分布式远程温湿度智能监控系统的设计与研究毕业论文设计.docx
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分布式远程温湿度智能监控系统的设计与研究毕业论文设计
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分布式远程温湿度智能监控系统的设计与研究
摘要
现在许多大型企业拥有多个仓库，并且全都散落在不同的地点，这样对于仓库的温湿度监测很难运作。
由于传统的温度和湿度监测系统的布线繁琐，传输距离有限，不能解决实际问题。
目前，分布式系统的主要发展方向是计算机控制系统。
本文利用已经被广泛利用的CAN总线通信设计出的监控系统，CAN总线通信系统主要有抗干扰性，节点控制多，通信距离远等特点，在设计中，主要模拟两个节点之间的相互监控，主机通过总线控制器MCP2515和驱动器TJA1050连接到CAN总线上，从机通过控制器SJA1000和驱动器82C250也连接到CAN总线上。
从机检测到当前温湿度送给STC89C52RC单片机处理后，发到总线上，主机收到信号，给出相应的显示和温度报警等操作。
在本文中对各种监控系统的优劣性和适用场合进行了分析，得出了最合理的监控系统的设计方案。
设计了基于CAN总线的监控系统，实现了在多节点，环境恶劣，通信距离远等不同场合的应用。
论文主要介绍了各种芯片的硬件设计和软件设计，勾画自己的设计与研究思想。
使设计出最简便、经济的系统。
关键词：
CAN总线；STC89C52RC单片机；DS18B20；SJA1000控制器；MCP2515控制器；
DESIGNANDRESERCHOFDISTRIBUTEDINTELLIGENTREMOTETEMPERATUREANDHUMIDITYMONITORINGSYSTEM
Abstract
Nowadaysmanylargecompaniesdifferentlocations,whichisdifficultforustomonitorthetemperatureanddistanceislimited,thepracticalproblemscannotbesolved.Currently;themaindevelopmentdirectionofthedistributedcontrolsystemisacomputer-controlsystem.
Inthispaper,theuseofCANbuscommunicationwidelyusedinthedesignofthemonitoringsystem,CANbuscommunicationsystemdistanceandothercharacteristics.Inthedesign,themainlysimulatedtwo-nodecommunication,thethesub-the.
Thispapermainlyanalyzedtheadvantagesanddisadvantagesofvariousmonitoringsystemsinvariousoccasionsandreachedthemostreasonablemonitoringsystemdesign.DesignedamonitoringsystembasedonCANbus,realizedtheapplicationindifferentoccasionsofamulti-node,distance.Thispaperintroducedtheofvariouschip,sketchtheirdesignandresearchideas,thendesignedthemostsimpleandeconomicalsystem.
Keywords:
CANbus;STC89C52RCmicrocontroller;DS18B20;SJA1000controller;MCP2515transceiver
前言
在现代的工业、农业和通信系统中，各种复杂的环境（包括温度、湿度）都会影响设备的安全，甚至在人员进出时不能确定内部的情况而对人身安全都不能确保。
所以在现代科技领域中，监控系统也应运而生。
与传统的人工检测方法相比较，在测量时间、测量精度、实时性都有了质的飞跃。
但是在控制系统的选用上，人们还要解决成本、体积复杂情况下的实时性和安全性等问题。
而小型单片机系统能有效的解决了这些问题。
尤其在通信问题也至关重要，而CAN总线更符合工农业的通信科技的发展。
随着科技的发展，无论是科研，工业，农业还是实验室器材的保养，温湿度监控与之有着密不可分的关系。
而对于监控的精度和实时性要求也越来越高，在本设计中，就是从测量精度和控制的实时性上进行测量、监测和控制的设计和研究，而测量主要用了HS1101湿度传感器和DALLAS公司的数字温度传感器DS18B20，监测主要用了数码管显示和蜂鸣器报警，控制主要用了空调，加湿机等装置。
如果运用于实际，只需在总线上添加监测点，就可以实现分布式远程监控系统。
在现代社会信息科技的不断迅速发展中，计算机技术和温湿度敏感元器件的高速更新，使得温湿度的测量正朝着自动化、智能化方向发展。
在室内温湿度的监控中，温湿度测量的出现使得产品的保养达到更好、使用周期更长、性能保持更好。
所以温湿度测控有着广阔和应用发展空间。
第1章绪论
1.1课题背景及其意义
在早期，人们常用的方法是用人员对库房进行相关的温度，湿度的监测，但是人工读取数值有很大的误差和操作等错误原因，所以这种方式在测量温湿度时不仅速度慢，而且准确性很低，使样品不具有代表性，更使监测结果失去了其原来的意义，而且在控制当时的温度，湿度时不能根据实际情形及时做出正确的操作。
在局限性上也有很大的漏洞，比如在某些场合，要测量地下设施的表面温度时，工作人员不可能测量到直接的数据，在具有危险的库房中测量人员还要冒着一定的风险去提取测量温湿度。
在这样一个环境下将会损失很多的物力，财力和人力。
随着电子技术的飞速发展，温度与湿度传感器开始替代那些原始的温度计湿度计，出现了以单片机为监控核心的小型系统，它的监控还可以完成预先设定的温度范围，报警，温度和湿度补偿功能等诸多功能。
数字温度传感器直接读取数字内容，改善了在长距离传输问题和转移过程中温湿度的数据不稳定现象，如由于干扰衰减问题的精度损失。
而单片机上地址编码又解决了库房分散而不利于温湿度监控的问题。
计算机的快速高效精确的运作解决了因为人为因素而导致的实时性和误差性问题。
在数码管上显示结果，单片机可以直接控制温湿度并监测。
以这种监控系统，大大提高了工作效率，而且大大扩大了在温度和湿度监测中范围上的应用。
分布式温湿度监控系统的设计与研究，对当前具有很大的意义，对工业、农业及第三产业的发展都有不可估量的作用，是现行发展和未来发展的大体趋势，对占领国际领先水平和科技战略至高地位的具有重要意义，尤其是对工业自动化的进步和经济发展有着无法估计的重要性。
1.2国内外研究现状
对于温湿度的测量和控制技术在中国起步较晚，在二十世纪八十年代，工程技术人员才开始掌握计算机控制技术在温度测量和监控系统的应用。
就这样我国温度监控系统的计算机运用，在总体上正从学习、简单的实验应用阶段向各种场合的实际运用，合理运用阶段跨越和发展。
但是在我国，温度监测和控制的情况还远远没有达到工厂所要求的程度，在和发达技术国家相比较，还是有一段较大的距离要克服。
比如仍然有很多技术问题：
装备设施能力低，工业化程度低，控制水平的不完善，硬件和软件资源不能共享、可靠性差等缺点。
目前，迅速发展的单片机技术，为解决工、农业自动化方面应用的瓶颈问题提供了有效的途径，但是当前温湿度监控的种类也是非常多，如RS485总线的监控系统、以太网监控系统、CAN监控系统等。
1.2.1基于RS485总线的监控系统
RS485总线作为一种多电气规格分数据传输，已经成为行业标准通信接口的应用最为广泛的通信接口之一。
它具有其它总线不能与之媲美的优点：
它具有的抗噪声的能力，通信传输速率快，可靠性及电缆长度距离足够远，多点双向通信时它能够简单的在一根总线上进行传输等特点。
虽然RS485总线有很多优点，但是不足之处也很多，比如通信容量少（只能最多接入32个设备），长距离的通信速率低，动力消耗大，只有串行电缆，不构成任何分支的星型等任意分支，如果每个节点的失败可能导致完全或通信网络的局部瘫痪。
图1-1是基于RS485总线的监控系统。
它主要的模块单元为DS18B20采集温度信号，主控制器为C51单片机节点。
如果RS485接口两点之间实现通信，需要两对平衡差分电路来实现差分接收和平衡发送。
采用MAX285芯片来实现将TTL电平到RS485总线需要电平的转换，一般RS485应用四线或者两线的方式进行连接。
因为MAX485只能工作在半双工的状态下，所以要实现节点之间的控制只要C51单片机的一个IO口就可以了。
而一般RS485总线收到每个节点的信号后，将会传输个给上位机，通过上位机调控各个控制节点。
但是控制节点之间相互通信只能有一个主控制器，所以不能支持一点对多点的有效的相互之间进行数据的通信。
图1-1基于RS485总线的监控系统
只能使用半双工模式下的RS485总线，无论什么时候只能有一个节点处在发送状态，所以电路由使能信号发送控制。
RS-485多点互连非常方便，可以节省大量的信号线。
虽然RS485比以往的RS232有了很大的改进，但是RS485你有很多不可避免的缺点，比如在工业应用中主机只能有一个，且需要单点接地，否则电压不能一致，导致共模干扰。
所以RS485总线在未来的工业应用中范围将会越来越不能满足工业发展的需要。
1.2.2基于以太网的监控系统
所谓的以太网监控系统就是运用于分布式监控系统的以太网技术。
目前在以太网技术飞速发展的今天，使得越来越多的监控系统选择通过Internet和Web服务器进行相互之间的通信。
实时性，互操作性和网站的其他方面完全能满足各种监控系统的需求，无需专线，也不用铺设现场总线就可以使用以太网监控系统，在通信方面，可充分利用广泛存在的以太网资源。
但目前的以太网技术，如果直接应用于控制仍有很大的差距和不足的领域。
通信的不可靠因素，存在控制实时性低等诸多障碍。
其次，缺乏统一的应用层协议，导致来自不同制造商的设备之间缺乏互操作性。
再次，目前的以太网设备在复杂的环境中，可靠性不能很好的保证。
最后，以太网的安全性较差，会受黑客、病毒等攻击，造成信息的泄漏。
然而，随着社会的不断发展和工业以太网技术的改进，我相信，这些问题必将逐步解决。
而这项技术必将在未来前景中一定会有很好的发展。
图1-2是以太网通信原理图。
它主要的模块单元为DS18B20采集温度信号，主控制器为C52单片机。
以太网使用相同的载波侦听多路访问碰撞媒体访问方法和物理层规范的检测。
网络中的各个节点都能自主地决定数据帧的接收与发送，并通过通信网络节点的计算机可以有效地完成控制。
图1-2以太网通信原理图
基于TCPIP的以太网的监控系统是拥有能兼容各种不同的小型系统、相互操作性良好等特点组成的标准开放式网络，能方便的与计算机和服务器相连接，但是在环境特别复杂和恶劣的情况下，尤其是强干扰的情况下，传输数据的可靠性还急需改善，还有在网络负载很重的条件下可能出现网络瘫痪的问题等。
所以以太网技术现在还很难取代总线通信在实时性和确定性方面的要求。
还有就是在工业中要求的是简单经济实惠，但是以太网的价格昂贵且长时期需要人员维修，在应用中不是很广泛。
1.2.3基于CAN总线的监控系统
CAN监控系统的设计要求以最小成本及可靠性来接收和处理温湿度数值，而单片机系统可以减少系统的成本和人员开发周期，并能对不同节点的不同数据的进行采集，根据当前的实际情况进行相应的温湿度调整。
如今这种监控系统广泛运用于工农业中，如图1-3就是当前主要用于工农业的基于CAN总线的分布式远程温湿度监控系统。
图1-3当前基于CAN总线的分布式远程温湿度监控系统
基于CAN总线的监控系统能在恶劣环境中保证数据的稳定性和实时性，而且在工业运用中很经济实惠，在安装裁剪控制节点时都能简单操作，在将来工业通信中有很大的发展前景。
所以本设计将研究并设计基于CAN总线的监控系统。
1.3本设计的实用价值
在当前社会，自动化控制在科技发展的今天显得越来越重要，而在远程控制中，通信技术又是其中的灵魂，它们代表了一个国家的科技发展水平。
分析整个社会的发展现状，可以看出，一个现代化的国家在工业自动化控制必须要踏进世界先进行列，这样才能满足当前与之匹配的工业化发展的需求。
随着企业的发展，企业对于仓库管理上，要求也越来越严格，为了保障库房产品及零配件的安全，在温湿度控制上要求更实时控制。
科技与工业需求共同发展，为了很好的解决这个问题，分布式监控系统可以直观的通过中央处理器来完成对数据的采集，控制和报警等功能。
而各节点之间通过CAN总线更能实时传递温湿度信息。
避免了因为环境影响而使精密仪器受到损坏。
使企业的经济得到保障。
1.4设计的理论意义
本文主要介绍了CAN总线的监控系统，可以实时掌握各节点的温湿度信息，保障库房的安全。
在设计中，主要研究的难点是：
完成监控系统的硬件和软件设计，各节点之间的CAN通信，节点中各模块器件的特性研究等。
所以本设计的实际意义在于：
（1）监控系统的自动化控制改变了以往人员利用温湿度计的测量，使测量值更具有可靠性和代表性。
（2）避免了因为人员读数误差，或者反应不及时而导致的经济损失，只要中央监控系统有工作人员就可以实时的对某个库房进行合理的操作。
（3）使以前工作人员不能进入的某些环境也能进行实时的监控，从而保障了工作人员生命财产安全。
（4）该系统性能好，价格经济，使用广泛，很好的推动了工业监控系统的发展，为将来工业自动化发展的研究产生深远的影响。
1.5本课题的主要内容和结构
本课题较为详细的介绍了以STC89C52RC单片机为控制节点基于CAN总线远程分布式温湿度监控系统，重点研究了单片机之间的硬件设计和通信原理，并阐述了其中的主要模块SJA1000，MCP2515以及DS18B20，HS1101的主要技术和软件设计。
论文的结构：
第一章为绪论部分，主要介绍了课题的背景，国内外现状和主要设计意义和价值。
第二章对设计难点总线通信技术从基本简介和报文运用做了详细介绍。
第三章为系统的硬件设计，分别从主机和从机两个方面对节点中各个模块的电路进行了设计。
突出运用的模块的接口设计。
第四章为软件设计的实现，也是从主机和从机对模块的进行软件编写，运用程序流程图更加直观的理解程序编写过程。
第五章为监控系统的生成以及调试。
第2章CAN总线技术
2.1CAN总线介绍
现场总线是安装在生产过程区域的现场设备仪表与控制室内的自动控制装置系统之间的一种串行、数字式、多点、双向通信的数据总线，CAN（ControllerAreaNetwork）是一种现场总线。
20世纪80年代初，首先由德国的BOSCH公司提出，用来解决汽车内部的复杂硬信号接线，后来得到了Motorola，Intel、Philips、Siemens等大公司的支持，1993年ISO正式公布了ISO11898CAN高速应用标准和ISO11519CAN低速应用标准，前者是速率为125kbps～1Mbps的闭环总线，总线最大长度为40m1Mbps。
后者速率为10～125kbps的开环总线，最大长度为1km40kbps。
目前CAN总线已成为工业数据通信的基础，被广泛应用于离散控制领域，CAN总线特点如下：
（1）CAN总线采用了多主竞争式总线结构，具有多主站运行和分散仲裁的串行总线以及广播通信的特点。
另外，网络上任意一个节点均可以在任意时刻主动地向网络上的其他节点发送信息，而不分主从，通信方式灵活。
（2）可连接的节点数量多。
CAN网络上的节点数主要取决于CAN总线收发器，目前最多可达110个。
废除了传统的站地址编码，而代之以对通信数据块进行编码。
数据块的标识码可由11位或29位二进制数组成，因此可以定义211或229个不同的数据块，这种按数据块编码的方式，还可使不同的节点同时接收到相同的数据，这一点在分布式控制系统中非常有用。
网络上的节点（信息）按编码可分成不同的优先级，可以满足不同的实时要求。
（3）采用非破坏性位仲裁总线结构机制，当两个节点同时向网络上传送信息时，优先级低的节点主动停止数据发送，而优先级高的节点可不受影响地继续传输数据。
（4）通信方式多样：
CAN只需通过报文滤波即可实现点对点、一点对多点（成组）及全局广播几种传送方式。
CAN总线上的任意两个单元之间最大的传输距离与传输速率有关，最远可达10km（速率5Kbps以下），通信速率最高可达1Mbps（此时距离最长40m）。
通信介质可采用双绞线，同轴电缆和光导纤维。
（5）数据传输采用短帧结构，每一帧的数据段长度最多为8个字节。
可满足通常工业领域中控制命令、工作状态及测试数据的一般要求。
同时，8个字节不会占用总线时间过长，从而保证了通信的实时性。
每帧信息都有CRC校验及其他检错措施，数据出错率极低。
节点在错误严重的情况下，具有自动关闭总线的功能，以使总线上的其他节点操作不受影响。
CAN总线是双向数据线，由高低双绞线CAN-High和CAN-Low组成，采用总线网络拓朴结构，在一个网络上至少需要有2个CAN总线节点存在。
在总线的2个终端，各需要安装1个120Ω的终端电阻，实现总线匹配，防止数据在线端被反射，以回声的形式返回，影响数据的传输；如果节点数目大于2个，中间节点不要求安装120Ω终端电阻，忽略终端电阻，会使数据通信的抗干扰性和可靠性大大降低，甚至无法通信。
CAN总线的网络结构如图2-1所示。
CAN总线节点一般由微处理器MCU、CAN控制器、CAN收发器三部分组成。
（1）微处理器MCU：
负责对CAN控制器初始化。
（2）CAN控制器：
CAN的通信协议主要由CAN控制器完成。
CAN控制器主要由实现CAN总线协议部分和与微控制器接口部分电路组成。
常用的集成CAN控制器有Philips公司的PCx82C200、SJA1000等，目前也出现了多种内部集成CAN控制器的单片机，如C8051F040单片机等。
（3）CAN收发器：
CAN控制器通过收发器联接到CAN驱动总线上的，集成CAN收发器有Philips公司的PCA82C50和PCA82C51。
CAN收发器内有一个接收器和发送器，接收器是利用差动信号放大器将CAN-High线上的电压（UCAN-High）减去CAN-Low线上的电压（UCAN-Low），并将差信号传至控制单元的CAN接收区。
用这种方法可以消除静电平（对于CAN驱动数据总线来说是2.5V）或其它任何重叠的干扰电压。
发送器的任务是将CAN控制器输出的较弱信号放大，使之达到CAN导线上的信号电平和控制单元输入端的信号电平。
CAN总线为“线与”逻辑，在总线上所有节点都处于空闲态（也称隐性状态，逻辑“1”时），CAN-High线和CAN-Low处于非激活状态，其电压均为2.5V，隐性差分电压近似为0。
在显性状态（逻辑“0”时），CAN-High线上的电压值不低于3.5V，而CAN-Low线上的电压值可降至1.5V，差动显性输出电压为2V；
图2-1CAN总线原理图
2.2CAN总线报文介绍
网络中交换与传输的数据单元，即一次性要发送的数据块叫做报文。
报文分为4种类型：
数据帧、远程帧、出错帧、过载帧。
本软件设计中只用到了数据帧，它采用了11位标识符。
数据帧的标准帧的帧结构如表2-1。
下面具体分析数据帧的每一个位场。
表2-1数据帧的标准帧的帧结构
位场
帧开始
仲裁场
控制场
数据场
CRC场
应答场
帧结尾
位数
1位
12位
6位
0~64位
16
2位
7位
1.帧起始（SOF）
SOF标志数据帧或远程帧的开始，仅由一个“显性”位组成。
只有在总线空闲时才允许节点开始发送（信号）。
所有节点必须同步于首先开始发送报文的节点的帧起始前沿。
2.仲裁场
仲裁场由标识符和远程发送请求位（RTR位）组成。
RTR位在数据帧中为显性“0”，在远程帧中为隐性“1”。
对于CAN2.0A标准，标识符长度为11位，按ID10到ID0的顺序发送，最低位是ID0，7个最高位ID10-ID4不能全是“隐性”，如图2-2所示。
图2-2标准格式中的仲裁场
3.控制场
控制场由6个位组成，标准帧和扩展帧的控制场格式不同。
标准帧的控制场包括IDE位（为显性位，见上文）及保留位r0、4位数据长度代码DLC3~DLC0。
数据长度代码DLC3~DLC0只能是0000~1000（0~8），其他的数值不允许使用，如图2-3所示。
图2-3控制场结构
4.数据场
数据场由数据帧里的发送数据组成。
它可以为0~8个字节，每字节包含了8个位，首先发送最高有效位。
5.循环冗余码CRC场
CRC场包括CRC序列（CRCSequence），其后是CRC界定符（CRCDelimiter），如图2-4所示。
图2-4循环冗余码CRC场
CRC序列由循环冗余码求得的帧检查序列组成，最适用于位数低于127的帧。
为进行CRC计算，被除的多项式系数由无填充的位流给定。
组成这些位流的成分是：
帧起始、仲裁场、控制场、数据场（假如有的话），而15个最低位的系数是0。
将此多项式被：
X15+X14+X10+X8+X7+X4+X3+1
多项式发生器除（其系数以2为模），所得的余数就是发送到总线上的CRC序列。
CRC序列之后是CRC界定符，它包含一个单独的“隐性”位。
6.应答场（ACKField）
应答场长度为2个位，包含ACK间隙和ACK界定符，如图2-5所示。
在ACK场，发送节点发送两个“隐性”位。
当接收器收到匹配CRC序列的报文，接收器就会在ACK间隙期间向发送器发送一“显性”位以示应答。
ACK界定符是应答场的第二个位，为“隐性”位。
因此，ACK间隙被两个“隐性”的位所包围，也就是CRC界定符和ACK界定符。
图2-5应答场
（7）帧结尾
每一个数据帧和远程帧均由一标志序列界定。
这个标志序列由7个“隐性”位组成。
基于CAN总线的监控系统是多个并列的管理监控单元，每个监测单元之间的数据传输。
第3章硬件设计
3.1系统硬件设计方案
在本设计中，我们将CAN总线作为通信方式，通过将各个节点串联，因为CAN总线通信距离很远，所以每个节点可以放在库房的不同地方，这样就可以采集到不一样的温度数据。
从机主要采用单片机STC89C52RC控制器，SJA1000和82C250分别为CAN控制器和CAN收发器，用于采集温湿度的外部传感器采用数字式温度传感器DS18B20湿度传感器HS1101。
而主机由MCP2515和TJA1050组成，而单片机控制报警及显示模块。
图3-1本设计的分布式监控系统总体结构
本系统在设计时，为了利于系统的推广，充分采用简化的方法，以尽量减少对操作人员专用知识的要求，便于进行维修。
另外，本系统的所有环节都应该有可靠性的思想，要选用可靠性高的元器件。
最后还要降低系统的成本，提高系统的性价比。
3.1.1控制模块（STC89C52RC）
控制器采用STC89C52RC，它的封装方式采用塑料双列直插式封装，由STC公司研发制造，具有性能强大、能耗小等优点，内置的flash存储器大小为8K。
在同样拥有51内核的单片机里，STC89C52RC是应用最为普遍的一种，与常见51板相比较，STC89C52改进了许多原来没有的性能。
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