扫描显示方程子程序，当主机发送该下位机地址所采集的温、湿度在预置值范围内时，便又会发送一个脉冲信号（设置为：0）关闭外部驱动电路。2若采集的温、湿度数据在预置值范围内，CPU不会发送一脉冲信号给外部驱动电路，而是返回进行下一下位机的温、湿度采集，并判断。如此循环的进行多点的温、湿度测控。4.1.2 下位机通信模式 CAN总线通信协议格式中有四种帧格式：数据症远程症出错帧和超载郑其中数据帧和远程帧的发送需要在CPU控制下进行，而出错帧和超载帧的发送则是在错误发生或超载发生时自动进行的。因此人们更关心前两个帧的结构。 一个完整的数据帧格式，除仲裁尝控制尝数据场外都是CAN控制器发送数据时自动加上去的，而仲裁尝控制尝数据场则必须由CPU控制给出。用SJA1000时，写出发送缓冲器的TXID0、TXID1即设定了相应的仲裁场和控制常TXID0即为仲裁场的高8位，TXID1的高3位为仲裁场的低3位，仲裁场共11位。TXID1的第5位为RTR位，即远程请求位，在数据帧中为“0”；TXID1低四位标示数据场所含字节数的多少，称为DLC。RTR与DLC共同构成控制常发送的数据组成数据场，最多不超过8个字节。远程帧与数据帧的形式差别在于没有数据常除此形式上的差别外，在远程帧中RTR位须置“1”，表示请求数据源节点向它的目的点（即发送远程帧的节点）发送数据。源节点接收到该帧后，把要发送数据用数据帧发给目的节点，完成数据请求。CRC场与ACK场都是在低层次上为提高传输的可靠性而自动进行的。任何帧与帧之间是帧间空间。下位机通过CAN总线一帧一帧的发送信息，接到主机发送过来的信心后，各下位机便发送出各自的：分机编号、温度值、湿度值、结束标志；分机编号前面已经设置，而这里的温、湿度传感器能把温、湿度值转换成8位二进制形式；结束标志可以设置为：FFFFH。4.2 主程序流程图主程序要完成中断初始化，并调用SJA1000初始化程序，对矩阵键盘的扫描并存储设定的温湿度上下限及相应的控制信息，对温度信号进行采样，同时将系统采集的温湿度数据帧发送到总线上，并将温湿度值和报警信息送往LCD1602液晶显示器。初始化完成后，系统将开始正常运行，并进行温湿度检测、键盘扫描及定时处理等操作。SJA1000初始化程序流程图如4.1所示。开始中断初始化SJA100初始化调用键盘扫描程序存储温湿度限值及控制信息调用温度采样程序调用发送程序调用LCD显示程序图4.1 主程序流程图4.3 SJA1000初始化程序流程图CAN初始化主要是设置CAN的通信参数，需要设置的寄存器有：模式寄存器、时分寄存器、接受代码寄存器、屏蔽寄存器、总线定时寄存器、输出控制寄存器等。需要注意的是这些寄存器仅能在复位期间进行访问，因此，这些寄存器初始化前，必须确保系统进入复位状态，并且系统中各CAN控制器的总线定时寄存器的初始化字必须相同。信息从CAN控制器发送到CAN总线是由CAN控制器自动完成的，发送程序只需将发送的信息祯送到CAN的发送缓冲区，且启动发送命令即可。SJA1000控制器初始化主要完成工作方式设置、接收滤波方式设置、接收屏蔽寄存器和接收代码寄存器的设置、波特率参数设置和中断允许寄存器设置等。SJA1000初始化程序流程图如下图4.2所示。开始置复位状态接收代码寄存器赋初值设置总线定时寄存器工作模式时钟分频清除错误寄存器和代码捕捉寄存器开中断返回正常模式接收屏蔽寄存器赋初值返回图4.2 SJA1000初始化程序流程图4.4 发送程序流程发送温湿度数据时，将待发送的数据按特定格式组合为一帧报文，送入SJA1000发送缓冲区，然后启动SJA1000发送。开始发送缓冲区锁定？读状态寄存器 N是否在接收？ Y Y设置标示符