基于CAN總線(xiàn)的多點(diǎn)紅外測溫系統設計

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(zhù)工業(yè)控制精細化、多點(diǎn)化要求，多點(diǎn)測溫系統的需求空間越來(lái)越大。本文基于CAN總線(xiàn)設計了一個(gè)多點(diǎn)測溫系統，硬件電路由微處理器、CAN控制器與驅動(dòng)器、數字測溫芯片DS18B20、LCD、復位電路等幾部分組成，單片機STC89C52RC是硬件電路的核心，承擔 CAN控制器的初始化、數據收發(fā)控制等任務(wù)。實(shí)驗證明，該系統精度高，可靠性好，結構簡(jiǎn)單，成本低，適用范圍內可取代傳統測溫系統。

關(guān)鍵詞：CAN總線(xiàn)；多點(diǎn)測溫系統；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(zhù)工業(yè)控制精細化、多點(diǎn)化要求，多點(diǎn)測溫系統的需求空間越來(lái)越大。CAN（控制器域網(wǎng)，Controller Area Network）總線(xiàn)在組網(wǎng)和通信功能上的優(yōu)點(diǎn)以及它的高價(jià)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)測溫應用方面。本文基于 CAN 總線(xiàn)設計了一個(gè)多點(diǎn)紅外測溫系統，能夠實(shí)時(shí)對多點(diǎn)進(jìn)行測溫，具有測溫范圍廣、精度高、環(huán)境適應能力強等特點(diǎn)。

2 硬件設計

CAN 總線(xiàn)多點(diǎn)測溫系統主要由現場(chǎng)設備，主控設備和計算機組成，系統總體結構圖如圖 1。

圖1 系統結構圖

2.1 溫度測量電路設計

DS18B20 傳感器可以把溫度直接轉換成串行數字信號供微控制器進(jìn)行處理。由于每個(gè)傳感器含有唯一的硅串行數，故一條總線(xiàn)上可以有任意多個(gè) DS18B20 芯片。 本設計中的 DS18B20 是在模擬的現場(chǎng)節點(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 設計長(cháng)距離測溫系統時(shí)，電容與阻抗匹配問(wèn)題是不可忽略的一個(gè)因素。DS18B20 的寄生電源模式有兩項基本功能，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)際應用中當單總線(xiàn)上所掛 DS18B20 超過(guò) 8 個(gè)時(shí)，就需要考慮微總線(xiàn)驅動(dòng)問(wèn)題，這一點(diǎn)進(jìn)行測溫時(shí)要尤為注意。

2.2 CAN總線(xiàn)通訊節點(diǎn)電路設計

本文選用選用 STC 的單片機做為主控器，選用 CAN 控制器和 CAN 驅動(dòng)器來(lái)構建 CAN 通訊網(wǎng)絡(luò )。主要由三部分構成：微控制 STC89C52、獨立 CAN 通 信控制器 SJA1000 和 CAN 總線(xiàn)收發(fā)器 PCA82C250；微處理器 STC89C52 負責 SJA1000 的 初始化，通過(guò)控制 SJA1000 實(shí)現數據 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(guò)這些地址可對 SJA1000 執行相應的讀寫(xiě)操作。

2.3 數碼管顯示電路設計

由于 STC89C52 的 P1、P2、P3 口內部都有上拉電阻，為了減少硬件電路的復雜度，在這里選用 STC89C52 的 P1 口來(lái)做為數碼管的段碼控制口，P2 口的四位做為數碼管的位選信號，從而省去了數碼管復雜的驅動(dòng)電路，也降低了硬件設計的難度；為了節省單片機的端口資源，同時(shí)降低成本，這兒選用四位一體的共陰數碼管做為顯示設備，采用動(dòng)態(tài)掃描的方法顯示，比著(zhù)用四個(gè)獨立的數碼管來(lái)顯示要容易的多，硬件也簡(jiǎn)單的多。

2.4 液晶接口電路設計

根據設計要求，主控板需要將模擬的三個(gè)現場(chǎng)節點(diǎn)的溫度值讀取過(guò)來(lái)并在液晶上顯示，為了能夠同時(shí)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(guān)，更加人性化。YJD12864 有并行數據傳輸和串行數據傳輸兩種工作方式，本設計選用 8 位并行傳輸方式，STC 單片機的 P1 口做為 12864 的數據口；P2.1 接 12864 的 4 腳，用來(lái)向 12864 發(fā)送數據和控制指令；P2.2 接 12864 的 5 腳，用來(lái)通知 12864 本次操作是讀操作還是寫(xiě)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 串口通訊電路設計

設計要求中規定，現場(chǎng)設備將溫度值傳給主控設備，然后主控設備再將數據傳送到上位機顯示，并且上位機可以隨時(shí)更改現場(chǎng)設備參數，從而實(shí)現遠程控制；為了滿(mǎn)足上述設計要求，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(xiàn)寬范圍的傳輸距離能夠彌補 232 這一缺點(diǎn)，且設計成本低，但考慮到現場(chǎng)的各種干擾信號比較復雜，一旦現場(chǎng)噪聲到達極值時(shí)可能會(huì )連同上位機一并損壞；而 485 則不同，它是一個(gè)半雙工通訊器件，其采用平衡壓差的方式傳輸數據，使得數據線(xiàn)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，不僅使現場(chǎng)和上位機有效地隔離，而且進(jìn)一步加大了數據傳輸的距離。

3 軟件設計

智能 CAN 總線(xiàn)節點(diǎn)的軟件主要用來(lái)完成三項任務(wù)：一是溫度傳感器的采樣；二是現場(chǎng)節點(diǎn)將數據傳送給主控節點(diǎn)，由主控節點(diǎn)將數據處理之后送給上位機顯示；三是主控節點(diǎn)隨時(shí)準備接收上位機傳來(lái)的參數，并通過(guò) CAN 總線(xiàn)發(fā)給現場(chǎng)節點(diǎn)修改相關(guān)參數。主控節點(diǎn)的流程如圖 2。

圖2 主控節點(diǎn)流程圖

3.1 溫度采樣系統軟件設計

該系統，主要操作包括高低溫報警數據的寫(xiě)入、溫度數據的讀取、數據處理、碼制轉換以及數碼顯示等幾部分；對 DS18B20 處理時(shí)要注意以下幾點(diǎn)：①每次讀寫(xiě)之前要復位；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位成功；③緊接著(zhù)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 初始化主要是設置 SJA1000 的參數。需要初始化的 CAN 控制寄存器有：模式寄存器、時(shí)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)送接收軟件設計

液晶 YJD12864 的初始化程序流程圖如圖 3 所示。

在這里需要說(shuō)明一下，上位機給主控板發(fā)數據時(shí)，當發(fā)送的第1個(gè)數據是字符“$”，最后1個(gè)數據是字符“*”時(shí)，主控板才認為接收到的是有效數據，否則，主控板不對接收到的數據進(jìn)行處理；用發(fā)送的第 2 個(gè)字符來(lái)區分要發(fā)送的數據是送給哪一個(gè)現場(chǎng)節點(diǎn)的，字符“A” 表示現場(chǎng)節點(diǎn) 1，字符“B”表示現場(chǎng)節點(diǎn) 2，字符“C”表示現場(chǎng)節點(diǎn) 3；第 3 ～ 6 個(gè)字符是要傳送的高低溫報警值，高溫在前，低溫在后。

4 實(shí)驗結果分析

為了驗證設計系統的穩定性和準確性，對系統顯示模塊、測溫模塊、CAN 總線(xiàn)模塊及串口通信進(jìn)行調試。調試完畢后，我們用設計的測溫系統在實(shí)驗室不同時(shí)間段不同地點(diǎn)采集十組數據，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，具體數據如表 1 所示。

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

5 結語(yǔ)

本文利用紅外輻射測溫的原理，計了一種基于 CAN 總線(xiàn)和 DS18B20 為傳感器的多點(diǎn)紅外測溫系統，硬件電路由單片機 STC89C52、CAN 控制器、測溫芯片 DS18B20、LCD、LED、串行通訊口、復位電路等幾部分組成?；?CAN 總線(xiàn)的多點(diǎn)紅外測溫系統具有測溫范圍廣、精度高、環(huán)境適應能力強等特點(diǎn)。該系統通過(guò) CAN 適配器與計算機連接，可以方便地構成分布式測控系統。實(shí)驗表明，該系統不僅具有高精度溫度測控功能，而且通過(guò) CAN 總線(xiàn)實(shí)現對多個(gè)地區溫度進(jìn)行集中監控，具有測溫范圍廣、精度高、環(huán)境適應能力強等特點(diǎn)。

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(注：本文轉載自《電子產(chǎn)品世界》2022年7月期)