【正文】 性能均大大提高。 溫度控制系統(tǒng)的應(yīng)用前景寬廣，廣泛應(yīng)用于農(nóng)、林、牧、副、漁和工業(yè)生產(chǎn)的控制中，如各種倉(cāng)庫(kù)（ 冷庫(kù)、保鮮庫(kù)、糧庫(kù)等）、各種日光溫室、大棚、機(jī)房、圖書館、食品加工（酒、醬油、醋及各種發(fā)酵工藝）孵化、養(yǎng)殖業(yè)等需要溫濕度監(jiān)測(cè)和控制的 場(chǎng)所等等，產(chǎn)品應(yīng)用先進(jìn)的單片機(jī)技術(shù)，智能程度高、數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠，它除了可單獨(dú)控制各種設(shè)備進(jìn)行溫度控制或報(bào)警外，還可通過擴(kuò)展接口進(jìn)行其他設(shè)備的實(shí)時(shí)控制和遠(yuǎn)程控制。數(shù)據(jù)可通過總線傳輸?shù)接?jì)算機(jī)進(jìn)行記錄或打印、遙控。計(jì)算機(jī)通過系統(tǒng)監(jiān)控軟件提供溫度自動(dòng)化控制器和整個(gè)系統(tǒng)的交互功能，以及通過數(shù)據(jù)通訊線路與現(xiàn)場(chǎng)控制機(jī)的交互功能?，F(xiàn)場(chǎng)控制機(jī)通過傳感器收集現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù) 采集各種資料，由現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控軟件進(jìn)行處理并進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。它必須能適應(yīng)各類復(fù)雜監(jiān)控系統(tǒng)的要求，如實(shí)時(shí)性、低功耗、快速數(shù)據(jù)處理、集成數(shù)模外設(shè)功能、集成 CAN 總線接口．還應(yīng)該集成充足的 Flash 或 RAM 供程序、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，以簡(jiǎn)化電路，提高系統(tǒng)的可靠性。 C8051F 系列單片機(jī)是完全集成的混合信號(hào)系統(tǒng)級(jí)芯片 (SOC)，具有與 MCS51 完全兼容的指令內(nèi)核 。在低功耗的同時(shí)它還擁有著控制系統(tǒng)所需的豐富模擬、數(shù)字外設(shè)，大量的外設(shè)功能接口，通過交叉開關(guān)分配到 64 個(gè) I／ O 引腳，這一獨(dú)創(chuàng)性設(shè)計(jì)使得芯片集成度大大增高。 其中 C8051F040 內(nèi)集成了完全支持 CAN2． 0A 和 CAN2． 0B 的 CAN 控制器，獨(dú)立的消息 RAM 可以處理 32 條消息 對(duì)象，每個(gè)消息對(duì)象都可以進(jìn)行發(fā)送和接收濾波，最高工作速率達(dá)到 1Mb／ s，能夠完成 CAN 總線協(xié)議數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層的所有功能”其中 CAN 總線的競(jìng)爭(zhēng)處理、 CPU 接口、同步、數(shù)據(jù)的一貫性以及連續(xù)性保證，都是由硬件來解決， CPU 因此得以騰出大量的精力來處理其他的用戶功能。芯片上有 1 個(gè) 12 位多通道 ADC， 2 個(gè) 12 位 DAC， 2 個(gè)電壓比較器， 1 個(gè)電壓基準(zhǔn)， 1 個(gè) 32kB 的 FLASH 存儲(chǔ)器，與 MCS－ 51 指令集完全兼容的高速 CIP－ 51 內(nèi)核，峰值速度可達(dá) 25MIPS，并且還有硬件實(shí)現(xiàn)的 UART串行接口和完全支持 和 的 CAN 控制器。并且運(yùn)用 C8051F040 設(shè)計(jì)出來的溫度控制系統(tǒng)有著較好的市場(chǎng)前景，順 應(yīng)技術(shù)的發(fā)展。 然后數(shù)據(jù)在主控芯片中被解包，提取有效信息。 硬件系統(tǒng)總體構(gòu)成 硬件系統(tǒng)由一個(gè)遠(yuǎn)程 PC 機(jī)、控制芯片、溫度傳感器和主要控制電路組成。 從溫度傳感器對(duì)環(huán)境溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，采集到的數(shù)據(jù)通過 總線傳給控制芯片 ，然后芯片對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行識(shí)別。發(fā)送到 CAN 總線上的有效數(shù)據(jù)通過收發(fā)器被 接收，然后對(duì)數(shù)據(jù)解包處理，提取有效數(shù)據(jù)。從總體來說芯片就是數(shù)據(jù)的中轉(zhuǎn)站，是非常重要的。 適配卡 在接收到上位機(jī)發(fā)送的命令后， 適配卡 將接收到的數(shù)據(jù)通過 CAN 總線 向受控節(jié)點(diǎn)以廣播方式發(fā)送出去，受控節(jié)點(diǎn)根據(jù)命令進(jìn)行相應(yīng)的響應(yīng)。 圖 1 CAN 通訊模塊 C8051F040 LED 顯示模塊 串口通訊模塊 溫濕度采集模塊 圖 2 2 系統(tǒng)原理介紹 CAN 總線協(xié)議和工 作原理 CAN 總線的特性 CAN 是到目前為止唯一有國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場(chǎng)總線。 在報(bào)文標(biāo)識(shí)符上， CAN 上的節(jié)點(diǎn)分成不同的優(yōu)先級(jí)，可滿足不同的實(shí)時(shí)需要，優(yōu)先級(jí)高的數(shù)據(jù)最多可在 134μs 內(nèi)得到傳輸。當(dāng)多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)向總線發(fā)送信息發(fā)生沖突時(shí)，優(yōu)先級(jí)較低的節(jié)點(diǎn)會(huì)主動(dòng)的退出發(fā)送，而最高優(yōu)先級(jí)的節(jié)點(diǎn)可不受影響的繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù)，從而大大節(jié)省了總線沖突仲裁時(shí)間。 CAN 節(jié)點(diǎn)只需要通過對(duì)報(bào)文的標(biāo)識(shí)符濾波即可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)及全局廣播等幾種方式傳送接收數(shù)據(jù)。 CAN 上的節(jié)點(diǎn)數(shù)取決于總線驅(qū)動(dòng)電路，目前可達(dá) 110 個(gè)。 … 控制節(jié)點(diǎn) 2 CAN 總線 PC 機(jī) 控制節(jié)點(diǎn) N 控制節(jié)點(diǎn) 1 RS232 適配卡 LED 顯示 報(bào)文采用短幀結(jié)構(gòu)，傳輸時(shí)間短，受干擾概率低，保證了數(shù)據(jù)出錯(cuò)率極低。 CAN 通信介質(zhì)可為雙絞線、同軸電纜或光纖，選擇靈活。 CAN 的報(bào)文格式 在總線中傳送的報(bào)文，每幀由 7 部分組成。在標(biāo)準(zhǔn)格式中，報(bào)文的起始位稱為幀起始 (SOF)，然后是由 11 位標(biāo)識(shí)符和遠(yuǎn)程發(fā)送請(qǐng)求位 (RTR)組成的仲裁場(chǎng)?？刂茍?chǎng)包括標(biāo)識(shí)符擴(kuò)展位 (IDE)，指出是標(biāo)準(zhǔn)格式還是擴(kuò)展格式。它的最后四個(gè)字節(jié)用來指明數(shù)據(jù)場(chǎng)中數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度 (DLC)。應(yīng)答場(chǎng) (ACK)包括應(yīng)答位和應(yīng)答分隔符。用這種方法，發(fā)送站可以保證網(wǎng)絡(luò)中至少有一個(gè)站能正確接收到報(bào)文。 內(nèi)部的驗(yàn)收濾波器屏蔽濾波器可通過標(biāo)識(shí)符 ID 來接收需要的報(bào)文，屏蔽不相關(guān)的報(bào)文，即只向 CPU 提交合適的報(bào)文。同時(shí)，PeliCAN 協(xié)議允許兩段長(zhǎng)度的標(biāo)識(shí)符。 PeliCAN B 部分有 29 位能夠產(chǎn)生 536870912 個(gè)不同的標(biāo)識(shí)符。如果在 29 位 ID 的擴(kuò)展 CAN 系統(tǒng)中使用 PART A 的設(shè)備會(huì)發(fā)生錯(cuò)誤并破壞網(wǎng)絡(luò)。 PART B 設(shè)備的 PeliCAN 可根據(jù)設(shè)定工作于其中一種模式下。 CAN 的可靠性分析 為防止汽車在使用壽命期內(nèi)由于數(shù)據(jù)交換錯(cuò)誤而對(duì)司機(jī)造成危險(xiǎn)，汽車的安全系統(tǒng)要求數(shù)據(jù)傳輸具有較高的安全性。從總線系統(tǒng)數(shù)據(jù)的角度看，可靠性可以理解為，對(duì)傳輸過程產(chǎn)生的數(shù)據(jù)錯(cuò)誤的識(shí)別能力。它描述了傳送數(shù)據(jù)被破壞和這種破壞不能被探測(cè)出來的概率。計(jì)算殘余錯(cuò)誤概率要求能夠?qū)?shù)據(jù)錯(cuò)誤進(jìn)行分類，并且數(shù)據(jù)傳輸路徑可由一模型描述。例如， CAN 網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸率最大為 1Mbps，如果數(shù)據(jù)傳輸能力僅使用 50%，那么對(duì)于一個(gè)工作壽命 4000 小時(shí)、平均報(bào)文長(zhǎng)度為 80 位的系統(tǒng)，所傳送的數(shù)據(jù)總量為 91 010。換句話說，一個(gè)系統(tǒng)按每年 365 天，每天工作 8 小時(shí)，每秒錯(cuò)誤率為 計(jì)算，那么按統(tǒng)計(jì)平均，每1000 年才會(huì)發(fā)生一個(gè)不可檢測(cè)的錯(cuò)誤。現(xiàn)代信息技術(shù)的三大基礎(chǔ)是信息采集 (即傳感器技術(shù) )、信息傳輸 (通信技術(shù) )和信息處理 (計(jì)算機(jī)技術(shù) )。 溫度傳感器是 溫度測(cè)量?jī)x表 的核心部分，品種繁多。 按照控制信號(hào)的形式分類又可以分成數(shù)字溫度傳感器和模擬溫度傳感器兩類。當(dāng)在電路中串接 采樣電阻 R 時(shí)， R 兩端的電壓可作為喻出電壓。 AD590 輸出電流信號(hào) 傳輸距離可達(dá)到 1km 以上。適用于多點(diǎn)溫度測(cè)量和遠(yuǎn)距離溫度測(cè)量 的控制。它采用硅工藝生產(chǎn)的數(shù)字式溫度傳感器，其采用 PTAT 結(jié)構(gòu)，這種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)具有精確的，與溫度相關(guān)的良好輸出特性。輸出數(shù)字信 號(hào)故與微處理器 MCU 兼容，通過處理器的高頻采樣可算出輸出電壓方波信號(hào)的占空比，即可得到溫度。測(cè)量溫度范圍 45 到 130℃ ，故廣泛被用于高精度場(chǎng)合 。 系統(tǒng)微控制器的選擇 方案一：選擇 51 單片機(jī)作為系統(tǒng)的主控芯片。 方案二：選擇 Cygnal 公司的 51 系列單片機(jī) C8051F040，它是集成在一塊芯片上的混合信號(hào)系統(tǒng)級(jí)單片機(jī)，在一個(gè)芯片內(nèi)集成了構(gòu)成一個(gè)單片機(jī)數(shù)據(jù)采集或控制的智能節(jié)點(diǎn)所需要的幾乎所有模擬和數(shù)字外設(shè)以及其他功能部件，代表了目前 8 位單片機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展方向。C8051F040 是高度集成的混合信號(hào) SoC 級(jí)微控制器芯片，具有與 8051 單片機(jī)兼容的高速 CIP51 微控制器內(nèi)核，除了標(biāo)準(zhǔn) 8051 的數(shù)字外設(shè)部件外，片內(nèi)還集成了數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)中常用的模擬部件及其它一些數(shù)字外設(shè)部件。 CIP51 內(nèi)核具有標(biāo)準(zhǔn) 8052 的所有外設(shè)部件，包括 5 個(gè) 16 位的計(jì)數(shù)器 /定時(shí)器、兩個(gè)全雙工 UART 串行接口、 256 字節(jié)內(nèi)部 RAM、 128 字節(jié)特殊功能寄存器（ SFR）地址空間及 8 個(gè) 8 位寬的 I/O 端口。這 64 個(gè)多功能的 I/O 端口每個(gè)引腳都可以被配置為漏極開路或推挽輸出方式，方便用戶使用 [6]。這一特性允許用戶根據(jù)自己的特定應(yīng)用選擇通用端口 I/O 和所需數(shù)字資源的組合。 傳感器的選擇 方案一：采用獨(dú)立的溫度傳感器。該傳感器體積 小 ,外形如普通三極管 ,其內(nèi)部集成有測(cè)溫傳感器及邏輯控制電路。 ℃ ,可以滿足一般應(yīng)用的要求。單總線是指一根信號(hào)線上可以掛連多個(gè) DS18B20,可用于多點(diǎn)測(cè)量 【 9】 。將我們的熱電阻傳感器與我們的 RS－ 485 中繼器，可將原來只能連接 32 個(gè) PT100、 PT1000 熱電阻采集模塊連到同一網(wǎng)絡(luò)曾多到 255 個(gè)，且最大通信距離為 1200m。 通過對(duì)以上兩個(gè)方案的對(duì)比，兩個(gè)方案在精度和測(cè)量范圍上都是符合本設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)，但是相對(duì)于 LMPT1000 自帶 LCD 顯示來說， DS18B20 的電源電壓范圍：在保證溫度轉(zhuǎn)換精度為 + 的情況下，電源電壓可為 ++。分辨率： DS18B20 的分辨率由912 位數(shù)據(jù)在線編程決定 【 10】 。并且本設(shè)計(jì)自帶顯示電路，所以本設(shè)計(jì)選擇第一方案。 方案 一：利用 RS232實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通信。但由于 RS232 不涉及通信協(xié)議，無糾錯(cuò)、容錯(cuò)、防網(wǎng)絡(luò)堵塞等功能，我們?cè)谠O(shè)計(jì)時(shí)未采用此方案。 TCP 協(xié)議通信比較復(fù)雜，編寫程序有一定的困難性。 方案三：利用 CAN 總線實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通信。由于采用了許多新技術(shù)及獨(dú)特的設(shè)計(jì)， CAN 總線與一般的通信總線相比，它的數(shù)據(jù)通信具有突出的可靠性、實(shí)時(shí)性和靈活性。 顯示模塊的選擇 本系統(tǒng)主要是顯示環(huán)境當(dāng)前的溫濕度，并顯示當(dāng)前系統(tǒng)的工作狀態(tài)。 方案一：采用 LCD 顯示模塊 ， LCD 為英文 Liquid Crystal Display 的縮寫，即液晶顯示器，是一種數(shù)字顯示技術(shù)，可以通過液晶和彩色過濾器過濾光源，在平面面板上產(chǎn)生圖像。還可以很方便地顯示字符和漢字，但價(jià)格較高。例如：亮度高、工作電壓低、功耗小、易于集成、驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)單、壽命長(zhǎng)、耐沖擊且性能穩(wěn)定，其發(fā)展前景極為廣闊。所以采用 LED同樣能很好的顯示環(huán)境當(dāng)前溫濕度和系統(tǒng)的工作狀態(tài)，而且價(jià)格便宜。 CAN 收發(fā)器的選擇 方案一： TJA1050是 CAN協(xié)議控制器和物理總線之間 的接口。 TJA1050可以為總線提供不同的發(fā)送性能，為 CAN控制器提供不同的接收性能。 TJA1050有一個(gè)電流限制電路，保護(hù)發(fā)送器的輸出級(jí)，使由正或負(fù)電源電壓意外造成的短路不會(huì)對(duì) TJA1050造成損壞（此時(shí)的功率消耗增加）。因?yàn)榘l(fā)送器消耗了大部分的功率，所以這個(gè)集成電路的功率消耗和溫度會(huì)較低。允許選擇兩種不同的工作模式：高速模式或靜音模式。此器件對(duì)總線提供差動(dòng)發(fā)送能力，對(duì)CAN控制器提供差動(dòng)接收能力，完全符合 “ ISO11898” 標(biāo)準(zhǔn)。雖然在這種故障條件出現(xiàn)時(shí)，功耗將增加，但這種特性可以阻止發(fā)送器輸出級(jí)的破壞。由于發(fā)送器是功耗的主要部分 ，因此芯片溫度會(huì)迅速降低。允許選擇三種不同的工作模式：高速、待機(jī)、斜率控制。 溫度采集模塊電路設(shè)計(jì) 本模塊采用了集成的溫濕度傳感器 DS18B20,DS18B20 數(shù)字溫度傳感器接線方便，封裝成后可應(yīng)用于多種場(chǎng)合，如管道式，螺紋式，磁鐵吸附式，不銹鋼封裝式，型號(hào)多種多樣，有 LTM8877， LTM8874 等等。封裝后的 DS18B20 可用于電纜溝測(cè)溫，高爐水循環(huán)測(cè)溫，鍋爐測(cè)溫，機(jī)房測(cè)溫，農(nóng)業(yè)大棚測(cè)溫，潔凈室測(cè)溫，彈藥庫(kù)測(cè)溫等各種非極限溫度場(chǎng)合。 1: 技術(shù)性能描述 ①、 獨(dú)特的單線接口方式， DS18B20 在與微處理器連接時(shí)僅需要一條口線即可實(shí)現(xiàn)微處理器與 DS18B20 的雙向通訊。 ③、支持多點(diǎn)組 網(wǎng)功能，多個(gè) DS18B20 可以并聯(lián)在唯一的三線上，最多只能并聯(lián) 8 個(gè)，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測(cè)溫，如果數(shù)量過多，會(huì)使供電電源電壓過低，從而造成信號(hào)傳輸?shù)牟环€(wěn)定。 該芯片廣泛應(yīng)用于暖通空調(diào)、汽車、消費(fèi)電子、自動(dòng)控制等領(lǐng)域。 DS18B20 內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由四部分組成： 64 位光刻 ROM 、溫度傳感器、非揮發(fā)的溫度報(bào)警觸發(fā)器 TH 和 TL、配置寄存器。 顯示模塊電路設(shè)計(jì) 溫度顯示電路設(shè)計(jì) SAA1064 是 Philips 公司生產(chǎn)的 4位 LED 驅(qū)動(dòng)器 ,為雙極 型電路 ,具有 接口。該器件內(nèi)部帶有 總線從發(fā)送接收 器 ,可以通過地址引腳 ADR 的輸入電平編程為 4 個(gè)不同的從器件地址。 2．引腳功能及封裝形式 SAA1064 采用 24 腳 DIP 和 SOT 兩種封裝形式 ,圖1 所示為 24 腳 DIP 封裝的引腳排列。 （ 2）：內(nèi)部振蕩器電容輸入端 ,典型值為 。 P9～ P16(15～ 22)：段數(shù)據(jù)輸出口 2。 MX2（ 14）：多路選擇開 2： （ 12）：地 。 SDA、 SCL 分別為 總線的數(shù)據(jù)線和時(shí)鐘線。正常情況下 ,數(shù)據(jù)在響應(yīng)位的時(shí)鐘上跳變鎖存。 LED 顯示采用共陽極連接， 8 支發(fā)光二極管的陽極共同接到電源上，所以叫共陽極 LED，在每個(gè)發(fā)光二極管的陽極接的電阻將起到保護(hù)作用。和共陰極 LED 一樣，適當(dāng)編碼后， 8 支發(fā)光二極管組合起來就可以顯示 數(shù)據(jù)了。 圖 33 環(huán)境溫度顯示電路 、 CAN 收發(fā)器外圍電路設(shè)計(jì) C8051F040 單片機(jī)內(nèi)嵌 CAN 收發(fā)器，本來可以不需要配置外圍收發(fā)器，但是由于外圍系統(tǒng)接收頻率和單片機(jī)內(nèi)部頻率不一致，必需采用 TJA1050 收發(fā)器。其 TXD 引腳是其信號(hào)發(fā)送引腳，本系統(tǒng)中該引腳與 LPC2292 主控芯片的