【正文】 位機(jī)與下位機(jī)通訊調(diào)試 ............................................................................ 17 IV IV 6 系統(tǒng)的抗干擾措施 ................................................................................................ 18 下位機(jī)的抗干擾措施 ................................................................................... 18 數(shù)據(jù)通訊校驗(yàn) ............................................................................................... 18 7 系統(tǒng)的進(jìn)一步發(fā)展方向 ........................................................................................ 19 8 參考文獻(xiàn) ................................................................................................................ 19 9 附錄 ........................................................................................................................ 21 10 致謝 ........................................................................................................................ 23 1 1 1 前言 溫度是科學(xué)技術(shù)中最基本的物理量之一，物理、化學(xué)、生物等學(xué)科都離不開溫度。在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究中，諸如航空抗天、電力、化工、制藥、石油、食品工程等領(lǐng)域，溫度作為最普遍、最重要的操作參數(shù)之一。例如在許多電子儀器設(shè)備中，其要在一定的溫 度范圍內(nèi)運(yùn)行，否則輕則不能正常工作，重則燒壞設(shè)備；在石油冶煉、化工生產(chǎn)、生物制藥領(lǐng)域，它們是利用化學(xué)反應(yīng)來生產(chǎn)產(chǎn)品，其中溫度是作為重要的反應(yīng)條件；如果沒有一個合適的溫度，糧倉內(nèi)的糧食就會發(fā)霉，酒類的品質(zhì)就無法保障，許多食品將無法保存。由此可見，溫度的檢測及其控制對生產(chǎn)和研究非常重要。 在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究的許多場合，特別是在大規(guī)模的工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，需要對多點(diǎn)且分布于不同位置溫度的進(jìn)行檢測，溫度的多點(diǎn)巡回檢測已成為一個必不可少的環(huán)節(jié)。目前，市場上有許多溫度巡回檢測儀，其設(shè)計(jì)精度一般都已滿足現(xiàn)在測量的要求，然而 其支持的測溫點(diǎn)數(shù)量有限，對溫度的數(shù)據(jù)也缺少必要的管理。用一個系統(tǒng)來管理控制大規(guī)模溫度檢測顯得十分重要 2 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 系統(tǒng)要求 16 點(diǎn) AD590 溫度傳感器 (或熱電阻 )； 度分辨率； 50℃～ 100℃； 度以上； RS485 通訊，支持 MODBUS 協(xié)議，上位機(jī)可以進(jìn)行設(shè)定及讀操作。 溫度傳感器及其測溫原理 傳感器屬于信息技術(shù)的前沿尖端產(chǎn)品，啟重要作用就如同人體的五官。溫度傳感器在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)研究和生活領(lǐng)域獲得 了廣泛的應(yīng)用，啟數(shù)量居各種傳感器之首。目前國際上新型溫度傳感器正從模擬式向數(shù)字式，從集成化向智能化、網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展。溫度傳感器大致經(jīng)歷了三個發(fā)展階段：傳統(tǒng)的分立式溫度傳感器；模擬集成溫度傳感器（亦稱單片集成溫度傳感器）；智能集成溫度傳感器（亦稱數(shù)字溫度傳感器）。 分立式式溫度傳感器 傳統(tǒng)的熱電偶、熱電阻、熱敏電阻及半導(dǎo)體溫度傳感器，均屬于分立式溫度傳感器，傳感器本身就是一個完整的、獨(dú)立的感溫元件。此類傳感器通常要配溫度變送器，以獲得標(biāo)示準(zhǔn)的模擬量 (電壓或電流 )輸出信號。使用時還需配上二次2 2 儀表，才能完 成溫度測量及控制功能。 分立式溫度傳感器根據(jù)敏感材料不同又可分成熱電阻式和熱敏電阻式，是利用一些材料的電阻隨溫度變化的性質(zhì)，通過測量敏感材料的電阻來確定被測的溫度。熱電阻式一般用金屬材料制成，如鉑、銅、鎳等。熱敏電阻是以半導(dǎo)體材料制成的陶瓷器件，如錳、鎳、鈷等金屬的氧化物與其它化合物按不同配比燒結(jié)而成。 分立式溫度傳感器的主要缺點(diǎn)是外圍電路比較復(fù)雜、測量精度較低．分辨力不高、需進(jìn)行溫度校準(zhǔn) (例如非線性校準(zhǔn)、溫度補(bǔ)償、傳感器標(biāo)定等 )，另外它們的體積較大、使用也不夠方便，因此，分立式溫度傳感器將逐漸被淘汰。 模 擬集成溫度傳感器 集成傳地器是采用硅半導(dǎo)體集成工藝而制成的，因此亦稱硅傳感器或單片集成傳感器。模擬集成溫度傳感器是在 20世紀(jì) 80年代問世的，它是將溫度傳感器集成在一個芯片上，可完成溫度測量及模擬信號輸出功能的專用 IC 它屬于最簡單的一種集成溫度傳感器，模擬集成溫度傳感器的主要特點(diǎn)是功能單一僅測量溫度 )、測溫誤差小、價(jià)格低、響應(yīng)速度快、傳輸距離遠(yuǎn)、體積小、微功耗．適合遠(yuǎn)距離測溫、控溫．不需要進(jìn)行非線性校準(zhǔn)，外圍電路簡單，它是目前在國內(nèi)外應(yīng)用最為普遍的種集成傳感器。典型產(chǎn)品有 AD590、 AD59 TMP1 LMl35 等。 集成數(shù)字化溫度傳感器 溫度檢測的傳統(tǒng)方法是使用模擬傳感器，那么一個溫度量要經(jīng)過感溫元件、測量電路、放大電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路之后才能得到相應(yīng)的數(shù)字量。這樣設(shè)計(jì)者須考慮的線路環(huán)節(jié)較多．相應(yīng)測溫裝置中元器件數(shù)量降不下來，隨之影響產(chǎn)品的可靠性和體積微縮化。而且模擬信號在長距離傳輸過程中，如何抗電磁干擾是一個難以解決的問題。對于多點(diǎn)溫度檢測的場合，各被測點(diǎn)到測試裝置之間引線距離往往不同。還有各敏感元件參數(shù)的不一致性都是造成誤差的原因。把被測溫度這一非模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量．將其處理過程的多個環(huán) 節(jié)集成在單片 IC 器件內(nèi)部，是解決傳統(tǒng)溫度檢測方法弊病的理想途徑。 與模擬傳感器相比．由于采取高集成度設(shè)計(jì)，使數(shù)字式傳感器在可靠性、抗干擾能力以及器件微小化方面都有明顯的優(yōu)點(diǎn)．但受半導(dǎo)體器件本身限制。數(shù)字式傳感器還存在一些不夠理想的地方。比如實(shí)際應(yīng)用時需加修正值，剩溫范圍不寬，一般為， 50~+150℃。雖然存在一些不足，但是充分利用微處理技術(shù)發(fā)展數(shù)字化、集成化和自動化的溫度傳感器仍是溫度傳感器的發(fā)展方向之一 系統(tǒng)分析和測溫傳感器的選擇 溫度是許多監(jiān)控系統(tǒng)中的一個重要參數(shù)，比如在糧食存儲過程中，為了保 證糧食的存儲品質(zhì)，必須實(shí)時檢測儲存糧食的溫度。過去糧食溫度的檢測是靠人工3 3 手測進(jìn)行，不但測試速度慢、測試精度低，而且人員勞動強(qiáng)度非常大。由于糧庫大部分是由數(shù)個容積較大的平倉、筒倉等組成．這些糧倉都高約二十米、直徑達(dá)十米以上，對它的溫度檢測除了要求解決被測參數(shù)技術(shù)問題外 (如精度，可靠性等 )，從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)而言，就是解決多點(diǎn)和分布的問題。多點(diǎn)和分布也同樣是其它測控系統(tǒng)所面臨的問題。像無人職守的機(jī)站會分布在很大的范圍內(nèi)，各機(jī)站與監(jiān)控中心的距離很遠(yuǎn)，數(shù)據(jù)必須通過遠(yuǎn)程傳輸進(jìn)行交換。多點(diǎn)溫度巡回檢測系統(tǒng)正是針對上述問題而研制 的。 系統(tǒng)分析： 1．溫度測量范圍 在糧倉、樓宇、機(jī)站等場合．測量溫度范圍一般為周圍環(huán)境溫度的變化范圍。溫傳感器的測溫范圍在 50℃～ +150℃之間，就可以滿足測量需要。 2．多點(diǎn)溫度數(shù)據(jù)采集 多點(diǎn)測溫過程中主要有兩個問題：一個是各個測溫點(diǎn)的編碼問題．另一個是各個測溫點(diǎn)溫度數(shù)據(jù)的采集、處理問題。測溫點(diǎn)的選擇通常是通過各路開關(guān)的導(dǎo)通和關(guān)斷來實(shí)現(xiàn)的。 測溫點(diǎn)溫度數(shù)據(jù)的采集，處理過程會隨著測溫傳感器的不同而不同。選用分立元件作為傳感器，如熱電阻 ,熱電偶 ,其電路相對復(fù)雜，再則是對多路溫度進(jìn)行檢 測，其電路就會更加復(fù)雜；而選用模擬的溫度傳感器 AD590，就會精簡大量的硬件設(shè)計(jì) ,且達(dá)到了精度 度的要求 ,用此方案結(jié)構(gòu)清晰 ,選擇測溫范圍是55℃～ +125℃，完全符合系統(tǒng)的要求。 3．測溫點(diǎn)分布 針對測溫點(diǎn)分布范圍較廣這個特點(diǎn)，系統(tǒng)由下位機(jī)和上位機(jī)構(gòu)成一個分布式的測量系統(tǒng)。每一臺下位機(jī)采集和處理多點(diǎn)的溫度信息，然后通過遠(yuǎn)程通信模塊把溫度信息傳到上位機(jī)。根據(jù)測溫點(diǎn)的分布情況，可以靈活的決定下位機(jī)數(shù)量的多少。 由于信息傳輸?shù)木嚯x較遠(yuǎn)．在傳輸過程中可能會遇到各種各樣的干擾，遠(yuǎn)程傳輸?shù)目煽啃跃褪?一個必須要解決的問題。在這個系統(tǒng)中是可通過頻移鍵控的調(diào)制解調(diào)器，把數(shù)字信號調(diào)制成不同頻率的模擬信號來進(jìn)行傳輸。而且通過調(diào)制解調(diào)器也有利于系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)展和無線通信。 4．集中監(jiān)視和管理 計(jì)算機(jī)測最控制系統(tǒng)的優(yōu)勢之一就是集中監(jiān)控和管理。系統(tǒng)中由上位機(jī)的測溫管理軟件統(tǒng)一管理卜位機(jī)．對測溫點(diǎn)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置、巡回檢測各測溫點(diǎn)溫度、顯示當(dāng)前溫度、對超限溫度報(bào)警顯示、可以查詢溫度報(bào)表和歷史曲線。其運(yùn)行環(huán)境為 Microsoft Windows 2020/XP。有良好的人機(jī)界面、通用性好、操作方便。 系統(tǒng)方案的確定 4 4 根據(jù) 對系統(tǒng)需求的分析，系統(tǒng)主要分為四個部分：分別是測溫點(diǎn)、數(shù)據(jù)采集處理模塊、遠(yuǎn)程通信模塊和測溫管理軟件，見圖 。 圖 系統(tǒng)框架 其中測溫點(diǎn)有 AD590 作為傳感器，它把溫度信號轉(zhuǎn)換為模擬信號；溫度采集處理模塊主要由單片機(jī) AT89C52 構(gòu)成，完成對數(shù)據(jù)的讀取、處理及傳輸，此溫度采集處理模塊最多可處理 16 路溫度值。通訊模塊是通信模塊分下位機(jī)通信接口和上位機(jī)通信接口兩部分。下位機(jī)利用 AT89C52 單片機(jī)的串行口傳輸和接收數(shù)據(jù)．?dāng)?shù)據(jù)從單片機(jī)的串行口出來以后經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換接口（ 485 轉(zhuǎn)換為 232 接口）到 達(dá)上位機(jī)的 RS232 串行口。測溫管理軟件運(yùn)行在上位機(jī)上，對整個的測溫過程進(jìn)行管理，包括系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置、巡回檢測各個測溫點(diǎn)溫度并實(shí)時顯示溫度信息和報(bào)警信息，以及溫度報(bào)表的管理等等。 3 多點(diǎn)溫度巡回檢測系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與各功能模塊 多點(diǎn)溫度巡回檢測系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)，如圖 31所示。系統(tǒng)是由一臺中央計(jì)算機(jī)（上位機(jī)）和數(shù)臺由單片機(jī)構(gòu)成的測溫模塊（下位機(jī)）組成二級主從分布式微機(jī)測量系統(tǒng)。 上位機(jī)是系統(tǒng)的核心，在它的統(tǒng)一管理和協(xié)調(diào)指揮下，系統(tǒng)合理有序的工作。它的主要功能為： 實(shí)時顯示模塊：對下位機(jī)的數(shù)據(jù)及 運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時監(jiān)控。 把圖的排號格式規(guī)范一下，都改為：圖 格式，不要使用 21 格式。 5 5 數(shù)據(jù)管理模塊：數(shù)據(jù)管理包括數(shù)據(jù)保存和對數(shù)據(jù)操作，可以實(shí)現(xiàn)查詢，插入，刪除等功能。 圖 31 多點(diǎn)溫度巡回檢測系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖 打印輸出模塊：可以輸出報(bào)表等數(shù)據(jù)。 通訊模塊：與下位機(jī)通訊，搜集數(shù)據(jù)及命令操作。 下位機(jī)主要由 AT89C52 單片機(jī)構(gòu)成，完成溫度的采集、處理和傳輸。下位機(jī)的數(shù)量和一個下位機(jī)測量多少個溫度點(diǎn)，都可以進(jìn)行靈活的設(shè)定。系統(tǒng)最大可掛247 個下位機(jī)，下位機(jī)最多可巡檢 16 個溫度值。下位機(jī)的硬件框圖如圖 32所示 下位機(jī)要實(shí)現(xiàn)的功能為： 溫度采集：溫度采 集是系統(tǒng)的第一個步驟，把溫度信號轉(zhuǎn)化為電信號，以便對溫度進(jìn)行測量，計(jì)算。 通道選擇：通道選擇是系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)，可以完成巡回檢測及定點(diǎn)檢測。 模數(shù)轉(zhuǎn)化：由于溫度采集所得到的信號是模擬信號，需要把它轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，給單片機(jī)處理。 顯示和鍵盤：顯示即提供操作界面，又是狀態(tài)提示；鍵盤提供輸入設(shè)定。 通訊：與上位機(jī)通訊，提供數(shù)據(jù)，且接受上位機(jī)指令控制。 6 6 上位機(jī)和下位機(jī)之間的通訊是通過電平轉(zhuǎn)化電路實(shí)現(xiàn)，因?yàn)橛?jì)算機(jī)的串行口電平與單片機(jī)的接收和輸出電平是不同的，需要轉(zhuǎn)換，即 232 接口與 485 接 圖 32 下位機(jī)硬件結(jié)構(gòu) 口的轉(zhuǎn)換。 AD590 AD590 是由美國哈里斯（ Harris）公司、模擬器件（ ADI）等生產(chǎn)的恒流源式模擬集成溫度傳感器。它兼有集成恒流源和集成溫度傳感器的特點(diǎn)，具有測量誤差小、動態(tài)阻抗高、響應(yīng)速度快、傳輸距離遠(yuǎn)、體積小、微功耗等優(yōu)點(diǎn)，適合遠(yuǎn)距離測溫、控溫，不需要進(jìn)行非線性校準(zhǔn)。 3． 2． 1 AD590 的性能特點(diǎn)與工作原理 AD590 屬于采用激光修正的精密集成溫度傳感器。該產(chǎn)品有 3種封裝形式：TO52 封裝、陶瓷封裝（測溫范圍是－ 55～＋ 150℃）、 TO92 封裝（測溫范圍是0～＋ 70℃）。 AD590 系列產(chǎn)品的外形及符號如圖 4所示。這類器件的外形與小 功率晶體管相仿，共有 3 個管腳： 1 腳為正極， 2 腳為負(fù)極， 3 腳接管殼。