基于CAN總線的實(shí)驗(yàn)室模塊化監(jiān)測系統(tǒng)

盧立文，葉倩

摘 要：文章研究了實(shí)驗(yàn)室的監(jiān)測控制問題，提出了一種基于CAN總線技術(shù)的實(shí)驗(yàn)室模塊化監(jiān)測系統(tǒng)，利用STC89C52單片機(jī)和多種傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、處理和傳輸，從而實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)室溫度、煙霧濃度監(jiān)測和越限報(bào)警的功能。本系統(tǒng)具有遠(yuǎn)程監(jiān)控、集中管理、實(shí)時(shí)性好、操作方便等優(yōu)點(diǎn)，具有較大的市場應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：單片機(jī)；現(xiàn)場總線；實(shí)驗(yàn)室監(jiān)測

中圖分類號：TP18 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）06-0035-02

Abstract： In this paper， the monitoring and control problems of the laboratory are studied， and a laboratory modular monitoring system based on CAN bus technology is proposed. The data acquisition， processing and transmission are carried out by using STC89C52 single chip computer and various sensors， thus realizing the functions of temperature， smoke concentration monitoring and overstepping alarm in the laboratory. The system has the advantages of remote monitoring， centralized management， real-time， easy to operate， and has a large market application prospects.

Keywords： single chip microcomputer； fieldbus； laboratory monitoring

1 概述

隨著經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展，我國的教育水平日益提高，國家對學(xué)生的動手能力也越來越重視，而實(shí)驗(yàn)室作為實(shí)踐教學(xué)中的重要手段，在學(xué)習(xí)和教學(xué)中扮演著重要的角色。所以我們國家也在大力加強(qiáng)對實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)。而實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的電器設(shè)備非常多甚至包括好多高壓電器，所以對實(shí)驗(yàn)室中電器的合理控制變得尤為重要。這需要我們每位實(shí)驗(yàn)室管理者積極面對并設(shè)法解決。就目前而言，絕大多數(shù)高校及其他教育場所內(nèi)的實(shí)驗(yàn)室設(shè)備還是靠人工去開關(guān)，這不但在管理方面十分繁瑣而且還蘊(yùn)含著極大的安全隱患，稍有疏忽就會造成不可挽回的損失。所以研究一個(gè)實(shí)驗(yàn)室電器智能控制系統(tǒng)是非常有必要和有意義的事。

現(xiàn)在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室管理采用人工值守，但是由于實(shí)驗(yàn)室環(huán)境復(fù)雜，并擁有大量珍貴儀器以及精密儀器，所以更方便安全得進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室管理是不同專業(yè)實(shí)驗(yàn)室管理人員共同面臨的問題，但是由于人的精力有限不可能對每個(gè)實(shí)驗(yàn)室都進(jìn)行全天的監(jiān)控和維護(hù)，傳統(tǒng)的依靠人力的方法已經(jīng)不足以滿足現(xiàn)在對實(shí)驗(yàn)高效而安全的管理需求。因而，集中實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室的安全維護(hù)和管理存在較大困難，基于控制局域網(wǎng)（CAN，Controller Area Network）總線的實(shí)驗(yàn)室智能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)是一種解決這類困難的有效途徑。

在當(dāng)前多種流行的現(xiàn)場總線中，CAN總線技術(shù)異軍突起，它是Bosch公司為現(xiàn)代汽車應(yīng)用領(lǐng)先推出的一種多主機(jī)局部網(wǎng)，由于其高性能、高可靠性、實(shí)時(shí)性等優(yōu)點(diǎn)現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動化、多種控制設(shè)備、交通工具、醫(yī)療儀器以及建筑、環(huán)境控制等眾多部門。在自動化儀表、工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場、數(shù)控機(jī)床等系統(tǒng)中也越來越多的使用了CAN總線，CAN總線在未來的發(fā)展中依然充滿活力，有著巨大的發(fā)展空間。目前，實(shí)驗(yàn)室的安全性受到各高校普遍關(guān)注，一套使用方便可全天候工作的實(shí)驗(yàn)室模塊化監(jiān)測系統(tǒng)可以增加實(shí)驗(yàn)室的安全性。

本文研究的實(shí)驗(yàn)室模塊化監(jiān)測系統(tǒng)主要以CAN總線作為通信方式，以STC89C52單片機(jī)作為主控制元件，利用溫濕度、煙霧、紅外三種傳感器進(jìn)行環(huán)境監(jiān)測，最終把監(jiān)測數(shù)據(jù)送入單片機(jī)處理，把處理的數(shù)字量在數(shù)碼管顯示，并具有繼電器報(bào)警裝置和一定程度上保密的電子密碼鎖，使本研究更具有實(shí)踐價(jià)值，為實(shí)際應(yīng)用打下良好基礎(chǔ)。

2 工作原理

本系統(tǒng)采用環(huán)境監(jiān)測的幾種傳感器對實(shí)驗(yàn)室環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測，利用單片機(jī)、CAN控制器、CAN驅(qū)動器一起完成系統(tǒng)。系統(tǒng)有幾個(gè)功能，一是運(yùn)用溫度傳感器和煙霧傳感器收集實(shí)驗(yàn)室的環(huán)境信息，經(jīng)由數(shù)碼管顯示；二是可以對實(shí)驗(yàn)室防盜安全進(jìn)行監(jiān)控，運(yùn)用熱釋紅外傳感器檢測實(shí)驗(yàn)室內(nèi)人員活動情況。一旦發(fā)現(xiàn)異常，立即控制繼電器，使其工作，并通知管理部門進(jìn)行有關(guān)措施，實(shí)現(xiàn)對實(shí)驗(yàn)室安全的實(shí)時(shí)監(jiān)控和管理。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)硬件部分的系統(tǒng)總框圖如圖1所示，主控單片機(jī)選用STC89C52，通信總線選用CAN總線，CAN控制器選用SJA1000，溫度傳感器選用DS18B20傳感器，紅外傳感器選用熱釋紅外傳感器，煙霧傳感器選用MQ-2煙霧傳感器，數(shù)碼管選用LCD1602，外加一個(gè)4*4鍵盤，一個(gè)繼電器。

3.1 通信模塊

由于本系統(tǒng)需要從實(shí)驗(yàn)室到監(jiān)控部門的較遠(yuǎn)距離傳輸，從而選用CAN總線作為本系統(tǒng)的通信方案。其主要功能是實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地傳輸溫度傳感器、紅外傳感器和煙霧傳感器的檢測數(shù)據(jù)，以及電子密碼鎖的密碼。CAN控制器的數(shù)據(jù)管腳接單片機(jī)的P0，復(fù)位管腳RST接主控單片機(jī)P23，片選信號CS接主控單片機(jī)P20，原理圖如圖2所示。

3.2 顯示模塊

數(shù)碼管選用LCD1602數(shù)碼管，由于本設(shè)計(jì)要顯示的內(nèi)容字母、數(shù)字、符號均有，不適合選用LED數(shù)碼管，故選擇了微功耗、體積小、用起來方便的LCD1602這款數(shù)碼管作為本設(shè)計(jì)的顯示數(shù)碼管。LCD1602數(shù)據(jù)傳輸管腳和CAN控制器數(shù)據(jù)傳輸管腳一樣接單片機(jī)P0，RS接單片機(jī)P27，RW接單片機(jī)P26，E接單片機(jī)P25。

3.3 溫度檢測模塊

溫度傳感器選用DS18B20溫度傳感器，它接線方便，適用性強(qiáng)，并且輸出數(shù)字信號，對于沒有AD轉(zhuǎn)換功能的STC89C52單片機(jī)作為主控制器的系統(tǒng)來講來講，十分合適。輸出管腳接單片機(jī)的P21口。

3.4 紅外檢測模塊

紅外檢測模塊選用的是熱釋紅外傳感器。這種傳感器功耗小，價(jià)格低廉，并且隱蔽性好，技術(shù)性能穩(wěn)定。它主要檢測檢測人體發(fā)出特定波長紅外線并且輻射照面覆蓋有特殊的濾光片，用來增強(qiáng)紅外線，有抗干擾的作用，用來檢測人員活動十分實(shí)用。本系統(tǒng)中利用熱釋紅外傳感器檢測人員活動，輸出管腳接在單片機(jī)的P24口。

3.5 煙霧檢測模塊

煙霧傳感器選用MQ-2煙霧傳感器。MQ-2煙霧傳感器原理是，根據(jù)不同物體被氣體吸收時(shí)的光譜的不同來區(qū)分氣體類別的。通過檢測氣體對光的波長和強(qiáng)度的不同情況，便可以確定氣體的濃度。在檢測可燃性氣體方面具有較好的精度及穩(wěn)定性。本系統(tǒng)中輸出端接單片機(jī)P22口。

4 結(jié)束語

本文所設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)室監(jiān)測系統(tǒng)是一個(gè)針對實(shí)驗(yàn)室環(huán)境的實(shí)時(shí)檢測和控制系統(tǒng)，為的是能適應(yīng)未來實(shí)驗(yàn)室監(jiān)測的各種需求。將數(shù)據(jù)CAN總線傳輸和傳感器檢測技術(shù)相結(jié)合，打造了新型的便捷型，實(shí)用型，準(zhǔn)確型，多樣型的模塊化實(shí)驗(yàn)室監(jiān)管系統(tǒng)。

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