基于CAN的温度检测系统设计-检测电路硬件设计 电气自动化毕业论文.doc

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1、 南 京 理 工 大 学 毕业设计说明书(论文) 作作 者者:张光鸿 学学 号：号： 0810190246 学院学院(系系):自动化 专专 业业:电气工程及其自动化 题题 目目:基于 CAN 的温度检测系统设计 - - - - 检 测 电 路 硬 件 设计 指导者：指导者： (姓 名) (专业技术职务) 评阅者：评阅者： (姓 名) (专业技术职务) 年 月 胡戍方 毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文）中中文文摘摘要要 CAN 总线是一种多主方式的串行通讯协议，以其高比特率、高抗电磁干 扰性、高实时性，在汽车工业、航空工业和工业控制等对数据实时性要求较 高的领域中得到了广泛应用。本次设计采

2、用 Cygnal 公司的 c8051f040 单片 机作为主控芯片，基于 CAN 总线设计、基于 DS18B20 温度传感器实现对环境 温湿度的实时检测。设计过程主要由温度传感器 DS18B20 采集数据通过总线 传输给单片机，单片机处理并显示。本设计测量温度的精度为0.5，测量 范围-5080，系统反应时间小于 1 秒。总体来说，本设计的检测范围较广、 稳定性和精度较高、设备简易、性价比高，很好的实现了对环境温的实时检 测。 关键词 CAN 总线 C8051F040 DS18B20 传感器 TJA1050 毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文）外外文文摘摘要要 TitleTitle The

3、 hardware circuit Based on CAN temperature detection system AbstractAbstract CAN Bus is a multimaster way of serial communication protoco, has high bit rate, high resistance to electromagnetic interference and supports realtime control with a very high level. Therefore, CAN bus have been widely used

4、 in the automobile industry, aviation industry and industrial control fields which require high level of realtime. This design uses Cygnals C8051F040microcontroller as the main control chip, based on the CAN bus design, based on the DS18B20 temperature sensor to realize the real-time environment tem

5、perature and humidity detection. The design process mainly consists of temperature sensor DS18B20data transfer through the bus to the microcontroller, SCM processing and display. The design of temperature measuring precision of plus or minus 0.5 DEG C, measuring range -50to 80 DEG C, system response

6、 time of less than 1 second.In general, the system has wider temperature and humidity measurements scope, higher stability and precision, simple equipment and higher performance-price ratio. It is very good to have realized the realtime detection for the environment. Keywords CAN bus C8051F040 DS18B

7、20 TJA1050 目 录 1 1 引言引言 1.1 选题背景与依据7 1.1.1 选题背景 .7 1.1.2 发展及现状 .7 1.1.3 选题意义 .8 1.2 系统综述9 1.2.1 系统工作过程 .9 1.2.2 系统总体构成 .9 2 2 系统原理介绍系统原理介绍 2.1 CAN 总线协议和工作原理 .11 2.1.1 CAN 总线的特性.11 2.1.2 CAN 的报文格式.11 2.1.3 CAN 的两种存在形式.12 2.1.4 CAN 的可靠性分析.12 2.2 传感器原理.13 3 3 系统方案选择和电路设计系统方案选择和电路设计 3.1 各模块方案的选择.16 3.1.

8、1 系统微控制器的选择 16 3.1.2 传感器的选择 17 3.1.3 通讯模块总线的选择 17 3.1.4 显示模块的选择 18 3.1.5 CAN 收发器的选择.19 3.2 温度采集模块电路设计.19 3.3 显示模块电路设计.20 3.3.1 温度显示电路设计 20 3.2 CAN 收发器外围电路设计 .22 3.3 电源模块电路设计.23 3.4 JTAG 接口电路设计 24 3.5 系统复位电路设计.25 3.6 系统时钟电路设计.26 3.7 系统报警电路设计.27 4 4 软件软件 4.1 温度采集28 4.2 CAN 通信 .29 结论 3232 致谢 3333 参考文献

9、3434 附录 1 3535 附录 2 3636 附录 3 3737 1 1 引言引言 控制器局域网(CAN)是 Bosch 公司提出的一种串行数据通信协议，它的模型 结构包括物理层、数据链路层和应用层，信号传输介质是双绞线，通信速率最 高 1 Mbs，直接传输距离最远 10 km，每条总线可挂接设备多达 110 个，特别 适用于实时性要求很高的网络。由于通信速率高、开放性好、报文短，纠错能 力和扩展能力强以及控制简单、应用成本低等优点CAN 总线已被应用到众多的 工业过程监控领域，是公认最有前途的现场总线之一【1】。 随着计算机硬件、软件技术及集成电路技术的迅速发展，工业控制系统已 成为计算

10、机技术应用领域中最具活力的一个分支，并取得了巨大进步。由于对 系统可靠性和灵活性的高要求，工业控制系统的发展主要表现为：控制面向多 元化，系统面向分散化，即负载分散、功能分散、危险分散和地域分散。 分散式工业控制系统就是为适应这种需要而发展起来的。这类系统是以微 型机为核心，将 5C 技术-COMPUTER（计算机技术） 、CONTROL（自动控制技术） 、 COMMUNICATION（通信技术） 、CRT（显示技术）和 CHANGE（转换技术）紧密结 合的产物。它在适应范围、可扩展性、可维护性以及抗故障能力等方面，较之 分散型仪表控制系统和集中型计算机控制系统都具有明显的优越性。典型的分 散

11、式控制系统由现场设备、接口与计算设备以及通信设备组成。现场总线 （FIELDBUS）能同时满足过程控制和制造业自动化的需要，因而现场总线已成 为工业数据 总线领域中最为活跃的一个领域。现场总线的研究与应用已成为工业数据 总线领域的热点。尽管目前对现场总线的研究尚未能提出一个完善的标准，但 现场总线的高性能价格比将吸引众多工业控制系统采用。同时，正由于现场总 线的标准尚未统一，也使得现场总线的应用得。由于 CAN 为愈来愈多不同领域 采用和推广，导致要求各种应用领域通信报文的标准化。为此，1991 年 9 月 PHILIPS SEMICONDUCTORS 制订并发布了 CAN 技术规范（VERS

12、ION2.0） 。该技术 规范包括 A 和 B 两部分。2.0A 给出了曾在 CAN 技术规范版本 1.2 中定义的 CAN 报文格式，而 2.0B 给出了标准的和扩展的两种报文格式。此后，1993 年 11 月 ISO 正式颁布了道路交通运载工具-数字信息交换-高速通信控制器局部网 （CAN）国际标准。 1 1 选题背景与依据选题背景与依据 1.1.1 选题背景 在 80 年代末 CAN 最初出现在汽车工业中，是由德国的 Bosch 公司最先提 出。当时，由于消费者对于汽车功能的要求越来越多，而这些功能的实现大多 是基于电子操作的，这就使得电子装置之间的通讯越来越复杂，同时意味着需 要更多的

13、连接信号线。提出 CAN 总线的最初动机就是为了解决现代汽车中庞大 的电子控制装置之间的通讯，减少不断增加的信号线。于是，他们设计了一个 单一的网络总线，所有的外围器件可以被挂接在该总线上。1993 年，CAN 已成 为国际标准 ISO11898(高速应用)和 ISO11519（低速应用） 。CAN 是一种多主方 式的串行通讯总线，基本设计规范要求有高的比特率，高抗电磁干扰性，而且 能够检测出产生的任何错误。由于 CAN 总线具有很高的实时性能，因此，CAN 已经在 汽车工业、航空工业、工业控制、安全防护等领域中得到了广泛应用。 温度检测系统的应用前景宽广，工农业生产，科学研究，生活等领域都离

14、 不开温度控制系统。比如农业上要求能够实现智能化农业生产管理得利用温度 检测系统；要实现养殖业的规模化与自动化，让被养殖的动物在他们适宜的温 度下生长，这对养殖产业的发展和壮大起着十分重要的作用；粮食的储存也需 要对温度进行严格的控制，以防止粮食的变质；在科学研究方面，温度检测系 统能够保证温度的恒定或者变化，适应与科学的研究，排除或者考察温度对某 项研究起到的作用。 1.1.2 发展及现状 CAN 总线在组网和通信功能上的优点，以及它的高性价比决定了它在许多 领域都有广阔的应用前景和发展潜力。大型仪器设备系统复杂，需要对多种信 息进行采集、处理、控制、输出等操作。如医疗器械 CT 断层扫描仪

15、，为保证 其可靠工作，在数据通信上要求功能块间可随意进行数据交换、通信能以广播 方式进行、简单经济的硬件接口、通信线尽量少、抗干扰能力强、可靠性高并 能自动进行故障识别和自动恢复。但是，这些要求长时间未能得到很好的解决， 直至 CAN 总线技术出现才提供了一个较好的解决方法。 在工农业生产、气象、环保、国防、科研、航天等部门，经常需要对环境 温度进行测量和控制。准确测量温度对于生物制药、食品加工、造纸等行业更 是至关重要的。目前，温度测量领域的新技术不断涌现，新产品也层出不穷。 主要表现在以下两方面： 1、温度传感器正从分立组件向集成化、智能化、系统化的方向迅速发展， 为开发新一代温度测控系统

16、创造了有利条件； 2、在温度测量系统中普遍采用线性化处理、自动温度补偿等新技术。 随着信息时代的到来，数字化技术的发展，传感器技术也得到了显著的发 展。现代信息技术的三大基础是信息采集(即传感器技术)、信息传输(通信技术) 和信息处理(计算机技术)。传感器属于信息技术的前沿尖端产品，尤其是温度 传感器被广泛用于工农业生产、科学研究和生活等领域，数量高居各种传感器 之首。 1.1.3 选题意义 在以往的国内测控领域，在总线选择上，大多采用 BITBUS 或 RS-485 作为 通信总线。其不足主要有：只能有一个主节点,主节点一旦出现故障就可能引起 系统瘫痪；数据通信为命令响应，传输率低；错误处理

17、能力弱。采用 CAN 总线 技术后即可解决上述问题。CAN 网络上任何一个节点均可作为主节点主动地与 其它节点交换数据；CAN 网络节点的信息帧可以分出优先级，这对于有实时性 要求的控制提供了方便；CAN 的物理层及数据链路层有独特的设计技术，使其 在抗干扰以及错误检测等方面的性能均大大提高。CAN 的上述特点使其成为诸 多工业测控领域中首选的现场总线之一。 温度控制系统的应用前景宽广，广泛应用于农、林、牧、副、渔和工业生 产的控制中，如各种仓库（ 冷库、保鲜库、粮库等） 、各种日光温室、大棚、 机房、图书馆、食品加工（酒、酱油、醋及各种发酵工艺）孵化、养殖业等需 要温湿度监测和控制的场所等等

18、，产品应用先进的单片机技术，智能程度高、 数据稳定可靠，它除了可单独控制各种设备进行温度控制或报警外，还可通过 扩展接口进行其他设备的实时控制和远程控制。配合计算机可组成综合环境数 据监控网。数据可通过总线传输到计算机进行记录或打印、遥控。温度自动化 控制器与计算机连接，可实现多点远距离通讯。计算机通过系统监控软件提供 温度自动化控制器和整个系统的交互功能，以及通过数据通讯线路与现场控制 机的交互功能。现场数据采集部分通过各种传感器分别对各种环境因素数据进 行实时、不断的自动收集。现场控制机通过传感器收集现场数据采集各种资料， 由现场监控软件进行处理并进行实时控制。 在系统硬件设计过程中选择合

19、适的芯片是 CAN 总线控制系统设计成功的关 键。它必须能适应各类复杂监控系统的要求，如实时性、低功耗、快速数据处 理、集成数模外设功能、集成 CAN 总线接口还应该集成充足的 Flash 或 RAM 供程序、数据存储，以简化电路，提高系统的可靠性。因此我最终最终选 择了 Silicon Laboratories 的 C8051F 这一系列高性能 8 位单片机。C8051F 系列 单片机是完全集成的混合信号系统级芯片(SOC)，具有与 MCS-51 完全兼容的指 令内核。由于采用了流水线处理技术不再区分时钟周期和机器周期，大大提 高了指令执行效率，使其处理速度不逊于许多 16 位单片机(如 D

20、SP2407)。在低 功耗的同时它还拥有着控制系统所需的丰富模拟、数字外设，大量的外设功能 接口，通过交叉开关分配到 64 个 IO 引脚，这一独创性设计使得芯片集成度 大大增高。此外，C8051F 还采用了 Flash ROM 技术，集成了 JTAG，实现了真 正的在线编程和片上调试【5】。 其中 C8051F040 内集成了完全支持 CAN20A 和 CAN20B 的 CAN 控制 器，独立的消息 RAM 可以处理 32 条消息对象，每个消息对象都可以进行发送 和接收滤波，最高工作速率达到 1Mbs，能够完成 CAN 总线协议数据链路层 和应用层的所有功能”其中 CAN 总线的竞争处理、C

21、PU 接口、同步、数据的 一贯性以及连续性保证，都是由硬件来解决，CPU 因此得以腾出大量的精力来 处理其他的用户功能。我们选用 c8051f040 单片机微处理器来完成这次的温度 检测系统，Cygnal 公司的 51 系列单片机 C8051F040 是集成在一块芯片上的混 合信号系统级单片机，在一个芯片内集成了构成一个单片机数据采集或控制的 智能节点所需要的几乎所有模拟和数字外设以及其他功能部件，代表了目前 8 位单片机控制系统的发展方向。芯片上有 1 个 12 位多通道 ADC，2 个 12 位 DAC，2 个电压比较器，1 个电压基准，1 个 32kB 的 FLASH 存储器，与 MCS

22、51 指令集完全兼容的高速 CIP51 内核，峰值速度可达 25MIPS，并且 还有硬件实现的 UART 串行接口和完全支持 CAN2.0A 和 CAN2.0B 的 CAN 控 制器。选用这个芯片不仅能够对我的大学四年的知识进行一个总结运用，而且 能够紧跟时代的发展脉搏，吸取最新鲜的知识体系。并且运用 C8051F040 设计 出来的温度控制系统有着较好的市场前景，顺应技术的发展。 1.2 系统综述 1.2.1 系统工作过程 系统主要工作过程为：首先温度传感器将采集到的数据通过总线传送给从 节点控制芯片，芯片在接收到数据以后将数据进行处理、打包成为符合 CAN 协 议的信息帧，然后使用 CAN

23、 收发器将数据通过 CAN 总线发送给主控节点的主 控制芯片。然后数据在主控芯片中被解包，提取有效信息。最后通过串口将数 据传回主机显示，同时将数据送 LED 显示当前温湿度。 1.2.2 硬件系统总体构成 硬件系统由一个远程 PC 机、控制芯片、温度传感器和主要控制电路组成。 主要控制电路包括：电源电路，JATG 电路，CAN 收发器电路，时钟电路，报 警电路，显示电路。 从温度传感器对环境温度进行实时采集，采集到的数据通过总线传给控制 芯片，然后芯片对采集到的数据进行识别。根据规定的不同，如果是有效数据， 那么将数据打包发送到 CAN 总线；如果数据无效，那么继续等待有效数据。发 送到 C

24、AN 总线上的有效数据通过收发器被接收，然后对数据解包处理，提取有 效数据。然后将提取出来的有效数据一方面通过设配卡和串口传给 PC 机，PC 机在接收到数据后，通过上位机程序把刚接收到的有效数据显示在 PC 机的窗 口中；另一方面有效数据通过主控芯片送 LED 显示模块，实现对温度的实时显 示。从总体来说芯片就是数据的中转站，是非常重要的。各控制节点通过 CAN 总线相连，实现数据的远程通信。适配卡在接收到上位机发送的命令后，适配 卡将接收到的数据通过 CAN 总线向受控节点以广播方式发送出去，受控节点根 据命令进行相应的响应。 。其结构如图 1 图 2 所示。 CAN 通讯模块 C8051

25、F040 LED 显示模块 串口通讯模块 温湿度采集模块 图 1 控制节点 2 图 2 2 2 系统原理介绍系统原理介绍 2.1 CAN 总线协议和工作原理 2.1.1 CAN 总线的特性 1、CAN 是到目前为止唯一有国际标准的现场总线。 2、CAN 为多主方式工作，网络上任一节点均可在任一时刻主动地向网络 上其他节点发送信息，而不分主从。 3、在报文标识符上，CAN 上的节点分成不同的优先级，可满足不同的实 时需要，优先级高的数据最多可在 134s 内得到传输。 4、CAN 采用非破坏总线仲裁技术。当多个节点同时向总线发送信息发生 冲突时，优先级较低的节点会主动的退出发送，而最高优先级的节

26、点可不受影 响的继续传输数据，从而大大节省了总线冲突仲裁时间。尤其是在网络负载很 重的情况下，也不会出现网络瘫痪的情况（以太网则可能） 。 5、CAN 节点只需要通过对报文的标识符滤波即可实现点对点、一点对多 点及全局广播等几种方式传送接收数据。 6、CAN 的直接通信距离最远可达 10km（速率 5kbps 以下） ；通信速率最 CAN 总线 PC 机 控制节点 N控制节点 1 RS-232 适配卡LED 显示 高可达 1Mbps（此时通信距离最长为 40m） 。 7、CAN 上的节点数取决于总线驱动电路，目前可达 110 个。在标准帧报 文标识符有 11 位，而在扩展帧的报文标识符（29

27、位）的个数几乎不受限制。 8、报文采用短帧结构，传输时间短，受干扰概率低，保证了数据出错率极 低。 9、CAN 的每帧信息都有 CRC 校验及其他检错措施，具有极好的检错效果。 10、CAN 通信介质可为双绞线、同轴电缆或光纤，选择灵活。 11、CAN 节点在错误严重的情况下具有自动关闭输出功能，以使总线上其 他节点的操作不受影响。 2.1.2 CAN 的报文格式 在总线中传送的报文，每帧由 7 部分组成。CAN 协议支持两种报文格式， 其唯一的不同是标识符(ID)长度不同，标准格式为 11 位，扩展格式为 29 位1。 在标准格式中，报文的起始位称为帧起始(SOF)，然后是由 11 位标识符

28、和远程 发送请求位(RTR)组成的仲裁场。RTR 位标明是数据帧还是请求帧，在请求帧 中没有数据字节。控制场包括标识符扩展位(IDE)，指出是标准格式还是扩展格 式。它还包括一个保留位(ro)，为将来扩展使用。它的最后四个字节用来指明数 据场中数据的长度(DLC)。数据场范围为 0 8 个字节，其后有一个检测数据错 误的循环冗余检查(CRC)。应答场(ACK)包括应答位和应答分隔符。发送站发送 的这两位均为隐性电平(逻辑“1“)，这时正确接收报文的接收站发送主控电平(逻 辑“0“)覆盖它。用这种方法，发送站可以保证网络中至少有一个站能正确接收 到报文。 2.1.3 CAN 的两种存在形式 1、

29、具有 11 位 ID 标识符的 BasicCAN； 2、带有扩展成 29 位 ID 标识符的高级形式 PeliCAN。 内部的验收滤波器屏蔽滤波器可通过标识符 ID 来接收需要的报文，屏蔽不 相关的报文，即只向 CPU 提交合适的报文。 Philips、Intel、Siemens 的 CAN 芯片均支持 BasicCAN 和 PeliCAN。同时， PeliCAN 协议允许两段长度的标识符。 PeliCAN A 部分使用 11 位报文标识符能够识别出 2032 个不同的标识符 （保留十六位作为 ID，但只有低 11 位有效） ，此部分兼容 BasicCAN。 PeliCAN B 部分有 29

30、位能够产生 536870912 个不同的标识符。 PART A 的设备只能用标准的 CAN 协议发送和接收。如果在 29 位 ID 的扩 展 CAN 系统中使用 PART A 的设备会发生错误并破坏网络。SIEMENS 81C90 和 81C91 是相类似的 PART A 11 位 ID 设备，但可在扩展 CAN 上使用而不会引 起总线错误，原因很简单：因为它们忽略了扩展 CAN 帧而是被认为是 PART B 设备。 PART B 设备的 PeliCAN 可根据设定工作于其中一种模式下。 数据链路层定义了报文传输的格式和定时协议这里有两种描述符都能达到 8 字节的数据描述符是非常重要的因为它们

31、定义了报文的优先权以及报文传输 的类型。 2.1.4 CAN 的可靠性分析 为防止汽车在使用寿命期内由于数据交换错误而对司机造成危险，汽车的 安全系统要求数据传输具有较高的安全性。如果数据传输的可靠性足够高，或 者残留下来的数据错误足够低的话，这一目标不难实现。从总线系统数据的角 度看，可靠性可以理解为，对传输过程产生的数据错误的识别能力。 残余数据错误的概率可以通过对数据传输可靠性的统计测量获得。它描述 了传送数据被破坏和这种破坏不能被探测出来的概率。残余数据错误概率必须 非常小，使其在系统整个寿命周期内，按平均统计时几乎检测不到。计算残余 错误概率要求能够对数据错误进行分类，并且数据传输路

32、径可由一模型描述。 如果要确定 CAN 的残余错误概率，我们可将残留错误的概率作为具有 80 90 位的报文传送时位错误概率的函数，并假定这个系统中有 5 10 个站，并且错 误率为 1/1000，那么最大位错误概率为 10 13 数量级。例如，CAN 网络的数 据传输率最大为 1Mbps，如果数据传输能力仅使用 50%，那么对于一个工作寿 命 4000 小时、平均报文长度为 80 位的系统，所传送的数据总量为 91010。在 系统运行寿命期内，不可检测的传输错误的统计平均小于数量级。换句话 -2 10 说，一个系统按每年 365 天，每天工作 8 小时，每秒错误率为 0.7 计算，那么 按统

33、计平均，每 1000 年才会发生一个不可检测的错误。 2.2 传感器原理 随着信息时代的到来，数字化技术的发展，传感器技术也得到了显著的发 展。现代信息技术的三大基础是信息采集(即传感器技术)、信息传输(通信技术)和 信息处理(计算机技术)。传感器属于信息技术的前沿尖端产品，尤其是温度传 感器被广泛用于工农业生产、科学研究和生活等领域，数量高居各种传感器之 首【7，8】。 温度传感器是温度测量仪表的核心部分，品种繁多。按测量方式可分为接 触式和非接触式两大类，按照传感器材料及电子元件特性分为热电阻和热电偶 两类。按照控制信号的形式分类又可以分成数字温度传感器和模拟温度传感器 两类。 例如 AD

34、590 是美国模拟器件公司的电流输出型温度传感器，供电电压范围 为 330V，输出电流 223A（-50）423A（+150） ，灵敏度为 1A/。当在电路中串接 采样电阻 R 时，R 两端的电压可作为喻出电压。 注意 R 的阻值不能取得太大，以保证 AD590 两端电压不低于 3V。AD590 输出电流信号传输距离可达到 1km 以上。作为一种高阻电流 源，最高可达 20M，所以它不必考虑选择开关或 CMOS 多路转换器所 引入的附加电阻造成的 误差。适用于多点温度测量和远距离温度测量的控 制。 而 SMT16030 在 80 年代末期由 荷兰代尔夫特理工大学 的实验室首先 开发研制成功，并

35、由新成立的荷兰 Smartec 公司对其进行市场化。它采用 硅工艺生产的数字式温度传感器，其采用PTAT 结构，这种半导体结构具 有精确的，与温度相关的良好输出特性。 PTAT 的输出通过占空比比较器 调制成数字信号，占空比与温度的关系如下式： DC=0.32+0.0047*t，t 为 摄氏度。输出数字信号故与微处理器MCU 兼容，通过处理器的高频采样 可算出输出电压方波信号的占空比，即可得到温度。该款温度传感器因其 特殊工艺，分辨率优于 0.005K。测量温度范围 -45 到 130，故广泛被用 于高精度场合 。 第章第章 系统方案选择与电路设计系统方案选择与电路设计 3.1 各模块方案的选

36、择 本设计各模块的选择主要包括系统微控制器，传感器的选择，通讯模块的 选择，CAN 收发器模块选择，显示模块选择。 3.1.1 系统微控制器的选择 方案一：选择 51 单片机作为系统的主控芯片。51 单片机是应用最为广泛 的 8 位单片机，技术比较成熟、并且其编程简单、易开发、成本低廉、功能也 较为完善，因此被广泛应用在工业自动控制领域和智能家电控制领域。 方案二：选择 Cygnal 公司的 51 系列单片机 C8051F040，它是集成在一块 芯片上的混合信号系统级单片机，在一个芯片内集成了构成一个单片机数据采 集或控制的智能节点所需要的几乎所有模拟和数字外设以及其他功能部件，代 表了目前

37、8 位单片机控制系统的发展方向。芯片上有 1 个 12 位多通道 ADC，2 个 12 位 DAC，2 个电压比较器，1 个电压基准，1 个 32kB 的 FLASH 存储器， 与 MCS51 指令集完全兼容的高速 CIP51 内核，峰值速度可达 25MIPS，并 且还有硬件实现的 UART 串行接口和完全支持 CAN2.0A 和 CAN2.0B 的 CAN 控制器。C8051F040 是高度集成的混合信号 SoC 级微控制器芯片，具有与 8051 单片机兼容的高速 CIP-51 微控制器内核，除了标准 8051 的数字外设部件外， 片内还集成了数据采集与控制系统中常用的模拟部件及其它一些数字

38、外设部件。 通过比较这两种方案，本设计最终选定 C8051F040 单片机作为本温度测量 系统的微控制器，因为 C8051F040 单片机系统控制器的内核采用 CIP-51 微控制 器，它与 MCS-51 指令集完全兼容，可以使用标准 803x/805x 汇编器和编译器 进行软件开发。CIP-51 内核具有标准 8052 的所有外设部件，包括 5 个 16 位的 计数器/定时器、两个全双工 UART 串行接口、256 字节内部 RAM、128 字节特 殊功能寄存器（SFR）地址空间及 8 个 8 位宽的 I/O 端口。同时 C8051F040 中 除具有 4 个标准的 8051 端口 P0、P

39、1、P2、P3 外，还附加了 4 个端口 P4、P5、P6、P7。这 64 个多功能的 I/O 端口每个引脚都可以被配置为漏极开路 或推挽输出方式，方便用户使用6。 另外，可通过设置交叉开关控制寄 存器将片内的计数器/定时器、串行总线、硬件中断、ADC 转换启动输入、比 较器输出以及微控制器内部的其它数字信号配置在端口 I/O 引脚。这一特性允 许用户根据自己的特定应用选择通用端口 I/O 和所需数字资源的组合。 ，这个芯 片很适合本系统各项性能指标的要求，同时能大大的减化外围功能电路的设计， 缩短开发周期，节省外围开发成本。 3.1.2 传感器的选择 方案一：采用独立的温度传感器。经过调查，

40、温度传感器选用 Dallas 公司 的可编程单线数字式温度传感器 DS18B20 实现环境温度采集。该传感器体积小,外 形如普通三极管,其内部集成有测温传感器及逻辑控制电路。DS18B20 的外围电 路简单,成本低,测温精度较高,可以设定 912 位的分辨率,精度为0.5,可以满 足一般应用的要求。它还有很多优点,例如:直接输出数字信号,无需后续的信号 处理及 A/D 转换部分;单总线是指一根信号线上可以挂连多个 DS18B20,可用于 多点测量【9】。 方案二：LM-PT100、LM-PT1000 是带 LCD 显示的热电阻温湿度传感器， 工作于-40+85( Link-Max 温湿度传感器

41、 主机范围，不是外接的传感 器范围)工业级环境，采集温度范围为200+200，显示精度 0.1；综合 精度 0.3。将我们的热电阻传感器与我们的 RS485 中继器，可将原来只能 连接 32 个 PT100、PT1000 热电阻采集模块连到同一网络曾多到 255 个，且最 大通信距离为 1200m。LM-PT100、LM-PT1000 热电阻温湿度传感器还可以和 LM-8052NET 配合，组成 TCP/IP 的温度采集网络，可实现远程采集温度。 通过对以上两个方案的对比，两个方案在精度和测量范围上都是符合本设 计的标准，但是相对于 LM-PT1000 自带 LCD 显示来说，DS18B20

42、的电源电压 范围：在保证温度转换精度为+0.5oC 的情况下，电源电压可为+0.3V+5.5V。精 度：DS18B20 在-10oC 到+85oC 的范围内精度为+0.5oC。分辨率：DS18B20 的分辨 率由 9-12 位数据在线编程决定【10】。并且 DS18B20 转换速度快，节约 IO 口， 直接输出数字量，无须外加 A/D 转换电路，简单方便。并且本设计自带显示电 路，所以本设计选择第一方案。 3.1.3 通讯模块总线的选择 远程通信通常可以采用 RS-232 接口标准的串口通信、CAN 总线通信和 TCP 协议通信。 方案一：利用 RS-232 实现远程通信。RS-232 标准是

43、美国电气工业联合会 (EIA)制定的利用平衡双绞线作传输线的多点通讯标准，它采用差分信号进行传 输。但由于 RS-232 不涉及通信协议，无纠错、容错、防网络堵塞等功能，我们 在设计时未采用此方案。 方案二：运用 TCP 协议实现远程通信。TCP 协议通信比较复杂，编写程序 有一定的困难性。另外由于 TCP 本身的特性，若在网络信息量比较大的时候， 网络传载信息负荷比较大时容易出现网络拥塞，通信就会出现一定的延迟，这 将影响到温度控制系统对温度测控的实时性与准确性，使得系统性能不稳定。 方案三：利用 CAN 总线实现远程通信。CAN 是一种串行通信协议，它能 有效支持高安全等级的分布实时控制，

44、以多主方式工作，网络上任一节点均可 在任意时刻主动向网络上其它节点发送信息，而不分主从；节点在错误严重的 情况下具有自动关闭输出功能，以使总线上其它节点的操作不受影响；报文采 用短帧结构，传输时间短，受干扰概率低，保证了数据出错率极低；每帧信息 都有 CRC 校验及其它检错措施，具有极好的检错效果。由于采用了许多新技术 及独特的设计，CAN 总线与一般的通信总线相比，它的数据通信具有突出的可 靠性、实时性和灵活性。 通过对比，本设计选择了方案三，用于站点与站点之间的通信，上位机与 各个站点之间的通信是通过主控节点的串口实现的。 3.1.4 显示模块的选择 本系统主要是显示环境当前的温湿度，并显

45、示当前系统的工作状态。使用 LCD 或者 LED 都可以实现。 方案一：采用 LCD 显示模块，LCD 为英文 Liquid Crystal Display 的缩写， 即液晶显示器，是一种数字显示技术，可以通过液晶和彩色过滤器过滤光源， 在平面面板上产生图像。能显示测得温、湿度值和系统当前的工作状态等。还 可以很方便地显示字符和汉字，但价格较高。 方案二：采用 LED 显示模块，LED 之所以受到广泛重视并得到迅速发展， 是因为它本身有活动、很多优点。例如：亮度高、工作电压低、功耗小、易于 集成、驱动简单、寿命长、耐冲击且性能稳定，其发展前景极为广阔。目前正 朝着更高亮度、更高耐气候性和发光密

46、度、发光均匀性、全色化发展。所以采 用 LED 同样能很好的显示环境当前温湿度和系统的工作状态，而且价格便宜。 通过对比两方案，在显示的实现上方案一更加多样化，但是结合本设计的 实际情况，选择了方案二。 3.1.5 CAN 收发器的选择 方案一：TJA1050是CAN协议控制器和物理总线之间的接口。它最初是应 用在波特率范围在60k波特到1M波特的高速自动化应用中。TJA1050可以为总线 提供不同的发送性能，为CAN控制器提供不同的接收性能。而且它与“ISO 11898”标准完全兼容。TJA1050有一个电流限制电路，保护发送器的输出级， 使由正或负电源电压意外造成的短路不会对TJA1050

47、造成损坏（此时的功率消 耗增加）。TJA1050还有一个温度保护电路，当与发送器的连接点的温度超过 大约165时，会断开与发送器的连接。因为发送器消耗了大部分的功率，所以 这个集成电路的功率消耗和温度会较低。但是此时IC的其他功能仍继续工作。 允许选择两种不同的工作模式：高速模式或静音模式。 方案二：PCA82C50是CAN协议控制器和物理总线间的接口，它主要是为 汽车中高速通讯（高达1Mbps）应用而设计。此器件对总线提供差动发送能力， 对CAN控制器提供差动接收能力，完全符合“ISO11898”标准。一个限流电路 可防止发送输出级对电池电压的正端和负端短路。虽然在这种故障条件出现时， 功耗

48、将增加，但这种特性可以阻止发送器输出级的破坏。在节点温度大约超过 160时，两个发送器输出端的极限电流将减少。由于发送器是功耗的主要部分， 因此芯片温度会迅速降低。IC的其他所有部分将继续工作。允许选择三种不同 的工作模式：高速、待机、斜率控制。 通过对比两收发器，各方面性能都比较接近，但是考虑到在应用方面的 TJA1050更容易上手，而且TJA1050性能稍好，并且提供的两种工作模式比较适 合此次设计的需要，选择了第一种方案。 3.2 温度采集模块电路设计 本模块采用了集成的温湿度传感器 DS18B20,DS18B20 数字温度传感器接 线方便，封装成后可应用于多种场合，如管道式，螺纹式，磁

49、铁吸附式，不锈 钢封装式，型号多种多样，有 LTM8877，LTM8874 等等。主要根据应用场合 的不同而改变其外观。封装后的 DS18B20 可用于电缆沟测温，高炉水循环测温， 锅炉测温，机房测温，农业大棚测温，洁净室测温，弹药库测温等各种非极限 温度场合。耐磨耐碰，体积小，使用方便，封装形式多样，适用于各种狭小空 间设备数字测温和控制领域。 1: 技术性能描述 、 独特的单线接口方式，DS18B20 在与微处理器连接时仅需要一条口线即 可实现微处理器与 DS18B20 的双向通讯。 、测温范围 55+125，固有测温分辨率 0.5。 、支持多点组网功能，多个 DS18B20 可以并联在唯一的三线上，最多只能 并联 8 个，实现多点测温，如果数量过多，会使供电电源电压过低，从而造成信号 传输的不稳定。 、工作电源: 35V/DC 、在使用中不需要任何外围元件 、 测量结果以 912 位数字量方式串行传送 、不锈钢保护管直径 6