基于CAN总线的蔬菜大棚温湿度检测节点设计课程设计论文Word下载.docx

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课程设计（论文）题目

基于CAN总线的蔬菜大棚温湿度检测节点设计

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

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，实现远程通信。

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、接口电路）；

5、软件设计（编写主程序、接收、发送程序及相应的流程图）

6、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。

7、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

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0～5V；

4、单滤波接收数据。

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。

5、撰写设计说明书。

6、验收及答辩。

指导教师评语及成绩

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

本文以AT89C51为控制器，设计了基于CAN总线的温湿度检测节点设计方案。

详细的分析了基于CAN总线的温湿度检测和节点通信原理，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、键盘电路和显示电路等模块。

本设计是通过温度传感器检测蔬菜大棚内的温湿度，并且传给单片机，通过单片机进行显示，把其作为CAN总线的节点，实现远程通信。

基于CAN总线的温湿度检测节点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，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；

远程通信

第1章绪论

现场总线（Fieldbus）是近年来迅速发展起来的一种工业数据总线，它主要解决工业现场的智能化仪器仪表、控制器、执行机构等现场设备间的数字通信以及这些现场控制设备和高级控制系统之间的信息传递问题。

由于现场总线简单、可靠、经济实用等一系列突出的优点，因而受到了许多标准团体和计算机厂商的高度重视。

现场总线（Fieldbus）是20世纪80年代末、90年代初国际上发展形成的，用于过程自动化、制造自动化、楼宇自动化等领域的现场智能设备互连通讯网络。

它作为工厂数字通信网络的基础，沟通了生产过程现场及控制设备之间及其与更高控制管理层次之间的联系。

它不仅是一个基层网络，而且还是一种开放式、新型全分布控制系统。

这项以智能传感、控制、计算机、数字通讯等技术为主要内容的综合技术，已经受到世界范围的关注，成为自动化技术发展的热点，并将导致自动化系统结构与设备的深刻变革。

国际上许多有实力、有影响的公司都先后在不同程度上进行了现场总线技术与产品的开发。

现场总线设备的工作环境处于过程设备的底层，作为工厂设备级基础通讯网络，要求具有协议简单、容错能力强、安全性好、成本低的特点：

具有一定的时间确定性和较高的实时性要求，还具有网络负载稳定，多数为短帧传送、信息交换频繁等特点。

由于上述特点，现场总线系统从网络结构到通讯技术，都具有不同上层高速数据通信网的特色。

一般把现场总线系统称为第五代控制系统，也称作FCS——现场总线控制系统。

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4～20mA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称作第四代。

现场总线控制系统FCS作为新一代控制系统，一方面，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最显著的特征。

CAN是控制网络ControlAreaNetwork的简称，最早由德国BOSCH公司推出，用于汽车内部测量与执行部件之间的数据通信。

其总线规范现已被ISO国际标准组织制订为国际标准，得到了Motorola、Intel、Philips、Siemens、NEC等公司的支持，已广泛应用在离散控制领域。

CAN协议也是建立在国际标准组织的开放系统互连模型基础上的，不过，其模型结构只有3层，只取OSI底层的物理层、数据链路层和顶上层的应用层。

其信号传输介质为双绞线，通信速率最高可达1Mbps/40m，直接传输距离最远可达10km/kbps，可挂接设备最多可达110个。

CAN的信号传输采用短帧结构，每一帧的有效字节数为8个，因而传输时间短，受干扰的概率低。

当节点严重错误时，具有自动关闭的功能以切断该节点与总线的联系，使总线上的其它节点及其通信不受影响，具有较强的抗干扰能力。

CAN支持多主方式工作，网络上任何节点均在任意时刻主动向其它节点发送信息，支持点对点、一点对多点和全局广播方式接收/发送数据。

它采用总线仲裁技术，当出现几个节点同时在网络上传输信息时，优先级高的节点可继续传输数据，而优先级低的节点则主动停止发送，从而避免了总线冲突。

已有多家公司开发生产了符合CAN协议的通信芯片，如Intel公司的82527，Motorola公司的MC68HC05X4，Philips公司的82C250等。

还有插在PC机上的CAN总线接口卡，具有接口简单、编程方便、开发系统价格便宜等优点。

第2章课程设计方案

2.1概述

随着我国新土地政策的实施，政府鼓励农民将承包的土地向专业大户、合作农场和农业园区流转，发展规模农业，实现农业产业化，并逐步调整产业结构。

在此条件下，温室大棚种植、养殖业发展迅速，特别是无公害蔬菜大棚、花卉、育苗大棚在全国蓬勃发展，大棚质量不断提高，出现了机械强度高、抗风雪能力强、透光率高，操作管理方便，使用寿命长的玻璃棚、PC板棚等。

为了提高管理水平，要求对大棚的管理实施自动化控制，以降低成本，提高生产效率。

在对大棚的管理中，需要对棚内气体温度、湿度、浓度、土壤湿度等环境参数进行实时监控，以充分满足棚内作物生长的客观要求。

随着大棚数量的增加，跨地区经营现象的增多，需要用传输能力强和通信距离远的监控系统来有效地对大棚进行监管。

CAN总线技术具有先进的主网络结构，实时性好，通讯距离远，数据传输速率快，具有较好的差错控制能力，可靠性高、系统容量大、扩充容易、安装方便、维护费用低、性价比高等优点，特别适用控制节点多，分布较散的监控场所。

因此，本设计采用CAN技术来实现对大棚内温、湿度等参数的监控。

2.2系统的总体组成

现场数据的采集是以ATS89S52单片机为核心控制单元，外接数字温湿度传感器，从而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控制器差动收功能。

系统组成结构图如下图2.1所示。

图2.1系统总体框图

第3章硬件设计

3.1单片机最小系统

单片机选择51系列单片机AT89S52，该单片机有8K字节FlashROM，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。

片机最小系统,或者称为最小应用系统,是指用最少的元件组成的单片机可以工作的系统.对51系列单片机来说,最小系统一般应该包括:

单片机、晶振电路、复位电路。

单片机最小系统如下图所示。

图3.1最小系统图

AT89C52为8位通用微处理器，采用工业标PDIP封装的准的C51内核，在内部功能及管脚排布上与通用的8xc52相同，其主要用于会聚调整时的功能控制。

功能包括对会聚主IC内部寄存器、数据RAM及外部接口等功能部件的初始化，会聚调整控制，会聚测试图控制，红外遥控信号IR的接收解码及与主板CPU通信等。

主要管脚有：

XTAL1（19脚）和XTAL2（18脚）为振荡器输入输出端口，外接12MHz晶振。

RST/Vpd（9脚）为复位输入端口，外接电阻电容组成的复位电路。

VCC（40脚）和GND（20脚）为供电端口，分别接+5V电源的正负端。

P0~P3为可编程通用I/O脚，其功能用途由软件定义，12脚、27脚及28脚定义为握手信号功能端口，连接主板CPU的相应功能端，用于当前制式的检测及会聚调整状态进入的控制功能。

3.2键盘电路的设计

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3.2所示。

图3.2键盘电路

3.3温度检测电路

温度传感器是感知外部环境中温度变化的重要元件，它是外界与本系统的接口。

它将外界温度的变化转化成电压的变化，这样通过对电压的处理与分析就可以间接地测量出外界温度。

本系统采用的温度传感器为LM35，该温度传感器由美国国家半导体公司生产，在常温下，不需要额外的校正处理就可以到达0.25℃的准确率。

其输出电压与摄氏温度成线性关系，并且这种关系可以表示为：

或者

式中，Vo为传感器的输出电压，单位V，T是外界环境中的温度，单位℃。

由于LM35能够测量的最高温度是150℃，由式

（1）可得其最大输出电压为1.5V。

为了能够与AD7812的输入进行匹配，故需要对传感器的输出电压进行放大，放大的倍数约为3.33倍。

可采用集成运放连接成同向放大器来实现电压放大的功能。

经过放大后的电压约为5V，恰好能够与模数转换部分的输入相匹配。

该部分电路设计如图3.3所示。

图3.3温度检测电路

3.4AD转换电路

经过温度传感器转换后的输出电压值不能直接送入单片机中进行处理，还必须在它们之间增加A／D转换装置。

本文中选择AD7812作为A／D转换器。

AD7812是由AnalogDevices公司生产的一种串行接口的10位8通道A／D转换器。

与一般的并行接口A／D转换器相比，它的优点在于能够节省处理器的引脚资源。

节省下来的引脚资源可以进一步的对系统进行扩展，以使其功能更加强大。

在AD7812内部有8路模拟开关可以采集8