基于CAN总线的温室环境温度监测系统设计毕业设计论文.docx
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基于CAN总线的温室环境温度监测系统设计毕业设计论文
毕业设计(论文)原创性声明和使用授权说明
原创性声明
本人郑重承诺:
所呈交的毕业设计(论文),是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。
尽我所知,除文中特别加以标注和致谢的地方外,不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果,也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。
对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体,均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。
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指导教师签名:
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使用授权说明
本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计(论文)的规定,即:
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作者签名:
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学位论文原创性声明
本人郑重声明:
所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。
除了文中特别加以标注引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。
对本文的研究做出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。
本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。
作者签名:
日期:
年月日
学位论文版权使用授权书
本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定,同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被查阅和借阅。
本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。
涉密论文按学校规定处理。
作者签名:
日期:
年月日
导师签名:
日期:
年月日
注意事项
1.设计(论文)的内容包括:
1)封面(按教务处制定的标准封面格式制作)
2)原创性声明
3)中文摘要(300字左右)、关键词
4)外文摘要、关键词
5)目次页(附件不统一编入)
6)论文主体部分:
引言(或绪论)、正文、结论
7)参考文献
8)致谢
9)附录(对论文支持必要时)
2.论文字数要求:
理工类设计(论文)正文字数不少于1万字(不包括图纸、程序清单等),文科类论文正文字数不少于1.2万字。
3.附件包括:
任务书、开题报告、外文译文、译文原文(复印件)。
4.文字、图表要求:
1)文字通顺,语言流畅,书写字迹工整,打印字体及大小符合要求,无错别字,不准请他人代写
2)工程设计类题目的图纸,要求部分用尺规绘制,部分用计算机绘制,所有图纸应符合国家技术标准规范。
图表整洁,布局合理,文字注释必须使用工程字书写,不准用徒手画
3)毕业论文须用A4单面打印,论文50页以上的双面打印
4)图表应绘制于无格子的页面上
5)软件工程类课题应有程序清单,并提供电子文档
5.装订顺序
1)设计(论文)
2)附件:
按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文(复印件)次序装订
指导教师评阅书
指导教师评价:
一、撰写(设计)过程
1、学生在论文(设计)过程中的治学态度、工作精神
□优□良□中□及格□不及格
2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度
□优□良□中□及格□不及格
3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力
□优□良□中□及格□不及格
4、研究方法的科学性;技术线路的可行性;设计方案的合理性
□优□良□中□及格□不及格
5、完成毕业论文(设计)期间的出勤情况
□优□良□中□及格□不及格
二、论文(设计)质量
1、论文(设计)的整体结构是否符合撰写规范?
□优□良□中□及格□不及格
2、是否完成指定的论文(设计)任务(包括装订及附件)?
□优□良□中□及格□不及格
三、论文(设计)水平
1、论文(设计)的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□优□良□中□及格□不及格
2、论文的观念是否有新意?
设计是否有创意?
□优□良□中□及格□不及格
3、论文(设计说明书)所体现的整体水平
□优□良□中□及格□不及格
建议成绩:
□优□良□中□及格□不及格
(在所选等级前的□内画“√”)
指导教师:
(签名)单位:
(盖章)
年月日
评阅教师评阅书
评阅教师评价:
一、论文(设计)质量
1、论文(设计)的整体结构是否符合撰写规范?
□优□良□中□及格□不及格
2、是否完成指定的论文(设计)任务(包括装订及附件)?
□优□良□中□及格□不及格
二、论文(设计)水平
1、论文(设计)的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□优□良□中□及格□不及格
2、论文的观念是否有新意?
设计是否有创意?
□优□良□中□及格□不及格
3、论文(设计说明书)所体现的整体水平
□优□良□中□及格□不及格
建议成绩:
□优□良□中□及格□不及格
(在所选等级前的□内画“√”)
评阅教师:
(签名)单位:
(盖章)
年月日
教研室(或答辩小组)及教学系意见
教研室(或答辩小组)评价:
一、答辩过程
1、毕业论文(设计)的基本要点和见解的叙述情况
□优□良□中□及格□不及格
2、对答辩问题的反应、理解、表达情况
□优□良□中□及格□不及格
3、学生答辩过程中的精神状态
□优□良□中□及格□不及格
二、论文(设计)质量
1、论文(设计)的整体结构是否符合撰写规范?
□优□良□中□及格□不及格
2、是否完成指定的论文(设计)任务(包括装订及附件)?
□优□良□中□及格□不及格
三、论文(设计)水平
1、论文(设计)的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□优□良□中□及格□不及格
2、论文的观念是否有新意?
设计是否有创意?
□优□良□中□及格□不及格
3、论文(设计说明书)所体现的整体水平
□优□良□中□及格□不及格
评定成绩:
□优□良□中□及格□不及格
教研室主任(或答辩小组组长):
(签名)
年月日
教学系意见:
系主任:
(签名)
年月日
1绪论
摘要
针对以往温室内变量检测劳动强度大、精度低、范围小的现象,本文应用温度和湿度传感器,提出了基于CAN总线的温湿度测控系统设计方案。
本设计详细分析了基于CAN总线的温湿度检测和系统的通信原理,设计了单片机最小系统、CAN通信接口电路、温湿度传感器电路、键盘电路、显示电路和报警电路等模块。
基于CAN总线的温湿度测控系统实现了温湿度的检测和实时显示,并可以与其它节点通信以便于温室内大范围的温湿度监测和控制,节点结构简单,便于拓展,降低了劳动强度,提高系统的实时性和可靠性。
关键词:
CAN总线;单片机;温湿度检测;通信接口
DesignofGreenhouseEnvironmentMonitoringSystemBasedonCANBus
ABSTRACT
Forthevariabledetectionoflaborwithinthepastgreenhouseintensity,lowaccuracy,asmallrangeofphenomena,thispaper,temperatureandhumiditysensors,temperatureandhumiditymonitoringandcontrolsystemdesignbasedontheCANbus.Thisdesign,adetailedanalysisofthetemperatureandhumiditytestingandsystemsbasedonCANbuscommunicationtheory,thesmallestsingle-chipsystem,CANcommunicationsinterfacecircuits,thetemperaturesensorcircuit,thehumiditysensorcircuit,thekeyboardcircuit,displaycircuit,andalarmcircuitmodule.Detectionandreal-timedisplayoftemperatureandhumidity,temperatureandhumiditymonitoringandcontrolsystembasedonCANbusandcancommunicatewithothernodesinthegreenhousesothatawiderangeoftemperatureandhumiditymonitoringandcontrol,thenodestructureissimple,easytoexpand,reducelaborintensityandimprovethereal-timeandreliabilityofthesystem.
Keywords:
CANbus,microcontroller,temperatureandhumiditytesting,communicationinterface
基于CAN总线的温室环境监测系统设计
张春林021*******
0引言
20世纪80年代末、90年代初兴起的现场总线技术引发了工业自动化领域的重大变革,它代表着工业控制网络技术的发展方向。
现场总线控制系统(FCS)将集散式控制系统中集中与分散相结合的模式变成了新型的全分布式控制模式,控制功能彻底下放到现场,现场控制设备通过总线与管理层交换信息。
在企业信息系统的层次上,整个企业信息网络可以分为现场控制层、过程监控层、生产管理层、市场经营层等多个层次。
工业控制网络是控制技术、通信技术、计算机技术在企业现场控制层、过程监控层的综合体现,被称为工厂底层网络。
目前,工业控制网络技术的应用已经推广到过程控制自动化、制造自动化、楼宇自动化以及交通运输等多个领域。
目前一般把现场总线系统称为第五代控制系统,也称作现场总线控制系统(FCS)。
人们一般把50年代前的气动信号控制系统PCS称作第一代,把4~20mA等电动模拟信号控制系统称为第二代,把数字计算机集中式控制系统称为第三代,而把70年代中期以来的集散式分布控制系统DCS称为第四代。
现场总线控制系统FCS作为新一代控制系统,一方面,它突破了DCS系统采用通信专用网络的局限,采用了基于公开化、标准化的解决方案,克服了封闭系统所造成的缺陷;另一方面把DCS的集中与分散相结合的集散系统结构,变成了新型全分布式结构,把控制功能彻底下放到现场。
可以说,开放性、分散性与数字通讯是现场总线系统的最显著的特征。
目前的现场总线技术有较强实力和影响的有:
基金会现场总线FF(FoudationFieldbus)、局部操作网络LonWorks(LocalOperatingNetwork)、过程现场总线Profibus(ProcessFieldBus)、HART协议、控制局域网络CAN(ControllerAreaNetwork)和Dupline等。
它们各具特色,在不同的应用领域形成了自己独特的优势。
CAN总线是德国Bosch公司在20世纪80年代初为解决汽车中大量的控制与测试仪器之间的数据交换而开发的一种串行数据通信协议。
CAN能灵活有效地支持具有较高安全等级的分布式控制.其数据传输速度可达1Mbps,在汽车、煤矿安全检测、自动化仪表、智能楼宇、机械制造等领域应用广泛。
本文介绍了一种基于CAN总线的智能温、湿度检测系统,可应用于不同的工业自动化领域。
近些年来,温室大棚种植为提高人们的生活水平带来极大的便利,得到了迅速的推广和应用.国家科技部提出的工厂化高效农业示范工程,推动了温室监控技术的发展。
但总体来讲,我国温室产业环境控制能力弱,自动化程度低,抵御自然条件能力差。
这在很大程度上限制了温室总体效益的进一步提高。
种植环境中的温度、湿度、光照度等环境因子,对作物的生产有很大的影响.传统的人工控制方式难以达到科学合理种植的要求,国内实现上述环境因子自动监控的系统还不多见,而引进国外具有多功能的大型连栋温室控制系统价格昂贵,不适合国情。
对温湿度的精确检测和远距离传输越来越受到人们的重视,针对这一情况,研制一种高精度、高稳定性、低成本且实用的分布式环境温湿度检测控制系统显得非常重要。
而利用CAN总线实现远距离节点间和PC机的实时通信,具有结构简单、可靠性高、成本低、实时性好、安装维护方便且便于功能扩展等优点,提高了管理水平和工作效率,所以将CAN总线应用于温室控制具有较好的前景。
1绪论
CAN总线特点及国内外应用现状
目的现场总线在美国和欧洲等发达国家和地区发展迅速,并已有较多的应用范例。
国内的大学和一些公司也正致力于基于CAN总线的系统开发。
在汽车信号传输,电力监控,楼宇智能化,工业测控,安防等领域有着广泛的应用,现场总线的主要优点:
(1)增强了现场级信息集成能力;
(2)开放式、互操作性、互换性,可集成性;
(3)系统可靠性高、可维护性好;
(4)降低了系统及工程成本。
现代自动控制越来越朝着智能化发展,在很多自动控制系统中都用到了工控机,小型机、甚至是巨型机处理机等,当然这些处理机有一个很大的特点,那就是很高的运行速度,很大的内存,大量的数据存储器。
但随之而来的是巨额的成本。
在很多的小型系统中,处理机的成本占系统成本的比例高达20%,而对于这些小型的系统来说,配置一个如此高速的处理机没有任何必要,因为这些小系统追求经济效益,而不是最在乎系统的快速性,所以用成本低廉的单片机控制小型的,而又不是很复杂,不需要大量复杂运算的系统是非常适合的。
单片机,又称微处理器,已经应用到各行各业,制造单片机的半导体厂家也从十几年前的屈指可数的几家发展到现在的几十家甚至更多。
不同厂家提供了基于不同架构平台,具备不同功能特点的单片机,这就使得我们根据具体设计的要求,挑选一款最合适的芯片进行系统开发,在满足功能要求的同时最大限度地降低成本。
本文介绍的温湿度实时监测装置的监测范围在0-50℃和20%-95%RH(相对湿度)间,可设置温室环境温湿度的上下限值,若超出温湿度设定值,并可通过报警系统通知工作人员。
另外,本系统中还应用了CAN总线通信协议,使得通信距离比以前的温湿度控制系统更远、更实用。
课题的提出和解决
随着科技的发展和人们生活水平的提高,温室的管理也越来越智能化。
它采用传感技术、计算机技术和现代通信技术,实现对温室实行综合自动管理,具有各种安全保护、运行监控等管理功能,给植物提供舒适、安全的内部环境。
温室的温湿度必须常年控制在某一特定的范围内,实现温湿度控制智能化。
同时时由于温湿度设定的模糊性和个体差异性,需要有一种智能化的设定方法,来实现温湿度没定值的自动匹配。
本文介绍的温湿度监控系统,基于CAN总线,采用单片机作为智能节点控制器,系统通信可靠、快捷,硬件电路设计和软件编程简单,能较好地满足对环境温湿度监控的智能化要求。
课题的主要任务
综合以前所学知识,利用《电路》、《电子技术》、《单片机的原理与应用》等知识,然后查阅国内外关于检测与传感技术以及语音报警等方面的发展动态和已有的技术,设计一个基于CAN现场总线的温室温湿控制系统设计,因此达到如下要求:
1.通过本课题硬件设计,可以使我们了解检测与传感技术的基本原理和报警系统的使用方法。
2.能够灵活的运用单片机进行其他各种控制电路的设计开发。
通过本课题软件编程能提升我们对单片机的编程水平,能够具有一定的编程技能。
3.通过课题设计能让自己将所学的知识综合应用,了解本专业在社会中的应用价值,掌握更多的专业外语知识,增加见识,增强实践能力,创新能力和综合分析问题能力,学会使用专业软件,特别是专业画图软件,另外,在熟练的使用计算机基础上,提高了自己检索资料和利用知识的能力,更新知识,让自己养成良好的学习习惯和严谨的工作风。
4.通过CAN总线串口通信协议的学习、使用,能使我从实践层面了解了通信协议理论知识的应用及作用,为以后更好的学习、应用单片机编程打下了基础。
5.详细分析课题任务书,对温室温湿度控制的历史和现状进行分析,并对温湿度传感器的原理进行深入的研究,将其综合。
然后根据课题任务书的要求设计出实现控制任务的硬件原理图和软件,并进行仿真调试。
1.
系统总体方案设计
设计要求
随着科技的进步和时代的发展,温室环境在人们的生产和生活中扮演的角色越来越重要。
因此在现代的生产和生活中对温室环境进行监测便有了十分重要的意义。
但是,目前常用的温湿度监测系统大多存在至少两大缺点:
其一,使用的通信网络可靠性低,抗干扰能力差,成本高;其二,线路上传送的是模拟信号,易受干扰和损耗。
为了克服这些缺点,本文提出了将目前最有前途之一的CAN总线技术与数字化传感器技术结合起来的设计思想,实现了基于CAN总线的智能化温室环境温室度检测系统。
本设计是一个基于CAN总线的温室温湿度测控系统,节点采集温湿度模拟量信号送入主控制器,并将节点的主控制器连接在CAN总线上,可实现远程通信和监控。
应用场合:
系统可应用于温室、粮食仓储、纺纱车间、图书馆等环境监测调节和报警监控等。
2.2系统组成总体结构
本设计由单片机最小系统、湿温度检测电路、键盘电路、显示电路、报警电路、CAN控制器、CAN收发器和电源电路构成。
本系统以单片机STC89C51为主控制器,键盘设定温湿度的上下限,由温湿度传感器DHT11检测温室内的温度并经其转换为数字信号送往单片机,LCD实时显示室内的温湿度值及报警信息,单片机通过CAN总线控制器、CAN驱动器连接至CAN总线,与总线的其他节点通信,实现温湿度值的检测、处理及监控。
系统原理框图:
图2.1
2.硬件设计
器件介绍
单片机选型
方案一:
采用AT89C51单片机作为硬件核心。
其内部具有4KBFlashROM存储空间,可以用3V的比较低压工作,能与MCS-51系列单片机完全兼容,但是在电路设计的应用中由于不具备ISP在线编程技术,当在对电路进行调试时,由于对程序的错误修改或程序的新增功能需要烧入程序时,会对其造成一定的损坏;当对芯片的多次拔插时,也会有一定程度的损坏。
方案二:
采用STC89C51单片机作为硬件核心。
具有8K在系统可编程Flash存储器,可以用3V的比较低压工作,其能与MCS-51系列单片机完全兼容,AT89C51的功能完全具有,当在对电路进行调试时,由于对程序的错误修改或程序的新增功能需要烧入程序时,也不必要对芯片重复拔插,所以很大程度上对芯片造成损坏基本没有。
STC89C51和AT89C51都是8051的内核,只不过54的内部资源比51多,比如增加了一个16位的计数器T2,当然相应的特殊寄存器(SFR)也有了一点变化,另外52的内存也从51的128字节提高到了256字节,ROM也从4K提高到8K,可以装下更大的程序,但是若单从运算速度来讲,由于二者都是8051的直系后代,基本上可以认为二者运算性能相同。
考虑到内存的增加对较复杂的程序带来的好处,54的总体性能是要比51好不少的。
另外S54比C51还增加了ISP功能,就是在线可编程功能,这可是很有用的功能,首先是省去购买编程器的钱。
两者在价格上区别不大,综上比较,根据本设计内容选择方案二。
单片机STC89C51简介
STC89C51是一种高性能、低功耗的CMOS八位微控制器,具有8K在系统在线可编程Flash存储器,使用ATMEL公司高密度非易失性存储器技术制造,与工业80C51产品引脚和指令完全兼容。
片上Flash允许ROM在系统可编程,亦适于常规编程器。
在单芯片上,拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash,使其为众多嵌入式控制应用系统提供灵活的解决方案。
主要特性
(1)低功耗空闲和掉电模式;
(2)全静态操作:
0Hz~33Hz;
(3)八个中断源;
(4)8K字节在系统可编程Flash存储器;
(5)掉电标识符;
(6)三级加密程序存储器;
(7)与MCS-51单片机产品兼容;
(8)全双工UART串行通道;
(9)三个16位定时器/计数器;
(10)看门狗定时器;
(11)双数据指针;
(12)1000次擦写周期;
(13)32个可编程I/O口线。
引脚功能说明
VCC:
电源
GND:
地
P0口:
8位漏极开路的双向I/O口。
作为输出口,每位能驱动8个TTL逻辑电平。
对P0端口写“1”时,引脚用作高阻抗输入。
当访问数据存储器和外部程序时,P0口也被作为低8位数据/地址复用。
在这种模式下,P0具有内部上拉电阻。
在Flash编程时,P0口也用来接收指令字节;在程序校验时,输出指令字节。
程序校验时,需要外部上拉电阻。
P1口:
具有内部上拉电阻的8位双向I/O口,P1输出缓冲器可以驱动4个TTL逻辑电平。
对P1端口写“1”时,内部上拉电阻把端口拉高,此时可以作为输入口使用。
作为输入使用时,被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因,将输出电流(IIL)。
此外,P1^0和P1^2分别作定时器/计数器的外部计数输入(P1^0/T2)和定时器/计数器的触发输入(P1^1/T2EX),具体如下表所示。
在Flash编程和校验时,P1口接收低8位地址字节。
P1口引脚的功能
引脚号
第二功能
P1.0
T2(定时器/计数器T2的外部计数输入),时钟输出
P1.1
T2EX(定时器/计数器T2的重载/捕捉触发信号和方向控制)
P1.5
MOSI(在系统编程用)
P1.6
MISO(在系统编程用)
P1.7
SCK(在系统编程用)
表3.1
P2口:
具有内部上拉电阻的8位双向I/O口,P2输出缓冲器驱动4个TTL逻辑电平。
对P2端口写“1”时,内部上拉电阻把端口拉高,此时可以作为输入口使用。
作为输入使用时,被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因,将输出电流(IIL)。
在方位外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器时,P2口送出高八位地址。
在Flash编程和校验时,P2口也接收一些控制信号和高8位地址字节。
P3口:
P3口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口,P2输出缓冲器能驱动四个TTL逻辑电平。
对P3端口写“1”时,内部上拉电阻把端口拉高,此时可以作为输入口使用。
作为输入使用时,被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因,将输出电流(IIL)。
P3口亦作为STC89C51特殊功能(第二功能)使用,如表所示。
端口引脚
第二功能
P3.0
RXD(串行输入口)
P3.1
TXD(串行输出口)
P3.2
INTO(外中断0)
P3.3
INT1(外中断1)
P3.4
TO(定时/计数器
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