【正文】 溫度監(jiān)測及報警系統(tǒng)設(shè)計 第 22 頁 共 52 頁 圖 DS18B20管腳和結(jié)構(gòu)圖 ① 適應(yīng)電壓范圍更寬，電壓范圍： ～ ，在寄生電源方式下可由數(shù) 據(jù)線供電 ② 獨特的單線接口方式， DS18B20 在與微處理器連接時僅需要一條口線即可實現(xiàn)微處理器與 DS18B20 的雙向通訊 ③ DS18B20 支持多點組網(wǎng)功能，多個 DS18B20 可以并聯(lián)在唯一的三線上，實現(xiàn)組網(wǎng)多點測溫 ④ DS18B20 在使用中不需要任何外圍元件，全部 傳感元件及轉(zhuǎn)換電路集成在形如一只三極管的集成電路內(nèi) ⑤ 溫范圍－ 55℃ ～＋ 125℃ ，在 10～ +85℃ 時精度為 177。 圖 DS18B20測溫原理框圖 當(dāng)計數(shù)器 1的預(yù)置值減到 0時，溫度寄存器的值將加 1，計數(shù)器 1的預(yù)置將重新被裝入，計數(shù)器 1重 新開始對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進(jìn)行計數(shù)，如此循環(huán)直到計數(shù)器 2計數(shù)到 0時，停止溫度寄存器值的累加，此時溫度寄存器中的數(shù)值即 為所測溫度 [18]。且該芯片的物理化學(xué)性很穩(wěn)定，它能用做工業(yè)測溫元件，此元件線形較好。所以集成芯片的使用將成為電路發(fā)展的一種趨勢 [19]。 SED1520 液晶顯示控制驅(qū)動器集行列驅(qū)動器和控制器于一體，被廣泛應(yīng)用于小規(guī)模液晶顯示模塊。 ④驅(qū)動占空比為 1/16 或 1/32。下位機連接到現(xiàn)場的數(shù)字化傳感器上， 基于 CAN總線的多點溫度監(jiān)測及報警系統(tǒng)設(shè)計 第 26 頁 共 52 頁 對測量點的溫度進(jìn)行采集，并且把采集到的溫度值傳輸?shù)?CAN 總線上，構(gòu)成 CAN 總線的智能節(jié)點。 本系統(tǒng)采用 AT89S52 芯片作為微控制器。為了保證系統(tǒng)能夠可靠地復(fù)位， RST 端的高電平信號必須維持足夠長的時間。10pF，電容 C12 和 C13 可以幫助起振，此處使用典型的 30pF，調(diào)節(jié)他們 基于 CAN總線的多點溫度監(jiān)測及報警系統(tǒng)設(shè)計 第 28 頁 共 52 頁 可以達(dá)到微調(diào)時鐘頻率的目的。 圖 溫度檢測系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖 時鐘電路 液晶顯示器 串口電路 CAN 總線 控制器 SJA1000 CAN 總線 收發(fā)器 82C250 EEPROM 電路 報警電 路 CAN 總線 控制器 SJA1000 CAN 總線 收發(fā)器 82C250 單片機 AT89S52 溫度傳感器 DS18B20 單片機 AT89S52 監(jiān) 控 模 塊 主 控 模 塊 基于 CAN總線的多點溫度監(jiān)測及報警系統(tǒng)設(shè)計 第 27 頁 共 52 頁 4 系統(tǒng)的硬件設(shè)計 溫度檢測系統(tǒng)系統(tǒng)的硬件設(shè)計重點闡述了主控模塊和監(jiān)控模塊的硬件設(shè)計。各模塊具體的硬件電路設(shè)計在下列小節(jié)做出詳細(xì)的闡述。 其特性如下： ①內(nèi)置 2560 位顯示 RAM 區(qū)。液晶顯示器已被廣泛應(yīng)用于各種儀器儀表、電子顯示裝置等場合，成為測量結(jié)果顯示和人機對話的重要工具。 輕松的組建傳感器網(wǎng)絡(luò)。 DS18B20 的電源也可以從外部 。圖中低溫度系數(shù)晶振的振蕩頻率受溫度影響很小，用于產(chǎn)生固定頻率的脈沖信號 基于 CAN總線的多點溫度監(jiān)測及報警系統(tǒng)設(shè)計 第 23 頁 共 52 頁 送給計數(shù)器 1。C 范圍內(nèi)精度為 177。所以集成芯片的使用將成為電路發(fā)展的一種趨勢。且該芯片的物理化學(xué)性很穩(wěn)定，它能用做工業(yè)測溫元件，此元件線形較好。缺點是電路復(fù)雜、易受外部干擾、通常要進(jìn)行硬件或者軟件算法的補償措施。利用 82C250 還可方便地在 CAN 控制器與收發(fā)器之間建立光電隔離。通過將引腳 8 接地可選擇高速模式。該器件對總線提供差動發(fā)送能力，對 CAN 控制器提供差動接收能力。 RXFIFO最多可以緩存 64 字節(jié)的數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)可被 CPU 讀取。接口管理邏輯負(fù)責(zé)同外部主控制器的接口，該單元中的每一個寄存器都可由主控制器 通過 SJA1000 的地址 /數(shù)據(jù)總線訪問 [13]。故本系統(tǒng)選用 AT89S52 單片機作為微控制器。使用高密度非易失性存儲器技術(shù)制造，與工業(yè) 80C51 產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。系統(tǒng)的 主控模塊與監(jiān)控模塊之間采用 CAN 總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳 輸 ，從而 成為總線上的監(jiān)控節(jié)點。（ ～ ）≡(～ ) （ ～ ）≡ 11111111 屏蔽寄存器和濾波寄存器存放在 CAN控制器中，其自動識別標(biāo)識符的功能由硬件實現(xiàn)，但濾波寄存器和屏蔽寄存器的值需要軟件設(shè)定。屏蔽寄存器設(shè)定需要校驗的二進(jìn)制位，濾波寄存器存儲需比較的數(shù)值。有兩種形式的錯誤標(biāo)志，一種是活動錯誤標(biāo)志，另一種是認(rèn)可錯誤標(biāo)志。保留位必須發(fā)送顯性位。 表 23 數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu) ?? 幀起始 仲裁場 控制場 數(shù)據(jù)場 CRC場 ACK場 幀結(jié)束 ?? 幀起始（ SOF）標(biāo)志數(shù)據(jù)幀和遠(yuǎn)程幀的起始，僅由一個顯性位構(gòu)成。 SOF 11 位標(biāo)示符 仲裁場 控制場 RTR 位 diffV diffV 隱性位 顯性位 隱性位 時間 t HCANV ? LCANV ? 平均電壓 U 基于 CAN總線的多點溫度監(jiān)測及報警系統(tǒng)設(shè)計 第 14 頁 共 52 頁 CAN技術(shù)規(guī)范 ，標(biāo)準(zhǔn)幀和擴展幀?！帮@性”狀態(tài)改寫“隱性”狀態(tài)并發(fā)送?？刂破髯羁炷苓_(dá)到 1Mbps，但對總線長度有限制。 圖 CAN協(xié)議的分層結(jié)構(gòu) CAN 協(xié)議的分層結(jié)構(gòu)如圖 所示。如果節(jié)點在接收過程中檢測到任一在 CAN 總線協(xié)議中定義了的錯誤信息，它就會發(fā)送一個錯誤幀，當(dāng)一個節(jié)點正忙于處理接收的信息，需要額外的等待時間接收下 一報文時，可以發(fā)送過載幀，通知其它節(jié)點暫緩發(fā)送新報文。 CAN 總線協(xié)議 另外一個有用的特性是 一個節(jié)點可以主動要求其它節(jié)點發(fā)送信息。所有的仲裁判別都不會破壞優(yōu)先級高的報文信息內(nèi)容，也不會對其發(fā)送產(chǎn)生任何的時延。由于對系統(tǒng)可靠性和靈活性的高要求，工業(yè)控制系統(tǒng)的發(fā)展主要表現(xiàn)為：控制面向多元化，系統(tǒng)面向分散化，即負(fù)載分散、功能分散、危險分散和地域分散。 CAN 總線與其他總線相比有如下特點 ： ① 它是一種多主總線，即每個節(jié)點機均可成為主機，且節(jié)點機之間也可進(jìn)行通信； ② 通信介質(zhì)可以是雙絞線、同軸電纜或光導(dǎo)纖維，通信速率可達(dá) 1Mbps； ③ CAN 總線通信接口中集成了 CAN 協(xié)議的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層功能，可完成對 通信數(shù)據(jù)的成幀處理，包括位填充、數(shù)據(jù)塊編碼、循環(huán)冗余校驗、優(yōu)先級判別等項工作； ④ CAN 協(xié)議的一個最大特點是廢除了傳統(tǒng)的站地址編碼，而代之以對通信數(shù)據(jù)塊進(jìn)行編碼?，F(xiàn)場總線是應(yīng)用在生產(chǎn)現(xiàn)場、在微型計算機化測量控制設(shè)備之間實現(xiàn)雙向串行多節(jié)點數(shù)字通信的系統(tǒng)，也被稱為開放式、數(shù)字化、多點通信的底層控制網(wǎng)絡(luò)。但由于各類溫度傳感器的性能穩(wěn)定性、適應(yīng)性、經(jīng)濟(jì)性仍然存在不少技術(shù)問題，阻礙了 溫度監(jiān)測及報警系統(tǒng) 的應(yīng)用發(fā)展。CAN 網(wǎng)絡(luò)的配制比較容易 ， 允許任何站之間直接進(jìn)行通信 ， 而無需將所有數(shù)據(jù)全部匯總到主計算機后再行處理?，F(xiàn)場總線要求不同的廠商遵從相同的制造標(biāo)準(zhǔn)，組成開放的互連網(wǎng)絡(luò)是現(xiàn)場總線的發(fā)展趨勢。 現(xiàn)場總線 概況 現(xiàn)場總線是應(yīng)用在生產(chǎn)現(xiàn)場、在微機化測量控制設(shè)備之間實現(xiàn)雙向串行多節(jié)點數(shù)字通信的系統(tǒng) ， 現(xiàn)場總線技術(shù)將專用微處理器置入傳統(tǒng)的測量控制儀表，使它們各自具有了數(shù)字計算和數(shù)字通訊能力，采用可進(jìn)行簡單連接的雙絞線等作為總線，把多個測量控制儀表連接成網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，并按公開、規(guī)范的通信協(xié)議，在位于現(xiàn)場的多個微機化測量控制設(shè)備之間及現(xiàn)場儀表與遠(yuǎn)程監(jiān)控計算機之間，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸與信息交換 ，形成各種適應(yīng)實際需要的自動控制系統(tǒng) [1]。C， 在 10～ 基于 CAN總線的多點溫度監(jiān)測及報警系統(tǒng)設(shè)計 第 6 頁 共 52 頁 +85176。目前，在研制高精度，高性能，多功能的測量儀表時，幾乎沒有不考慮使用單片機使之成為智能儀表的。 本系統(tǒng)還適用于 在 糧倉 、 北方暖氣和熱水供應(yīng)中心 、 大面積水泥鋪建等多種場合 。 系統(tǒng)設(shè)計分為主控模塊和監(jiān)控模塊。監(jiān)控端的溫度傳感器采用數(shù)字傳感器 DS18B20， 系統(tǒng)設(shè)置溫度傳感器的闡值為 50℃ 。今年來由于微電子的進(jìn)步以及計算機應(yīng)用的日益廣泛，智能化測量儀表己經(jīng)取得巨人的進(jìn)步，以單片機為主體的溫度控制器取代了傳統(tǒng)的儀器儀 表。 使你可以充分發(fā)揮 “ 一線總線 ” 的優(yōu)點。 適合于惡劣環(huán)境的現(xiàn)場溫度測量 ，如：環(huán)境控制、設(shè)備或過程控制、測溫類消費電子 產(chǎn)品等。之后，世界上各大公司推出了各種智能儀表。同時 ， 國際上一些大的半導(dǎo)體廠商也積極開發(fā)出支持 CAN總線的專用芯片。同時 ， 由于 CAN 總線可以提供較高的安全性 ， 因此在醫(yī)療領(lǐng)域、紡織機械和電梯控制中也得到廣泛應(yīng)用。現(xiàn)場總線就是順應(yīng)這一形勢發(fā)展起來的新技術(shù)。因此現(xiàn)場總線技術(shù)是一個控制技術(shù)新時代的開端 [2]。 CANbus 的產(chǎn)生與發(fā)展 控制器局部網(wǎng)（ CAN－ CONTROLLER AREA NETWORK）是 BOSCH 公司為現(xiàn)代汽車應(yīng)用領(lǐng)先推出的一種多主機局部網(wǎng)，由于其卓越性能現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動化、 基于 CAN總線的多點溫度監(jiān)測及報警系統(tǒng)設(shè)計 第 9 頁 共 52 頁 多種控制設(shè)備、交通工具、醫(yī)療儀器以及建筑、環(huán)境 控制等眾多部門。 以下將對 CAN 總線的 基本通信工作原理 做一介紹。所有節(jié)點都會接收到在總線上傳送的報文，并在正確接收后發(fā)出應(yīng)CAN 節(jié)點 CAN 節(jié)點 CAN 節(jié)點 … 基于 CAN總線的多點溫度監(jiān)測及報警系統(tǒng)設(shè)計 第 10 頁 共 52 頁 答確認(rèn)。一旦新節(jié)點 加入到網(wǎng)絡(luò)中，它就開始接收信息，判別信息標(biāo)識，然后決定是否作處理或直接丟棄。目標(biāo)層和傳輸層包含所有由 ISO/OSI 模型定義的數(shù)據(jù)鏈路層的服務(wù)和功能。機械特征包括連接器尺寸、類型等； 電氣特性包括最大傳輸速率、最大傳輸距離、信號電平狀 態(tài)代表意義等；電信號特征包括對應(yīng)電平信號的邏輯信號、信號的傳輸時序、數(shù)據(jù)采樣方式等?！帮@性”和“隱性”同時發(fā)送時，最后總線數(shù)值將顯示為“顯性”。 超載幀：超載幀用以在相鄰的數(shù)據(jù)幀或遠(yuǎn)程幀之間提供附 加的延時。 數(shù)據(jù)幀由 7個不同的位場組成，即幀起始、仲裁場、控制場、數(shù)據(jù)場、 CRC場、應(yīng)答場和幀結(jié)束。其結(jié)構(gòu)如圖 。與數(shù)據(jù)幀相反，遠(yuǎn)程幀的 RTR位是隱性位。超載界定符由 8個隱性位組成，與出錯界定符具有相同的形式。如果屏蔽寄存器的每一位為 1，那么這一位會自動接收，無須與濾波寄存器的相應(yīng)位進(jìn)行比較。溫度傳感器應(yīng)用范圍廣泛、使用數(shù)量龐大，也高居各類傳感器之首。 微處理器 AT89S51/52 系列單片機是美國 ATMEL 公司生產(chǎn)的一種低功耗、高性能的片內(nèi)有4K/8K 快閃可編程 /擦除只讀存儲器 (FPEROM)的 8 位 COMS 微控制器?？臻e模式下， CPU 停止工作，允許 RAM、定時器 /計數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。 SJA1000 的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖 所示。 CPU 的控制經(jīng) IML 把要發(fā)送的數(shù)據(jù)寫入 TXB， TXB 中的數(shù)據(jù)由 BSP 處理后經(jīng) BTL 輸出到CAN 總線。它與 ISO11898 標(biāo)準(zhǔn)完全兼容，最高速率可達(dá) IMbps，采用斜率控制可降低射頻干擾，并且其未上電節(jié)點不會千擾總線。引腳 sR 可用于選擇三種不同的工作模式：高速、斜率控制和待機。由于在待機模式下接收器是慢速的，因此第一個報文將被丟失。模擬溫度傳感器根據(jù)輸出的信號還可以細(xì)分為電流型和電壓型。 在多點測溫系統(tǒng)中，傳統(tǒng)的測溫方法是將模擬信號遠(yuǎn)距離采樣進(jìn)行 AD 轉(zhuǎn)換，而為了獲得較高的測溫精度，就必須采用措施解決由長線傳輸，多點測量切換及放大電路零點漂移等造成的誤差補償問題。 采用溫度芯片 DS18B20 測量溫度，可以體現(xiàn)系統(tǒng)芯片化這個趨勢。華氏相當(dāng)于是 67176。 ℃ ⑥ 可編程 的分辨率為 9～ 12 位，對應(yīng)的可分辨溫度分別為 ℃ 、 ℃ 、 ℃和 ℃ ，可實現(xiàn)高精度測溫 ⑦ 在 9 位分辨率時最多在 內(nèi)把溫度轉(zhuǎn)換為數(shù)字， 12 位分辨率時最多在750ms 內(nèi)把溫度值轉(zhuǎn)換為數(shù)字，速度更快 ⑧ 測量結(jié)果直接輸出數(shù)字溫度信號，以 一 線總線 串行傳送給 CPU，同時可傳送CRC 校驗碼，具有極強的抗干擾糾錯能力 ⑨ 負(fù)壓特性：電源極性接反時，芯片不會因發(fā)熱而燒毀， 但不能正常工作。圖 用于補償和修正測溫過程中的非線性，其輸出用于修正計數(shù)器 1的預(yù)置值。在 0100 攝氏度時，最大線形偏差小于 1 攝氏度。本 設(shè)計 應(yīng)用這一溫度芯片，也是順應(yīng)這一趨勢。 基于 CAN總線的多點溫度監(jiān)測及報警系統(tǒng)設(shè)計 第 25 頁 共 52 頁 12232 是一種內(nèi)置 8192 個 1616 點漢字庫和 128 個 168 點 ASCII 字符集圖形點陣液晶顯示器