基于CAN總線的多點(diǎn)紅外測溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：在工業(yè)控制領(lǐng)域，溫度測量是不可或缺的工作。隨著工業(yè)控制精細(xì)化、多點(diǎn)化要求，多點(diǎn)測溫系統(tǒng)的需求空間越來越大。本文基于CAN總線設(shè)計(jì)了一個多點(diǎn)測溫系統(tǒng)，硬件電路由微處理器、CAN控制器與驅(qū)動器、數(shù)字測溫芯片DS18B20、LCD、復(fù)位電路等幾部分組成，單片機(jī)STC89C52RC是硬件電路的核心，承擔(dān) CAN控制器的初始化、數(shù)據(jù)收發(fā)控制等任務(wù)。實(shí)驗(yàn)證明，該系統(tǒng)精度高，可靠性好，結(jié)構(gòu)簡單，成本低，適用范圍內(nèi)可取代傳統(tǒng)測溫系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：CAN總線；多點(diǎn)測溫系統(tǒng)；DS18B20溫度傳感器

1 引言

在工業(yè)控制領(lǐng)域，溫度測量是不可或缺的工作。隨著工業(yè)控制精細(xì)化、多點(diǎn)化要求，多點(diǎn)測溫系統(tǒng)的需求空間越來越大。CAN（控制器域網(wǎng)，Controller Area Network）總線在組網(wǎng)和通信功能上的優(yōu)點(diǎn)以及它的高價比決定了它在眾多領(lǐng)域具有廣闊的發(fā)展前景，尤其是在分布在多點(diǎn)測溫應(yīng)用方面。本文基于 CAN 總線設(shè)計(jì)了一個多點(diǎn)紅外測溫系統(tǒng)，能夠?qū)崟r對多點(diǎn)進(jìn)行測溫，具有測溫范圍廣、精度高、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)等特點(diǎn)。

2 硬件設(shè)計(jì)

CAN 總線多點(diǎn)測溫系統(tǒng)主要由現(xiàn)場設(shè)備，主控設(shè)備和計(jì)算機(jī)組成，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖如圖 1。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.1 溫度測量電路設(shè)計(jì)

DS18B20 傳感器可以把溫度直接轉(zhuǎn)換成串行數(shù)字信號供微控制器進(jìn)行處理。由于每個傳感器含有唯一的硅串行數(shù)，故一條總線上可以有任意多個 DS18B20 芯片。 本設(shè)計(jì)中的 DS18B20 是在模擬的現(xiàn)場節(jié)點(diǎn)上的，采用不同材質(zhì)的通信電纜，其最大測溫范圍不一樣。因此，使用 DS18B20 設(shè)計(jì)長距離測溫系統(tǒng)時，電容與阻抗匹配問題是不可忽略的一個因素。DS18B20 的寄生電源模式有兩項(xiàng)基本功能，一是保證微處理器和 DS18B20 之間的正常通訊，二是為 DS18B20 提供電源。實(shí)際應(yīng)用中當(dāng)單總線上所掛 DS18B20 超過 8 個時，就需要考慮微總線驅(qū)動問題，這一點(diǎn)進(jìn)行測溫時要尤為注意。

2.2 CAN總線通訊節(jié)點(diǎn)電路設(shè)計(jì)

本文選用選用 STC 的單片機(jī)做為主控器，選用 CAN 控制器和 CAN 驅(qū)動器來構(gòu)建 CAN 通訊網(wǎng)絡(luò)。主要由三部分構(gòu)成：微控制 STC89C52、獨(dú)立 CAN 通 信控制器 SJA1000 和 CAN 總線收發(fā)器 PCA82C250；微處理器 STC89C52 負(fù)責(zé) SJA1000 的 初始化，通過控制 SJA1000 實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù) 的接收與發(fā)送；SJA1000 的 AD0 ～ AD7 連接到 STC89C52 的 P0 口上，CS 連接到 STC89C52 的 P2.0，P2.0 為 0 的 CPU 片外存貯器地址可選中 SJA1000，CPU 通過這些地址可對 SJA1000 執(zhí)行相應(yīng)的讀寫操作。

2.3 數(shù)碼管顯示電路設(shè)計(jì)

由于 STC89C52 的 P1、P2、P3 口內(nèi)部都有上拉電阻，為了減少硬件電路的復(fù)雜度，在這里選用 STC89C52 的 P1 口來做為數(shù)碼管的段碼控制口，P2 口的四位做為數(shù)碼管的位選信號，從而省去了數(shù)碼管復(fù)雜的驅(qū)動電路，也降低了硬件設(shè)計(jì)的難度；為了節(jié)省單片機(jī)的端口資源，同時降低成本，這兒選用四位一體的共陰數(shù)碼管做為顯示設(shè)備，采用動態(tài)掃描的方法顯示，比著用四個獨(dú)立的數(shù)碼管來顯示要容易的多，硬件也簡單的多。

2.4 液晶接口電路設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，主控板需要將模擬的三個現(xiàn)場節(jié)點(diǎn)的溫度值讀取過來并在液晶上顯示，為了能夠同時顯示漢字和字符，這兒選用 YJD12864 做為液晶顯示模塊，相比于只能顯示字符的 1602，12864 的顯示更加美觀，更加人性化。YJD12864 有并行數(shù)據(jù)傳輸和串行數(shù)據(jù)傳輸兩種工作方式，本設(shè)計(jì)選用 8 位并行傳輸方式，STC 單片機(jī)的 P1 口做為 12864 的數(shù)據(jù)口；P2.1 接 12864 的 4 腳，用來向 12864 發(fā)送數(shù)據(jù)和控制指令；P2.2 接 12864 的 5 腳，用來通知 12864 本次操作是讀操作還是寫操作；P2.3 接 12864 的 6 腳，對 12864 操作的使能信號，高電平使能操作。

2.5 串口通訊電路設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)要求中規(guī)定，現(xiàn)場設(shè)備將溫度值傳給主控設(shè)備，然后主控設(shè)備再將數(shù)據(jù)傳送到上位機(jī)顯示，并且上位機(jī)可以隨時更改現(xiàn)場設(shè)備參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制；為了滿足上述設(shè)計(jì)要求，這里使用 485 加 232 的方式通訊，由于 232 的傳輸距離有限，雖然 CAN 總線寬范圍的傳輸距離能夠彌補(bǔ) 232 這一缺點(diǎn)，且設(shè)計(jì)成本低，但考慮到現(xiàn)場的各種干擾信號比較復(fù)雜，一旦現(xiàn)場噪聲到達(dá)極值時可能會連同上位機(jī)一并損壞；而 485 則不同，它是一個半雙工通訊器件，其采用平衡壓差的方式傳輸數(shù)據(jù)，使得數(shù)據(jù)線上的衰減和干擾都大大降低，從而加大了傳輸距離，提高了抗干擾能力，故在這里又加了一層 485 的通訊，不僅使現(xiàn)場和上位機(jī)有效地隔離，而且進(jìn)一步加大了數(shù)據(jù)傳輸?shù)木嚯x。

3 軟件設(shè)計(jì)

智能 CAN 總線節(jié)點(diǎn)的軟件主要用來完成三項(xiàng)任務(wù)：一是溫度傳感器的采樣；二是現(xiàn)場節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)傳送給主控節(jié)點(diǎn)，由主控節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)處理之后送給上位機(jī)顯示；三是主控節(jié)點(diǎn)隨時準(zhǔn)備接收上位機(jī)傳來的參數(shù)，并通過 CAN 總線發(fā)給現(xiàn)場節(jié)點(diǎn)修改相關(guān)參數(shù)。主控節(jié)點(diǎn)的流程如圖 2。

圖2 主控節(jié)點(diǎn)流程圖

3.1 溫度采樣系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)，主要操作包括高低溫報警數(shù)據(jù)的寫入、溫度數(shù)據(jù)的讀取、數(shù)據(jù)處理、碼制轉(zhuǎn)換以及數(shù)碼顯示等幾部分；對 DS18B20 處理時要注意以下幾點(diǎn)：①每次讀寫之前要復(fù)位；②收到信號后等待 16 ～ 60 μs 后發(fā)出 60 ～ 240 μs 的存在低脈沖，主 CPU 收到此信號后表示復(fù)位成功；③緊接著依次發(fā)送一條 ROM 指令、RAM 指令，這樣才能對 DS18B20 進(jìn)行正確操作。

3.2 CAN通訊控制器初始化

CAN 初始化主要是設(shè)置 SJA1000 的參數(shù)。需要初始化的 CAN 控制寄存器有：模式寄存器、時鐘分頻寄存器、接收代碼寄存器、輸出控制寄存器等。SJA1000 的初始化程序如下：

3.3 LCD顯示及串口發(fā)送接收軟件設(shè)計(jì)

液晶 YJD12864 的初始化程序流程圖如圖 3 所示。

在這里需要說明一下，上位機(jī)給主控板發(fā)數(shù)據(jù)時，當(dāng)發(fā)送的第1個數(shù)據(jù)是字符“$”，最后1個數(shù)據(jù)是字符“*”時，主控板才認(rèn)為接收到的是有效數(shù)據(jù)，否則，主控板不對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理；用發(fā)送的第 2 個字符來區(qū)分要發(fā)送的數(shù)據(jù)是送給哪一個現(xiàn)場節(jié)點(diǎn)的，字符“A” 表示現(xiàn)場節(jié)點(diǎn) 1，字符“B”表示現(xiàn)場節(jié)點(diǎn) 2，字符“C”表示現(xiàn)場節(jié)點(diǎn) 3；第 3 ～ 6 個字符是要傳送的高低溫報警值，高溫在前，低溫在后。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，對系統(tǒng)顯示模塊、測溫模塊、CAN 總線模塊及串口通信進(jìn)行調(diào)試。調(diào)試完畢后，我們用設(shè)計(jì)的測溫系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)室不同時間段不同地點(diǎn)采集十組數(shù)據(jù)，其中上午測試五組，下午測試五組，除了測溫方式不同，其他因素全部相同，具體數(shù)據(jù)如表 1 所示。

由表可知，系統(tǒng)對照值與測量值，最大偏差小于0.2，系統(tǒng)測溫方案的可靠性較強(qiáng)。

5 結(jié)語

本文利用紅外輻射測溫的原理，計(jì)了一種基于 CAN 總線和 DS18B20 為傳感器的多點(diǎn)紅外測溫系統(tǒng)，硬件電路由單片機(jī) STC89C52、CAN 控制器、測溫芯片 DS18B20、LCD、LED、串行通訊口、復(fù)位電路等幾部分組成?；?CAN 總線的多點(diǎn)紅外測溫系統(tǒng)具有測溫范圍廣、精度高、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)等特點(diǎn)。該系統(tǒng)通過 CAN 適配器與計(jì)算機(jī)連接，可以方便地構(gòu)成分布式測控系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)表明，該系統(tǒng)不僅具有高精度溫度測控功能，而且通過 CAN 總線實(shí)現(xiàn)對多個地區(qū)溫度進(jìn)行集中監(jiān)控，具有測溫范圍廣、精度高、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)等特點(diǎn)。

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(注：本文轉(zhuǎn)載自《電子產(chǎn)品世界》2022年7月期)