基于CAN总线和AVR单片机的网络型温度传感

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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5560 / 641 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

10、括为：AD590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

11、时通信功能。(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

12、如这个系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

13、发展方向。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

14、具有一定的研究价值。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）

15、温度采样频率：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

16、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、地址复用控制CANHCANL一些外围电路LCD12864CANHCANL数据、地址复用一些外围电路图2-1 系统总结构框图2.2 系统选用的主要器件介绍2.2.1 微控制器ATmega16考虑到本系统对信号处理功能要求不高，基于实用原则所以决定使用ATmega16作为本系统的核心控制器。ATmega16是基于增强的AVR RISC结构的低功耗8位CMOS微控制器。由于其先进的指令集以与单时钟周期指令执行时间，ATmega16的数据吞吐率高达1 MIPS

17、/MHz，从而可以缓减系统在功耗和处理速度之间的矛盾。 ATmega16 AVR 核具有丰富的指令集和32个通用工作寄存器。所有的寄存器都直接与算逻单元(ALU)相连接，使得一条指令可以在一个时钟周期同时访问两个独立的寄存器。这种结构大大提高了代码效率，并且具有比普通的CISC 微控制器最高至10倍的数据吞吐率。(1) ATmega16产品特性：1）高性能、低功耗的8位AVR微处理器；2）先进的RISC结构；3）131条指令；4）大多数指令执行时间为单个时钟周期；5）32个8位通用工作寄存器；6）全静态工作；7）工作于16MHz时性能高达16MIPS；8）只需两个时钟周期的硬件乘法器；9）非易

18、失性程序和数据存储器；10）16K字节的系统可编程Flash，擦写寿命: 10，000次；11）具有独立锁定位的可选Boot代码区，通过片上Boot程序实现系统编程，真正的同时读写操作；12）512 字节的EEPROM，擦写寿命: 100，000次；13）1K字节的片SRAM；14）可以对锁定位进行编程以实现用户程序的加密；15）JTAG 接口(与IEEE 1149.1标准兼容)；16）符合JTAG标准的边界扫描功能；17）支持扩展的片调试功能；18）通过JTAG接口实现对Flash、EEPROM、熔丝位和锁定位的编程。(2) 外设特点：1）两个具有独立预分频器和比较器功能的8位定时器/计数器

19、；2）一个具有预分频器、比较功能和捕捉功能的16位定时器/计数器；3）具有独立振荡器的实时计数器RTC；4）四通道PWM；5）8路10位ADC，8个单端通道，2个具有可编程增益（1x， 10x， 或200x）的差分通道；6）面向字节的两线接口；7）两个可编程的串行USART；8）可工作于主机/从机模式的SPI串行接口；9）具有独立片振荡器的可编程看门狗定时器；10）片模拟比较器。(3) 特殊的处理器特点：1）上电复位以与可编程的掉电检测；2）片经过标定的RC振荡器；3）片/片外中断源。(4) 6种睡眠模式: 空闲模式、ADC噪声抑制模式、省电模式、掉电模式、Standby模式以与扩展的Stan

20、dby模式。(5) I/O和封装32个可编程的I/O口；40引脚PDIP封装， 44引脚TQFP封装， 与44引脚MLF封装。(6) 工作电压：ATmega16L：2.7 - 5.5V；ATmega16：4.5 - 5.5V。(7) 速度等级：8MHz ATmega16L；0-16MHz ATmega16；ATmega16L在1MHz， 3V， 25C时的功耗；正常模式：1.1Ma；空闲模式：0.35mA；掉电模式： 1A。ATmega16 引脚如图2-2所示图2-2 ATmega16引脚图2.2.2集成温度传感器AD590集成温度传感器AD590 是美国模拟器件公司生产的集成两端感温电流源。

21、它是电流型温度传感器，通过对电流的测量可得到所需要的温度值。根据特性分挡，AD590的后缀以I，J，K，L，M表示。AD590L，AD590M一般用于精密温度测量电路，其电路外形如图3-2所示，它采用金属壳3脚封装，其中1脚为电源正端V；2脚为电流输出端I0；3脚为管壳，一般不用。集成温度传感器的电路符号如图2-3所示。图2-3 AD590的外形与电路符号AD590温度传感器的主要特性：(1) 流过器件的电流（A）等于器件所处环境的热力学温度（开尔文）度数，即：IT/T=1A /K (2-1)式中：IT 流过器件（AD590）的电流，单位A；T热力学温度，单位K。(2) AD590的测温围-5

22、5+150。(3) AD590的电源电压围为4V-30V。电源电压可在4V-6V围变化，电流IT变化1A，相当于温度变化1K。AD590可以承受44V正向电压和20V反向电压，因而器件反接也不会损坏。(4) 输出电阻为710M。(5) 精度高。AD590共有I、J、K、L、M五档，其中M档精度最高，在-55+150围，非线形误差0.3。 AD590输出电流在远距离传输时，虽然它对导线产生的压降不敏感，但应避免传输导线回路受电磁干扰影响产生感应电势而导致回路电流变化，造成测量误差。由于AD590的温度变化围在55150之间，经过10K之后采样到的电压变化在2.182V4.232V之间，不超过5V

23、电压所表示的围，因此参考电压取电源电压VCC，（实测VCC4.98V）。由此可计算出经过A/D转换之后的摄氏温度显示的数据。2.2.3CAN独立控制器SJA1000目前广泛流行的 CAN总线器件有两大类:一类是独立的CAN控制器，如82C200、SJA1000与Intel82526/82527等，另一类是带有在片CAN的微控制器，如P8SC582与16位微控制器87C196CA/CB等。本设计选用PHILIPS公司的SJA1000CAN控制器以与82C250总线收发器。主要是考虑到SJA1000支持CAN2.0A/B规约。而82C250可以支持110个CAN节点，并且国市场上PHILIPS的产

24、品型号比较多，购买比较方便。 PHILIPS公司的SJA1000是一种独立的，符合CAN2.0B协议的总线控制器，它是应用于汽车和一般工业环境的独立CAN 总线控制器。由于硬件和软件的兼容它将会替代PCA82C200，它与PCA82C200 相比具有更先进的特征因此特别适合于轿车的电子模块传感器制动器的连接和通用工业应用中特别是系统优化系统诊断和系统维护时特别重要。SJA1000具有完成CAN通信协议所要求的全部特性。经过简单总线连接的SJA1000可完成CAN总线的物理层和数据链路层的所有功能。其硬件与软件设计可兼容基本 CAN模式(BasicCAN)和新增加的增强CAN模式(PeliCAN

25、)CAN2.0B协议。SJA1000的主要特性为： (1) 管脚与电气特性与独立CAN总线控制器PCA82C200兼容； (2) 软件与PCA82C200兼容(缺省为基本CAN模式)； (3) 扩展接收缓冲器(64字节FIFO)，先进先出（FIFO）； (4) 支持CAN2.0A协议和CAN2.0B协议； (5) 同时支持11位和29位标识符； (6) 位通讯速率为1Mbits/s； (7) PeliCAN模式的拓展功能有： 1）可读/写访问的错误计数寄存器； 2）可编程的错误报警限额寄存器； 3）最近一次错误代码寄存器； 4）对每一个CAN总线错误的中断； 5）有具体位表示的仲裁丢失中断；

26、6）单次发送（无重复）； 7）只听模式（无确认，无激活的错误标志）；8）支持热插拔（软件进行位速率检测）；9）验收滤波器的扩展（4字节的验收代码，4字节的屏蔽）；10）接收自身的报文（自接收请求）。 (8) 采用24MHz时钟频率； (9) 支持多种微处理器接口； (10)可编程CAN输出驱动配置，支持热插拔；(11)工作温度围为-40+125。SJA1000的部结构如图2-4：图2-4 SJA1000的部结构SJA1000管脚图如图2-5所示图2-5 SJA1000管脚图SJA1000的管脚说明如表2-1。表2-1 SJA1000管脚说明符号引脚说明AD7AD02,1,2823多路地址/数据

27、总线ALE/AS3ALE输入信号（Intel模式），AS输入信号（Motorola模式）4片选信号输入，低电平允许访问SJA1000（）5微控制器的信号（Intel模式）或E使能信号（Motorola模式）6微控制器的信号（Intel模式）或RD（）信号（Motorola模式）CLKOUT7SJA1000产生的提供给微控制器时钟输出信号；时钟信号来源于部振荡器且通过编程驱动；时钟控制寄存器的时钟关闭位可禁止该引脚输出。VSS18接地XTAL19输入到振荡器放大电路；外部振荡信号由此输入；注1XTAL210振荡放大电路输出；使用外部振荡信号时左开路输出：注1MODE11模式选择输入:1=Inte

28、l模式;0=Motorola模式VDD312输出驱动的5V电压源TX013从CAN输出驱动器0输出到物理线路上TX114从CAN输出驱动器1输出到物理线路上VSS315输出驱动器接地16中断输出，用于中断微控制器；在部中断寄存器各位被置位时低电平有效；是开漏输出，且与系统中的其它是线或的；此引脚上的低电平可以把IC从睡眠模式中激活符号引脚说明17复位输入，用于复位CAN接口（低电平有效）；把引脚通过电容连到VSS，通过电阻连到VDD可自动上电复位（例如，C=1F；R=50k）VDD218输入比较器的5V电压源RX0，RX119,20从物理的CAN总线输入到SJA1000的输入比较器；（控制）电

29、平将会唤醒SJA1000的睡眠模式；如果RX1比RX0的电平高，就读显性（控制）电平，反之读隐性电平；如果时钟分频寄存器的CBP位被置位，就旁路CAN输入比较器以减少部延时（此时连有外部收发电路）；这种情况下只有RX0是激活的；VSS221输入比较器的接地端VDD122逻辑电路的5V电压源SJA1000的读写时序分别如图2-6和2-7所示：图2-6 SJA1000Intel模式的读时序图2-7 SJA1000Intel模式的写时序2.2.4CAN总线收发器82C25082C250是CAN控制器与物理总线之间的接口，它最初是为汽车中的高速应用（达1Mbps）而设计的。器件可以提供对总线的差动发送

30、和接收功能。82C250的主要特性如下：(1) 与ISO11898标准完全兼容；(2) 高速率（最高可达1Mbps）；(3) 具有抗汽车环境下的瞬间干扰与保护总线能力；(4) 采用斜率控制，降低射频干扰；(5) 过热保护；(6) 总线与电源与地之间的短路保护；(7) 低电流待机模式；(8) 未上电节点不会干扰总线；(9) 总线至少可连接110个节点。82C250功能框图如图2-8：图2-8 82C250功能框图82C250引脚分配图如图2-9。图2-9 82C250引脚分配图82C250引脚功能表如表2-2。表2-2 82C250引脚功能表功能描述：PCA82C250对总线提供不同的发送能力和

31、对CAN控制器提供不同的接收能力，完全ISO11898标准完全兼容。限定的电流值保护接收器输出级，避免阳极和阴极的短路，尽管在默认的条件下功率消耗是增加的，这个特征值将防止发送器输出级的毁坏。如果节点温度超过大约160度，发送器限定的电流值输出被降低，因为发送器占去大部分的功率消耗，这将导致降额功耗和较低的片温度，IC中的其它部分在使用中将保持不变。当总线短路的时候，热保护非常需要。这个CANH，CANL线也被保护，防止在自动运作过程中电流的瞬变。表2-3 CAN收发真值表表2-4 管脚RS管脚8（RS）有三种不同的工作模式可被选择：高速，备用，斜率控制。对于高速工作模式，发送器输出级晶体管被

32、尽可能地快启动和关闭，在这种模式下，没有措施用于限制上升和下降的斜度，建议使用屏蔽电缆可避免RFI这种问题，通过把管脚8接地选择这种模式。对于低速或较短的总线长度，可使用一种没有屏蔽的双绞线或平行线。对于降低RFI，上升和下降的斜率是个限定值，上升和下降的斜率能够被编程，通过从管脚8接一个电阻至地，这个斜率和管脚8的电流输出成比例。如果高电平被接至管脚8，电路进入低电流保护模式。这种模式下，发送器被关闭，接收器开至低电流，如果控制位被检测（不同的总线电压L”，DB7-DB0的数据被写到IR或DR6E使能信号7-14DB0-DB7三态数据线15PSBH：8位或4位并口方式；L：串口方式16NC空

33、脚17/RESET复位端，低电平有效18VOUTLCD驱动电压输出端19A背光源正端（+5V）20K背光源负端功能特点:QC12864B 汉字图形点阵液晶显示模块，可显示汉字与图形，置 8192个中文汉字（16X16 点阵）、128个字符（8X16 点阵）与64X256 点阵显示 RAM（GDRAM）。 主要技术参数和显示特性: 电源：VDD 3.3V5V(置升压电路，无需负压)； 显示容：128 列 64行； 显示颜色：黄绿屏，蓝屏； 显示角度：6：00 钟直视； LCD类型：STN； 与 MCU接口：8 位并口或串行； 配置 LED背光； 多种软件功能：光标显示、画面移位、自定义字符、睡眠

34、模式等。 读写操作时序： 模块有并行和串行两种连接方法（时序如下）： 本课题设计采用8 位并行连接，MCU写数据到模块的时序如图2-12所示。图2-12 MPU写资料到模块的时序图MCU从模块读出数据的时序如图2-13。图2-13 MPU从模块读数据的时序图汉字显示坐标表2-7 汉字显示坐标3 网络型温度传感各模块的硬件设计本章将详细介绍网络型温度传感系统各个模块的硬件设计思路和过程。3.1信号采集与转换模块前端温度传感电流电压转换主要作用是：将集成温度传感器AD590采集的温度电流信号，经过单片精密运算放大器OP07，转换为适合AVR单片机处理的电压信号。AD590对温度变化体现为电流变化，

35、温度和电流呈线性关系，而A/D转换器采集的为电压信号，因此需要有电流电压转换电路，将电流信号转换成电压信号。电路原理图如下图所示：图3-1前端温度传感电流电压转换模块原理图考虑ATmega16的输入量程为05V，而本系统设计的温度检测围为0100。为了提高实时检测的灵敏度并不致使电压过高而超出单片机的输入电压围，故采用图3-1所示的测量电路。该测量电路为双点温度调整电路的简化。图3-1电路中，可加基准电压源对传感器供电，以保证不受电压漂移的影响，这里未予画出。由于长导线上的压降一般不影响测量精度，在系统精度要求不是太高的情况下，也省去了电位器的调整，对此可通过软件加以补偿。放大器采用了OP07

36、单片精密运算放大器，它具有低噪声，低漂移和高增益的特点，是一种通用性强的运算放大器；电容C1在这里起到滤波的作用。AD590温度与电流的关系如表3-1：表3-1 AD590温度与电流对应关系摄氏温度AD590电流0273.2A10283.2A20293.2A30303.2A40313.2A50323.2A60333.2A100373.2A当温度为0的时候，OP07输出的电压理论值为0，此时流过R4的电流值为0，因此流过R1的电流等于AD590的电流值。计算得出R1的值为： (3-1)输出的电流值与它所测的绝对温度有精确的线性关系。由表可计算出R4的取值为50K。这样，0时输出电压值为0V，温度

37、每升高1输出电压上升50mV，这样100时所对应的输出电压即为10050mV/=5V，保证了单片机输入电压的要求。温度与输出电压之间的关系为： (3-2)式中，K比例系数，K=50mV/，T环境温度（），测温下限（）。利用这条公式，单片机便可对采集的电压值进行处理和补偿计算，得出精度相对较高的环境温度。3.2 电源模块电源模块提供正负12V电压和正5V稳压电源，给网络型温度传感系统和前端温度传感电流电压转换模块供电。电路原理图如图3-2所示：图3-2电源模块原理图220V交流电从P1接口输入，经3w双12V变压器降压，再经园桥整流电桥整流后，用一个大电容和一个小电容的组合，是为了分别滤去低频或高频的纹波，产生不稳定直流电压，从稳压器7812，7805和7912的输入端输入，在稳压器的输出端就可得到稳定的直流电压输出，取得稳定的电压12V，5V和-12V。输出端的大电容和小电容的组合作用是：瓷片电容用来减少由于负载电流瞬时变化而引起的高频干扰。电解电容用来进一步减少输出脉动和低频干扰。