现场总线应用

1、西安工程大学研究生专业课程考试答题册得分：阅卷人签字： 学 号： 2012315 姓 名： 何颖 考试课程： 现场总线与控制网络 考试日期： 2013.6.27 西安工程大学研究生部 摘要 ： 随着大棚技术的普及，温室大棚数量不断增多，对于蔬菜大棚来说，温湿度控制非常重要。温湿度太低，蔬菜就会被冻死或则停止生长，所以要将温湿度始终控制在适合蔬菜生长的范围内。传统的温度控制是在温室大棚内部悬挂温度计，工人依据读取的温度值来调节大棚内的温度。如果仅靠人工控制既耗人力，又容易发生差错。现在，随着农业产业规模的提高，在现代化的蔬菜大棚管理中通常有温湿度自动控制系统，以控制蔬菜大棚温度，适应生产需要。本

2、论文主要阐述了基于AT89S52单片机的蔬菜大棚温湿度控制系统设计原理，主要电路设计及软件设计等。该系统采用AT89S52单片机作为控制器，设计了单片机最小系统模块，CAN通信接口电路、温湿度传感器电路、键盘电路和显示电路等来实现大棚温湿度的监控。 关键词：AT89S52；CAN总线；温湿度采集；显示电路Abstract: with the popularity of greenhouse technology, greenhouses number increasing, for vegetable greenhouses, temperature and humidity control

3、is very important. The temperature and humidity is too low, the vegetables will freeze to death or stop growing, so control the temperature and humidity is suitable for vegetable growth range. The traditional temperature control is inside the greenhouse to hang the thermometer, workers on the basis

4、of the temperature reading to adjust the temperature in the greenhouse. If only by the artificial control consumption of manpower, which are prone to errors. Now, with the improvement of agricultural industry, in the modern vegetable greenhouses management typically keep temperature and humidity aut

5、omatic control system to control the temperature of vegetable greenhouses, meet the need of production. This thesis mainly expounds the vegetable greenhouse temperature and humidity control system design based on AT89S52 single chip microcomputer principle, main circuit design and software design, e

6、tc. This system adopts AT89S52 single chip microcomputer as controller, design the single chip microcomputer minimum system module, CAN communication interface circuit, temperature and humidity sensor . Key words: AT89S52; CAN bus; Temperature and humidity acquisition; Display circuit1.绪论在现代化的蔬菜大棚管理

7、中通常需要温湿度自动控制系统，以控制蔬菜大棚温度，适应生产需要。它以先进的技术和现代化设施，人为控制作物生长的环境条件，使作物生长不受自然气候的影响，做到常年工厂化，进行高效率，高产值和高效益的生产。传统的大棚温湿度采集系统受到传输距离和传输精度的限制，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、

8、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，

9、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，它是一种高精度、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。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

10、线应用于温室控制具有较好的前景。2.系统总体设计2.1 概述本设计是基于CAN总线的大棚温湿度检测节点系统。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 系统总体

11、框图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。本节点以单片机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。系统组成结构图如下图2.1所示。图2.1 系统组成结构图3.系统硬件设计3.1 单片机最小系统小系统由单片机AT89S5

12、2、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，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 湿度检测电路湿度检测电路

13、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

14、计算出湿度值。湿度检测电路如图3.3所示。图3.3 湿度检测电路3.4 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3.4所示图3.4 A/D转换电路3.5 键盘电路本设计的键盘功能较少，可以选用3×2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LCD

15、1602液晶显示器，可以显示16×2 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

16、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

17、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

18、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 6N

19、137引脚图 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

20、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4.系统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

21、理等。主程序流程图如图4.1所示。图4.1 系统主程序流程图4.2 报文发送和接受子程序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。 图4.2 发送和接收子程序图5.总结通过本次设计，主要完成了以单片机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、

22、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。基于CAN总线的温湿度检测系统可以有较大的检测范围，且传输速率较高，便于远程监控和信息汇总及控制，提高了温室变量检测的精度，降低了人工劳动强度，具有较高实际应用意义。 此次的设计基本满足检测大棚温湿度的要求，但温湿度的检测数据实时更新速率较慢，后续可以采用智能温湿度传感器模块进行大棚温湿度的集中采集，以提高效率和精确度。同时，需要增加室内报警系统，管理员可以针对过高或过低的温湿度进行调整，以免造成不必要的经济损失，总而实现大棚温室的智能高效管理。6.参考文献1 夏继强，邢春香现场总线工业控制网络技术M北京：北京航空航天大学出版社，2005.52 何黎明，饶家明，田作华基于现场总线的温室分布式控制系统M计算机工程，2002，28(4)：222-2233 部宽明CAN总线原理和应用系统设计M北京：北京航空航天