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1、 . . . 网络型温度传感设计摘 要本文详细论述了网络型温度传感系统的设计和实现。本设计针对目前我国在应用的分布式实时测控系统中，多采用的RS485总线组网本身存在的许多局限性。提出了一种低成本并适应市场需求的，基于AVR单片机和CAN现场总线网络的网络型温度传感设计方案。本设计采用“AD590温度传感器+AVR单片机+CAN的结构” ：以ATMEL公司的微控制器ATmega16L作为系统的核心；采用AD590作温度传感器，经过电流电压转换电路，将温度信号转换为适合AVR单片机处理的电压信号；在CAN总线系统节点的通信接口中，CAN通信控制器采用SJA1000，CAN总线收发器采用82C25
2、0；终端显示设备为点阵型液晶显示器LCD。由此构成了完整的网络型温度传感样机。本文将首先介绍系统的总体结构，并对各部分功能模块的工作原理和实现进行详细论述，接着介绍软件设计部分。文章在最后介绍了系统的调试过程以与测试结果。关键词： 网络型温度传感；AVR单片机；CAN；AD590温度传感器；液晶显示器A Design of Temperature Sensor NetworkAbstractThis thesis describes the design and realization of temperature sensor network. To meet the demand of t
3、he market of distributed monitoring and control system design, the network is built based upon the use of AVR microcontroller ATmega16L, AD590 temperature sensor, and CAN bus controller SJA1000 and CAN transceiver 82C250. The reason of employing CAN bus is that CAN bus is better than RS485 bus, whic
4、h is widely employed in distributed real-time monitoring and control systems in China, in transmitting speed, reliability, and maintenance cost.An ATmega16L chip, produced by the ATMEL Co., is the core of the system, an AD590 chip is able to convert temperature signal to voltage signal which is suit
5、able for the processing of the ATmega16L chip, and SJA1000 and 82C250 chips are used for CAN bus communication, in addition, a dot-matrix LCD is employed for output displaying.The whole structure of this temperature sensor network is given in the beginningof this thesis, then the hardware developmen
6、t are described in detail. In succession, the thesis introduces the software design of the whole network, particularly in the software for the ATmega16L and SJA1000 chips. Finally, the results of the network test are showedKeywords: CAN bus;AVR microcontroller;AD590 temperature sensor;LCD目录1前言11.1 网
7、络型温度传感简介11.2 本课题研究的目的和意义21.3 国研究概况31.4 本课题主要研究容和要求32网络型温度传感的系统设计42.1 网络型温度传感的系统结构42.2 系统选用的主要器件介绍52.2.1 微控制器ATmega1652.2.2 集成温度传感器AD59072.2.3 CAN独立控制器SJA100082.2.4 CAN总线收发器82C250122.2.5 汉字图形点阵型液晶显示器QC12864B143网络型温度传感各模块的硬件设计183.1信号采集与转换模块183.2电源模块193.3 ATmega16主控模块203.4 ATmega16从机模块213.5 CAN节点通信接口模块
8、224软件设计和实现244.1 主机主体软件的设计244.2 从机主体软件的设计264.3 ADC软件的设计284.4 LCM模块软件的设计324.5 SJA1000软件的设计355实物制作395.1 电源模块的制作395.1.1 电源模块的原理图395.1.2 电源模块的PCB395.1.3 电源模块的实物图405.2 信号采集与转换模块的制作425.2.1信号采集与转换模块的原理图425.2.2信号采集与转换模块的PCB图425.2.3信号采集与转换模块的实物图435.3 主机模块的制作445.3.1主机模块的原理图445.3.2主机模块的PCB图445.3.3主机模块的实物图455.4
9、从机模块的制作465.4.1从机模块的原理图465.4.2从机模块的PCB图465.4.3从机模块的实物图476系统的调试和测试486.1 硬件调试486.1.1 电源模块的调试486.1.2 LCM模块的调试486.1.3 信号采集与转换模块的调试486.1.4 硬件调试总结496.2 系统测试496.2.1 系统测试环境496.2.2 系统测试结果507总结与展望527.1 设计总结527.2 设计存在的不足与展望52参考文献53致54附录一 SJA1000通信程序代码节选55 / 1 前言1.1 网络型温度传感简介网络型温度传感系统能方便可靠地实现温度远程监视和控制。总体结构可概括为：A
10、D590温度传感器 + AVR单片机 + CAN独立控制器SJA1000 + CAN总线收发器PCA82C250。按功能模块分析，它主要由信号采集与转换电路、AVR单片机控制模块、CAN网络节点通信接口模块、液晶显示模块、电源模块等部分组成。此外系统又可归为从站和主站两个大的功能模块:(1) 从站模块。温度传感器采集被测的温度数据，获得的电流值经过前端处理电路的放大器放大后，转换为适合AVR单片机处理的电压信号并进行AD转换，一个从站模块可以同时采集8路温度传感器的信号。AVR单片机通过查询发送缓冲区的方式启动CAN发送功能，以报文的形式向主机发送数据，因此通过CAN总线实现与主机的实时通信功
11、能。(2) 主站模块。本模块中AVR单片机对CAN总线的报文接收采用中断方式，此中断为外部中断INT0。先将接收到的报文从SJA1000中读出并存入CPU临时接收缓冲区，然后微控制器对数据进行分析和处理，并将温度等状态实时地在液晶显示器上更新显示。 综上分析，主、从站的系统框图分别如图1-1和图1-2所示，图1-3是主从站的网络拓扑结构，其结构是总线型结构，这也是CAN总线的特点:图1-1 从站的系统原理框图图1-2 主站的系统原理框图图1-3主从站网络拓扑1.2 本课题研究的目的和意义温度检测在工业界和日常生活中有着非常广泛的应用，是很多大型精密仪器系统最基本也是最重要的一种检测，例如这个系
12、统可以作为生物培养液温度监控系统，如果稍微改装可以做热水器温度调节系统、实验室环境温度监控系统等等。传感器能将各种物理量、化学量和生物量等信号转变为电信号，使得人们可以利用MCU或计算机实现自动测量、信息处理和自动控制。另外，在实际的应用中往往需要对远距离的温度信号进行监视。用单片机作为MCU，并设计通信网络与现场温度传感器进行数据通信，完全可以用低的成本来实现远程温度监测。因此网络型温度传感设计应用性比较强，基于AVR单片机和CAN总线网络的网络型温度传感设计。为工业领域应用中温度的远程监控提供一种低成本、可靠性强、稳定和精度相对较高的方案。数字化、网络化、智能化代表着现代检测技术的发展方向
13、。1.3 国研究概况目前，在我国应用的分布式实时测控系统中，多采用RS 485半双工、全双工异步通信总线组网。但是由于RS 485总线本身存在的许多局限性，随着科技的发展，RS 485的总线效率低、系统的实时性差、通讯的可靠性低、后期维护成本高、网络工程调试复杂、传输距离不理想(小于1.5 km)、单总线可挂接的节点少、应用不灵活等先天性缺点慢慢的暴露出来。而CAN总线在通信能力、可靠性、实时性、灵活性、易用性、传输距离远、成本低等方面有着明显的优势，以CAN总线代替RS 485构建分布测控系统将是许多厂矿企业的首选。“AVR单片机+CAN”，目前国这种应用的例子为数并不多，从而使其更具有一定
14、的研究价值。将二者优势互相结合，共同组成一个数据采集准确、通讯稳定可靠的工业监测系统，在工业测量和控制领域将具有广阔的应用前景。1.4 本课题主要研究容和要求本课题的研究容：1）信号采集和转换电路设计；2）电源模块的设计；3）从机单元和CAN网络接口设计；4）主控单元与CAN总线接口设计；5）采集数据的处理与显示；6）编写系统软件。本次设计的网络型温度传感主要的技术特性指标如下：1） AD通道数：8通道，硬件部分只演示其中一路的数据采集；2） 环境温度和转换后电压值的关系式： (T-T0)=KU （1-1）K=20/mv，T为环境温度，T0为测温下限，U为放大电路转换后的电压值；3） 温度采样
15、频率：500Hz（每2ms启动一次AD转换）；4） CAN通信协议规：CAN 2.0B；5） 显示：12864点阵LCD。2 网络型温度传感的系统设计本章主要介绍了网络型温度传感的总体方案设计，系统组成以与各模块的一些基本状况。从而让读者对本系统有个整体的认识。在章节的结尾，还将对系统主要器件的选型理由，以与器件的基本特征做简单的介绍。2.1 网络型温度传感的系统结构系统的总的结构框图如图2-1所示，本设计中的网络型温度传感系统采用了“AD590+AVR单片机+SJA1000+PCA82C250”结构，大大简化了硬件电路，充分利用了AD590精度高、MCU控制能力强和CAN网络实时可靠的特点，使得系统功能得到充分体现。电源从机MCU信号采集AD590电流信号电压信号晶振CAN接口数据、地址复用控制主机MCU晶振CAN接口数据、地址复
