【正文】 基于 CAN 總線的溫度測控系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 畢業(yè)論文 畢 業(yè) 論 文 題目 基于 CAN 總線的溫度測控系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 姓 名 所在學(xué)院計(jì)算機(jī)與電氣自動(dòng)化學(xué)院 所學(xué)專業(yè) 電氣工程及其自動(dòng)化 班 級(jí) 09 電氣工程 學(xué) 號(hào) 指導(dǎo)教師 完成時(shí)間 72020 年 5 月 基于 CAN 總線的溫度測控系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 摘要 溫度控制系統(tǒng)是通過各種儀器設(shè)備保證所控制的環(huán)境溫度保持在規(guī)定的范圍內(nèi)以滿足所需要求的調(diào)控設(shè)備傳統(tǒng)的多點(diǎn)溫控系統(tǒng)雖然相較于單點(diǎn)溫控系統(tǒng)誤差小速度快精度高工作強(qiáng)度低效率高節(jié)省了人力物力但由于集散式控制系統(tǒng)大多采用 RS485 總線來連接多個(gè)節(jié)點(diǎn)雖然能夠一對(duì)多通信但掛載的節(jié)點(diǎn)少且節(jié)點(diǎn)越多通信效率越低另外隨著計(jì)算機(jī)和微處理器的飛速發(fā)展人們對(duì)溫度控制要求更高所需要的單片機(jī)也在不停的更新?lián)Q代中傳統(tǒng)控制系統(tǒng)中所用的 8 位或 16位單片機(jī)的容量效率速度已經(jīng)不能滿足高質(zhì)量控制溫度的 要求利用 CAN 總線我們可以實(shí)現(xiàn)多節(jié)點(diǎn)高精度高效率的溫度控制 本論文利用所學(xué)單片機(jī)自動(dòng)控制原理以及現(xiàn)代檢測技術(shù)及其相關(guān)知識(shí)并結(jié)合 CAN總線通訊相關(guān)資料設(shè)計(jì)了基于 CAN總線的溫度控制系統(tǒng)論文的主要工作如下第一以 ARM 處理器作為控制的主體實(shí)現(xiàn)了溫度測量數(shù)據(jù)采集和傳輸調(diào)節(jié)溫度的下位機(jī)第二利用 CAN總線的通信模塊實(shí)現(xiàn)了 PC機(jī)與下位機(jī)的傳輸?shù)谌?PC機(jī)的各種軟件實(shí)現(xiàn)了溫度的動(dòng)態(tài)曲線顯示功能第四通過 PID 控制即比例微分控制實(shí)現(xiàn)溫度的控制與調(diào)整通過 CAN 總線的溫度控制實(shí)現(xiàn)溫控的智能化 關(guān)鍵詞溫度控制系統(tǒng) CAN 總線 ARM 處 理器 PID 控制 ABSTRACT The temperature control system is through a variety of instruments and equipment to ensure that the control of the environment temperature is kept within specified limits to meet the needs of control equipment requirements Multipoint temperature control system of traditional although pared with a single point temperature control system the error is small fast speed high precision low work intensity high efficiency save manpower and material resources but because of the distributed control system mostly adopts RS485 bus to connect to multiple nodes although the onetomany munication but the node less and more nodes munication efficiency is low In addition along with the rapid development of puter and microprocessor the higher the temperature control requirements the SCM are constantly updated capacity efficiency speed of 8 or 16 bits MCU used in traditional control system has been unable to meet the high quality control temperature requirements Using CAN bus we can realize multiple nodes high precision high temperature control In this paper using the singlechip microputer automatic control theory and modern testing technology and the related knowledge and the bination of CAN bus munication related information design a temperature control system based on CAN bus The main work is as follows first using ARM processor as the control subjects the lower temperature measurement data acquisition and transmission temperature regulation second the transmission of PC machine and the lower position machine by munication module based on CAN bus third to achieve the dynamic curve of temperature display function using a variety of software PC machine fourth through the PID control that proportional differential control and MATLAB simulation control and adjustment of temperature The temperature is controlled via the CAN bus realize the intelligent temperature control Keywordstemperature control systemCAN busARM processorPID control 目錄 1 緒論 1 11 課題背景及意義 1 課題背景 1 課題意義 1 12 溫度控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢 1 13 課題研究內(nèi)容 2 2 總體方案 3 21 溫度控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 3 22 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng) 4 23 智能節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì) 4 24 溫度控制算法 5 25 小結(jié) 5 3 相關(guān)技術(shù)簡介 6 31 CAN 總線簡介 6 CAN 總線的工作原理 6 CAN 總線的特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn) 6 CAN 總線協(xié)議 7 32 ARM 處理器簡介 8 ARM 處理器的特點(diǎn) 8 STM32F103 處理器 9 STM32F103 的主要構(gòu)成 9 33 PID 控制簡介 10 模擬 PID 控制 10 比例 P 積分 I 微分 D 控制 11 數(shù)字 PID 控制 12 積分分離的 PID 控制算法 13 34 溫度傳感器 DS18B20 簡介 15 DS18B20 的連接設(shè)計(jì) 16 DS18B20 的測溫原理 16 35 小結(jié) 18 4 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 19 41 下位機(jī)的硬件設(shè)計(jì) 19 CAN 接口的連接設(shè)計(jì) 19 LCD 顯示接口 20 協(xié)議轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì) 20 42 上位機(jī)的硬件設(shè)計(jì) 22 串口通信 22 43 小結(jié) 23 5 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 24 51 下位機(jī)的軟件設(shè)計(jì) 24 CAN 接口的軟件設(shè)計(jì) 24 轉(zhuǎn)換器的軟件設(shè)計(jì) 25 52 上位機(jī)的軟件設(shè)計(jì) 27 串口通信 27 界面通信軟件實(shí)現(xiàn) 29 PC 界面 30 實(shí)驗(yàn)的調(diào)試方法 31 53 小結(jié) 31 結(jié)論 32 致謝 33 參考文獻(xiàn) 34 附錄 35 1 緒論 11 課題背景及意義 課題背景 溫度控制器屬于信息技術(shù)的前沿尖端產(chǎn)品在各個(gè)領(lǐng)域都有積極的意義在日常生活中工業(yè)生產(chǎn)中起到了重要的作用 溫度控制系統(tǒng)根據(jù)用戶所需溫度與測量溫度只差值來控制加熱器運(yùn)作從而達(dá)到改變用戶所需溫度的目的很多行業(yè)有大量的溫控加熱設(shè)備用于合成各種所需物品化工廠需要控制溫度防止化學(xué)物質(zhì)在一定溫度下反應(yīng)爆炸現(xiàn)代智能樓宇為了迎合人們的需求需要保持在適宜的溫度以內(nèi)等等隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展和現(xiàn)代化管理水平的提高傳統(tǒng)的溫度控制不僅效率低誤差高而且安全性能小占用人力資源多因此需要一種安全可靠高效率高精度的溫度控制系統(tǒng) 課題意義 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)農(nóng)業(yè)甚至家庭領(lǐng)域當(dāng)中其地位越來越高而計(jì)算機(jī)的發(fā)展離不開微處理的不斷改進(jìn)和 創(chuàng)造通過提高微處理器的性能使得計(jì)算機(jī)在處理數(shù)據(jù)時(shí)的速度精度有了很大的改進(jìn)實(shí)現(xiàn)了類似非線性時(shí)變的參數(shù)分布的最優(yōu)控制等的各種復(fù)雜系統(tǒng)的處理 CAN Controller Area Network 總線是國際上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場總線之一它是一種有效支持分布式控制或?qū)崟r(shí)控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)其高性能和高可靠性已被認(rèn)同并被廣泛的應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化船舶醫(yī)療設(shè)備工業(yè)設(shè)備等方面 ARMAdvanced RISC MachinesPID 比例 積分 微分控制器作為最早實(shí)用化的控制器已有 70 多年歷史現(xiàn)在仍然是應(yīng)用最廣泛的工業(yè)控制器簡單易懂使 用中不需精確的等先決條件因而成為應(yīng)用最為廣泛的控制器網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)通信實(shí)時(shí)性強(qiáng) 2 總體方案 21 溫度控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 溫度控制系統(tǒng)一般由 PC界面顯示控制端 PC與 CAN網(wǎng)絡(luò)連接的轉(zhuǎn)換器下位機(jī)智能節(jié)點(diǎn)構(gòu)成其系統(tǒng)框圖如圖 21 所示 圖 21 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 各級(jí)的說明如下 PC 機(jī) 可以反映系統(tǒng)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)的溫度曲線并發(fā)送控制命令具有監(jiān)控的功能 協(xié)議轉(zhuǎn)換器 通過協(xié)議轉(zhuǎn)換器達(dá)到了轉(zhuǎn)換協(xié)議連接上位機(jī)和下位機(jī)的目的 智能節(jié)點(diǎn) 智能節(jié)點(diǎn)有顯示 LCD顯示溫度采集溫度傳感器控制驅(qū)動(dòng)電路 CAN通信的作用 執(zhí)行機(jī)構(gòu) 通過和所 需溫度比較進(jìn)而修正環(huán)境溫度 22 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng) 控制系統(tǒng)自誕生開始經(jīng)歷了由簡單到復(fù)雜由機(jī)械到智能的發(fā)展第一代控制系統(tǒng)是氣動(dòng)信號(hào)控制系統(tǒng) PCS 第二代控制系統(tǒng)是電動(dòng)系統(tǒng)模擬信號(hào)控制第三代是數(shù)字化計(jì)算機(jī)集中控制系統(tǒng)第四代是集散控制系統(tǒng) DCS 而今我們廣泛應(yīng)用的是第五代現(xiàn)場總線控制系統(tǒng) FCS[2] 現(xiàn)場總線是連接智能現(xiàn)場設(shè)備和控制室系統(tǒng)全數(shù)字化雙向傳輸多分枝結(jié)構(gòu)的通信網(wǎng)絡(luò)它的出現(xiàn)標(biāo)志著工控領(lǐng)域的一個(gè)新的發(fā)展被公認(rèn)為自動(dòng)化的計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)它實(shí)現(xiàn)了與現(xiàn)場設(shè)備和控制室設(shè)備雙向多信息交換不僅是一個(gè)基層網(wǎng)絡(luò)而且是開放的新的 全分布式控制系統(tǒng)是一個(gè)集智能傳感控制計(jì)算機(jī)數(shù)字通信技術(shù)為一體的技術(shù)將現(xiàn)場總線應(yīng)用于控制系統(tǒng)會(huì)帶來性能和結(jié)構(gòu)的改善而在現(xiàn)場總線中應(yīng)用最廣泛的就是 CAN總線本課題中設(shè)計(jì)的溫控系統(tǒng)正是在 CAN總線的連接下實(shí)現(xiàn)功能工作的 23 智能節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)可控制多個(gè)節(jié)點(diǎn)顯示不同節(jié)點(diǎn)的溫度曲線下位機(jī)作為控制系統(tǒng)的核心來實(shí)現(xiàn)控制它是基于 ARM 處理器的智能節(jié)點(diǎn)下面以單個(gè)節(jié)點(diǎn)為例介紹它的組成及設(shè)計(jì)通過它來采集現(xiàn)場溫度數(shù)據(jù)并控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成溫度的只能控制主要由 ARM處理器 CAN通信模塊溫度傳感器執(zhí)行機(jī)構(gòu) LCD顯示和下載接口構(gòu)成其中 溫度傳感器采集外界環(huán)境的溫度數(shù)據(jù)并將模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量 CAN 驅(qū)動(dòng)芯片用來增強(qiáng)處理器內(nèi)嵌的 CAN 控制器的差分接收發(fā)送能力使之正常工作通過溫度傳感器采集來的溫度數(shù)據(jù)經(jīng)過算法與標(biāo)準(zhǔn)值比對(duì)產(chǎn)生差值來通過執(zhí)行機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)溫度最后的 LCD 顯示可以把當(dāng)前的溫度數(shù)值顯示出來一