毕业设计（论文）-基于单片机的冷库温度检测控制系统.doc

摘 要 随着时代的发展以及人民生活水平的提高，对冷藏、冷冻食品质量的要求也在不断提高，因此设计一套完善的冷库温度检测控制系统具有十分必要的社会经济意义。本系统即是基于这个社会意义进行设计的，该冷库温度检测控制系统，可精确显示每个冷库库房内各个监测点的实时温度，为温度调节控制提供数据依据，能够提高冷库的运行效率。本文主要是分成了四大章节进行介绍，包括整个设计思路、现场控制单元的软硬件设计以及pc机监控界面的设计，整个设计的核心部分主要由上位机和下位机两部分组成；上位机采用pc机作为核心控制器，对整个冷库系统进行实时监控；下位机采用at89s52单片机作为核心控制器，并与温度检测电路等部分硬件电路构成现场控制单元的硬件部分。其中温度检测部分是采用pt电阻作为测温元件，设计了桥式温度检测电路，对现场温度进行检测。上位机与下位机之间采用的是can总线技术，将两个系统联系起来，构成一个通信网络，该网络主要是以sja1000作为总线控制器，进行数据的通信控制；上位机用于存储温度、控制误差允许温度等的设定，将所设定的参数转换成控制信号通过can通信线路传送至现场控制单元，现场硬件单元可以根据指令，选择进行恒温保持或调温控制，实现整个检测系统的智能化。pc机作为信息交换窗口，采用vb6.0软件设计出一套简洁而完善的人机界面，使用户能够及时而准确的了解现场参数变化情况。整个系统的设计重点在于现场控制的硬件单元，即温度检测电路的设计。关键词：微处理器；低温检测；冷库； can总线技术abstractwith the development of the times and peoples living standards, on the refrigerator, frozen food quality has been improved, so the design of a comprehensive control system for cold temperature testing is necessary with the social and economic significance. detection of cold temperature control system can accurately display all of each cold storage warehouse with real-time monitoring of temperature, control temperature regulation for the provision of data based on the refrigerator to improve operating efficiency, with higher socio-economic value. that is, the system is based on the design of the social background, and this paper is divided into four chapters, including the entire design, on-site control unit hardware and software design and pc-interface design of monitoring, the core of the whole design by upper and lower machine composed of two parts; the use of pc-pc as the core controller, on the whole real-time monitoring system for cold storage; of using at89s52-bit single-chip microcomputer as the core controller, with the temperature detection circuit, detection circuit thick cream , such as part of the scene to control the hardware circuit of the hardware unit. which the temperature detection resistor is used as a measurement component pt designed bridge temperature detection circuit, the temperature of on-site detection. upper and lower machine uses between can bus technology, the two systems will be linked to form a communication network, the network mainly as a bus controller sja1000, the communication control data; host computer for storage temperature, the control error to allow the set temperature, the parameters will be set into a control signal sent through the can communication line control unit to the scene, on-site hardware unit can follow the instructions, select or the thermostat to maintain constant temperature control, the realization of the entire detection intelligent systems. pc-window is used as the exchange of information, using vb6.0 software design a set of concise and comprehensive man-machine interface, allowing users to timely and accurate understanding of the scene changes in the parameters, easy to control. the design of the whole system focus on the scene to control the hardware unit, that is, thick cream temperature detection and the detection circuit part of the design and difficult part is to can bus and interface circuit design, and human-computer interface design, to achieve the upper and lower machine real-time communications. keywords：microprocessors；low-temperature detection；cold storage；can bus technology 1 绪论1.1研究课题的背景1.1.1冷库的介绍冷库，是利用降温设施创造适宜的湿度和低温条件的仓库，又称冷藏库。按照库温分，冷库可分为冷冻库和冷藏库。冷藏库的保持温度通常在0左右，并以冷风机进行吹风冷却，主要用于果蔬之类食品的储藏；冷冻库一般库温在-30-20左右，通过制冷机或专用冻结装置来实现对肉类食品的冻结。冷库设备：一般冷库多由制冷机制冷，利用气化温度很低的液体（氨或氟里昂）作为冷却剂，使其在低压和机械控制的条件下蒸发，吸收贮藏库内的热量，从而达到冷却降温的目的。最常用的是压缩式冷藏机，主要由压缩机、冷凝器和蒸发管等组成。按照蒸发管装置的方式又可分直接冷却和间接冷却两种。直接冷却将蒸发管安装在冷藏库房内,液态冷却剂经过低压蒸发管时,直接吸收库房内的热量而降温；间接冷却是由鼓风机将库房内的空气抽吸进空气冷却装置，空气被盘旋于冷却装置内的蒸发管吸热后，再送入库内而降温。1.1.2冷库发展现状 国外冷库行业现状 70年代以前国外冷库普遍采用以氨为制冷剂的集中式制冷系统，70年代后期逐渐采用以r22为制冷剂的分散式制冷系统。美国和加拿大占80%以上的冷库都以使用r717为制冷剂。80年代以来，分散式制冷系统在国外发展很快，冷却设备由冷风机逐步取代了排管，贮藏水果冷库中近1/3为气调库，在冷库建造方面土建冷库正向预制装配化发展，自动化控制程度比较高。近年来，国外新建的大型果蔬贮藏冷库多是果品气调库，如美国使用气调贮藏苹果已占冷藏总数的80%；法国、意大利也大力发展该项技术，目前日本、意大利等发达国家已拥有10座世界级的自动化冷库。 国内冷库行业现状我国自1955年开始建造第一座贮藏肉制品冷库，1968年建成第一座贮藏水果冷库，1978年建成第一座气调库。1995年首次引进组合式气调库先进工艺，并在山东龙口建成15 000 t气调冷库。1997年又在陕西西安建造了一座10 000 t气调冷库，气密性能达到国际先进水平。目前我国的贮藏冷库大多数为高温库，其中大型冷库一般采用以氨为制冷剂的集中式制冷系统，冷却设备多为排管，系统复杂，实现自动化控制难度大。小型冷库一般采用以氟里昂为制冷剂的分散式或集中式制冷系统。在建造方面以土建冷库偏多，自动化控制水平普遍较低。1.1.3 目前主要存在的问题 自动化控制程度低国外冷库的制冷装置广泛采用了自动控制技术，大多数冷库只有13名操作人员，许多冷库基本实现夜间无人值班。而我国冷库的制冷设备大多采用手动控制，或者仅对某一个制冷部件采用了局部自动控制技术，对整个制冷系统做到完全自动控制的较少，自动化程度普遍较低。 温度检测技术冷库温度检测系统属于多点式温度巡回检测。通过查阅资料发现，这类系统在国内外某些工业领域实际应用时，传统的温度检测系统在某些方面存在一定的不足之处。数据传输距离短：温度检测系统从数据处理的层次关系来看，一般要有上位机、下位机和温度传感器三大部分。从传感器到下位机、再从下位机到上位机之间的信息传递均通过传输线进行。下位机与上位机之间的通信距离受限，早期的系统中采用rs-232接口规范组成通信网络，由于传输距离短的限制（十几米到几十米），后来又大量采用rs-485总线型网络。虽然rs-485的传输距离理论上可达1.2 km，但在实际应用中，考虑到现场的实际情况，这一距离还要缩短。1.2设计的意义和内容1.2.1设计的意义随时代的发展以及人民生活水平的提高，人们对冷藏，冷冻食品质量的要求也在不断提高，不仅要求食品经冷藏，冷冻后能尽量减少营养成分的损失，而且希望能保持原有色泽。而食品的外观及营养成分的变化与冷藏、冷冻温度有着密切关系。在冷库中，温度检测和控制是十分重要的环节，因此设计一套完善的冷库温度检测控制系统具有十分必要的社会经济意义，不仅能节省人力，保证设备的安全运行，还能使装置合理运转、降低成本。冷库温度检测控制系统表现出的优越性主要包括以下两个方面：在提高工作效率，减轻工作强度方面：由于自动控制系统替代了许多手动操作方式，而且系统可靠，大大减少了值班的工作人员的数量，并且不像过去，要让操作工人频繁的跑库、查温和开启关闭库门。将监控室和库房隔开，可以大大降低噪音对周围环境的影响，工作的条件得到很大的改善。在降低成本方面：提高了系统的管理水平，降低了设备平时维护的费用，减少了日常的支出，使整个冷藏冷冻的运行成本明显降低了。而且本课题涉及自动化专业的多门课程，需要具有较为全面的自动化专业的基础理论知识，课题涉及的知识面较广，通过对本课题的设计和研究，可以对几年来所学的理论基础课、专业基础课和专业课进行一个全面的总结和深化，将所学的各门知识有机的联系起来，建立系统的概念，同时锻炼了自己多方面的能力，比如可以自行解决设计中遇到的问题的能力，提高查阅相关资料和自学的能力等，对今后走上工作岗位也有极大帮助。1.2.2设计的内容本次设计主要完成的内容主要是以下几点：完成课题的总体设计，完成现场控制单元的硬件设计，完成现场控制单元的软件设计，pc机监控软件界面的设计。首先就是要完成整个课题的总体设计，在整体设计中包括上位机，下位机和can总线三个组成部分，上位机主要完成的是监控界面的功能，能够让用户及时了解冷库现场温度的变化；下位机主要是在现场进行数据的采集和处理，并对现场温度进行控制；而can总线就是上位机与下位机之间的通信桥梁，使用can总线作为传输通道，可以大大增强传输距离，稳定性以及速率，使上位机与下位机之间能够建立有效的通信。现场控制单元的硬件设计：包括温度检测电路、电源电路、功率输出电路和通信接口电路等的设计。用户通过上位机（pc机）进行存储温度 、报警温度等的设定，将信号传送给现场，实现远程智能控制。现场控制单元软件的设计：根据控制要求及各个控制单元的系统关系，需要编写相关软件程序，如a/d转换程序，单片机内部主程序，can总线控制器的初始化程序，以及监控界面的程序的编写，并对编写的控制程序进行调试。pc机监控软件界面设计：本设计采用vb6.0软件在pc机上设计出一套简洁而完善的监控界面，使用户能够及时了解现场参数的变化，并对控制温度进行设置，随时可以根据需要控制现场的制冷机的工作状态，改变冷库现场的温度，通过pc机可进行存储温度、控制误差允许温度等的设定，再通过通信线路传送至现场控制单元，现场控制单元根据pc机的要求进行恒温控制。2 整体设计根据冷库温度检测控制系统的要求，需要同时完成冷库内多点的温度检测工作，并将检测得到的数据通过通信系统及时传送给pc机（上位机）。为实现这样的目标，我将整个系统分为上位机（pc机）和多个下位机（现场控制单元）两部分，系统的组成框图如图2-1所示，上位机采用pc机作为控制核心，它被置于用户的控制室内，是本系统的人机界面部分，可直观的掌握冷库现场温度的变化，并通过调节制冷机的运行状态，起到控制和调节现场温度的目的，以达到用户设定之初的温度值。下位机是采用具有强大功能的at89s52单片机，放置在冷库的检测现场，是现场控制单元的核心控制器，同时和配置在现场的温度检测电路，信号放大电路等，共同组成现场的硬件控制单元，对现场的温度进行检测和数据的收集，并将测量信号通过通信系统（can总线）传送给上位机，下位机通过can总线和上位机构成整个通信网络。系统的上位机与下位机之间采用can总线技术进行连接，可以及时的进行数据通信联系，由以上三部分就组成了整个温度检测控制系统，可以随时掌握现场的温度情况，便于操作者进行控制。 如下图2.1所示，是整个系统的组成框图，它由上位机（pc机）、can总线控制器、can总线和现场检测控制单元所组成。上位机：即pc机，它是用户了解现场参数变化的窗口，是采用pc机作为核心控制单元，使用vb软件所编写的监控界面，使用户可以通过pc机进行现场温度的存储、控制误差允许温度等的设定，通过通信线路传送至现场控制单元，现场控制单元根据pc机的要求进行恒温控制，实现智能化监控，另外现场控制单元也具有参数设置的功能。can总线转换控制器pc机监控（上位机）现场检测控制单元（下位机）现场检测控制单元（下位机）现场检测控制单元（下位机）can总线图2.1系统的组成框图can总线通信适配卡：它是以s52单片机为控制核心，一路与can总线控制器相接和一路与pc机的rs-232接口相连的can总线接口卡，可进行双向传送，该电路是为了现场检测控制单元处理的信息能及时与pc机之间通信而设计的，采用该接口适配卡，pc机可以通过rs-232串口连接一个标准can网络，进行实时的通信联系，是pc机与can总线网络连接的桥梁。 can总线：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，具有高性能、高可靠性的特点，它的应用范围不单单局限于汽车工业，在过程工业等多领域也很有发展，与目前许多rs-485基于r线构建的分布式控制系统相比，基于can总线的分布式控制系统在各方面都具有明显的优越性。下位机：采用型号为at89s52的单片机作为现场控制单元的核心控制器，完成运算处理功能，它是现场硬件控制单元的核心，与其他型号的微处理芯片相比较，它在功能上比较强大，能完成系统所需的要求，也是at89系列中常用的一种型号。图2.2下位机的原理框图下位机的系统原理框图如上图2.2所示，下位机是以at89s52单片机作为现场核心控制器的系统，现场的检测部分是温度检测电路，右侧包含功率驱动电路和can接口电路，另外有一些辅助电路也参与系统的工作。温度检测部分采用pt电阻作为测温元件，并设计有温度测量电路对现场温度进行检测。温度检测电路将从冷库现场检测到的温度信号，通过放大器电路放大，再经过a/d转换电路转换成数字信号，然后传送给at89s52单片机进行运算处理，同时at89s52单片机将检测到的信号进行处理，并通过can总线、转换卡传送给用作现场监控的pc机（上位机）用于显示控制。pc机将信号与用户最初设定的初值信号进行比较，同时将比较信号传送回现场，并提示用户是否需要手动或自动控制。3 现场控制单元的硬件设计3.1温度检测部分的设计3.1.1温度传感器的选择由于本设计是关于冷库的温度检测，所以我们要选用温度传感器，它是将检测到的温度信号变换成电阻或电压信号的器件，现在使用比较频繁的温度传感器主要是以下几种：铂电阻、热敏电阻和热电偶；但是热敏电阻的缺点是阻值随温度呈指数规律变化，非线性十分严重，在控制系统中需要由软件进行非线性处理，所以相比之下，再结合本设计的要求，需要一个测量精度较高的温度传感器，因此我选用铂电阻作为温度传感器的测温元件。以下是铂电阻的特性介绍：铂是一种贵重金属，在氧化介质中的物理化学性能稳定，此外它可以制成极细的铜丝或极薄的铂，有较高的电阻率，是一种理想的电阻材料，铂电阻具有精度高、稳定性好、性能可靠等优点1。它的温度检测范围在-200+850左右，在小于200时，非线性误差小于0.3，它的电阻值r和温度t之间的关系可以近似地表示为：r=at+b a，b为常数。铂电阻的阻值比较小，常用的有pt10和pt100，它们在0的阻值分别为10和100，pt电阻与温度对应的变化情况，如下表3.1所示。铂电阻是一种高性能的金属热电阻，在被测精度要求高的单片机温度控制系统中，广泛地被用做热电阻传感器。所以本设计就采用pt100电阻作为测温元件，使用它可以精确的检测冷库各点的实时温度，符合整个设计的对测温精度的要求。表3.1 pt电阻与温度对应的变化温度（）电阻（w）pt10pt100-2001.84918.49-1503.97139.71-1006.02560.25-508.03180.31010.000100.001010.390103.90除了选择合适的传感器以外，还要与之配套的测量电路，就结合自己所学的知识而言，温度传感器的测量电路通常使用电桥测量电路，它将应变电阻值的变化转换为电压或电流的变化，这就是传感器输出的电信号，再将信号传送给a/d转换电路，转换成单片机可识别信号，该内容下文将会提到；该桥式测量电路主要由铂电阻组成，桥臂是电阻r1、r2、r3和r4，r4是pt电阻，对角点2与4端接电源电压v，1与3端接放大器，桥臂电阻为应变电阻。电桥平衡时，r1r3=r2r4，则测量对角线上1、3端的输出为零，当传感器受温度影响时，电桥的桥臂电阻值发生变化，电桥失去平衡，则测量对角线1、3端上有输出信号，这变化信号就是温度测量电路所测得的温度信号，再配合之后放大电路，可以完整的将温度信号传输给at89s52单片机进行处理。3.1.2放大器的设计除了有温度测量电路还是无法将测得信号，传送给微处理器进行处理，那是由于传感器或基本转换电路送来的测量信号往往很微弱，通常最大为毫伏级，很难让微处理器进行处理，于是为了后续处理的需要，能够得到精确的温度信息，所以要将测量信号进行放大，这样就对放大器的精度提出了较高的要求，要求它能够鉴别出被测量信号的微小变化。图3.1 ad625引脚图考虑到上述分析，和对整个设计精度要求，在这里选用一种用途非常广泛的仪表放大器，其实就是典型的差动放大器。它只需要三个廉价的普通运算放大器和几只电阻，即可构成性能优越的仪表用放大器，如图3.1所示，该放大器就是ad625，它具有低噪音、高稳定性、低漂移、高抗干扰性能、高共模抑制比、高线性度和适宜的频率等特点，可以完成本温度测量电路精度及稳定性的要求。下面简要介绍一下它的特性和功能：ad625的特性：1）用户可编程增益：1至10000 2) 低增益误差：0.02%(最大值) 3）低增益温度系数：5 ppm/c(最大值) 4) 低非线性度：0.001%(最大值) 5) 低失调电压：25 v 6) 低噪声：4 nv/hz(1 khz，折合到输入端) 7) 增益带宽积：25 mhz 8）16引脚陶瓷或塑料dip封装，20引脚lcc封装 9）提供标准引脚分布 10）低成本 图3.2 温度测量放大电路图如上图3.2所示，是根据设计要求所设计的温度测量电路，它主要有三部分组成，第一部分就是由pt100测温元件组成的桥式测量电路，如上节所述，该测量电路主要由pt电阻组成桥式电路，桥臂电阻r1、r2、r3和r4，r4是pt电阻，对角点2与4端接电源电压v，1与3端接放大器，桥臂电阻为应变电阻。电桥平衡时，r1r3=r2r4，则测量对角线上1、3端的输出为零，当传感器受温度影响时，电桥的桥臂电阻值发生变化，电桥失去平衡，测量对角线1、3端上有输出信号，这变化信号就是温度测量电路所测得的温度信号；第二部分就是ad625放大器，它是用于将接收到的测量信号放大，使模数转换器能识别，提高精度；第三部分就是ad574模数转换器，它的vin端与ad625放大器相连接，将放大器传送过来的信号转换成at89s52单片机可识别信号，下文会详细介绍。 3.2 a/d转换电路的设计由于设计需要有温度测量电路，放大电路等，它们都属于是模拟测量电路的范畴，从传感器到运算电路处理的都是模拟信号，但是微处理器处理的都是数字量，如果被测模拟量要通过微处理器处理，则必须把模拟量转化为相应的数字量，而这部分工作就要交由模数转换电路（a/d转换器）来完成了。a/d转换器就是把模拟信号转换成与其大小成正比的数字量信号，它的种类很多，在本设计中选用逐次逼近式a/d转换器，逐次逼近式转换的基本原理是用一个计量单位使连续量整量化（简称量化），即用计量单位与连续量比较，把连续量变为计量单位的整数倍，略去小于计量单位的连续量部分，这样所得到的整数量即是数字量了。而常用的逐次逼近式a/d转换器主要有ad574a。其中ad574a是一种12位逐次逼近式带三态缓冲的a/d转换器，它的转换时间为25ms，转换精度为0.05%，由于芯片内有三态输出缓冲电路，因而可直接与各种典型的8位或16位的微处理器相连，在转换电路中，就用它与at89s52单片机连接，将转换好的数字信号交由单片机进行运算处理。3.2.1 ad574a转换器功能介绍ad574a具有外接元件少，功耗低，精度高的特点，并且具有自动校零和自动极性转换功能，只需外接少量的阻容元件即可构成一个完整的a/d转换器，而且ad574a片内有时钟，故无须外加时钟信号。其主要功能特性如下： 分辨率：12位；非线性误差：小于1/2lbs或1lbs；转换速率：25ms；模拟电压输入范围：010v和020v，05v和010v两档四种；电源电压：15v和5v；数据输出格式：12位/8位。 如下表3.2所示，是ad574a的控制信号真值表，在转换期间：当a0=0，ad574a进行全12位转换，转换时间为25s；当a0=1，进行8位转换，转换时间为16s。在读出期间：当a0=0，高8位数据有效；当a0=1，低4位数据有效，中间4位为0，高4位为三态。表3.2 ad574a控制信号真值表cecsr/c12/8a0操作01111110000000111+5v接地接地0101无操作无操作初始化为12位转换器初始化为8位转换器允许12位并行输出允许高8位输出允许低4位+4位尾0输出为了在较大的数字信号干扰的情况下仍能最大限度地利用ad574a取得高精度的输出温度检测的数字信号，所以要考虑以下几点：数字地与模拟地要在芯片上就近连接在一起；15v电源经过电容去耦以后，其他线要连接到数字地上；外部模拟电路的接地端，分别要连接到ad574a的模拟地。3.2.2 ad574a与at89s52单片机接口电路的设计如图3-3所示，是根据整个设计的要求，设计的ad574a与at89s52单片机的接口连接电路图，以下是连接的详细内容：ad574a的数据线db0-db11，高8位接于at89s52单片机的p0.0-0.7端口，低4位接于单片机的p0.4-p0.7端口，由模数转换器转换完的数字信号经过db端传送到单片机内，进行运算处理，随后单片机再将接收并处理完的温度信号，通过can总线网络传送到上位机上，等待用户进行处理。ad574a的数据格式控制端12/8接地，可与8位单片机兼容，12位信号数据分两次传送到at89s52单片机上。s52单片机的wr,rd端口在连接与非门后，接于ad574a的ce端，无论处于读或写的状态，只要ce=1时ad574a均处于工作状态。ad574a的r/c端通过74ls373地址锁存器接于单片机的p0.1端口，故只要p0.1=0时，则启动a/d转换器；当p0.1=1时则读取a/d转换的结果；目前a/d转换器处于什么状态是由所编写的系统软件进行控制的。ad574a的a0端通过74ls373地址锁存器接于单片机的p0.0端口，即通过控制p0.0的状态可控制转换位数和读取字节的方式。以上就是整个a/d转换器与单片机的连接说明，通过该电路就可以实现模数信号的转换，将检测到的温度模拟信号，转换成数字信号并传送到单片机中进行处理，完成对现场数据的采集工作。图3.3 ad574a与s52的接口电路图 3.3单片机的选择在介绍完测量电路和a/d转换电路之后，就要选择下位机的核心控制器件单片机，它在整个设计中是用来进行数据处理和采集的重要器件，根据本次设计需要以及对单片机种类的一般了解，通过对多款单片机的筛选，我采用了由atmel公司推出的at89s52系列单片机，它是一款低功耗，高性能，并采用cmos工艺的8位单片机。at89s52单片机可灵活应用于各种控制领域，在本次设计中，可以用它作为下位机的核心控制器件，与温度检测电路和驱动电路等构成现场控制单元，它接收从现场温度检测电路传送过来的信号，并根据上位机用户的设置，选择自动对冷库温度进行调整。图3.4 at89s52单片机的最小系统at89s52单片机引脚及最小系统如图3.4所示。at89s52单片机的部分引脚的功能说明：vcc：电源电压端；rst：复位输入；ale/prog：当访问外部程序存储器或数据存储器时，ale（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。psen：程序储存允许（psen）输出是外部程序存储器的读选通信号，低电平有效。ea/vpp：片外程序存储器访问允许。欲使cpu访问外部程序存储器（地址为0000hffffh），ea端要保持低电平（接地）。xtall：片内振荡器反相放大器及内部时钟发生器的输入端；xtal2：片内振荡器反相放大器的输出端。看门狗定时器：at89s52内部的wdt是为了解决cpu程序运行时可能进入混乱或死循环而设置，它由一个14bit计数器和看门狗定时器复位寄存器（wdtrst）构成。单片机的内部复位：复位（rst）是使主机有关部件恢复为初始状态，复位后的内部有关寄存器的初始状态如表3.3所示。表3.3 复位后主机内部有关寄存器的初始状态寄存器初始状态寄存器初始状态pc0000ht2mod（00）acc00htcon00h续表3.3寄存器初始状态寄存器初始状态b00ht2con00hsp07htl0200hdptr（0.1）00hth0200hp0p3ffhrcap2l00hip（000000）rcap2h00hie（0000000）auxr（000）scon00hauxr1（0）tmod00h3.4 can总线的设计3.4.1 can总线的产生与现状can即控制器局域网，是德国的bosch公司最初为现代汽车监控和控制系统而设计的，能有效支持分布式控制或实时控制的串行通信局域网络，由于其卓越性能的表现，已广泛应用于工业自动化、传感器和控制系统中各检测和执行机构之间的数据通信。目前can总线已经形成了统一的国际标准，并已经被公认为目前最有前途的现场总线之一，它在我国也正在迅速普及和推广。3.4.2 can总线的性能特点can总线的数据通信主要特点如下：1)can为多主机工作方式，网络上任意一个节点（下位机）均可以在任意时刻主动地向其它节点发送信息，并不分主从关系，通讯方式灵活，不需占用地址等节点信息。2)can网络上的节点信息可以分为不同的优先级，可满足不同的实时要求，高优先级的数据最多可在134ms内得到传输。3)can采用非破坏性总线仲裁技术，即在同一时刻，有多个节点向总线上发送信息，优先级低的节点会主动退出发送，这样具有高优先级的节点就可以继续发送或接收数据，不会受到任何影响，提高了工作效率，大大节省了can总线冲突仲裁时间。4)can可以通过点对点、点对多点、点对网络的多种传输方式进行数据的通信，最远通讯距离可以达到10km(5kb/s)，节点数目可达110个，报文标识符可达2032种（can2.0a），而扩展标准（can2.0b）的报文标识符几乎不受限制。 5)can采用短帧结构，传输时间短，不易受外界干扰，每一帧的有效字节数为8个，具有crc校验和其它检测措施，数据出错几率小。当有发生严重错误的情况下，can节点可以自动关闭，丝毫不会影响其它节点的操作。6)can总线的通讯介质通常是采用廉价的双绞线，用户接口简单，而且没有其它特殊的要求，可方便构成用户系统。3.4.3 can总线的选择在目前的工业自动控制系统中，现场i/o设备之间的数据传输方式主要是基于rs-232总线通信，rs-485总线通信及现场总线通信三种方式，通过比较，我之所以选择can总线作为整个冷库检测控制系统的通信网络，主要是基于以下几点考虑：最早rs-232标准在控制系统中用的比较多，但由于出现比较早的缘故，在使用过程中不可避免会有些不足之处，归结起来主要有以下几点：该接口的信号电平值比较高，容易对接口电路芯片造成损坏，而且不兼容ttl电平；再加上采用共地传输的方式，易产生共模干扰信号，其抗噪音干扰能力也弱；传输速率也较低，在异步传输时，波特率为20kbps；传输距离有限，最大传输距离标准值为50英尺，实际上也只能用在50m左右。相比之下，rs-485总线的网络技术更成熟，它结构简单，使用可靠性高，对外界干扰的抵抗能力强，与rs-232总线相比，传输速度也快得多，接口信号电平比rs-232接口的低，不易损坏接口电路的芯片，且该电平与ttl电平是互相兼容的；rs-485的数据最高传输速率可达10mbps，接口的抗噪声干扰性能好、传输距离也长。由于rs-485接口具有上述一些优点而使其代替rs-232接口成为控制系统中首选的串行接口，但由于rs-485只存在于一个简单的没有硬件通信协议的物理层，其通信协议完全需要依靠系统软件的支持，这样通信软件的负担就被极大的加重了；并且在没有可靠的总线竞争仲裁与帧重发机制的情况下，通信数据的丢失率几乎正比于总线数据的流通量。由于rs-232与rs-485总线技术存在上述的一些不足，再通过对上述几种总线的总结和比较，为了达到本设计的通信要求，我决定采用can总线来实现整个设计的通信网络。 首先can采用短帧结构，数据传输时间短，受外界干扰概率低，有良好的检错功能，可靠性高。can协议对通信数据块所采取的编码方式可使网络上不同的节点（下位机）同时收到相同的数据，可以同时对现场硬件控制单元进行控制，实现点对点通信的方式，增加了系统组网的灵活性。另外can采用非破坏性仲裁方式，即使产生总线堵塞，系统也不会崩溃，保证了整个系统通信的实时性和可靠性。另外can既可构成单主网络又可构成多主网络的形式，任何节点都可主动向网络上发送数据，即只要下位机上有信号便可随时向上位机发送，采取的通信方式十分灵活。其次can总线相对来说通信协议比较简便，软件工作量小，在性能上也不差于其他几种现场总线。再从可靠性上考虑，整个冷库检测系统的运行过程中，不希望由于某个节点出现的故障而导致整个通信系统的瘫痪，由于can网络的节点在严重故障后可自动从网络退出，就避免了对其他节点（即对下位机）造成影响，当节点恢复后又会自动连接网络。基于上述的这些优点，使用can总线构成整个设计的通信网络十分合适。3.4.4 can总线控制器件sja1000整个系统的通信是采用can总线技术，但是由于所需用的核心控制器即单片机并没有集成can总线控制器，因此就需要进行can总线接口电路的设计，其中can总线控制器采用的是sja1000，can总线驱动器采用pca82c250。图3.5 sja1000引脚图如图3.5所示，sja1000是一款独立的can总线控制器，可完成物理层和数据链路层的所有功能，它的硬件和软件设计与pca82c200的基本can模式兼容，同时新增加的增强can模式（pelican）可以支持can2.0a及can2.0b协议，特别适合于传感器、制动器的连接应用，尤其是在系统优化、系统诊断和系统维护时起到重要的作用。下表3.4是关于sja1000引脚功能的说明：表3.4 sja1000引脚排列说明符 号引脚说 明ad7-ad023-28多路地址/数据总线ale/as3ale输入信号（intel模式）as输入信号（motorola模式）/cs4片选输入，低电平允许访问sjt1000/rd /e5微控制器的/rd 信号（intel模式）或e使能信号（motorola模式）6微控制器的/wr信号（intel模式）或rd/（/wr）信号（motorola模式）clkout7sja1000产生的提供给微控制器的时钟输出信号，时钟信号来源内部振荡器且通过编程驱动，时钟控制寄存器的时钟关闭位可禁止该引脚。vss18接地xtal19输入到振荡器放大电路；外部振荡信号由此输入 。 注：xtal1引脚必须通过15pf 的电容连到vss1.xtal210振荡放大电路输出：使用外部振荡信号时左开路输出 ；注：xtal2 引脚必须通过15pf 的电容连到vss1.mode11模式选择输入：1-intel模式 0-motorola模式vdd312输出驱动的5v电压源tx013从can输出驱动器0输出到物理线路上tx114从can输出驱动器1输出到物理线路上vss315输出驱动器接地/int16中断输出/rst17复位输入，用于复位can接口（低电平有效）：把/rst引脚通过电容连到vss通过电阻连到vdd可自动上电复位（例如c=1f;r=50k）vdd218输入比较器的5v电压源符 号引 脚说 明rx0rx11920从物理的can总线输入到sja1000的输入比较器：支配（控制）电平将会唤醒sja1000睡眠模式；如果rx1比rx0电平高就读支配（控制）电平，反之读弱势电平；如果时钟分频寄存器的cbp被置位就忽略can输入比较器以减少内部延时（此时连有外部收发电路）；这种情况下只有rx0是激活的；弱势电平被认为是高而支配电平被认为是低vss221输入比较器的接地端vdd122逻辑电路的5v电压源3.4.5 can总线收发器pca82c250pca82c250是can总线控制器和物理总线间必不可少的接口器件，也称为总线驱动器。图3.6 pca82c250引脚图pca82c250引脚如图3.6所示，引脚功能描述如下：txd发送数据输入端；cnd 接地端；vcc 电源端；rxd接收数据输出端；vref参考电压输出端；canl 低电平can电压输入/输出端；canh 高电平can电压输入/输出端；rs 斜率电阻输入端；3.4.6 can总线的节点模块设计can总线节点模块如图3.7所示，系统中每个can模块都能够按照控制节点被分成不同的功能块，每个节点由单片机、can总线控制器和can总线收发器三部分组成。在本设计中，即由at89s52、sja1000和pc82c250组成can总线的节点模块；对于每个控制节点，首先是通过单片机读取外部检测控制单元的信息，即读取现场温度传感器传送的检测信号，并对信号进行控制和调节，执行系统软件所安排的具体计算及信息处理等任务，同时，通过can总线控制器还可以与下位机的其他控制节点或功能模块进行通信。txxxrxrxtxxxcan控制器can收发器微处理器mmi控制节点1can控制器can收发器微处理器传感器、变送器送器mmi控制节点n 传感器、变送器送器图3.7 can总线节点模块3.4.7 can总线接口电路设计如图3.8所示，是can总线的接口电路图，该电路主要由四部分组成：主控制器at89s52单片机、独立can总线控制器sja1000、can总线收发器pc82c250和高速光电耦合器6n137。为了实现单片机与can总线控制器的互联功能，主控制器at89s52与can总线控制器sja1000的接口模块。主控制器at89s52负责对sja1000控制器进行程序初始化，通过对sja1000的控制，实现上下位机之间的数据接收和发送等通信任务，同时为了提高can总线各个节点抗干扰能力，增强通信的传输效率，sja1000的txd端和rxd端并不是直接与pc82c250的txd端和rxd端相连，中间还通过光电耦合器6n137进行连接，采用这种方式就能很好的实现can总线上各节点间的电气隔离，提高了通信系统的抗干扰能力。除此之外，pc82c250与can总线的接口部分也采取了一定的提高安全和抗干扰性能的措施。pc82c250的canh和canl引脚各自与can总线之间连接一个5w的电阻，该电阻可起到一定的限流作用，防止总线驱动器受到过电流的冲击。同时canh和canl与地之间还并联了两个30pf的电容，可以滤除can总线上的高频干扰，同时还具备一定的放电辐射的能力。另外，输入端与地之间可能会出现瞬变干扰的情况，因此在两根can总线输入端和地之间分别接了一个防雷击管，通过它的放电可起到一定的保护作用。pc82c250的rs引脚上接有一个斜率电阻，电阻值可以根据整个总线通信速度进行适当的调节，一般在16140kw之间