【正文】 中的一個 重 要參數(shù) , 在生產(chǎn)過程中常需對溫度進行檢測和監(jiān)控 ， 特別是在電力 、 化工等大型自動化企業(yè)的生產(chǎn)過程中往往需要監(jiān)視和測量幾十個溫度參數(shù) 。 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 。 熱電阻隨溫度的變化而產(chǎn)生不同的電阻信號，電阻信號經(jīng)過恒定電流變成模擬電壓信號，單 片機內(nèi)部多路模擬開關(guān)電路對模擬信號進行采集， A/D 轉(zhuǎn)換模塊 對采集到的信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，把轉(zhuǎn)換得到的數(shù)字信號按照順序分別送入單片機，單片機通過 RS485 現(xiàn)場總線實現(xiàn)與 PC 機的掛接。單片機通過現(xiàn)場總線能夠把溫度值以 MODBUS 協(xié)議的形式發(fā)送給 PC 機，實現(xiàn)了工控計算機的現(xiàn)場總線集中管理。 PT100 Thermistor。 II 第 1 章 緒論 1 溫度采集技術(shù)現(xiàn)狀 5 熱電阻溫度傳感器 5 集成電路 (IC) 溫度傳感器 5 通信接口的選擇 6 RS422 串行通訊接口 6 單片機的選擇 7 第 3 章 硬件設(shè)計 8 單片機接口電路 8 恒流源電路仿真 11 6N137 光電隔離電路 12 PWM 芯片 TOP220 工作原理 16 溫度值計算 16 主程序流程框圖 18 系統(tǒng)初始化子模塊程序設(shè)計 18 基于現(xiàn)場總線的溫度采集器的設(shè)計 IV 第 5 章 使用工具介紹 27 參考文獻 28 附錄 A PT100 鉑電阻的溫度和阻值對應(yīng)關(guān)系表 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 。單片機主要用于控制，它的應(yīng)用領(lǐng)域遍及各行各業(yè)，大到航天飛機，小至日常生活中的冰箱、彩電，單片機都可以大顯其能。除了上述傳統(tǒng)領(lǐng)域外，汽車、電子工業(yè)在國外也是單片機應(yīng)用十分廣泛的一 個領(lǐng)域。 現(xiàn)場總線是將自動化最底層的現(xiàn)場控制器和現(xiàn)場智能儀表設(shè)備互連的實時控制通訊網(wǎng)絡(luò)，遵循 ISO的 OSI 開放系統(tǒng)互連參考模型的全部或部分通訊協(xié)議。 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)行機構(gòu)直接傳送信號，因而控制系統(tǒng)功能能夠不依賴控制室的計算機或控制儀表，直接在現(xiàn)場完成，實現(xiàn)了徹底的分散控制。 DCS提供了從生產(chǎn)現(xiàn)場到車間，再從工廠到公司，最后到企業(yè)集團的整個信息通道，充分體現(xiàn)了信息的全面性、準確性和實時性。 基于現(xiàn)場總線的溫度采集器的設(shè)計 2 （ 3）智能化：隨著人工智能、專家系統(tǒng)、自適應(yīng)、預測和推理等先進控制技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用， DCS也適時地融合這些新技術(shù)，實現(xiàn)先進的智能化控制功能。開放式網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵是網(wǎng)絡(luò)安全，傳統(tǒng) DCS 采用軟件防火墻，現(xiàn)代 DCS 不僅有軟件防火墻，而且有硬件防火墻 ，既保證網(wǎng)絡(luò)安全開放，又保證監(jiān)控層的實時性。 （ 5）容錯以太網(wǎng) (FTE)：傳統(tǒng) DCS 用兩條獨立網(wǎng)絡(luò) (A， B)實現(xiàn)冗余，兩臺設(shè)備之間只有一條通信路徑，其本質(zhì)是單條網(wǎng)絡(luò)運行，故障時整條網(wǎng)絡(luò)切換 (A到 B或 B到 A)，切換時間長，可靠性低。 （ 6）無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)：支持手持移動無線操作站，將無線技術(shù)與控制技術(shù)融為一體，進行現(xiàn)場操作監(jiān)控、故障處理和儀 表校驗，實現(xiàn)操作與維護的無縫集成。 （ 7）數(shù)字視頻技術(shù)：通過攝像頭采集現(xiàn)場圖像信息，再通過圖像識別軟件，進行圖像處理，發(fā)現(xiàn)異常圖像，立即發(fā)出報警信號，具有自動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。 （ 8）先進控制站： DCS的基礎(chǔ)是控制站，為了進一步提高控制站的可靠性、穩(wěn)定性和安全性，增強控制站的功能，而 采用了一系列先進技術(shù)。 Honeywell 公司的 Experion PKS R300 控制站是上述先進控制站的代表之一。溫度采集與控制，在保證產(chǎn)品質(zhì)量、節(jié)約能源和安全生產(chǎn)等方面起著關(guān)鍵的作用。在現(xiàn)代社會中，溫度河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院畢業(yè)設(shè)計說明書 3 控制不僅應(yīng)用在工廠生產(chǎn)方面，其作用也體現(xiàn)到了各個方面。尤其是用單片機控制器改造落后的設(shè)備具有性價比高、提高設(shè)備的使用壽命、提高設(shè)備的自動化程度的特點。 基于現(xiàn)場總線的溫度采集器的設(shè)計 4 第 2 章 設(shè)計方案選擇與論證 設(shè)計要求及技術(shù)指標 本課題要求設(shè)計出能夠 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)場總線與工控計算機掛接。 10%； ： 45～ 85℃； ： ≤ 85%； ： RS485 現(xiàn)場總線。 該溫度采集 模塊能夠?qū)?6 點溫度進行實時采集，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機進行通信。 220VAC C8051F410 單片機 多路模擬開關(guān) RS485 接口電路 PC機 開關(guān)電源電路 PT100(1) 信號放大 (1) 信號放大 (2) PT100(2) PT100(6) 信號放大 (6) . . . . . . +5V 5V GND A/D接口 圖 21 實施方案原理框圖 河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院畢業(yè)設(shè)計說明書 5 根據(jù)上述研究內(nèi)容和技術(shù)要求，采用圖 21所示設(shè)計方案。 采集放大電路：將熱電阻信號轉(zhuǎn)換為 02v的模擬電壓信號 ,用來測量溫度； 主控單元：采用 C8051F410 單片機作為整個電路的核心 ,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 ,進行數(shù) 據(jù)的傳輸和通信； RS485 接口電路：實現(xiàn) PC 機與現(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。因為 C8051F410單片機中自帶 A/D轉(zhuǎn)換接口，因此不需要單獨設(shè)計 A/D 轉(zhuǎn)換電路。其優(yōu)點是： 1． 測量精度高。 2． 測量范圍廣。 3． 構(gòu)造簡單，使用方便。 集成電路 (IC) 溫度傳感器 集成電路 (IC) 溫度傳感器性能離散度很大 , 用于高精度測量時 , 必須進行校準。集成電路溫度傳感器利用了半導體 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)點是輸出線性好 , 測溫精度較高。 題目設(shè)計要求輸入信號為 PT100；測溫分辨為 ℃；測溫精度為 ℃；綜合以上因素考慮選擇 熱電 阻溫度傳感器 (PT100)。 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準。 如果雙機通訊距離在 30m 之內(nèi)，可利用 RS232 標準接口實現(xiàn)點對點的雙機通訊。典型的 RS422 是四線接口。由于接收器采用高輸入阻抗和發(fā)送驅(qū)動器比 RS232 更強的驅(qū)動能力，故允許在相同傳輸線上連 接多個接收節(jié)點，最多可接 10 個節(jié)點。接收器輸入阻抗為 4k，故發(fā)端最大負載能力是 104k+100Ω（終接電阻）。 RS422 的最大傳輸距離為1219 米，最大傳輸速率為 10Mb/s。只有在很短的距離下才能獲得最高速率傳輸。 RS422 需要一終接電阻，要求其阻值約等于傳輸電纜的特性阻抗。終接電阻接在傳輸電纜的最遠端。如都采用平衡傳輸方式、都需要在傳輸線上接終接電阻等。 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)動器可以用在 RS422 網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用。平衡雙絞線的長度與傳輸速率成反比，在100kb/s 速率以下，才可能使用規(guī)定最長的電纜長度。一般 100 米長雙絞線最大傳輸速率僅為 1Mb/s RS485 需要 2 個終接電阻，其阻值要求等于傳輸電纜的特性阻抗。終接電阻接在傳輸總線的兩端。 RS422A 雙機通訊需四芯傳輸線，這對 工業(yè)現(xiàn)場的長距離通信是很不經(jīng)濟的，因此采用 RS485 串行 通訊 接口 。 擴展的中斷系統(tǒng)允許大量的模擬和數(shù)字外設(shè)獨立于微控制器工作，只在必要時中斷微控制器。 C8051F410 內(nèi)部有一個 12 位 SAR ADC 和一個 27 通道單端輸入多路選擇器，該ADC 的最大轉(zhuǎn)換速率為 200ksps。端口 0~2 可以作為 ADC 的輸入；另外，片內(nèi)溫度傳感器的輸出和電源電壓（ VDD）也可以作為 ADC 的輸入。 C8051F410 內(nèi)部 24 個 I/O引腳，端口引腳被組織為三個 8 位端口。每個端口引腳都可以被配置為數(shù)字或模擬 I/O引腳。在標準 8051 中固定的“弱上拉”可以被單獨或總體禁 止，以降低功耗。因此選擇 C8051F410 單片機作為主控制器。 單片機接口電路 C8051F410單片機接口如圖 31。 VRTCBACKUP 為 smaRTClock后備電源， 為 6 路模擬信號的接收端， R（ ）、 T（ ）為數(shù)字串口的接收和發(fā)送端， C2D和 C2CK是 JTAG下載調(diào)試接口。 GND 為地接口。 溫度信號采集 電路 熱敏電阻溫度采集模塊由精密穩(wěn)定恒流源電路，熱敏電阻 PT100 構(gòu)成的信號采集電路， A/D 轉(zhuǎn)換電路構(gòu)成。 熱電阻測溫模塊 原理 框圖 如圖 32。 圖 33熱電阻信號測量電路 在圖 33中 ,由于 R12 +R13RT+2R,R15+RR則有 V2= I ( KT + 2 R) (31) V1= I R (32) V4= V3=1/3V2 (33) (V11/3*V2)/R15=(1/3*V2V0)/(R23+R19) (34) V0=(R24*VR1)/(R17+R24) (35) 帶入各電阻值整理得 : VR1=11*I*RT (36) V0=I*RT (37) 精密穩(wěn)定恒流源 由熱電阻 PT100 構(gòu) 成的信號采集電路 A/D 轉(zhuǎn)換電路 單片機 基于現(xiàn)場總線的溫度采集器的設(shè)計 10 由式 (37)可見 , 熱電阻測量電路的輸出電壓僅與電流 I和熱阻 RT 有關(guān) ,與 r無關(guān) ,消除了由導線電阻引入的測量誤差 。 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。 圖 34 恒流源電路仿真圖 如圖 34所示，恒流源輸出穩(wěn)定電流 I ,經(jīng)過負載電阻 R1， R1=，由萬用表測得電壓為 ，由此得 I=1mA。 由于設(shè)計的控制器具備現(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)計了 RS485 通信接口電路。圖 35 為 SP3485 芯片與 C8051F410