基于C8051F040的CAN總線溫濕度數據采集系統設計

姜久超，郭玉霞，王紅艷，劉海波，劉婉慈

（1.河北工程技術高等專科學校 河北 滄州 061001；2.渤海理工職業學院 河北 黃驊 061100）

隨著計算機控制技術的迅速發展，現場總線控制技術已經越來越廣泛地應用于各行各業中。我國是一個產糧和儲糧的大國，如何安全綠色儲糧是關系到國計民生的重大事情。在眾多大型倉儲糧庫中，通過單片機實現糧食存儲過程中的溫濕度監測，其測控的點數一般是幾十個，如果擴展的測控點數多大幾百甚至上千時，單片機控制系統從存儲空間、巡檢速度上都無法達到控制要求。而CAN總線具有開放性、高驅動能力、成本低、容易實現等優點，且其在一定的傳輸距離內，傳輸速率高、抗電磁干擾能力強，這為CAN總線應用在糧庫溫濕度測量中打下了基礎。

在糧庫糧食存儲過程中，由于受地區、氣候條件、存儲倉的結構形式和材料、糧倉通風條件等的影響，糧倉內糧食的溫濕度極易發生變化，如果監測不夠及時和準確，很容易導致糧食發霉和腐爛，針對這種情況，必須對糧食的溫濕度參數進行監測。大型糧庫檢測點數量大，傳統的溫濕測量精度低，抗干擾能力差，智能化、數字化程度低，遠程監控聯網功能差，不能滿足現代糧庫對糧食存儲和管理的需求。而CAN總線應用在糧庫溫濕測量中，現場眾多檢測點的問題得以解決，同時能實現實時檢測和智能分析，數據能進行顯示、保存和上傳為保證糧食的存儲質量起到了重要的保障作用。本文以CAN總線為核心設計了智能溫濕數據采集系統，在應用于糧庫糧食溫濕度測量中，實現了糧食溫濕參數的智能測量、處理、顯示和記錄，對糧庫參數精確測量提供了有力的幫助。

1 溫濕度采集系統的構成

基于CAN總線的溫濕數據采集系統采用上位機加智能測量節點組成[2]。系統組成框圖如圖1所示。

1.1 CAN總線

圖1 系統結構框圖Fig.1 System structure diagram

CAN總線是一種多主方式的控制總線，在汽車電子、自動控制、智能儀表、樓宇自動化等領域，是應用最廣泛的一種總線。CAN總線上的節點不分主從，在任意時刻均可向網絡上的其他節點發送信息；根據實時性的要求不同，總線上的節點又可分成不同的優先級，優先級高的數據傳送時間不超過134 us，當多個節點同時向總線傳送數據時，優先級別低的節點自動退出；CAN總線通信的報文采用短幀結構，傳輸時間短，受干擾概率低，保證了通信低出錯率；CAN通信的每幀信息都有CRC校驗及其它檢錯措施，保證了數據傳輸的可靠性；CAN總線的傳輸介質可為雙絞線、光纖等，傳輸距離最遠為10 km；CAN總線協議已被國際標準化組織認證，是國際標準的現場總線，結構簡單，開發容易，器件標準化，具有較高的價格性能比[1－3]。

1.2 系統工作原理

如圖1所示，系統由傳感器、智能節點、CAN收發器和監控主機組成。傳感器由溫度和濕度傳感器組成，實現糧庫溫濕度的測量，并把信號傳輸給智能節點。智能節點由集成了CAN控制器的單片機C8051F040和CAN接口組成，完成對數據的采集并把數據傳送至總線。CAN收發器是總線與上位機之間的接口，實現對總線上數據的接收和發送并與上位機實現通信。上位機接收數據實現對整個網絡的監控同時還要實現對系統參數的設置及對下位智能節點發送控制命令。

2 系統硬件設計

2.1 溫濕檢測器件

1）溫濕度傳感器的選擇

溫度檢測傳感器采用DS18B20。DS18B20是一款單總線數字式溫度傳感器，它能直接將溫度信號轉換成數字信號，不需要模數轉換（A/D轉換），也沒有采樣、量化和編碼的過程，能極大簡化電路的硬件設計。它結構簡單，體積小，測溫范圍在－10～85℃范圍內精度可達±0.5℃。其封裝簡單，只有3個引腳:VCC，GND和DQ。其中DQ是數據輸出端，GND是接地端，本方案中其為外部供電模式，引腳VCC與外部電源相接。

濕度檢測傳感器采用SHT71。SHT71濕度傳感器是一款智能型數字式溫濕傳感器，它集溫濕傳感器、信號放大處理電路、A/D轉換、I2C總線與一個芯片上，并具有免調試、免標定的特點，同時具有長期穩定性好、功耗低、體積小、分辨率高等優點。相對濕度的測量范圍0－100%，響應時間8 s。SHT71結構形式為表面貼片封裝，其管腳有4個：GND，VCC，DATE，SCK。其中GND為接地端，VCC為供電電源端，DATE為雙向串行數據端，SCK為串行時鐘輸入端。

傳感器接口電路如圖2所示。

圖2 傳感器與單片機連接圖Fig.2 connection of SCM and sensor

2）濕度傳感器的非線性補償

SHT71濕度傳感器的輸出為非線性的相對濕度數字信號，為了得到較為準確的濕度信號就需要對其非線性進行補償，補償公式為:

式中：RH為線性補償后的濕度值，SH為濕度傳器的輸出值，C1，C2，C3為線性補償系數。

線性補償系數C1，C2，C3的取值在濕度轉換精度為12位時分別為：－4，0.0405，－0.0000028。

由于濕度測量時溫度對其影響較大，而實際測量溫度和傳感器測試時的溫度25℃也不一定相同，所以濕度測量值在經過線性補償后還要進行溫度補償，補償公式為：

式中：RHT為溫度補償后的濕度值，SH為濕度傳器的輸出值，T為測試濕度時的溫度值 （℃），RH為線性補償后的濕度值，t1，t2為溫度補償系數。

溫度補償系數t1，t2的取值在濕度轉換精度為12位時分別為：0.01，0.00008。

3）溫濕度傳感器的使用注意事項

使用DS18B20溫度傳感器需要注意的問題：

①當使用傳感器的數量增加時，就要考慮單片機總線的驅動能力。由于加入4.7 K上拉電阻后，相當于把所有溫度傳感器掛在了一條總線上，受單片機總線驅動能力的影響，本系統中經過試驗驗證單片機每個I/O口所掛接的傳感器數量只要不超過30個，溫度就能正常轉換。

②由于所用DS18B20的數量較多，為了能正確讀出其轉換值，必須保證有嚴格的讀寫時序。

③連接DS18B20的總線電纜的長度有一定要求，當采用屏蔽電纜時，總線長度可達150m，當連接長度超多此值時，就要考慮總線電容和阻抗對測量帶來的影響。

使用SHT71濕度傳感器需要注意的問題：

①在采用信號電纜與單片機連接時，信號電纜的長度和質量將影響濕度傳感器的響應時間和供電電壓的質量。經實驗證明，信號電纜越長，傳感器響應的時間越長，超過一定值后就需要增加單片機的驅動能力，一般電纜的傳輸距離在10 m；同時由于電纜長度和電纜電容的變化，會影響傳感器的供電電壓質量，造成傳感器輸出誤差增加，一般可以通過降低電纜長度、增加去耦電容等來改善供電電壓的質量。

②單片機與SCK相連接的I/O口應設置成輸出模式控制濕度傳感器的時鐘。多個SHT71同時使用時，其SCK控制端可以共用。

③為了避免溫度增加給是度測量帶來的誤差，SHT71在工作時必須避免陽光直曬或高溫等場合，其轉換頻率也不宜太高，再用烙鐵焊接時也應避免烙鐵和管腳的接觸時間不超過3秒。

2.2 C8051FO40單片機

C8051F040在指令上完全與MCS－51單片機兼容，但其集成度更高、運行速度更快，與MCS－51單片相比，其具的特點為：有與51兼容的CIP－51內核，運行時鐘可達254MHz；2.7～3.6V低電壓供電，輸入端口兼容5V電平，輸出端口有開漏和推挽模式，共有64個多功能I/O端口；其內部集成了局域網（CAN2.0）控制器，12位和 8位 ADC模塊各一個，12為DAC模塊 2個；有 64KBFlash ROM，256字節片內內存和4KB片外內存。

2.3 CAN總線收發器PCA82C250

PCA82C250是CAN協議控制器和物理總線之間的接口，該器件對總線提供差動發送能力并對CAN控制器提供差動接收能力。它具有完全符合ISOll898標準，主要特性：高速率（最高可達1Mb/s）、瞬間抗干擾能力、未供電節點不干擾總線、斜率控制以降低射頻干擾（RFI）、差分接收器具有抗寬范圍的共模干擾和抗電磁干擾（EMI）、可連接110個節點、低電流待機模式[4][7]等特點。其接口電路如圖3所示。為保證其抗干擾性能，在傳輸通道中增加了兩個完全隔離的光電耦合器件。

圖3 總線接口電路Fig.3 Bus iterface circuit

2.4 上位機接口設備

上位監控顯示機采用PC機，其與總線之間通過CAN/USB轉換器，連接至CAN總線收發器PCA82C250。CAN/USB轉換器現在市場型號很多，這里采用一款CANUSB智能雙路轉換接口，其特點為：遵守CAN 2.0A和 CAN2.0B協議且兼容USB1.1和USB2.0總線；支持兩路獨立控制的CAN通道接口；傳輸速率在5 Kbps～1 Mbps之間可選；傳輸線采用雙絞線，光電隔離接口；可直接使用USB總線電源，無需外部供電。

3 軟件設計

CAN總線是一種有效支持分布式控制或實時控制的串行通信網絡，根據節點信息優先級的不同，其數據傳輸最多可在134μs內完成。本采集系統中，CAN總線將現場檢測的溫濕度信號傳送到上位機，同時上位機通過CAN總線實現對下位機數據采集和傳送的控制信號傳遞。

3.1 現場主機程序設計

程序流程框圖參見圖4所示。現場主機程序功能主要是從傳感器檢測到現場參數送顯示并通過CAN總線上傳至上位機。程序首先要初始化，主要包括：液晶初始化、晶振初始化、A/D初始化、CAN初始化等，進入主程序后完成參數檢測功能，根據需要調用各功能子程序，如果有中斷，完成相應的中斷服務程序，從而實現數據的采集、顯示、傳輸及控制。

CAN初始化程序主要實現CAN工作時的參數設置，主要包括工作方式的設置、控制寄存器和位定時寄存器的設置、接收濾波方式的設置、中斷允許寄存器的設置、波特率的設置等。

3.2 CAN通信程序設計

通過CAN控制器實現報文的接收和發送，接收子程序負責節點的報文接收，發送子程序負責節點的報文發送任務，對報文發送和接收既可以采用查詢方式也可以采用中斷方式，本系統采用中斷方式。如圖5所示為報文接收程序流程圖，圖6為報文發送程序流程圖[5-6]。

圖4 程序流程圖Fig.4 Program flow

在報文發送和接收程序中由于采用中斷方式，所以在主程序中初始化中必須使能發送和接收中斷，再中斷服務程序中，判斷是否有發送和接收中斷標志，如果有，則相應進入到發送或接收程序，完成報文的發送或接收。

4 結束語

該溫濕度測量系統完成了以C8051F040單片機為核心的CAN智能節點的設計，并通過CAN總線實現了與上位機的通信，并把其應用于存儲玉米糧庫中進行溫濕度測量監控，實踐應用中證明其能較準確反映糧庫的溫濕度，精度較高。同時該系統具有較高的抗干擾能力，穩定性高，參數采集實時化、智能化程度高，同時由于采用總線結構，系統布線的工作量大大減少，尤其在數量較多的檢測點中優勢更加明顯。該系統在糧庫溫濕度測量中，還應注意測量點的均勻性，從而保證測量參數能正確反映糧庫內的實際參數，為控制糧庫內的參數及保證糧食的品質打下一個良好的基礎。

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[6]宮筱霞.基于CAN總線智能多參數監控系統 [D].南京：江蘇大學，2010.

[7]劉海波.基于TMS320LF2407A的數據采集系統[J].儀表技術與傳感器，2014（1）:100-102.LIUHai-bo.CANBus IntelligentMulti-ParameterMeasurement and Control Based in TMS320LFLF2407A [J].Instrument Technique and Sensor，2014（1）:100-102.