基于CAN总线的实验室模块化监测系统

卢立文，叶倩

摘 要：文章研究了实验室的监测控制问题，提出了一种基于CAN总线技术的实验室模块化监测系统，利用STC89C52单片机和多种传感器进行数据采集、处理和传输，从而实现了实验室温度、烟雾浓度监测和越限报警的功能。本系统具有远程监控、集中管理、实时性好、操作方便等优点，具有较大的市场应用前景。

关键词：单片机；现场总线；实验室监测

中图分类号：TP18 文献标志码：A 文章编号：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

隨着经济迅速发展，我国的教育水平日益提高，国家对学生的动手能力也越来越重视，而实验室作为实践教学中的重要手段，在学习和教学中扮演着重要的角色。所以我们国家也在大力加强对实验室的建设。而实验室内的电器设备非常多甚至包括好多高压电器，所以对实验室中电器的合理控制变得尤为重要。这需要我们每位实验室管理者积极面对并设法解决。就目前而言，绝大多数高校及其他教育场所内的实验室设备还是靠人工去开关，这不但在管理方面十分繁琐而且还蕴含着极大的安全隐患，稍有疏忽就会造成不可挽回的损失。所以研究一个实验室电器智能控制系统是非常有必要和有意义的事。

现在传统实验室管理采用人工值守，但是由于实验室环境复杂，并拥有大量珍贵仪器以及精密仪器，所以更方便安全得进行实验室管理是不同专业实验室管理人员共同面临的问题，但是由于人的精力有限不可能对每个实验室都进行全天的监控和维护，传统的依靠人力的方法已经不足以满足现在对实验高效而安全的管理需求。因而，集中实现实验室的安全维护和管理存在较大困难，基于控制局域网（CAN，Controller Area Network）总线的实验室智能监控系统设计是一种解决这类困难的有效途径。

在当前多种流行的现场总线中，CAN总线技术异军突起，它是Bosch公司为现代汽车应用领先推出的一种多主机局部网，由于其高性能、高可靠性、实时性等优点现已广泛应用于工业自动化、多种控制设备、交通工具、医疗仪器以及建筑、环境控制等众多部门。在自动化仪表、工业生产现场、数控机床等系统中也越来越多的使用了CAN总线，CAN总线在未来的发展中依然充满活力，有着巨大的发展空间。目前，实验室的安全性受到各高校普遍关注，一套使用方便可全天候工作的实验室模块化监测系统可以增加实验室的安全性。

本文研究的实验室模块化监测系统主要以CAN总线作为通信方式，以STC89C52单片机作为主控制元件，利用温湿度、烟雾、红外三种传感器进行环境监测，最终把监测数据送入单片机处理，把处理的数字量在数码管显示，并具有继电器报警装置和一定程度上保密的电子密码锁，使本研究更具有实践价值，为实际应用打下良好基础。

2 工作原理

本系统采用环境监测的几种传感器对实验室环境进行实时的监测，利用单片机、CAN控制器、CAN驱动器一起完成系统。系统有几个功能，一是运用温度传感器和烟雾传感器收集实验室的环境信息，经由数码管显示；二是可以对实验室防盗安全进行监控，运用热释红外传感器检测实验室内人员活动情况。一旦发现异常，立即控制继电器，使其工作，并通知管理部门进行有关措施，实现对实验室安全的实时监控和管理。

3 系统硬件设计

本系统硬件部分的系统总框图如图1所示，主控单片机选用STC89C52，通信总线选用CAN总线，CAN控制器选用SJA1000，温度传感器选用DS18B20传感器，红外传感器选用热释红外传感器，烟雾传感器选用MQ-2烟雾传感器，数码管选用LCD1602，外加一个4*4键盘，一个继电器。

3.1 通信模块

由于本系统需要从实验室到监控部门的较远距离传输，从而选用CAN总线作为本系统的通信方案。其主要功能是实时、准确地传输温度传感器、红外传感器和烟雾传感器的检测数据，以及电子密码锁的密码。CAN控制器的数据管脚接单片机的P0，复位管脚RST接主控单片机P23，片选信号CS接主控单片机P20，原理图如图2所示。

3.2 显示模块

数码管选用LCD1602数码管，由于本设计要显示的内容字母、数字、符号均有，不适合选用LED数码管，故选择了微功耗、体积小、用起来方便的LCD1602这款数码管作为本设计的显示数码管。LCD1602数据传输管脚和CAN控制器数据传输管脚一样接单片机P0，RS接单片机P27，RW接单片机P26，E接单片机P25。

3.3 温度检测模块

温度传感器选用DS18B20温度传感器，它接线方便，适用性强，并且输出数字信号，对于没有AD转换功能的STC89C52单片机作为主控制器的系统来讲来讲，十分合适。输出管脚接单片机的P21口。

3.4 红外检测模块

红外检测模块选用的是热释红外传感器。这种传感器功耗小，价格低廉，并且隐蔽性好，技术性能稳定。它主要检测检测人体发出特定波长红外线并且辐射照面覆盖有特殊的滤光片，用来增强红外线，有抗干扰的作用，用来检测人员活动十分实用。本系统中利用热释红外传感器检测人员活动，输出管脚接在单片机的P24口。

3.5 烟雾检测模块

烟雾传感器选用MQ-2烟雾传感器。MQ-2烟雾传感器原理是，根据不同物体被气体吸收时的光谱的不同来区分气体类别的。通过检测气体对光的波长和强度的不同情况，便可以确定气体的浓度。在检测可燃性气体方面具有较好的精度及稳定性。本系统中输出端接单片机P22口。

4 结束语

本文所设计的实验室监测系统是一个针对实验室环境的实时检测和控制系统，为的是能适应未来实验室监测的各种需求。将数据CAN总线传输和传感器检测技术相结合，打造了新型的便捷型，实用型，准确型，多样型的模块化实验室监管系统。

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