C8051F060單片機(jī)的數(shù)字傳感器系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1、【W(wǎng)ord版本下載可任意編輯】 C8051F060單片機(jī)的數(shù)字傳感器系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 圖4 壓力采集模塊跟隨濾波原理圖 溫濕度采集模塊設(shè)計(jì) 溫濕度采集模塊構(gòu)造組成如圖5所示，在該模塊的電路中，C8051F060單片機(jī)I/O口與溫濕度傳感器SHT15直接連接，C8051F060單片機(jī)引腳P2.1端口與SHT15的時(shí)鐘管腳SCK相連以作為時(shí)鐘線，C8051F060單片機(jī)引腳P2.0端口與SHT15的數(shù)據(jù)管腳DATA相連以作為數(shù)據(jù)線，這種連接方式具有接口方便、控制簡(jiǎn)單、通信速率高等優(yōu)點(diǎn)。溫濕度采集模塊工作原理是：C8051F060單片機(jī)通過(guò)數(shù)據(jù)線和時(shí)鐘線向SHT15發(fā)送控制命令，并且接收SHT15采集、

2、轉(zhuǎn)換的溫濕度數(shù)據(jù)，C8051F060單片機(jī)接收到溫濕度數(shù)據(jù)后，對(duì)數(shù)據(jù)開(kāi)展簡(jiǎn)單編幀等快速處理，通過(guò)CAN總線接口傳輸給數(shù)據(jù)記錄器（上位機(jī)）開(kāi)展數(shù)據(jù)處理與實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。 圖5 溫濕度采集模塊構(gòu)造組成圖 本設(shè)計(jì)選用溫濕度傳感器SHT15采集溫濕度數(shù)據(jù)。SHT15是瑞士Sensirion公司推出的一款數(shù)字溫濕度傳感器芯片，其主要特點(diǎn)是：將溫濕度感測(cè)、信號(hào)變換、A/D轉(zhuǎn)換和I2C總線接口等功能集成到一個(gè)芯片上；提供兩線數(shù)字串行接口SCK和DATA,并支持CRC傳輸校驗(yàn)；提供溫度補(bǔ)償和濕度測(cè)量值以及高質(zhì)量的露點(diǎn)計(jì)算功能；測(cè)量精度可編程調(diào)節(jié)，內(nèi)置A/D轉(zhuǎn)換器；由于采用了CMOSensTM技術(shù)，SHT15可浸入水

3、中開(kāi)展測(cè)量。SHT15的性能參數(shù)如下：溫度測(cè)量范圍是-40+123.8；濕度測(cè)量范圍是0100%RH;溫度測(cè)量精度是0.3；濕度測(cè)量精度是2.0%RH;響應(yīng)時(shí)間是8s.數(shù)字式溫濕度傳感器SHT15是8引腳SMD表面貼片封裝形式，其引腳1接地，引腳4接電源，工作電壓為2.45.5VDC,為了到達(dá)SHT15的度，供電電壓為3.3V適宜；引腳2為數(shù)據(jù)線，引腳3為時(shí)鐘線，引腳58為空管腳。SHT15包含1個(gè)用能隙材料制成的溫度敏感元件和1個(gè)電容性聚合體濕度敏感元件，這兩個(gè)敏感元件分別將溫度和濕度轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，電信號(hào)首先由微弱信號(hào)放大器開(kāi)展放大，然后進(jìn)入1個(gè)14位的A/D轉(zhuǎn)換器，經(jīng)由二線串行數(shù)字接口輸出

4、數(shù)字信號(hào)。 CAN總線模塊設(shè)計(jì) CAN總線模塊是數(shù)字傳感器系統(tǒng)中用來(lái)實(shí)現(xiàn)CAN總線協(xié)議、完成報(bào)文收發(fā)等功能的元器件的集合，該模塊由C8051F060單片機(jī)、高速光耦HCPL0600以及CAN總線驅(qū)動(dòng)TJA1050等組成。為了保護(hù)CAN控制器，提高抗干擾能力，總線驅(qū)動(dòng)與CAN總線的接口部分采用一定的安全和抗干擾措施：TJA1050的CANL和CANH引腳各自通過(guò)一個(gè)5 的電阻與CAN總線相連，電阻可以使TJA1050免受過(guò)流的沖擊；CANL和CANH與地之間各自都并聯(lián)了一個(gè)30pF的小電容，能夠盡量濾除掉總線上的高頻干擾，以及提高總線的防電磁輻射的能力。 為了保證通信網(wǎng)絡(luò)的可靠性，CAN總線模塊

5、采用網(wǎng)絡(luò)冗余方法對(duì)總線及其驅(qū)動(dòng)開(kāi)展可控的總線冗余設(shè)計(jì)，CAN總線模塊冗余設(shè)計(jì)原理如圖6所示。該模塊CAN通信接口由一個(gè)CAN控制器、兩個(gè)CAN總線驅(qū)動(dòng)和兩對(duì)差分線組成。我們可以通過(guò)控制模擬多路開(kāi)關(guān)CD4052在兩個(gè)總線之間開(kāi)展切換，A1、A0為CD4052的控制信號(hào)，由節(jié)點(diǎn)的主控制器控制。當(dāng)A1A0=01時(shí)，X通道選通X3、Y通道選通Y3,此時(shí)總線驅(qū)動(dòng)U4工作，數(shù)據(jù)通過(guò)總線1傳輸；當(dāng)A1A0=10時(shí)，X通道選通X2、Y通道選通Y2,此時(shí)總線驅(qū)動(dòng)U3工作，數(shù)據(jù)通過(guò)總線2傳輸。CAN網(wǎng)絡(luò)正常工作時(shí)，兩條總線互為備用（一條總線工作，另外一條處于備用狀態(tài)）。為了檢測(cè)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的工作狀態(tài)，CAN網(wǎng)絡(luò)會(huì)以固

6、定的頻率發(fā)送檢測(cè)命令，該檢測(cè)命令通常由CAN網(wǎng)絡(luò)上的一個(gè)固定的主節(jié)點(diǎn)來(lái)發(fā)送的，主節(jié)點(diǎn)發(fā)送檢測(cè)命令后，根據(jù)預(yù)定的應(yīng)答情況判斷是否有節(jié)點(diǎn)損壞以及是哪個(gè)節(jié)點(diǎn)損壞；其他節(jié)點(diǎn)稱為副節(jié)點(diǎn)，副節(jié)點(diǎn)接收主節(jié)點(diǎn)發(fā)送的檢測(cè)命令，若接收到檢測(cè)命令，則及時(shí)返回應(yīng)答信息給主節(jié)點(diǎn)，若超過(guò)了預(yù)定時(shí)間主節(jié)點(diǎn)還未接收到檢測(cè)信息，則由控制器控制切換總線并報(bào)警。 圖6 CAN總線模塊冗余設(shè)計(jì)原理圖 電源模塊設(shè)計(jì) 根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，CAN網(wǎng)絡(luò)提供24V電壓給傳感器，而傳感器需要5V或3.3V的電源供電，因此，需要電源模塊將24V電壓轉(zhuǎn)換為5V和3.3V.本設(shè)計(jì)選用TPS5410將24V電壓轉(zhuǎn)換為5V,選用MAX1658將5V電壓轉(zhuǎn)換為3

7、.3V;另外，為了給光耦和CAN驅(qū)動(dòng)供電，CAN通信電路需要一個(gè)與前面電源不共地的5V電源，在此選用DCR010505來(lái)實(shí)現(xiàn)，定義該隔離出來(lái)的5V為W5V,它的地為W5VGND. TPS5410電壓轉(zhuǎn)換電路如圖7所示。TPS5410是TI公司SWIFT系列的一款開(kāi)關(guān)電源芯片，具有5.5V36V的輸入電壓范圍；開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換頻率為500KHz;轉(zhuǎn)換效率高達(dá)95%;具有過(guò)流、過(guò)壓和熱過(guò)載保護(hù)功能；能夠提供為1A的電流；外圍電路簡(jiǎn)單。 圖7 TPS5410電壓轉(zhuǎn)換電路圖 MAX1658電壓轉(zhuǎn)換電路如圖8所示。MAX1658是MAXIM公司的一款5V轉(zhuǎn)3.3V的開(kāi)關(guān)電源芯片，轉(zhuǎn)換效率高達(dá)95%;具有2.7V

8、16.5V的輸入電壓范圍；具有過(guò)流、熱過(guò)載保護(hù)和電源反接保護(hù)功能；能夠提供為350mA的電流；外圍電路簡(jiǎn)單。 圖8 MAX1658電壓轉(zhuǎn)換電路圖 DCR010505隔離5V電路如圖9所示。DCR010505是TI公司的一款隔離型開(kāi)關(guān)電源芯片，能夠?qū)?V電壓隔離為另外一個(gè)不共地的5V;開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換頻率為400KHz;轉(zhuǎn)換效率為80%;具有1000Vrms的隔離能力和過(guò)熱保護(hù)能力；提供200mA的電流；輸入電壓為7V. 圖9 DCR010505隔離5V電路圖 結(jié)束語(yǔ) 隨著電子技術(shù)、傳感器技術(shù)及現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，帶有CAN通信接口的數(shù)字化傳感器也得到了迅速的發(fā)展。本文基于C8051F060單片機(jī)設(shè)計(jì)了一款帶有CAN通信接口的溫濕壓數(shù)字傳感器系統(tǒng)。