【正文】 儲到數(shù)據(jù)庫并實時顯示,同時可以調(diào)出歷史數(shù)據(jù)進行顯示，也可以遠程在線修改下位機的參數(shù)。本章主要介紹溫度傳感器節(jié)點，其它部分在后續(xù)章節(jié)中將有詳細介紹。在工業(yè)生產(chǎn)中，熱電偶是應用最廣泛的測溫元件之一。熱電偶把兩種不同的金屬A和B構(gòu)成一個閉合電路，當兩個接觸端溫度不同，即TT0時,回路中會產(chǎn)生熱電勢EAB(T,T0),。 熱電偶接觸熱電勢示意圖當金屬材料A的自由電子密度比金屬材料B大，則有自由電子從A擴散到B，當擴散達到平衡時，這樣金屬材料A失去電子帶正電荷，而金屬材料B得到電子帶負電荷。 熱電偶的種類及結(jié)構(gòu)形成 常用熱電偶可分為標準熱電偶和非標準熱電偶兩大類。非標準化熱電偶在使用范圍或數(shù)量級上均不及標準化熱電偶，一般也沒有統(tǒng)一的分度表，主要用于某些特殊場合的測量。K型（鎳鉻—鎳硅）是使用量最大的廉金屬熱電偶，用量為其他熱電偶的總和。優(yōu)點是線性度好，熱電勢較大，靈敏度較高，穩(wěn)定性較好，抗氧化性強，價格便宜。但K型熱電偶不能在高溫下直接用于硫、還原性或還原、氧化交替的氣氛中，也不能用于真空中。其分度表如下： K型熱電偶分度表溫度（℃）0102030405060708090熱電動勢（mV）0100200300400500600。在設(shè)計模擬放大電路時,必須考慮電路的零點漂移、抗干擾等問題。放大器為高阻態(tài)運算放大器。RW5用于調(diào)節(jié)放大倍數(shù)。本設(shè)計采集的溫度為0到400℃，而A/D轉(zhuǎn)換的輸入電壓為0到5V，所以放大倍數(shù)為 （）從而RW5=。當熱電偶冷端處在溫度波動較大的地方時，必須首先使用冷端溫度補償導線將冷端延長到一個溫度穩(wěn)定的地方，再考慮將冷端處理為0℃。常用補償方法如下：1．補償導線法：補償導線在100℃以下的溫度范圍內(nèi)，具有與熱電偶相同的熱電特性，用它連接熱電偶可以起到延長熱電偶冷端的作用。由于這種方法特別麻煩，在工業(yè)生產(chǎn)中不適用，目前這種方法只在實驗室的精確測量和檢定熱電偶時使用。補償電橋的4個橋臂中有一個臂是銅電阻作為感溫元件，其余3個臂由阻值恒定的錳銅電阻制成。根據(jù)連接導體和中間溫度定律則有 （）可以用室溫計測出環(huán)境溫度T1，從分度表查出E（T1,0）的值，然后加上熱電偶回路熱電勢E（T,T1），得到E（T,0）值，反查分度表即可得到準確的被測溫度T值。 AD590及其放大電路由上一小節(jié)可知，軟件修正法中必須知道冷端溫度，所以必須測量冷端溫度，本設(shè)計用AD590傳感器采集冷端溫度。AD590溫度傳感器具有線性好、精度適中、靈敏度高、體積小、使用方便等優(yōu)點。AD590的測溫范圍為55℃～+150℃。輸出電阻為710M。AD590可以承受44V,正向電壓和20V反向電壓，因而器件反接也不會被損壞?！?。放大器的第I級由U1A和U2A等器件組成，主要用來提高整個放大電路的輸入阻抗。圖中是將U1A、U2A兩個同相輸入運放電路并聯(lián)，再與U3A差分輸入串聯(lián)的三運放差分放大電路，根據(jù)虛短、虛斷的概念，不難分析U1A、U2A前置放大電路僅對差模信號有放大作用，差模放大倍數(shù)為（RW3+R15+2R14）/（RW3+R15）倍。電路的另一個特點是對共模輸入信號沒有放大作用，共模電壓增益接近于零。當U1A和U2A有相等的漂移速率，且向同一方向漂移，那么漂移就作為共模信號出現(xiàn)，沒有被放大，還能被第二級抑制。U1A和U2A前置放大級的差模增益要做得盡可能高，相比之下，第二級的漂移和共模誤差就可以忽略，對放大器的要求就可以大大降低。在被測溫度一定時，AD590相當于一個恒流源，把它和5～30V的電源相連，并在輸出端串接一個1kΩ的恒值電阻R8，那么，此電阻上流過的電流將和被測溫度成正比，此時電阻兩端將會有1mV/K的電壓信號。通過RW1和RW2的調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)三運放的RW3，使Avd=50，RW3的接入電阻約為525Ω時，經(jīng)過三運放差分放大電路后，輸出的電壓與溫度的關(guān)系為 50mV/℃，即測量溫度為0℃時，輸出為0V，測量溫度為100℃時，輸出為5V。第三章 壓力傳感器節(jié)點壓力傳感器節(jié)點采集兩路壓力信號，轉(zhuǎn)化成電壓信號并放大成標準的電壓信號，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換送到單片機中進行處理并顯示。并可以通過鍵盤更改上、下限報警值和壓力的測量范圍。該傳感器具有體積小，結(jié)構(gòu)簡單，動態(tài)性能好，靈敏度高，能測出十幾帕的微壓，長期穩(wěn)定性好，滯后和蠕變小，頻率響應高，便于生產(chǎn)，成本低等優(yōu)點。MPX53DP壓力傳感器的核心部分是一塊圓形硅膜片，在膜片上，利用擴散工藝設(shè)置有4個阻值相等的電阻，用導線將其構(gòu)成平衡電橋。當膜片兩邊存在壓力差時，膜片產(chǎn)生變形，膜片各點產(chǎn)生應力。該電壓與膜片兩邊的壓力差成正比。MPX53DP壓力傳感器主要以氣壓測量為主，適合用于醫(yī)療器械，氣體壓力控制等領(lǐng)域。從圖中可知，實際曲線和理論曲線有一定的偏差，但這些偏差在正常范圍內(nèi)。本設(shè)計壓力測量范圍設(shè)計為0~30KPa，對應的輸出電壓為20mV~56 mV。圖中A4極其附屬電阻構(gòu)成了反同相比例運算電路，放大倍數(shù) （）其中RW3為接入電阻。調(diào)節(jié)RW3后，再調(diào)節(jié)RW2到合適的阻值，即可避免產(chǎn)生偏差電壓。第四章 單片機數(shù)據(jù)處理模塊單片機數(shù)據(jù)采集模塊主要負責對放大后信號的采集、處理、顯示、報警、看門狗及系統(tǒng)復位和通過鍵盤修改相關(guān)的數(shù)值。 芯片選擇本設(shè)計要求兩個下位機傳感器節(jié)點不但能接收A/D采樣信號，還能輸出送顯示，并且要求能與CAN控制器進行通信。它能夠滿足本設(shè)計的要求，故采用AT89C52作為下位采樣節(jié)點的主芯片?！婊?77?？撮T狗電路一般有軟件看門狗和硬件看門狗兩種。硬件看門狗是真正意義上的“程序運行監(jiān)視器”，如計數(shù)型的看門狗電路通常由555多諧振蕩器、計數(shù)器以及一些電阻、電容等組成，分立元件組成的系統(tǒng)電路較為復雜，運行不可靠。三種功能于一身的可編程控制電路。引腳有效。X5045具有體積小、反應速度快，抗干擾能力強、占用I/O口少和編程方便等優(yōu)點，本設(shè)計選用X5045作為看門狗芯片。如圖所示， ，用于片選TLC0832；，用于控制A/D的時鐘；由于A/D通道選擇和輸出采樣值的時間不同，所以可以把DI、用于通道選擇和逐位把采樣的數(shù)值送89C52，這樣也節(jié)省了單片機端口。X5045的CS、SO、SCK、就能通過單片機控制X5045。單片機外接12MHz的晶振作為內(nèi)部時鐘源。由于只使用片內(nèi)存儲器，所以/EA接高電平。其它電路連接如圖所示。二極管顯示主要用于報警顯示。LED數(shù)碼管由若干個發(fā)光二極管組成，能顯示出各種字符，常用的器件有7段或“米”字型數(shù)碼管。動態(tài)顯示，就是單片機定時地對顯示器件進行掃描。但由于人的視覺有暫留現(xiàn)象，所以，仍感覺所有的器件都在顯示。但它占用機市時長，只要單片機不執(zhí)行顯示程序，就立即停止顯示。靜態(tài)顯示就是在單片機一次輸出模型后，就能保持顯示結(jié)果，直到下次發(fā)送新的顯示模型為止。而且單片機不用如動態(tài)顯示那樣不間斷的去掃描，因而節(jié)省了大量機時，使單片機能運行其它的程序[7]。根據(jù)顯示的需要，使用5位LED數(shù)碼管串口靜態(tài)顯示電路，數(shù)碼管使用共陰極接法。鍵盤可分為編碼鍵盤和非編碼鍵盤兩種類型。它使用方便，接口簡單，響應速度快，但需要專用的硬件電路。這種方法雖然沒有編碼鍵速度快，但它不需要專用的硬件來支持，因此得到了廣泛的應用[7]。在鍵數(shù)較少時，可以使用獨立式鍵盤，即每個按鍵接一根輸入線，各鍵的工作狀態(tài)互不影響。鍵盤與單片機的I/O口連接時，單片機通過對I/O口進行掃描，而對鍵盤進行掃描的方法又可分為程控掃描法、中斷掃描法和定時掃描法。定時掃描方式是CPU每隔一定時間（如10ms）對鍵盤掃描一遍。當對時間要求嚴格時，可以使用中斷掃描法。 鍵盤設(shè)置本設(shè)計中由于用到的鍵數(shù)較多，所以使用4*4的矩陣鍵盤，使用軟件去抖。 KeyLock鍵是鎖鍵盤的，由于鍵盤不是經(jīng)常使用，而使用時必須占用數(shù)碼管顯示按下的鍵，同時也能防止鍵盤誤操作，有必要設(shè)定鎖鍵盤鍵。盡管KeyLock鍵能防止鍵盤誤操作，但當按錯鍵時就退出鍵盤處理，比較麻煩，所以最好有一個Delete取消鍵，用于在各個鍵之間切換，而不退出鍵盤處理。在實際的工業(yè)現(xiàn)場中，熱電偶由于各種原因造成損壞，必須更換熱電偶，同時也有可能在同一個測溫點要測量的溫度范圍也有可能發(fā)生變化，需要更換不同類型的熱電偶，所以在本設(shè)計設(shè)計的系統(tǒng)中可以在線更改熱電偶的線性化轉(zhuǎn)折點坐標值，在更改熱電偶的兩端折點時也就更改了熱電偶的測溫范圍，這樣，在要更換不同類型的熱電偶或更改熱電偶的測溫范圍時，就可以不用更換系統(tǒng)其它的部分，只要通過鍵盤更改折點就可以了。所以設(shè)定更改折點值的Tspot鍵。本設(shè)計通過4*4矩陣鍵盤的8個輸出口與89C52的P2口的8個輸入/輸出口相接，、 。看門狗定時器的預置時間是通過X5045的狀態(tài)寄存器的相應位來設(shè)定的。wd1＝0，wd0=0。 wd1＝1，wd0=0；。X5045在讀寫操作之前，需要先向它發(fā)出指令。X5045芯片內(nèi)包含有一個看門狗定時器，可通過軟件預置系統(tǒng)的監(jiān)控時間。 看門狗及復位電路，復位信號共有3個：上電復位(CR2)，人工復位(S、RR2)和watchdog復位(CR3)，通過或門綜合后加到單片機RST端。第五章 軟件編程 軟件編程概述軟件設(shè)計部分是本設(shè)計的重點。由于C51語言相對單片機匯編語言具有可讀性強，可移植性強，易學易用，便于修改維護等優(yōu)點，本設(shè)計采用C51進行下位機傳感器節(jié)點進行軟件編程。本設(shè)計的軟件編程主要是對溫度傳感器節(jié)點和壓力傳感器節(jié)點的采集部分的編程，由于基于CAN總線的遠程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的節(jié)點間的通信就是和采集部分在一起，所以本章也涉及CAN總線通信程序。在本章接下來的小節(jié)中，通過對溫度傳感器節(jié)點和壓力傳感器節(jié)點的算法分析，設(shè)計系統(tǒng)的軟件，源程序見附錄D。當有鍵盤輸入時，進入鍵盤處理子程序處理鍵盤的輸入，鍵盤主要是更改上、下限，更改溫度標度變換時的折點坐標，在鍵盤更改程序參數(shù)后，調(diào)用數(shù)據(jù)上傳函數(shù)把更改后的參數(shù)傳輸給上位機，以實現(xiàn)各個節(jié)點數(shù)據(jù)信息的同步。通過定時中斷程序把采集的溫度數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔还?jié)點。圖中CAN 控制器的復位，初始化，以及定時器T0、中斷的初始化都是為溫度傳感器節(jié)點與上位機節(jié)點通信做準備。等待按鍵釋放后，判斷是否是鎖鍵盤鍵按下了，若是則對鎖鍵盤標志位取反，退出循環(huán)。當鎖鍵盤標志位和鍵標志位都為1時，判斷是否是小數(shù)點鍵按下，若是則設(shè)置小數(shù)點標志位并送顯示，否則判斷是否是數(shù)字鍵，要是則調(diào)用數(shù)字鍵處理子程序，要不是則判斷是否是其它功能鍵按下，若是則進入相對應的功能鍵處理子程序，處理完后退出鍵盤處理子程序。初始化后判斷小數(shù)點標志位是否為1，若為1，則求出小數(shù)點后位數(shù)的個數(shù)再加1，賦給變量K，然后把新輸入的數(shù)字除以10的K次方后和原數(shù)值相加后就得到處理后的數(shù)值。子 溫度節(jié)點數(shù)字鍵處理子程序流程圖 更改折點處理子程序流程圖。然后設(shè)置更改折點標志位SpotFlag=1，以便按下確認鍵后通過判斷SpotFlag的值來更改折點坐標。若為flag1=1則與前面情況相同，同時還有可能出現(xiàn)兩種情況都不是的情況，直接退出。由于鍵盤中有幾個功能鍵，所以在按下確認鍵后首先判斷各功能鍵標志位，若某功能鍵標志位為1，則說明是對該功能鍵進行相關(guān)的操作。 溫度節(jié)點確認鍵處理子程序流程圖當輸入的毫伏電壓數(shù)組的數(shù)達到4個時，調(diào)用上傳溫度折點子程序，把鍵盤更改的折點傳輸?shù)缴衔粰C，以保持各節(jié)點的一致性。然后對相關(guān)標志位清零，退出鍵盤處理子程序。若上限報警標志位不為1，再判斷下限報警標志位是否為1，若不為1，退出鍵盤處理子程序，若為1，和上限報警標志位為1進行基本相同的操作，最后推出。 溫度節(jié)點采樣濾波子程序流程圖 溫度節(jié)點中值濾波子程序流程圖由于溫度等信號受環(huán)境的影響比較大，常使采樣值偏離真實值，所以在單片機系統(tǒng)中，常采用多次采集信號構(gòu)成的數(shù)據(jù)系列進行平滑加工，以提高其有用信號在采樣值中所占的比重，這樣能減少干擾，保證可靠行。本設(shè)計溫度節(jié)點采用的是中值濾波軟件濾波的方法，循環(huán)采樣3次，取中間值作為最終采樣值，這樣就減少了誤差。由第二章分析，本設(shè)計采用軟件補償?shù)姆椒ā? k型熱電偶冷端溫度補償子程序流程圖 溫度節(jié)點標度變換子程序流程圖。然后通過圖中所示的公式求出熱電偶采集來的毫伏電壓和AD590采集來的毫伏電壓，由可知，相加后得到的P就是冷端溫度補償后的毫伏熱電勢。本設(shè)計的K型熱電偶設(shè)計的初始測量范圍是0~400度，采用3段折線來近似原來的K型熱電偶的分度曲線。由于各個折點值都是可變的，所以把各個折點值存于數(shù)組中，這樣也有利于鍵盤對折點的修改，當進行標度變換時，通過數(shù)組參與運算。由于顯示的數(shù)值有測量到的溫度，也有鍵盤輸入的毫伏電壓，在顯示時就必須顯示小數(shù)部分。在判斷后求出處理后的數(shù)值各位上的數(shù)字，并把對應的字符代碼依次存于顯示字符數(shù)組中，接著判斷是否有小數(shù)點要顯示，要有，求出是那一位顯示小數(shù)點，再把該位顯示字符數(shù)組與0x80相與，就可最終在數(shù)碼管上顯示出來。若待顯示溫度值大于上限報警值，或者上限修改標志位為1，把H的字符代碼賦給led[4]，若不是，則判斷待顯示采樣溫度