分布式远程温湿度智能监控系统的设计与研究毕业设计(编辑修改稿)

分布式远程温湿度智能监控系统的设计与研究毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

的功能，以使总线上的其他节点操作不受影响。 CAN 总线是双向数据线，由高低双绞线 CANHigh 和 CANLow 组成，采用总线网络拓朴结构，在一个网络上至少需要有 2 个 CAN 总线节点存在。 在总线的 2 个终计算机信息工程学院毕业设计说明书 7 端，各需要安装 1 个 120Ω 的终端电阻，实现总线匹配，防止数据在线端被反射，以回声的形式返回，影响数据的传输；如果节点数目大于 2 个，中间节点不要求安装120Ω 终端电阻，忽略终端电阻，会使数据通信的抗干扰性和可靠性大大降低，甚至无法通信。 CAN 总线的网络结构如图 21 所示。 CAN 总线节点一般由微处理器MCU、 CAN 控制器、 CAN 收发器三部分组成。 （ 1）微处理器 MCU：负责对 CAN 控制器初始化。 （ 2） CAN 控制器： CAN 的通信协议主要由 CAN 控制器完成。 CAN 控制器主要由实现 CAN 总线协议部分和与微控制器接口部分电路组成。 常用的集成 CAN 控制器有 Philips 公司的 PCx82C200、 SJA1000 等，目前也出现了多种内部集成 CAN 控制器的单片机，如 C8051F040 单片机等。 （ 3） CAN 收发器： CAN 控制器通过收发器联接到 CAN 驱动总线上的，集成CAN 收发器有 Philips 公司的 PCA82C50 和 PCA82C51。 CAN 收发器内有一个接收器和发送器，接收器是利用 差动信号放大器 将 CANHigh 线上的电压（ UCANHigh）减去CANLow 线上的电压（ UCANLow），并将差信号传至控制单元的 CAN 接收区。 用这种方法可以消除静电平（对于 CAN 驱动数据总线来说是 ）或其它任何重叠的干扰电压。 发送器的任务是将 CAN 控制器输出的较弱信号放大，使之达到 CAN 导线上的信号电平和控制单元输入端的信号电平。 CAN总线为“线与”逻辑，在总线上所有节点都处于空闲态（也称隐性状态，逻辑“ 1”时）， CANHigh线和 CANLow处于非激活状态，其电压均为 ，隐性差分电压近似为 0。 在显性状态（逻辑“ 0”时）， CANHigh线上的电压值不低于 ，而CANLow线上的电压值可降至 ，差动显性输出电压为 2V； M C UC A N 控 制 器C A N 收 发 器C A N 总 线1 2 0 Ώ1 2 0 Ώ节 点 2节 点 1 节 点 3 图 21 CAN 总线原理图 CAN 总线报文介绍 网络中交换与传输的数据单元，即一次性要发送的数据块叫做报文。 报文分为 4计算机信息工程学院毕业设计说明书 8 种类型 ： 数据帧、远程帧、出错帧、过载帧。 本 软件设计中只用到了数据帧，它采用了 11 位标识符。 数据帧的 标准帧 的 帧结构如表 21。 下面具体分析数据帧的每一个位场。 表 21 数据帧的 标准帧 的 帧结构 位场 帧开始 仲裁场 控制场 数据场 CRC 场 应答场 帧结尾 位数 1 位 12 位 6 位 0~64 位 16 2 位 7 位 （ SOF） SOF 标志数据帧或远程帧的开始，仅由一个“显性”位组成。 只有在总线空闲时才允许节点开始发送（信号）。 所有节点必须同步于首先开始发送报文的节点的帧起始前沿。 仲裁场由标识符和远程发送请求位（ RTR 位）组成。 RTR 位在数据帧中为显性“ 0”，在远程帧中为隐性“ 1”。 对于 标准，标识符长度为 11 位，按 ID10到 ID0 的顺序发送，最低位是 ID0， 7 个最高位 ID10ID4 不能全是“隐性”，如图 22所示。 图 22 标准格式中的仲裁场 控制场由 6 个位组成，标准帧和扩展帧的控制场格式不同。 标准帧的控制场包括IDE 位（为显性位，见上文）及保留位 r0、 4 位数据长度代码 DLC3~DLC0。 数据长度代码 DLC3~DLC0 只能是 0000~1000（ 0~8），其他的数值不允许使用，如图 23 所示。 图 23 控制场结构 数据场由数据帧里的发送数据组成。 它可以为 0~8 个字节，每字节包含了 8 个位，首先发送最高有效位。 计算机信息工程学院毕业设计说明书 9 CRC 场 CRC 场 包括 CRC 序列（ CRC Sequence ）， 其后 是 CRC 界 定 符（ CRC Delimiter），如图 24 所示。 图 24 循环冗余码 CRC 场 CRC 序列由循环冗余码求得的帧检查序列组成，最适用于位数低于 127 的帧。 为进行 CRC 计算，被除的多项式系数由无填充的位流给定。 组成这些位流的成分是：帧起始、仲裁场、控制场、数据场（假如有的话），而 15 个最低位的系数是 0。 将此多项式被： X15+X14+X10+X8+X7+X4+X3+1 多项式发生器除（其系数以 2 为模），所得的余数就是发送到总线上的 CRC 序列。 CRC 序列之后是 CRC 界定符，它包含一个单独的“隐性”位。 （ ACK Field） 应答场长度为 2 个位，包含 ACK 间隙和 ACK 界定符，如图 25 所示。 在 ACK场，发送节点发送两个“隐性”位。 当接收器收到匹配 CRC 序列的报文，接收器就会在 ACK 间隙期间向发送器发送一“显性”位以示应答。 ACK 界定符是应答场的第二个位，为“隐性”位。 因此， ACK 间隙被两个“隐性”的位所包围，也就是 CRC界定符和 ACK 界定符。 图 25 应答场 （ 7）帧结尾 每一个数据帧和远程帧均由一标志序列界定。 这个标志序列由 7 个“隐性”位组成。 基于 CAN 总线的监控系统是 多个并列的管理监控单元，每个监测单元之间的数据传输。 计算机信息工程学院毕业设计说明书 10 第 3 章 硬件设计 系统硬件设计方案 在本设计中，我们将 CAN 总线作为通信方式，通过将各个节点串联，因为 CAN 总线通信距离很远，所以每个节点可以放在库房的不同地方，这样就可以采集到不一样的温度数据。 从机 主要采用单片机 STC89C52RC 控制器 ， SJA1000 和 82C250 分别为CAN 控制器和 CAN 收发 器，用于采集 温湿度 的外 部传感器采用数字式温度传感器DS18B20 湿度传感器 HS1101。 而 主机 由 MCP2515 和 TJA1050 组成 ，而单片机控制报警及显示模块。 C A N 总 线8 2 C 2 5 0S J A 1 0 0 0S T C 8 9 C 5 2 R C温 湿 度 传 感器空 调 机除 湿 机T J A 1 0 5 0M C P 2 5 1 5S T C 8 9 C 5 2 R C数 码 管蜂 鸣 器 图 31 本设计的 分布式监控系统总体结构 本系统在设计时，为了利于系统的推广 ，充分采用简化的方法，以尽量减少对操作人员专用知识的要求， 便于进行维修。 另外，本系统的所有环节都应该有可靠性的思想，要选用可靠性高的元器件。 最后还要降低系统的成本，提高系统的性价比。 控制模块（ STC89C52RC） 控制 器 采用 STC89C52RC，它的封装方式采用塑料双列直插式封装，由 STC 公司研发制造，具有性能强大、能耗小等优点，内置的 flash 存储器大小为 8K。 在同样拥有51 内核的单片机里， STC89C52RC 是应用最为普遍的一种，与常见 51 板相比较，STC89C52 改进了许多原来没有的性能。 STC89C52RC 处理器位数为 8 位，且内置 flash存储器，因此，它可以更方便更简单的解决很多传统单片机无法解决的问题。 STC89C52RC 主要功能包含 32 位引脚，看门狗电路，复位电路，且内置 8K内存，512B 运存，另外还包含 3 个 16 位定时器 /计数器， 4 个外部中断，一个 7 向量 4 级中断结构 (兼容传统 51 的 5 向量 2 级中断结构 )， STC89C52RC 单片机工作模式是全双工模式。 另一大优点是 STC89C52RC 单片机系统频率可最低至 0Hz，有两种省电模式。 在计算机信息工程学院毕业设计说明书 11 单片机闲置状态时，处理器不再运行，但是可以保持运存、计数、通信、中断等部件运行。 当单片机进入掉电保护时，运存的数据被记录下来，而晶振则停止运行，在系统被复位或下一次中断之前，整个系统都被终止运行。 STC89C52RC 示意图如图 32。 图 32 STC89C52RC 的引脚图 STC89C52RC 的引脚功能有： （ 1）主电源引脚 VSS—— 第 20脚，电路接地电平。 VCC—— 第 40脚，一般运行时都是 +5V 的电压。 （ 2)时钟源 XTAL1 —— 第 19 脚， 作为 STC89C52RC中反相器的输入端， XTAL1 正常情况下与晶振的一个引脚相连。 特殊情况下，如果采用外部信号时，那么这个引脚接地。 XTAL2 —— 第 18 脚，作为 STC89C52RC 中反相器的输出端。 XTAL2 正常情况下与晶振的另一个引脚相连。 特殊情况下，如果使用外部源， XTAL2 就与信号源相连，作为外部信号的输入端使用。 （ 3)控制、复用和选通 PROGALE/ —— 第 30 脚，该引脚是地址锁存允许信号和编程脉冲输入端信号。 RST/VPD—— 第 9 脚， RST/VPD 是复位信号 RESET 的输入端。 一般情况下，满足RST/VPD 上连续施加两个系统周期的复位 信息，系统就进入复位状态。 在电源信号无电时， RST/VPD 就连通备用电，从而确保系统信息无损失。 PSEN—— 第 29 脚，外部 ROM 访问选通信号。 （ 4)多功能 I/O 端口 P0 口 —— 第 32~39 脚， 8 位真正的双向数据 I/O 口。 P1 口 —— 第 1~8 脚，此端口是具 8 位准双向的 I/O 端口并且含有上拉电阻。 P2 口 —— 第 21~28 脚，与 P1 口一个功能类似，它是 8 位的双向 I/O 口，并且含有上拉电阻。 在两种情况下 P2 口可作为高 8 位的地址总线，一种情况是单片机对存计算机信息工程学院毕业设计说明书 12 储器访问时，另一种情况 是当对片内的程序存储器（ EPROM 型）程序编程及校验时使用。 P3 口 —— 第 10~17 脚，与 P1 端口和 P2 端口一样，是 8 位的准双向 I/O 口。 但是与 P P2 不同的是，它还提供特殊的第二功能。 而且每一个引脚都可以单独选择任一功能使用。 第二功能表的具体含义如表 31： 表 31 P3 口的第二功能表 端口引脚 第二功能 RXD（串行通讯输入口） TXD（串行通讯输出口） 0INT （外中断 0） 1INT （外中断 1） T0（定时 /计数器 0） T1（定时 /计数器 1） WR（外部数据存储器写选通） RD（外部数据存储器读选通） 从机的硬件设计 如图 33 所示为 CAN 总线系统智能节点硬件电路原理图。 从图中可以看出，电路主要由四部分所构成：节点微控制器 STC89C52RC、独立 CAN 通信控制器SJA1000 、 高 速光 电 耦合 器 6N137 和 CAN 总 线收 发 器 82C250。 微 处 理器STC89C52RC 负责 SJA1000 的初始化，通过控制 SJA1000 实现数据的接收和发送等通信任务。 SJA1000 的 AD0~AD7 连接到 STC89C52RC 的 P0 口， CS 连接到 STC89C52RC的 ， 为 0 的 CPU 片外存贮器地址可选中 SJA1000， CPU 通过这些地址可对SJA1000 执行相应的读写操作。 SJA1000 的 RD 、 WR 、 ALE 分别与 STC89C52RC 的对应引脚相连， 接 STC89C52RC 的 INT0。 STC89C52RC 也可通过中断方式访问SJA1000。 为了增强 CAN 总线节点的抗干扰能力， SJA1000 的 TX0 和 RX0 并不是直接与82C250 的 TXD 和 RXD 相连，而是通过高速光耦 6N137 后与 82C250 相连，这样就很好的实现了总线上各 CAN 节点间的电气隔离。 不过应该特别说明的一点是：光耦计算机信息工程学院毕业设计说明书 13 部分电路所采用的两个电源 VCC 和 VDD 必须完全隔离。 否则采用光耦也就失去了意义。 电源的完全隔离可采用小功率电源隔离模块或 带多 5V 隔离输出的开关电源模块实现，这些部分虽然增加了节点的复杂，但是却提高了节点的稳定性和安全性。 STC89C52RCSJA1000P 0~P 7A D 0~A D 7C SR DW RA L EI N TP 2 . 0R DW RA L EI N T 0T X 0R X 0I N O u tT X 0R X 0I NO U TCAN总线C A N HC A N L温 度 传 感 器湿 度 传 感 器。