工业控制网络课程设计(论文)-基于CAN总线的大棚温湿度检测节点设计.doc
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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 本科生课程设计(论文) I 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
2、目 基于CAN总线的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
3、线电路(包括控制器、驱动器、接口电路) ; 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
4、辩。 (1天) 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 本科生课程设计(论文) II 注:成绩:平时20% 论文质量60% 答辩20% 以百分制计算 本科生课程设计(论文) III 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 SJA1
5、000 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功能。 关键词:CAN 总线;单片机;PCA82C250;SJA1000 本科生课程设计(论文) IV 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 PCA82C2
6、50 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 本科生课程设计(论文) 1 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
7、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
8、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。 本科生课程设计(论文) 2 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
9、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 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
10、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,
11、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 动接收功能。 系统总体框图如图 2.1 所示 本科生课程设计(论文) 3 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
12、欧 本科生课程设计(论文) 4 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、
13、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
14、 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 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 本科生课程设计(论文) 5 3.
15、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
16、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 XTAL2 18 XTAL1 19 ALE 30 EA 31 PSEN 29 RST 9 P0.0/AD0 39 P0.1/AD
17、1 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 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.
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