基于單片機的遠程溫度智能監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

劉楊 張新菊 劉艷杰

(成都理工大學(xué)，四川成都610059)

1.系統(tǒng)總體設(shè)計

總體結(jié)構(gòu)：本系統(tǒng)由一個上位機節(jié)點和若干個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點構(gòu)成。上位機及各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點間通過CAN總線進行通信，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點與上位機之間消息的傳遞是相互的[1]。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點包括控制節(jié)點和現(xiàn)場設(shè)備，控制設(shè)備包括微控制器、CAN控制器、CAN收發(fā)器、LED顯示、鍵盤輸入模塊及電源等；而現(xiàn)場設(shè)備則包括一定數(shù)量的傳感器設(shè)備、環(huán)境調(diào)節(jié)設(shè)備和報警設(shè)備。

2.系統(tǒng)工作過程

上位機通過與網(wǎng)絡(luò)節(jié)點通信，進而將所有與其相連的現(xiàn)場傳感器設(shè)備的數(shù)據(jù)進行監(jiān)視，并且當現(xiàn)場數(shù)據(jù)不符合要求時，通過網(wǎng)絡(luò)節(jié)點對現(xiàn)場的環(huán)境調(diào)節(jié)設(shè)備進行控制，從而調(diào)節(jié)現(xiàn)場環(huán)境[2]。上位機將環(huán)境要求方案修改并下載至相應(yīng)節(jié)點，并可隨時收集各節(jié)點的數(shù)據(jù)，進行存儲或顯示等。

各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點分布在車間的不同位置，每個節(jié)點與一定數(shù)量的傳感器回路和控制回路相連。當傳感器監(jiān)測到環(huán)境的溫度發(fā)生變化時，傳感器隨即向與之相連的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點發(fā)送信號；網(wǎng)絡(luò)節(jié)點接收到傳感器的信號后搜索從上位機下載的該節(jié)點的環(huán)境設(shè)定方案，如果現(xiàn)場的環(huán)境數(shù)據(jù)超出設(shè)定方案的上下限值，系統(tǒng)報警；同時，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點還負責(zé)對CAN網(wǎng)絡(luò)上的報文要求進行響應(yīng)，這包括對上位機的現(xiàn)場數(shù)據(jù)讀取的要求作出響應(yīng)，還包括對上位機發(fā)來的包含設(shè)定方案的數(shù)據(jù)報文的接收；此外，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點還負責(zé)將與該節(jié)點相連的傳感器的數(shù)據(jù)進行LED顯示，以及響應(yīng)鍵盤的輸入等，從而實現(xiàn)監(jiān)控的智能化。

3.系統(tǒng)電路設(shè)計

3.1 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點基本結(jié)構(gòu)

網(wǎng)絡(luò)節(jié)點由控制節(jié)點和現(xiàn)場設(shè)備組成，控制節(jié)點包括單片機微控制器、CAN控制器、CAN收發(fā)器、鍵盤人機接口模塊、LED顯示、電源等部分[3]；現(xiàn)場設(shè)備包括溫度傳感器信號調(diào)理電路、環(huán)境調(diào)節(jié)設(shè)備和報警設(shè)備，其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點結(jié)構(gòu)框圖

3.2 網(wǎng)絡(luò)硬件設(shè)計

PCA82C250收發(fā)器與SJA1000接口的典型應(yīng)用如圖2所示，協(xié)議控制器SJA1000的串行數(shù)據(jù)輸出線TX和串行數(shù)據(jù)輸入線RX分別通過光電隔離電路連接到收發(fā)器PCA82C250，收發(fā)器PCA82C250通過有差動發(fā)送和接收功能的兩個總線終端CANH和CANL，連接到總線電纜。輸入RS用于模式控制。

圖2 PCA82C250與SJA1000的接口電路圖[4]

3.3 傳感器電路

對于溫度傳感器，由于所測出的Pt電阻溫度傳感器兩端的電壓信號較弱，所以此電壓在進行A／D轉(zhuǎn)換之前必須經(jīng)過放大電路(如圖3所示)的放大值)～1μV(最大值)；輸入失調(diào)漂移電壓為0.003μV/℃，失調(diào)電壓長期漂移為0.003μV。經(jīng)過計算，TLC2652的性能參數(shù)可以滿足本系統(tǒng)測量精度的要求，所以本系統(tǒng)的放大電路中的運放采用了TLC2652。

圖3 信號100溫度傳感器的調(diào)理電路

3.4 LED驅(qū)動電路

由于每個控制節(jié)點外接2路的溫度采集電路，所以每個控制節(jié)點同時也負責(zé)這2路信號的當前值的顯示。系統(tǒng)使用專用的LED驅(qū)動芯片MAX7219作顯示驅(qū)動。

MAX7219是美國MAXIM(美信)公司推出的多位LED顯示驅(qū)動器，采用3線串行接口傳送數(shù)據(jù)，可直接與單片機連接，用戶能方便修改其內(nèi)部參數(shù)以實現(xiàn)多位LED顯示。顯示的數(shù)據(jù)通過單片機的數(shù)據(jù)處理后，送給MAX7219顯示。通信方式采用串行數(shù)據(jù)方式，只需LOAD，DIN，CLK三個管腳便可實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳送，可與任何一種單片機方便連接。

MAX7219的幾個主要的引腳信號如下：

(1)LOAD裝載數(shù)據(jù)控制端，在LOAD的上升沿，最后送入的16位串行數(shù)據(jù)被鎖存到數(shù)據(jù)或控制寄存器中。

(2)DOUT串行數(shù)據(jù)輸出端，進入DIN的數(shù)據(jù)在16.5個時鐘后送到DOUT端，以便在級聯(lián)時傳送到下一片MAX7219。

(3)Lset，LED段峰值電流提供端。它通過一只電阻與電源相連，以便給LED段提供峰值電流。

(4)CLK，串行時鐘輸入端，最高輸入頻率為100MHz，在CLK的上升沿，數(shù)據(jù)被移入內(nèi)部移位寄存器。在CLK的下降沿，數(shù)據(jù)被移至DOUT端。

3.5 鍵盤輸入電路

采用專用的鍵盤驅(qū)動芯片，使用單片機P87LPC769的12C接口，分別對2個溫度傳感器的上下限設(shè)置操作作出響應(yīng)。ZLG7290是一種12C總線接口方式的鍵盤及LED驅(qū)動芯片，外接8M的高速晶振提供內(nèi)部時序，能驅(qū)動8位共陰數(shù)碼管或64只獨立LED和64個按鍵，提供掃描位數(shù)、任一數(shù)碼管閃爍以及數(shù)據(jù)譯碼和循環(huán)、移位、段尋址等控制，可擴展驅(qū)動電流和驅(qū)動電壓[5]。ZLG7290芯片與主器件之間的數(shù)據(jù)傳輸是通過SCL和SDA兩個腳，按12C總線接口方式進行數(shù)據(jù)的讀取和寫入，SCL腳的最大時鐘頻率為32KHz，且通過ZLG7290的／INT引腳，給主器件提供鍵盤中斷信號。ZLG7290能在3.3伏供電的情況下正常工作。單片機提供三條I／O線(一條中斷信號線，另兩條為12C總線的SDA與SCL)即可與ZLG7290相連，如圖4所示。

圖4 ZLG7290與P87LPC769的接口電路

4.結(jié)論

智能溫度監(jiān)控系統(tǒng)的實現(xiàn)主要有以下特點：

(1)利用CAN總線實現(xiàn)的通信過程準確、高效。

(2)利用增強型單片機P87LPC769實現(xiàn)的控制節(jié)點由于其豐富的外設(shè)接口，能夠保證較高的運算速度。

(3)由于CAN總線具有高性能、高可靠性、實時性等優(yōu)點，故利用該總線的拓撲結(jié)構(gòu)完成的通信網(wǎng)絡(luò)特別適合于測控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信。

(4)使用SJA1000的獨立的CAN控制器可以支持CAN2.0B的協(xié)議規(guī)范，使其可以應(yīng)用于更多的領(lǐng)域。

[1] 鄔寬明.CAN總線原理和應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計[M].北京航空航天大學(xué)出版社，1996.

[2] 陳建仁，崔杰軍.利用單片機控制的溫度測試系統(tǒng)[J].鄭州糧食學(xué)院學(xué)報，2001，21(2)：23-26.

[3] 歐德翔，汪至中.Design of the Intelligent Node for DCS Based on CANBus(基于CAN總線分布式控制系統(tǒng)智能節(jié)點的設(shè)計)[J].自動化儀表，2002，5：15-18.

[4] 羅雪梅.Designing and Realizing of CAN Bus Juncture Circuit Based on SJA1000(基于SJA1000的CAN總線接口電路的設(shè)計與實現(xiàn))[J].貴州工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2003，4：30-33.

[5] 吳忠燕.MSP43OF149單片機鍵盤電路設(shè)計[J].電子產(chǎn)品世界，2005，1：15-16.