基于CAN总线的库房温湿度毕业设计.doc

毕 业 论 文题 目： 基于CAN总线的库房温湿度 控制系统的设计 系： 电气与信息工程系 专业： 自动化 班级： 0402 学号： 200401170203 学生姓名： 李传军 导师姓名： 周向红 完成日期： 2008年6月 诚 信 声 明本人声明：1、本人所呈交的毕业设计（论文）是在老师指导下进行的研究工作及取得的研究成果；2、据查证，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，毕业设计（论文）中不包含其他人已经公开发表过的研究成果，也不包含为获得其他教育机构的学位而使用过的材料；3、我承诺，本人提交的毕业设计（论文）中的所有内容均真实、可信。作者签名： 日期： 年 月 日毕业设计（论文）任务书 题目： 基于CAN总线的库房温湿度控制系统的设计 姓名 李传军系别 电气与信息工程系专业 自动化 班级 0402 学号 0401170203 指导老师 周向红 职称 高级实验师 教研室主任 赵葵银 一、 本任务及要求：基于CAN总线技术，以单片机作为智能节点控制器，设计一个库房多点温湿控制系统。温度和湿度可以在一定范围内由人工设定，并能在环境温度湿度变化时实现自动调整，以保持设定温度湿度基本不变。设计的主要内容是完成温度湿度自动控制系统的软、硬件设计及调试。设计包括：1、总体方案的确定；2、单片机的选择；3、智能节点的设计； 4、各模块电路的设计；5、软件设计；6、各模块调试；7、编写设计说明书等。 二、安排及完成时间：1、 第一周至第二周：明确课题任务及要求，搜集课题所需资料，掌握资料查阅方法，了解本课题研究现状、存在问题及研究的实际意义。2、 第三周至第五周：查阅相关资料，自学相关内容，确定课题总体方案，明确课题任务，确定个人研究重点，做好文献综述、开题报告。3、 第六周至第八周：根据自己研究的方向，确定自己的总体设计方案，设计硬件总体模块图及软件模块图。4、 第九周至第十二周：完成本系统的软、硬件设计及调试。 5、 第十三周至第十七周：整理资料，撰写毕业设计论文，答辩。目 录摘要IAbstractII第一章 绪 论11.1 课题背景11.2 CAN现场总线的介绍21.2.1 CAN现场总线的通信协议31.3 房温湿度监控系统的国内外发展现状81.4 课题研究的目的和意义10第二章 总体设计112.1 课题的基本任务及要求112.2 系统方案简述112.3 温湿度的PID控制技术112.3.1数字PID算法122.3.2 PID算法的设计122.4总体设计方案132.5 上位机模块142.6 下位机节点模块15第三章 系统硬件的设计163.1 CAN总线适配卡的硬件设计163.1.1 PCI适配卡的工作原理163.1.2 PCI9052芯片的介绍173.2 测控节点硬件的设计183.2.1 ATMEL公司AT89C52单片机的介绍183.2.2 CAN通信控制器SJA1000203.2.3 SJA1000通信应用说明223.2.4 通信波特率的计算253.3 传感器的选择263.3.1 SHT11传感器介绍273.3.2 温度和湿度值的计算313.4 显示电路设计323.5 交流电磁式继电器功率接口333.6 空调设备的选型34第四章 系统软件的设计364.1 PID算法程序流程图364.2 CAN测控节点软件设计374.2.1 CAN初始化程序流程图394.2.2 CAN发送子程序流程图404.2.2 CAN接收子程序流程图41第五章 系统抗干扰设计42结束语44参考文献44致谢46附录47基于CAN总线的库房温湿度控制系统的设计摘 要：本文介绍了一种新的基于CAN总线的库房温湿度测控系统，该系统通过测控节点采集数据信息并通过CAN总线传送到PC机控制系统中，与PC中的设定参数进行比较，并以PID算法计算相应的控制信息，PC机将控制信息通过CAN总线传送到每个测控节点，通过单片机来控制空气调节机，来控制库房的温度和湿度. 在本控制系统中，通过结合CAN总线技术、单片机技术和传感器技术和具有高效的数据处理能力和通信能力的PC机，从而大大地增强了中央系统监控的能力，提高了生产效率。关键词：CAN总线 库房温湿度控制 控制系统 PIDDesign for control system of Temperature and Humindity of depot based on CAN busAbstract：This article introduces a new CAN bus on the Treasury temperature and humidity monitoring and control system, which collected through the monitoring and control nodes of information and sends it to the PC-control system, and PC in the set parameters, and calculated the corresponding PID algorithm The control information, PC machines will be controlled by a CAN bus sent to each measurement and control nodes, through the MCU to control air-conditioning machines, to control temperature and humidity of the Treasury.     In this control system, through a combination of CAN bus technology, SCM technology and sensors and a highly efficient data processing capabilities and communication capabilities of the PC, thus greatly enhancing the ability of the central monitoring system, improving the efficiency of production.Keywords: CAN BUS STOREROOM PID CONTRON SYSTEM第1章 绪 论1.1 课题背景现代库房温湿度控制的发展已经有100多年的历史了。从控制的角度看，库房空调从一开始就是对库房温湿度等参数的控制，使之达到设计要求。以前，人们只能采用手动控制，随着电子技术的发展，人们开始在空调设备上采用自动控制。自1946年第一台电子计算机诞生以来，科学技术发生了一场深刻的革命，计算机不仅有惊人的运算速度和很高的计算精度，还具有记忆、判断等功能。随着计算机技术的不断发展和完善，可靠性不断提高，价格不断降低，从而在数据处理和工业控制方面得到了越来越广泛的应用，计算机技术用于空调系统控制已经取得了喜人的成绩。传统的控制方法是采用DDC(直接数字控制器)方式，将各个温度、湿度检测点和控制点连接到一台或多台DDC上，实行多点实时监控。由于现代大型库房要求远程控制多个空调风机位于不同库房，采用DDC方式进行控制具有引线过长、施工不便、系统通信的实时性和可靠性不高等缺点。在各种通信方式中，面向工业控制的现场总线技术是目前解决工业控制现场数据通信问题的最佳方案。现场总线技术是在二十世纪80年代后期发展起来的一种先进的现场工业控制技术。它集数字通信、智能仪表、微机技术、网络技术于一身，从根本上突破了传统的“点对点”式的模拟信号控制的局限性，为真正的“分散式控制，集中式管理”提供了可靠的技术保证。现场总线是一种基于智能化仪表和执行机构的，全数字化的实时通信传输系统，应用于与工业现场或其他生产作业现场的现场数字设备与控制系统的通信。它也被称为开放式、数字化、多点通信的底层控制网络。它在制造业、流程工业、交通、楼宇等方面的自动化系统中具有广泛的应用前景。现场总线技术将专用微处理器置入传统的测量控制仪表，使它们各自都具有了数字计算和数字通信能力，采用可进行简单连接的双绞线等作为总线，把多个测量控制仪表连接成的网络系统，并按公开、规范的通信协议，在位于现场的多个微机化测量控制设备之间以及现场仪表与远程监控计算机之间，实现数据传输与信息交换，形成各种适应实际需要的自动控制系统。这是继基地式气动仪表控制系统、电动单元组合式模拟仪表控制系统、集中式数字控制系统、集散控制系统之后的新一代控制系统。到目前为止，世界上约有40多种现场总线。20世纪80年代初，德国Bosch公司推出控制网络CANBUS协议。1984年，美国Intel公司提出Bitbus标准。1985年，美国Rosemount公司推出HART，协议，在4-20mA模拟信号的基础上叠加数字信号。随后德国的Siemens, AEG, ABB等公司推出了Profibus标准。1990年，美国Echelon公司推出并由Motorola公司和东芝公司共同倡导的LonWork:总线技术 ， 1992年，美国的Fisher, Foxboro公司、德国的Siemens, H&B公司、日本的横河、NEC等公司成立了ISP集团，以德国Profibus标准为基础提出了ISP协议，先后有90多家公司加盟。1993年，美国的Honeywell, Square, AllenBradly, EIsagBailey, HP、日本的山武、日立、富士电机等公司成立了WorldFIP组织，共有150多家成员，以法国的FIP标准为基础提出了WorldFIP总线标准。在众多的现场总线当中，CAN(Controller Area Network)控制器局域网是一种具有很高可靠性、支持分布式、实时控制的现场总线网络，80年代初由德国Bosch公司开发.CAN总线最早用于汽车内部测量与执行部件之间的数据通信，是一种对等式的现场总线网络，其总线规范已被ISO认定为国际标准产品，非常适用于工业过程测控设备的互连。 CAN包括一系列规范:通信、设备、接口、应用行规等。它不仅用于工业生产线、机器人等工业控制，而且还用于医疗器械、铁路、航海、航空、建筑自动化等领域。由于其性能优异，价格低廉，因此很快被推广到工业测控现场，被Honeywell等自动化厂家广泛选用。特别是在离散制造加工领域，CANBUS具有较强的竞争力。CAN总线技术经过十多年的发展，逐步趋于完善。截至1999年春，全世界总共安装了1.5亿个CAN节点设备。1.2 CAN现场总线的介绍CAN(Controller Area Network)即控制器局域网络。CAN总线最初是由德国BOSCH公司为汽车监测、控制系统设计的，由于这些控制需监测及交换大量数据，采用硬接信号线的方式不但繁琐昂贵而且难以解决问题，采用CAN总线上述问题便得到很好的解决。由于CAN总线本身的特点，其应用范围目前已不再局限于汽车行业，而向过程工程业、机械工业、智能楼宇等领域发展。CAN属于总线是串行通信网络，由于采用了许多新技术及独特的设计，与一般的通信总线相比，CAN总线的数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性，其特点可概括如下：(1) CAN为多主方式工作，网络上任一节点均可在任意时刻主动地向网络上其它节点发送信息，而不分主从，通信方式灵活且无需站点地址等节点信息。利用这一特点可方便地构成多级备份系统。(2) CAN网络上的节点信息分成不同的优先级，可满足不同的实施要求，高优先级的数据最多可在134微秒内得到传输。(3) CAN采用非破坏性总线仲裁技术，如多个节点同时向总线发送信息时，优先级较低的节点会主动地退出发送，而最高优先级的节点不受影响地继续传输数据，从而大大节省了总线冲突仲裁时间，尤其是在网络负载很重的情况下也不会出现网络瘫痪情况。(4) CAN只需通过报文滤波即可实现点对点、一点对多点及全局广播等几种方式传输数据，无需专门的“调度”。(5) CAN的直接通信距离最远可达l0公里(速率在5Kbps以下)；通信速率最高可达1Mbps(此时通信传输距离最长为40米)。(6) CAN上的节点数主要取决于总线的驱动电路，目前可达110个，报文标识符可达2032种(CAN20A)，而扩展标准(CAN20B)的报文标识符几乎不受限制。(7) 采用短帧结构、传输时间短，受干扰概率低，具有极好的检错效果。(8) CAN的每帧信息都有CRC校验及其它检错措施，保证了数据出错率极低。(9) CAN的通信介质可为双绞线、同轴电缆或光纤，可根据实际情况灵活选择。(10) CAN节点在错误严重的情况下具有自动关闭输出功能，以使总线其它节点的操作不受影响。1.2.1 CAN现场总线的通信协议控制器局域网（CAN）为串行通信协议，能有效地支持具有很高安全等级的分布实时控制。CAN的应用范围很广，从高速的网络到低价位的多路连接都可以使用CAN。在汽车电子行业里，使用CAN连接发动机控制单元、传感器、防刹车系统等等，其传输系统可达1Mbit/s。同时，可以将CAN安装在卡车本体的电子控制系统里，诸如车灯组、电气车窗等等，用以代替接线配线装置。CAN在各种领域的应用和推广，对其通讯格式的标准化提出了要求。为此，1991年9月Bosch公司制定并发布了CAN技术规范(Version 2.0)。该技术规范包括A和B两部分。2.0A给出了CAN报文标准格式，而2.0B给出了标准和扩展两种格式。本设计采用CAN2.0B协议。1.2.1.1分层结构CAN是一种有效支持分布式控制和实时控制的串行通信网络。作为现场总线的一种，它遵循ISO/OSI标准模型，但只采用了全部七层中的两层:数据链路层和物理层。数据链路层包括逻辑链路控制子层LLC和媒体访问控制子层MAC（在CAN技术规范2.0B中，LLC和MAC的服务和功能被描述为“目标层”和“传送层” ）。CAN的分层结构与功能如图2.1所示:数据链路层逻辑链路控制子程序LLC验收滤波过载通知恢复管理介质访问控制子程序MAC数据包装/解包帧编码（填充，消除填充）介质访问管理错误检测错误标定应答并行转换为串行/串行转换为并行物理层位编码/解码位定时同步驱动器/接收器特征故障界定总线故障管理监督器图2.1 CAN的ISO/OSI参考模型的层结构(1) 物理层该层定义信号是如何实际地传输的，因此涉及以位定时、位编码/解码、同步的解释。本技术规范没有定义物理层的驱动器/接收器特性，以便根据它们的应用，对发送媒体和信号电平进行优化。(2) 数据链路层（Data Link Layer）1) 逻辑链路控制子层（LLC，Logical Link Control）LLC子层提供的功能包括:帧验收滤波、超载通告和恢复管理。帧验收滤波:在LLC子层上开始的帧跃变是独立的，其自身操作与先前的帧跃变无关。帧内容由标识符命名。标识符并不能指明帧的目的地，但描述数据的含义，每个接收器通过帧验收滤波确定此帧与其是否有关。超载通告:如果接收器内部条件要求延迟下一个LLC数据帧或LLC远程帧，则通过LLC子层开始发送超载帧。最多可产生两个超载帧，以延迟一个数据帧或远程帧。恢复管理:发送期间，对于丢失仲裁或被错误干扰的帧，LLC子层具有自动重发的功能。在发送完成前，帧发送服务不被用户认可。LLC子层对LLC子层的访问对物理接口访问发送媒体访问管理发送数据封装发送数据解码接收数据解码物理层指令接收数据封装接收媒体访问管理 图2.2 介质访问控制(MAC)功能2) 介质访问控制子层（MAC，Medium Access Control）MAC子层是CAN协议的核心，它把接收到的报文提供给LLC子层，并接收来自LLC子层的报文。MAC子层负责报文分帧、仲裁、应答、错误检测和标定。MAC子层由一被称为故障界定的管理实体监控，此故障界定为自检机制，以便把永久故障和短时扰动区别开来。在实际应用中MAC子层被划分为完全独立工作的两个部分，即发送部分和接收部分，这两部分的功能如图2.2所示。发送部分功能包括:(1) 发送数据封装:接收LLC帧并接口控制信息；CRC循环计算；通过向LLC帧附加SOF、RTR、保留位、ACK、CRC和EOF构造MAC帧。(2) 发送介质访问管理:确定总线空闲后，开始发送过程(通过帧间空闲应答)；MAC帧串行化；插入填充位(位填充)；在丢失仲裁的情况下，退出仲裁并转入接收方式；错误检测(监控，格式校验)；应答校验；确认超载条件；构造超载帧并开始发送；构造出错帧并开始发送；输出串行位流至物理层准备发送。接收部分功能包括:(1) 接收介质访问管理:由物理层接收串行位流；解除串行结构并重新构筑帧结构；检测填充位(解除位填充)；错误检测(CRC，格式校验，填充规则校验)；发送应答；构造出错帧并开始发送；确认超载条件；重激活超载帧结构并开始发送。(2) 接收数据卸装：由接收帧中去除MAC特点信息；输出LLC帧和接口控制信息至LLC子层。1.2.1.2 报文传输（1） 位表达CAN协议中，使用“显性”(Dominant)和“隐性”(Recessive)两个互补的逻辑值表示“0”和“1” 。当总线上的CAN控制器发送的都是隐性位时，此时总线状态是“隐性”(逻辑1)；如果总线上有显性位出现，隐性位总是让位于显性位，即总线上是“显性”状态(逻辑0)。（2） 帧类型CAN总线控制器支持四种不同的CAN协议帧类型:数据帧(Data Frame):将数据帧从发送器传输到接收器；远程帧(Remote Frame):总线单元发出远程帧，请求发送具有同一标识的数据帧；错误帧(Error Frame):任何单元检测到总线错误就发出错误帧；过载帧(Overload Frame):用于相邻数据帧或远程帧之间提供附加的延时。(1) 数据帧 数据帧自一个发送节点携带数据至一个或多个接收节点，由七种不同的位域组成:帧的起始域(Start of Frame)；仲裁域(Arbitration Field)；控制域(Control Field)；数据域(Data Field,长度可为0)；CRC域(CRC Field)；应答域(ACK Field)；帧的结束域。(2) 远程帧CAN网络上的一个接收节点通过发送远程帧可以启动其资源节点传送它们各自的数据。用标识符寻址数据发送源节点，且置相应帧的RTR位为高。RTR位的极性表示了所发送的帧是一数据帧（RTR位为显性）还是一远程帧（RTR位为隐性）。(3) 错误帧错误帧由两个不同的域组成，第一个域为不同站提供的错误标志(Error Flag)的叠加，反映来自控制器的错误标志；第二个域为错误界定符(Error Delimiter)。(4) 超载帧超载帧由两个位域组成，超载标志和超载分界符，下述三种状态将导致超载帧标志的发送:1) 接收器的内部原因，它需要延迟下一个数据帧或远程帧。收一帧之前需要过多的时间处理当前的数据；2) 在帧间空间检测到显性位信号；3) 如果CAN节点在错误界定符或过载界定符的第8位（最后一位）采样到一个显性位，节点会发送一个过载帧（不是错误帧）。(5) 帧间空间数据帧（或远程帧）与其前面帧信息包之间是帧间空间，它由“间隙”和“总线空闲”位域组成。（3） 错误处理(1) 错误检查CAN总线控制器错误类型分为:位错误，位填充错误，CRC错误，格式错误，应答错误。(2) 错误标志检测到错误后，可发送错误标志来表示错误，一个主动错误标志可引起所有其他节点发生填充错误，位错误或格式错误。(3) 错误处理1) 长干扰与短干扰当CAN控制器接收到持续干扰时，必须通知外部MCU，正常后，又要通知MCU返回正常操作。在长干扰期间，CAN控制器进入总线关闭状态，短干扰不会影响CAN控制器的工作。2) 错误的本地处理CAN协议中定义了错误处理的原则，即最大限度的接近错误源，最大限度的反应，最大限度的快速响应。因此错误大部分被本地处理，而对整体的总线操作影响很小。3) 错误限制CAN控制器超过127个错误点后进入被动错误状态，而之前为主动错误状态；当发送错误超过255个后，CAN控制器进入总线关闭状态。（4）总线仲裁仲裁期间,每个进行发送的节点都将其发送的位电平与监控总线电平进行比较,任何发送一个隐性位而监视到一个显性位电平的节点立即变成接收器,而不破坏总线上的任何信息,等到总线空闲时,再重新发送报文。一个报文的标识符二进制数值越低,其优先级越高。标识符和RTR一起隐含定义了数据帧比远程帧具有更高的优先权。（5） 节点状态在CAN总线上,任一节点可处于下列三种状态之一:错误激活(Error Active)；错误认可(Error Passive)；总线关闭(Bus Off)。CAN协议定义了5种错误类型,并由接收错误寄存器和发送错误寄存器分别对错误进行计数13。若报文被正确发送或接收,则计数器减量,否则计数器增量。两个计数器采用非比例的计数方法。当两个寄存器的值都不到127时,节点处于错误激活状态,可以正常的接收和发送报文,当遇到错误时发送活动错误标志。当其中一个寄存器的值达到127,节点处于错误认可状态,也可以正常接收和发送,检测到错误时发送认可错误标志。当发送寄存器的值大于255时,节点处于总线关闭状态。1.3 库房温湿度监控系统的国内外发展现状随着计算机技术的不断发展和完善，它的可靠性不断提高，价格不断降低，从而在数据处理和工业控制方面得到了越来越广泛的应用，计算机技术用于库房温湿度监控系统控制已经取得了喜人的成绩。与此同时，自动控制技术也在不断发展，出现了诸如自适应控制、最优化控制、模糊控制和神经网络控制等新的控制方法和技术，这些控制方法已经或正在给库房温湿度监控系统控制技术的发展带来新的活力. 70年代以后，出现了大规模的集成电路、单片机和微型计算机，它与自动控制技术相结合，在库房温湿度监控系统控制技术实验室、空调设备生产车间、恒温恒湿空调房间及智能化大楼等空调领域得到了广泛的应用，并且大致经历了以下几个发展阶段:(I)微机巡回检测数据处理系统。(2)微机操作指导控制系统。(3)微机直接数字控制系统(DDC, Direct Digital Control).(4)微机监督控制系统(SCC,，Supervisory Computer Control).(5)微机分布式控制系统(集散控制系统)，包括三个控制级别:DDC级、SCC级和MIS级(Management Information System)在国外，计算机测控系统已经转向数字化、多功能集成化、自动调控和数据远程传输。相应的测试单元做成多功能型，不仅能检测温度，还能测试其他的一些附加成分，每个测试单元均是一个嵌入式PC，整个系统就形成一个现场总线或者以太网联结的全数字网络；测控软件具备自动收集环境信息、室外大气温湿度信息并自动判断通风降温的条件，准确把握通风时机以实现控制自动化；同时整个系统将形成局域网或广域网，实现数据远程传输，以便用户及时获得信息以进行行业监管。纵观国内外的控制技术发展，主要的技术特点如下所示：(1)数字化。所有温度、湿度测试单元均采用数字化芯片植入测温电缆，每个测量点作为一个独立的PC监控站，各有一个独立的代码，以现场总线方式构成一个数字采集通讯和控制网络；(2)多功能集成化。每个检测单元都同时包含粮食温度、湿度传感器，集成在一个数字化电子芯片上，实现综合多功能检测；(3)智能化。该系统能依据测得的温湿度、仓内空气的温湿度和仓外空气的温湿度自动进行对比分析，实现自动超温、超湿报警，自动判断通风熏蒸条件，准确及时把握通风时机、选择通风方式、决策通风时间；避免盲目通风和盲目熏蒸造成不必要的损害，浪费能源和污染环境；(4)系统标准化。系统软硬件接口将在数字化基础上实现标准化，所有供货厂家都按照国家或行业制定的统一技术标准生产硬件设备，并在统一的软件信息平台上编制测控软件，使软件系统结构形式统一具有开放性，便于公平竞争、技术进步和网络化管理；(5)网络化管理。未来的粮情测控系统在数字化、多功能集成、自动调控和统一的软硬件接口的基础上实现网络化管理。整个系统将形成局域网和广域网，实现数据远程传输分级管理，各级管理部门都能足不出而查询所属库房的状况，最高管理机关能通过下属各级管理部门的局域网及时获得各级库房的信息以进行行业监管；(6)稳定可靠性。由于系统采用了全数字通讯方式，避免了信号干扰，提高了测量精度，同时减少了从测温点到测温主机之间的分线接线环节，也就减少了故障点，提高了系统工作的稳定性和可靠性；(7)安全防护措施。系统采用多级SPD防直击雷、感应雷及电网多次高次谐波产生的浪涌电压和电磁脉冲的损害；所有设备的外露可导电外壳、测温电缆的铠装层和通讯电缆的屏蔽层相互连通成良好电气通路并接地，形成完善的保护接地系统；仓内电缆、分线器件设施采取严格的粉尘防爆、防熏蒸措施，保障系统安全运行以降低故障率，延长设备使用寿命。现在，库房温湿度监控系统中都或多或少地应用了信息技术和自动控制技术。空调设备如果能加上计算机控制，那么它的可靠性和运行经济性就很明显，它的用户也就越多。现在，几乎所有的制冷机组都安装了计算机控制装置，以便根据负荷的变化调整冷量和水量，从而保证节能和最优化运行。1.4 课题研究的目的和意义随着网络时代的到来，电脑技术、自动控制技术在中央控制系统工程中的应用日益增多，库房温湿度监控系统也越来越朝着智能化、网络化的方向发展:传统的库房温湿度监控系统由人到现场根据经验进行简单的调节控制变成了不需要人的“自己对自己”的控制-也就是所说的智能型或智慧型库房温湿度监控系统。智能型或智慧型库房温湿度监控系统最主要的特征有两点:一方面它能在现场“自己对自己”控制、自动运行;另一方面它还能将“对自己的控制”纳入网络机制，即将自身现场参数如:温度、湿度、风量、水量、阀门开启度、电机状态等数据参数通过通讯干线(网络)传递给它的上一级中心管理站，并接受和执行上一级中心管理站对它的监控。现场总线技术的出现使库房温湿度监控系统通过网络实现监控的问题能够得到很好的解决。本课题通过结合CAN现场总线和PCI总线设计的通信卡，使库房温湿度监控系统中各个分机的各项参数可以通过CAN总线高速上传到PC机中，同时实现PC机对系统中各个分机的控制，提高了系统工作的可靠性、实时性及扩展。性，实现高精度的温度、湿度控制，具有广阔的推广应用前景。第2章 总体设计2.1 课题的基本任务及要求本课题是设计一个基于CAN总线的库房温湿度控制系统，控制对象是仓库中的空调机与除湿机。要求能在-2050温度范围内控制温度，精度在±1；湿度控制在60%。并具有较好的快速性与较小的超调，以及十进制数码管显示、温度曲线打印等功能。2.2 系统方案简述本次控制系统的设计需要完成一个基于CAN总线的控制系统，采用CAN总线把每个单片机节点的信息上传到上位机控制系统，然后经过上位机的控制，通过对比设定值和采取预定的算法，输出相应的结果，并通过信息网络传送到各个节点，控制空气降湿机或者空调机的运作从而达到调节控制库房温湿度的目的，实现了复杂控制。本系统设计由于采用了计算机时时监控，为了增加系统的时时性和提高系统的经济性本系统在节点设计时削弱了单片机的作用，因此在本系统设计中采用8位的单片机。为了防止在网络出现故障时，使温湿度不会失控，也可以在各测控节点进行设置，采用简单的算法，对温湿度进行控制。2.3 温湿度的PID控制技术控制过程中计算机测控系统控制效果的优劣，很重要的问题之一是由算法决定的。算法建立在控制对象的数学模型上，描述个控制量与各输出量之间的数学关系。因此，首先应建立系统的数学模型，并根据数学模型确定系统的控制算法。控制算法直接影响测控系统的调节品质，是决定整个系统性能指标好坏的关键。计算机测控系统主要由数字控制器（或称数字调节器）、执行器、测量元件、被控对象组成。在本次设计中计算机测控对象是大型的库房。按偏差的比例、积分和微分进行控制即计算机PID控制，是连续系统控制理论中技术最成熟，应用最广泛的一种控制技术。这种算法结构简单，参数调整方便，也在长期的工程实践中总结出来的一套控制方法。在计算机测控系统中，由于被控对象的特殊变化，系统的参数经常会发生变化，很难建立精确的数学模型，所以就提出了这个控制技术，根据工程人员的长期经验进行在线调整，从而得到满意的控制效果。PID调节按其调节规律可分为比例调节、比例积分调节和比例积分微分调节等。2.3.1 数字PID算法对被控对象的静态和动态特性的研究表明，由于决大多系统中存在储能部件，使系统对外作用有一定的惯性，这种惯性可以用时间常数来表征。另外，在能量和传输时还会因各种外部因素导致一些时间上的滞后。在实时控制中，总是难以避免地受到干扰，因此，为了改善系统的性能，提高调节品质，除了按偏差的比例调节以外，引入偏差的积分，以克服余差，提高精度，加强对系统参数变化的适应能力，同时可以加入偏差的微分来克服惯性之后，提高抗干扰能力和系统的稳定性。在确定控制算法时，应注意所选定的控制算法要满足控制速度、控制精度和系统稳定性的要求。2.3.2 PID算法的设计PID算法程序可以分为位置式和增量式两种，在本次的设计中，采用增量式的算法。通过根据实际实际测量值与设定值进行比较运算得出控制量。其离散表达式为：(2.1)其中，为t时刻的增量输出为t时刻的控制偏差输入，分别为比例、积分、微分系数。 (2.2)为设定输入值，为实际输出值。2.4 总体设计方案本文所介绍的基于CAN总线的库房温湿度控制系统，采用ATMEL公司的AT89C52单片机作为智能节点控制器，这样可以在用较少的成本上对多个测控点的温湿度进行实时测控。系统的通信可靠、快捷、硬件电路设计和软件电路的设计编程也比较简单通用，可以满足库房环境的智能化管理要求。系统的总体结构如图2.1所示。 图2.1 统结构图系统由上位机、CAN接口适配卡和多个测控点组成，节点的数量可以根据库房的大小情况增减。使用CAN总线作为通信网络将各节点连接成一个分布式控制系统，如图2.1 所示。可以根据预算的灵活地选择各个组件，上位机既可以采用通用的PC机或工控机（IPC），也可以选择较老的ISA总线或者现在普遍些的PCI总线。通过在计算机扩展槽使用一块适配卡，使得上位机具有CAN总线的通信功能。各个模块之间的传输介质可以采用经济实惠的双绞线，通信为速率设为20Kbps时，CAN总线任意两节点之间的距离可达到3.3km，完全可以满足大型库房的需要。上位机通过CAN通信适配卡与CAN总线相连，进行信息交换，负责对整个系统进行监视管理，节点控制器通过CAN总线接收上位机的各种操作控制命令和设定参数；实时采集各模拟量输入通道的温湿度值，采集空调、风机、降湿机等设备的开关状态信号。上位机通过对接收到的数据进行计算，得到一个精确的控制量，再传送给相应的测控节点去执行，控制各区域的风机、空调或降湿机启动或停止，从而保证该区域的环境温湿度始终保持在要求的控制范围内；同时作为备保方案，应该防止在网络出现故障时温湿度不会失控，在每个测控节点也应该进行设置，采用简单的算法，对温湿度进行控制。2.5 上位机模块在整个系统中上位机由计算机和CAN总线接口组成。为了扩展CAN总线的功能，与计算机相连，可设计具有CAN接口和PC接口的CAN适配卡，用来收集CAN总线上个各节点的信息，转发给PC机，并可将PC机的命令和数据转发给各个节点以及完成对CAN总线上的用户系统的部分监控和管理工作。随着 计 算 机微处理器芯片的飞速发展，原有的计算机外设总线(比如EISA. ISA等)己适应不了发展的需求，一种新型的计算机局部总线PCI(Peripheral Component Interconnect)总线应运而生。PCI总线一经推出，就显示了强大的生命力，已广泛应用于各类计算机系统之中。PCI总线之所以被迅速推广，是因为它有很多其它外部总线不可比拟的优点，从传输角度来看，其特点尤为突出:高带宽:PCI总线宽度32/64位;高主频:主频为33/66MHZ;同步控制、突发传输获取很高的传输速率;隐蔽的总线仲裁减小了仲裁开销;地址/数据总线复用，经济地利用总线信号，降低了成本。CAN适配卡模块的原理框图如2.2所示。图2.2 CAN适配卡模块的原理框图2.6 下位机节点模块本课题中的下位机节点模块主要是用来测控温度和湿度值，它有以下部分组成：微控制器电路、传感器电路和控制驱动和驱动控制电路组成，原理图如图2.3所示。图2.3 测控节点模块框图如图2.3所示,测控节点的微控制电路主要是采用ATMEL公司的8位单片机AT89C52，CAN总线通信高速收发器PCA82C250和传感器等组成，AT89C52比较适用于自动化和工业应用的8位高性能微控制器，是89C51的增强型，选择瑞士Scnsirion公司推出的一款数字温湿