【正文】 題目： 溫度采集器 班級： 生產(chǎn)過程自動(dòng)化 0901 姓名： 指導(dǎo)老師： 河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 I 摘 要 溫度是現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過程中的一個(gè) 重 要參數(shù) , 在生產(chǎn)過程中常需對溫度進(jìn)行檢測和監(jiān)控 ， 特別是在電力 、 化工等大型自動(dòng)化企業(yè)的生產(chǎn)過程中往往需要監(jiān)視和測量幾十個(gè)溫度參數(shù) 。 熱電阻隨溫度的變化而產(chǎn)生不同的電阻信號(hào)，電阻信號(hào)經(jīng)過恒定電流變成模擬電壓信號(hào)，單 片機(jī)內(nèi)部多路模擬開關(guān)電路對模擬信號(hào)進(jìn)行采集， A/D 轉(zhuǎn)換模塊 對采集到的信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，把轉(zhuǎn)換得到的數(shù)字信號(hào)按照順序分別送入單片機(jī)，單片機(jī)通過 RS485 現(xiàn)場總線實(shí)現(xiàn)與 PC 機(jī)的掛接。 PT100 Thermistor。 II 第 1 章 緒論 5 集成電路 (IC) 溫度傳感器 6 單片機(jī)的選擇 7 第 3 章 硬件設(shè)計(jì) 12 PWM 芯片 TOP220 工作原理 16 溫度值計(jì)算 16 主程序流程框圖 18 系統(tǒng)初始化子模塊程序設(shè)計(jì) 18 基于現(xiàn)場總線的溫度采集器的設(shè)計(jì) IV 第 5 章 使用工具介紹 27 參考文獻(xiàn) 29 附錄 B總體電路原理圖 在某些特殊的生產(chǎn)場合 (比如印染和煉油 )， 溫度參數(shù)測量和控制的精度直接影響后續(xù)產(chǎn)品的質(zhì)量 。除了上述傳統(tǒng)領(lǐng)域外，汽車、電子工業(yè)在國外也是單片機(jī)應(yīng)用十分廣泛的一 個(gè)領(lǐng)域。 現(xiàn)場總線系統(tǒng)由于采用了智能現(xiàn)場設(shè)備，能夠把原先 DCS中處于控制室的控制模塊、各輸入輸出模塊置于現(xiàn)場設(shè)備，加上現(xiàn)場設(shè) 備具有通信能力，現(xiàn)場的測量變送儀表可以與閥門等執(zhí)行機(jī)構(gòu)直接傳送信號(hào)，因而控制系統(tǒng)功能能夠不依賴控制室的計(jì)算機(jī)或控制儀表，直接在現(xiàn)場完成，實(shí)現(xiàn)了徹底的分散控制。 基于現(xiàn)場總線的溫度采集器的設(shè)計(jì) 2 （ 3）智能化：隨著人工智能、專家系統(tǒng)、自適應(yīng)、預(yù)測和推理等先進(jìn)控制技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用， DCS也適時(shí)地融合這些新技術(shù)，實(shí)現(xiàn)先進(jìn)的智能化控制功能。 （ 5）容錯(cuò)以太網(wǎng) (FTE)：傳統(tǒng) DCS 用兩條獨(dú)立網(wǎng)絡(luò) (A， B)實(shí)現(xiàn)冗余，兩臺(tái)設(shè)備之間只有一條通信路徑，其本質(zhì)是單條網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行，故障時(shí)整條網(wǎng)絡(luò)切換 (A到 B或 B到 A)，切換時(shí)間長，可靠性低。 （ 7）數(shù)字視頻技術(shù)：通過攝像頭采集現(xiàn)場圖像信息，再通過圖像識(shí)別軟件，進(jìn)行圖像處理，發(fā)現(xiàn)異常圖像，立即發(fā)出報(bào)警信號(hào)，具有自動(dòng)錄像和錄像回放功能，便于事故分析，并將數(shù)字視頻技術(shù)與操作監(jiān)控軟件融為一體。 Honeywell 公司的 Experion PKS R300 控制站是上述先進(jìn)控制站的代表之一。在現(xiàn)代社會(huì)中，溫度河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 3 控制不僅應(yīng)用在工廠生產(chǎn)方面，其作用也體現(xiàn)到了各個(gè)方面。 基于現(xiàn)場總線的溫度采集器的設(shè)計(jì) 4 第 2 章 設(shè)計(jì)方案選擇與論證 設(shè)計(jì)要求及技術(shù)指標(biāo) 本課題要求設(shè)計(jì)出能夠 支持 MODBUS 協(xié)議的 RS485 現(xiàn)場總線通信 的熱阻型溫度采集模塊，該模塊能夠通過現(xiàn)場總線與工控計(jì)算機(jī)掛接。 該溫度采集 模塊能夠?qū)?6 點(diǎn)溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，采用支持 MODBUS 工業(yè)現(xiàn)場總線協(xié)議的 RS485光電隔離接口與 PC機(jī)進(jìn)行通信。 采集放大電路：將熱電阻信號(hào)轉(zhuǎn)換為 02v的模擬電壓信號(hào) ,用來測量溫度； 主控單元：采用 C8051F410 單片機(jī)作為整個(gè)電路的核心 ,控制采集 通道的選擇 ,數(shù)據(jù)的處理并與 RS485接口電路相連接 ,進(jìn)行數(shù) 據(jù)的傳輸和通信； RS485 接口電路：實(shí)現(xiàn) PC 機(jī)與現(xiàn)場總線模塊之間的通訊； 電源電路：將 220VAC 通過開關(guān)電源穩(wěn)壓電路輸出 +5V和 5V 電壓 ,給模塊中的各部分電路提供工作電源。其優(yōu)點(diǎn)是： 1． 測量精度高。 3． 構(gòu)造簡單，使用方便。集成電路溫度傳感器利用了半導(dǎo)體 PN 結(jié)電流電壓特性和溫度的相關(guān)性 , 和熱敏電阻、熱電偶相比 , 最大優(yōu)點(diǎn)是輸出線性好 , 測溫精度較高。 RS232 被定義為一種在低速率串行通訊中增加通訊距離的單端標(biāo)準(zhǔn)。典型的 RS422 是四線接口。接收器輸入阻抗為 4k，故發(fā)端最大負(fù)載能力是 104k+100Ω（終接電阻）。只有在很短的距離下才能獲得最高速率傳輸。終接電阻接在傳輸電纜的最遠(yuǎn)端。 RS485 與 RS422 的不同還在于其共模輸出電壓是不同的， RS485 是 7V至 +12V之間，而 RS422 在 7V至+7V 之間， RS485 接收器最小輸入阻抗為 12k， RS485 滿足所有 RS422 的規(guī)范，所以RS485 的驅(qū)動(dòng)器可以用在 RS422 網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用。一般 100 米長雙絞線最大傳輸速率僅為 1Mb/s RS485 需要 2 個(gè)終接電阻，其阻值要求等于傳輸電纜的特性阻抗。 RS422A 雙機(jī)通訊需四芯傳輸線，這對 工業(yè)現(xiàn)場的長距離通信是很不經(jīng)濟(jì)的，因此采用 RS485 串行 通訊 接口 。 C8051F410 內(nèi)部有一個(gè) 12 位 SAR ADC 和一個(gè) 27 通道單端輸入多路選擇器，該ADC 的最大轉(zhuǎn)換速率為 200ksps。 C8051F410 內(nèi)部 24 個(gè) I/O引腳，端口引腳被組織為三個(gè) 8 位端口。在標(biāo)準(zhǔn) 8051 中固定的“弱上拉”可以被單獨(dú)或總體禁 止，以降低功耗。 單片機(jī)接口電路 C8051F410單片機(jī)接口如圖 31。 GND 為地接口。 熱電阻測溫模塊 原理 框圖 如圖 32。 在圖 33中 3 腳電壓為 V+， 2 腳電壓為 V，輸出電壓為 Vo，則由虛斷可知 V+ = V，虛短可知 I+ = I。 由于設(shè)計(jì)的控制器具備現(xiàn)場總線通信功能，支持 MODBUS 協(xié)議與組態(tài)軟件直接掛接 ,因此設(shè)計(jì)了 RS485 通信接口電路。任一時(shí)刻， SP3485 芯片中的“ 接收器”和“ 發(fā)送器” 只能夠有一個(gè)處于工作狀態(tài)。模擬電路以及 AD 轉(zhuǎn)換電路與數(shù)字電路的信號(hào)聯(lián)系都通過 6N137。 圖 36 光電 隔離接口電路 開關(guān)電源電路 PWM 芯片 TOP220工作原理 該芯片僅有漏極端 、控制端和源極端三個(gè)管腳 。芯片實(shí)現(xiàn)脈寬調(diào)制的工作原理啟動(dòng)操作時(shí) ,漏極端 由內(nèi)部電流源提供偏置電流流入芯片 ,提供開環(huán)輸入 ,該輸人通過旁路調(diào)整誤 差放大器時(shí) ,控制端實(shí)現(xiàn)閉環(huán)調(diào)整 ,通過改變 ,經(jīng)由控制的輸出占空比 ,達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡 ,實(shí)現(xiàn)脈寬調(diào)制原理 。實(shí)際上，開關(guān)穩(wěn)壓電源的核心部分是一個(gè)直流變 換器。 直流變換器是把直流轉(zhuǎn)換成交流，然后又把交流轉(zhuǎn)換成直流的裝置。在圖 38 所示的開關(guān)穩(wěn)壓電源電路中，晶體管Ｖ受激勵(lì)信號(hào)的控制，交替地工作在導(dǎo)通 截止和截止 導(dǎo)通的開關(guān)狀態(tài)，晶體管Ｖ的功耗很小，由于頻率高，電感量要 求小，變壓器的銅損小，所以電源的效率可以大幅度地提高，能達(dá)到80％。所以開關(guān)穩(wěn)壓電源的體積小、重量輕。這樣，開關(guān)穩(wěn)壓電源不僅具有穩(wěn)壓范圍寬的優(yōu)點(diǎn)，而且實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓的方法也較多，設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的要求，靈活地選用各種類型的開關(guān)穩(wěn)壓電源。在相同的紋波輸出電壓的要求下，采用開關(guān)穩(wěn)壓電源時(shí)，濾波電容的容量只是線性穩(wěn)壓電源中濾波電容容量的 1/200～ 1/400，隨著頻率的增加會(huì)更小。 市電 220VAC 供電的開關(guān)電源是應(yīng)用最多的開關(guān)電源，在眾多用于市電 220VAC 供電的開關(guān)電源集成電路中，最有代表性的是 Power Integrations 公司生產(chǎn)的 TOP2XX 系列新型開關(guān)電源集成電路，該系列器件的特點(diǎn)是構(gòu)成開關(guān)電源的外圍電路少，可靠性高。 U5 為光電隔離器。由于電阻值與溫度值之間是非線性關(guān)系 ， 為了克服非線性誤差以提高測量精度 ， 減少分度表的存儲(chǔ)量 ， 用二次插值算法計(jì)算溫度數(shù)值。傳輸?shù)牡谝粋€(gè)字節(jié)是設(shè)備地址 ，網(wǎng) 絡(luò)設(shè)備不斷偵測網(wǎng)絡(luò)總線。整個(gè)消息幀必須作為一連續(xù)的流傳輸。對于 被呼叫的遠(yuǎn)程終端設(shè)備 ， 它的具體應(yīng)答格式如表 42所示 : 表 42被呼叫的遠(yuǎn)程終端設(shè)備的應(yīng)答格式 設(shè)備地址 功能代碼 數(shù)據(jù)數(shù)量 數(shù)據(jù) 1 ???? 數(shù)據(jù) n CRC 高位 CRC 低位 基于現(xiàn)場總線的控制器只使用了 03命令和 06 命令。如果讀取多個(gè)字節(jié) ,那么一定是一組地址連續(xù)的數(shù)據(jù) ,從設(shè)備 03 命令應(yīng)答格式如表 43所示 : 表 43 主設(shè)備的 03命令發(fā)送格式 設(shè)備地址 功能代碼 數(shù)據(jù)起始 地址高位 數(shù)據(jù)起始 地址低位 讀取的數(shù)據(jù)寄存器個(gè)數(shù)高位 讀取的數(shù)據(jù)寄存器個(gè)數(shù)低位 CRC16校驗(yàn) 1個(gè)字節(jié) 03 1個(gè)字節(jié) 1個(gè)字節(jié) 1個(gè)字節(jié) 1個(gè)字節(jié) 2個(gè)字節(jié) 表 44 03命令應(yīng)答格式 設(shè) 備 地址 功 能 代碼 返回?cái)?shù)據(jù)字節(jié)計(jì)數(shù) 數(shù)據(jù) 1 高位 數(shù)據(jù) 1 低位 ? 數(shù)據(jù) n 高位 數(shù)據(jù) n 低位 CRC16校驗(yàn) 1 個(gè)字節(jié) 03 2 個(gè)字節(jié) 1 個(gè)字節(jié) 1 個(gè)字節(jié) ? 1 個(gè)字節(jié) 1 個(gè)字節(jié) 2 個(gè)字節(jié) 主設(shè)備的 06 命令發(fā)送格式如表 45 所示 ,06 命令僅支持一個(gè)輸出寄存器的刷新 ,要求從機(jī)把原樣數(shù)據(jù)發(fā)回作為應(yīng)答。系統(tǒng)初始化子程序框圖如圖 42所示。通訊程序程序框圖如圖 43 所示。新的可定制設(shè)計(jì)環(huán)境功能包括雙顯示器支持，可固定、浮動(dòng)以及彈出面板，強(qiáng)大的過濾和對象定位功能及增強(qiáng)的用戶界面等。 Protel DXP 2021 已不是單純的 PCB（印制電路板）設(shè)計(jì)工具，而是由多個(gè)模塊組成的系統(tǒng)工具，分別是 SCH（原理圖）設(shè)計(jì)、 SCH（原理圖）仿真、 PCB（印制電路板）設(shè)計(jì)、 Auto Router（自動(dòng)布線器）和 FPGA設(shè)計(jì)等，覆蓋了以 PCB為核心的整個(gè)物理設(shè)計(jì)。 2. 版本控制 可直接由 Protel 設(shè)計(jì)管理器轉(zhuǎn)換到其他設(shè)計(jì)系統(tǒng)，這樣設(shè)計(jì)者可方便地將 Protel DXP 2021 中的設(shè)計(jì)與其他軟件共享。 4. 新的文件管理模式 Protel DXP 2021 提供三種文件管理模式。雖在先前版本的 Schematic中就已提供定義電路板的功能，可是都沒有實(shí)際的作用。 9. 改善加強(qiáng)板層分割功能 Protel DXP 2021 提供了加強(qiáng)的板層分割功能，對于板層的分割自動(dòng)以不同顏色來表示，讓設(shè)計(jì)者更容易辨別與管理。 Protel DXP 工作界面如圖 51。 Multisim9 組成： 1． ――― 構(gòu)建仿真電路 2． ――― 仿真電路環(huán)境 3． multi mcu 單片機(jī)仿真 4． ――FPGA 、 PLD， CPLD 等仿真 5． ――FPGA 、 PLD， CPLD 等仿真 6． ―― 通信系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)的模塊 7． ―― PCB 設(shè)計(jì)模塊：直觀 、層板 32 層、快速自動(dòng)布線、強(qiáng)制向量和密度直方圖 河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 25 8． －（自動(dòng)布線模塊） 仿真的內(nèi)容： 1． 器件建模及仿真； 2． 電路的構(gòu)建及仿真； 3． 系統(tǒng)的組成及仿真； 4． 儀表儀器原理及制造仿真。它很適用于如 ?信號(hào)與系統(tǒng) ?、 ?通信 ?、 ?網(wǎng)絡(luò) ?等課程，難度適合從一般介紹到高級。 儀表儀器的原理及制造仿真：可以任意制造出屬于自己的虛 擬儀器、儀表，并在計(jì)算機(jī)仿真環(huán)境和實(shí)際環(huán)境中進(jìn)行使用。電阻值與溫度成非線性關(guān)系，而且實(shí)際電路參數(shù)均有非線性誤差，為了提高測量精度克服非線性誤差，采用二次插值算法計(jì)算溫度數(shù)值，從而達(dá)到了測溫分辨率 ℃，測溫精度 ℃的高精度溫度測