基于CAN總線的無線溫濕度測量儀

盧焱+張鳳登

摘 要：設(shè)計一種基于CAN總線的遠(yuǎn)程溫濕度綜合探測器，具有高穩(wěn)定性、高精度、抗干擾能力強(qiáng)的特點。同時添加了ESP8266無線模塊，將采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)桨沧靠蛻舳嘶蚱渌K端，使設(shè)計更加靈敏高效、快捷方便，便于用戶使用。采用數(shù)字型智能溫濕度傳感器，以單片機(jī)STC5A60S2為主控制器，溫濕度傳感器由數(shù)據(jù)總線將數(shù)據(jù)傳送給單片機(jī)，OLED12864實時顯示室內(nèi)的溫濕度值，單片機(jī)通過CAN控制器和CAN收發(fā)器連接至CAN總線，實現(xiàn)與總線其它節(jié)點的通信。最后對系統(tǒng)精度進(jìn)行實驗驗證，其溫度測量精度達(dá)到±0.2℃，濕度精度±4%RH，結(jié)果表明該系統(tǒng)精度高、性能穩(wěn)定，能快速高效地將當(dāng)前環(huán)境的溫濕度值反饋給用戶。

關(guān)鍵詞： CAN總線；溫濕度；無線；STC51

DOIDOI：10.11907/rjdk.172489

中圖分類號：TP319

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-7800（2018）002-0086-03

0 引言

溫濕度的測量在多個方面都有應(yīng)用。在日常生活中，空氣中的溫濕度決定了空氣質(zhì)量，與人類生活質(zhì)量及健康問題息息相關(guān)；在農(nóng)業(yè)方面，大棚內(nèi)適宜的溫濕度可以促進(jìn)植物健康成長；在工業(yè)領(lǐng)域，溫濕度的應(yīng)用與其重要性更為突出：工廠車間里的高精度儀器設(shè)備都對其工作環(huán)境有嚴(yán)格要求，溫濕度需要控制在一定范圍，即實時監(jiān)測溫濕度值，并且根據(jù)實時測得的數(shù)據(jù)對一些設(shè)備進(jìn)行控制，以確保當(dāng)前環(huán)境的溫濕度值達(dá)到要求[1-3]。傳統(tǒng)的遠(yuǎn)程溫濕度檢測系統(tǒng)通常存在傳輸抗干擾能力差、無法簡便接入多個傳導(dǎo)點等問題，使系統(tǒng)的互換性和適應(yīng)性、測量精度與穩(wěn)定性受到影響。本課題內(nèi)容致力于實現(xiàn)基于CAN總線的高適應(yīng)性、抗干擾能力強(qiáng)的遠(yuǎn)程溫濕度測量系統(tǒng)[4-6]。同時具有較高的綜合性，包含了數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、圖像顯示、數(shù)據(jù)傳輸?shù)纫幌盗邢嚓P(guān)聯(lián)的子問題，因此需要有一個整體的思路進(jìn)行串聯(lián)和設(shè)計。

1 研究現(xiàn)狀及設(shè)計原理

1.1 溫濕度測量發(fā)展現(xiàn)狀

溫度數(shù)值測量有兩種方式，分別是接觸式和非接觸式測溫。傳統(tǒng)上有多種測量濕度的方法：動態(tài)法、靜態(tài)法、露點法等。露點法是用于測量當(dāng)前空氣中的相對濕度到達(dá)飽和，也就是空氣中的氣態(tài)水轉(zhuǎn)變?yōu)橐夯畷r的濕度值，不僅準(zhǔn)確度與精確度均相對較高，而且測量范疇相對較寬。另外，目前濕度測量的發(fā)展趨向，也正從單一的濕敏元件朝著智能化、多參數(shù)檢測、集成化、數(shù)字化的方向發(fā)展。

綜上，溫度和濕度兩個物理量本來就相互影響，傳統(tǒng)上將其分開獨立測量無疑又增大了測量的誤差。因此，現(xiàn)在普遍用得最多的溫濕度測量方法是通過整合在一起的電子式數(shù)字式傳感器。與傳統(tǒng)測量方法與器件相比，電子式測量使用方便、成本低廉、精度高，而且內(nèi)部整合模數(shù)字信號轉(zhuǎn)換，方便與其它微處理器及電子器件連接，無疑契合了當(dāng)前數(shù)字化的發(fā)展趨勢。最終筆者選擇DHT22溫濕度傳感器。

1.2 CAN總線發(fā)展現(xiàn)狀

CAN總線具有成本低廉、數(shù)據(jù)傳輸距離遠(yuǎn)、數(shù)據(jù)傳輸率高（最高1Mbps）、優(yōu)先權(quán)仲裁無破壞、錯誤檢測中斷重發(fā)可靠、環(huán)境適應(yīng)能力較強(qiáng)和抗擾能力強(qiáng)的特點，本課題采用CAN總線作為數(shù)據(jù)通信方式。CAN總線系統(tǒng)的硬件框架由多個節(jié)點構(gòu)成，通常兩端需要分別加上120Ω的終端電阻，使用高頻信號傳輸時，信號到達(dá)傳輸線末端后不產(chǎn)生反射，干擾信號[7] 。CAN總線通信通過幀傳輸報文實現(xiàn)。根據(jù)其格式可分為基于CAN2.0A的11位標(biāo)準(zhǔn)幀格式以及基于CAN2.0B的含有擴(kuò)展標(biāo)志位的29位擴(kuò)展幀格式。報文主要有4種固定的幀類型：數(shù)據(jù)幀、遠(yuǎn)程幀、錯誤幀、過載幀[8] 。

1.3 無線模塊工作原理

此次使用的無線模塊是ESP8266模塊，封裝尺寸小、能耗低，專門為移動設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用設(shè)計而成，可將物理設(shè)備連接到無線網(wǎng)絡(luò)上，以進(jìn)行互聯(lián)網(wǎng)或局域網(wǎng)通信，從而實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)功能。

ESP8266模塊支持3種工作模式：

（1）STA 模式。ESP8266模塊通過借助路由器可以連接到互聯(lián)網(wǎng)、手機(jī)或電腦，從而可以通過連接互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制設(shè)備。

（2）AP模式。ESP8266模塊作為熱點，實現(xiàn)模塊與手機(jī)或電腦的直接通訊，從而實現(xiàn)局域網(wǎng)無線控制。

（3）STA+AP模式。兩種模式共同存在的形式，即可以通過互聯(lián)網(wǎng)，從而實現(xiàn)兩種模式的相互交換，對于使用而言，這種模式相對來說操作更加方便，應(yīng)用較為廣泛。

2 測量系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 總體結(jié)構(gòu)

溫濕度測量系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)見圖1。

2.2 單片機(jī)最小系統(tǒng)

單片機(jī)最小系統(tǒng)包括：單片機(jī)、復(fù)位電路、晶振電路。晶振電路：其作用是為了給整個系統(tǒng)提供一個穩(wěn)定的振蕩源。復(fù)位電路：主板復(fù)位電路的作用是把主板上所有存儲器以及連接在上主板的CPU、顯卡、內(nèi)存、硬盤等部件中的存儲器在進(jìn)行清零，即初始化，使所有存儲器在同一節(jié)拍下有序地工作。復(fù)位的方式有兩種：一是自動復(fù)位（開機(jī)時），由PG信號電路進(jìn)行復(fù)位；二是手動復(fù)位（死機(jī)時可以選擇），按下機(jī)箱面板上的RESET重啟按鈕，開始復(fù)位。

2.3 DHT22傳感器

根據(jù)DHT22的工作電壓范圍情況（3.3～5.5V），所以通常給傳感器外界加上的直流電源是5V。器件使用單總線數(shù)據(jù)格式進(jìn)行通訊：一次通信時間4～5ms左右，數(shù)據(jù)分為兩個部分：小數(shù)和整數(shù)。一次完整的數(shù)據(jù)傳輸為40bit，由高位先出。

2.4 無線傳輸及顯示模塊

根據(jù)ESP8266無線模塊的工作電壓情況，通常會給ESP8266的外界加上3.3V直流電源。UTXD引腳需要連接至單片機(jī)P3.0，URXD引腳需要連接至單片機(jī)P3.1，數(shù)據(jù)收發(fā)功能得以實現(xiàn)。

OLED12864液晶顯示屏的尺寸為0.96寸，具有高分辨率，為128*64，直接接3.3V就可以工作了[9]。其模塊接口為SPI/IIC，因此引腳4接至P1.5，MOSI作用為SPI同步串行接口的主出從入，以此來實現(xiàn)數(shù)據(jù)收發(fā)；引腳3（SPI時鐘信號）接至P3.4CLOCKOUT0（計數(shù)器0的時鐘輸出）。endprint

2.5 CAN模塊通信

CAN控制器用于實現(xiàn)CAN協(xié)議，對外需要供應(yīng)MCU物理線路的接口，再由CAN收發(fā)器完成CAN控制器與物理總線之間的連接。當(dāng)SJA1000作為CAN控制器與CAN總線相連時，其須使用引腳為：P0、RD、WR、ALE、INT1、P23、AD0。PCA82C250 CAN收發(fā)器工作模式多樣，共有3種，通過Rs控制引腳，可以對其模式進(jìn)行轉(zhuǎn)換控制。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

整個系統(tǒng)軟件部分主要由溫濕度測量、CAN通信以及無線模塊構(gòu)成。而溫濕度測量部分又可分為初始化和主系統(tǒng)執(zhí)行兩部分：當(dāng)上電啟動或者復(fù)位后開始進(jìn)入系統(tǒng)初始化。以此對芯片內(nèi)部相關(guān)系統(tǒng)、CAN通信模塊、LED指示燈、OLED顯示屏、蜂鳴器以及DHT22傳感器進(jìn)行初始化。傳感器初始化后判斷傳感器是否工作正常，若否，則重新進(jìn)行初始化；若是，繼續(xù)操作進(jìn)入系統(tǒng)執(zhí)行部分。

3.1 溫濕度測量系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1.1 溫濕度模塊測量流程

溫濕度模塊測量流程見圖2。

3.1.2 溫濕度值計算

濕度：濕度的分辨率是16位，高位在前。校驗成功后，將濕度高八位與濕度低八位轉(zhuǎn)化為十六進(jìn)制，然后通過計算得出的濕度值是實際濕度值的10倍。

溫度：溫度分辨率是16位，高位在前。校驗成功后，將溫度高八位與溫度低八位轉(zhuǎn)化為十六進(jìn)制，然后通過計算得出的溫度值是實際溫度值的10倍。其中，溫度的正負(fù)由最高位表示：當(dāng)溫度最高位的數(shù)值等于1時，代表負(fù)溫度；當(dāng)溫度最高位的數(shù)值等于0時，表示正溫度。

3.2 無線模塊軟件設(shè)計

3.2.1 ESP8266工作原理

ESP8266是高性能無線SOC（System on Chip，即一個有專用目標(biāo)的集成電路芯片），主頻可以支持兩種頻率，分別為80MHz和160 MHz，支持 RTOS，擁有集成Wi-Fi MAC/BB/RF/PA/LNA、板載天線。支持標(biāo)準(zhǔn)的IEEE802.11 b/g/n協(xié)議、完整的TCP/IP協(xié)議棧[10]。當(dāng)串口開始通訊時，ESP8266的固件便開始自動編程，TCP/IP協(xié)議模型對數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)無線收發(fā)。

本次設(shè)計中，將ESP8266無線模塊置于AT模式：使模塊可以作為熱點使用，熱點密碼設(shè)置為：0123456789。

3.3 CAN通信實現(xiàn)

3.3.1 CAN通信

（1）CAN初始化。在應(yīng)用CAN總線進(jìn)行通信前，需要對CAN總線進(jìn)行一系列參數(shù)配置。調(diào)用CAN_Mode_Init（u8 tsjw，u8 tbs2，u8 tbs1，u16 brp，u8 mode）函數(shù)配置波特率以及CAN的工作模式。按照先后順序可分為：GPIO口配置、CAN初始化配置、過濾器配置。本設(shè)計采取標(biāo)準(zhǔn)格式進(jìn)行配置。

（2）節(jié)點發(fā)送。狀態(tài)寄存器判斷狀態(tài)是否可以接收，接下來配置發(fā)送緩沖器。在判斷數(shù)據(jù)緩沖區(qū)是否被鎖時：若SR2為放映邏輯0，則鎖；若SR2為放映邏輯1，則開。

（3）節(jié)點接收。報文接收開始觸發(fā)，前提是接收中斷使能（RIE）必須為邏輯1。

3.3.2 CAN控制器SJA1000

（1）初始化。①復(fù)位模式—開始配置；②開始配置時鐘分頻寄存器，決定工作模式（決定Peli模式還是Basic模式）；③開始配置總線定時寄存器，確定波特率；④開始配置中斷使能寄存器，決定使用哪幾個中斷；⑤配置輸出控制寄存器；⑥配置驗收碼、屏蔽碼，決定接受哪一類節(jié)點的數(shù)據(jù)；⑦退出復(fù)位模式，進(jìn)入正常工作模式。

（2）發(fā)送。①查詢當(dāng)前狀態(tài)（是否接收、發(fā)送數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)緩沖區(qū)是否被鎖）；②配置發(fā)送緩沖區(qū)；③配置命令寄存器，啟動發(fā)送。

（3）接收（擴(kuò)展幀與標(biāo)準(zhǔn)幀由于ID長度不同，驗收也有區(qū)別）。①采用中斷接收（關(guān)CPU中斷）；②判斷是不是接收中斷；③判斷是數(shù)據(jù)幀還是遠(yuǎn)程幀；④取得數(shù)據(jù)；⑤開啟中斷。

幀數(shù)據(jù)傳輸時，CAN控制器（SJA1000）需要驗收濾波，若與本節(jié)吻合，則數(shù)據(jù)可存入相應(yīng)的寄存器里，否則拋棄該數(shù)據(jù)。

4 結(jié)語

4.1 數(shù)據(jù)結(jié)論

某日各個時間所測得的實驗結(jié)果如表1所示。

4.2 結(jié)論

本設(shè)計最核心之處是在CAN總線上，因為CAN總線這種通訊協(xié)議方式有極強(qiáng)的拓展性和穩(wěn)定性。只需要設(shè)置好用戶層參數(shù)以后便可以接入CAN網(wǎng)絡(luò)，而不需要對主機(jī)或者整個系統(tǒng)造成任何改變，這就使得本設(shè)計可以方便地接入任何CAN總線網(wǎng)絡(luò)，正是這種便捷通用的優(yōu)越性以及CAN總線工業(yè)級的穩(wěn)定抗干擾性，使得本設(shè)計有了設(shè)計生成的價值及意義。

當(dāng)然，由于水平有限，對CAN總線以及51芯片的應(yīng)用理解還在初級階段，本設(shè)計還有許多可以優(yōu)化升級的地方。比如可以考慮多CAN節(jié)點的通訊網(wǎng)絡(luò)，同時建立一個合適的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，編寫上位機(jī)程序，將CAN信號轉(zhuǎn)換成232信號，實現(xiàn)與上位機(jī)的連接，方便用戶對整個系統(tǒng)的操作等。一系列的優(yōu)化以及應(yīng)用會隨著對CAN總線的學(xué)習(xí)及應(yīng)用得到進(jìn)一步改善和提高。

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