基于CAN总线的智能型温湿度采集系统设计 环境科学, 控制系统, 农业, 冶金

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引言

温湿度监测系统是在环境试验、科学研究(诸如种植、养殖、生物工程、化工工程)、工业生产等领域应用广泛的现场环境控制系统。它能模拟各种环境条件，即按照实际要求精确控制环境的温度和湿度，为研究不同的生化过程创造了良好的环境条件。因此，温湿度监测系统广泛应用在科研、现代农业、医药、冶金、化工、林业、环境科学及生物遗传工程等领域。

为了满足化学工业过程对环境条件的需求，我们在传感器智能控制方案和具体应用中做了大量的研究和可行性分析，开发了一种具有智能化功能的温湿度监测系统。该系统由数据采集模块和接口模块组成。其中数据采集模块采用了以单片机AT89S52为核心外接传感器的结构框架，保证了系统对现场温湿度信号采集的实时性和准确性。而接口模块则采用了处于当前通信领域前沿的USB-CAN转换接口模块，为整个系统的实时性提供了坚实的通信保障，而且笔者认为这种通信方式已经成为了工业化通信的发展方向。

1 温湿度采集模块的硬件电路设计

温湿度采集模块的硬件电路由CAN总线的SJA1000控制器、TJA1050收发器、温度传感器ADS90、湿度传感器HM1500和单片机 TA89S52芯片组成，其电路框图如图1所示。



1．1 温度检测电路

温度检测电路的核心采用美国AD公司生产的二端式集成温度-电流传感器AD590，该器件体积小、重量轻、性能稳定，且非线性误差小和校准方便、互换性好、功耗极低、适合于动态温度测试和远距离测温。温度信号采集电路设计如图2所示。



在传感器输出信号处理方面，由于被测量含有一定的干扰信号，所以采用放大器芯片LM324和稳压管D对被测信号进行二次处理。AD590的电源电压范围为 4～30 V，可以承受44 V正向电压和20 V反向电压，因而即使反接也不会损坏器件。稳压管D1连接可调电阻用于保证A点(即放大器反相端)的输入电压；稳压管D2限制了电源所提供的电压电流，通过连接可调电阻，保证了B点(即放大器同相端)的输入电压，而且适当地改变R8和R9的电阻值，可以改变输出电压的线性放大倍数。

1．2 湿度检测电路

湿度检测电路采用集成温度传感器HM1 500，其输出电压在1～4 V间随温度线性变化。由于该设计采用的是单电源结构，湿度信号采集电路设计如图3所示。



线性电压输出式集成湿度传感器HM1500采用湿敏电阻HS1101设计制造，其湿度测量范围为5％～99％(相对湿度)；相对湿度精度为3％；工作温度为-30～+60℃；工作湿度范围为O％～100％(相对湿度)；供电电压为5 V(最大电压为DC 16 V)；可输出DC电压为1～4 V；响应时间为5 s，适用于动态温度测量。

由于该电路中没有负压，电路的主体采用差分式减法电路。通过设置R3，R4，R6，R7这四个精密电阻可调节增益，其输出电压的计算公式为：



图3中R1可以用来消除由于传感器差异而带来的误差。

2 CAN总线接口电路

本系统选取PHILIPS公司CAN总线控制器SJA1000以及收发器TJA1050，考虑到SJA1000是一种独立的CAN总线控制器，同时支持 CAN 2．OA和CAN 2．0B协议，通信速率可达1 Mb／s，能够完成通信协议的所有要求。JA1050是CAN总线控制器与物理总线之间的接口，是一种标准的高速CAN收发器，其可以为总线提供差动发送性能，为CAN控制器提供差动接收性能。SJA1000主要负责数据链路层的工作，把发送缓冲器的信息经过处理后送到TJA1050，数据经过处理后放到接收缓冲器等待微处理器的读取，CAN总线接口电路框图如图4所示。