畢業(yè)設計----化工企業(yè)數據收集和顯示系統設計

1、<p>　　化工企業(yè)數據收集和顯示系統設計</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　本文設計了無紡布生產車間內的一個CAN總線網絡。通過這個網絡，可以將現場智能設備互聯起來，形成一個簡單的工控網絡。該網絡包括一個主站和幾個從站。從站是幾個智能測控節(jié)點，主要對生產線的啟停狀態(tài)、鍋爐溫度、布匹的移動速度、單卷長度、單卷重量和總產量等數據進

2、行測量，在現場用LED數碼管顯示測得的各種數據，通過CAN總線將數據傳送到主站，并根據現場數據控制布匹單卷產量和產生溫度報警。主站主要起到連接CAN總線與上位機的作用，主站與上位機之間通過RS232串行接口進行通信。此外，還設計了掉電保護電路，可以在突然斷電的情況下對現場數據進行保護。</p><p>　　關鍵詞：CAN總線,溫度測量,重量測量,速度測量,RS232,掉電保護</p><p&g

3、t;<b>　　Abstract</b></p><p>　　In this project， a CAN(Control Area Network)bus network used in the workshop which produces nonwoven fabric has been designed. With Control Area Network bus， field i

4、ntelligent equipments could be connected into a simple industrial control network. This network includes a master station and some slave stations. Slave stations are several intelligent control equipment，and they are use

5、d to measure the production line is in state of starting or ending、 the temperature of Boiler、 the speed of moving</p><p>　　key word： CAN bus, temperature measuring, weight measuring,</p><p>　　s

6、peed measuring,RS232,losing power protecting</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　摘 要I</b></p><p><b>　　1前言- 1 -</b></p><p>　　2總體方案設計-

7、 2 -</p><p>　　3通信設計- 5 -</p><p>　　3.1基于RS232的單片機與PC機通信- 5 -</p><p>　　3.2單片機CAN總線通信- 5 -</p><p>　　3.2.1 CAN協議簡介- 5 -</p><p>　　3.2.2 CAN通信協議的實現- 8 -<

8、/p><p>　　3.2.3 CAN通信電路設計- 12 -</p><p>　　4數據采集顯示控制系統設計- 14 -</p><p>　　4.1溫度采集顯示系統設計- 14 -</p><p>　　4.1.1溫度測量方案- 14 -</p><p>　　4.1.2信號放大- 16 -</p>&

9、lt;p>　　4.1.3 AD轉換- 17 -</p><p>　　4.1.4 LED顯示- 17 -</p><p>　　4.1.5 PT100的現場安裝- 18 -</p><p>　　4.1.6 溫度值計算- 19 -</p><p>　　4.2重量采集顯示系統設計- 20 -</p><p&g

10、t;　　4.2.1應變稱重原理- 20 -</p><p>　　4.2.2稱重傳感器產品- 21 -</p><p>　　4.2.3 AD轉換- 22 -</p><p>　　4.3速度位移測量及單卷產量控制- 23 -</p><p>　　4.3.1速度測量原理- 24 -</p><p>　　4.3.2速

11、度測量方案- 24 -</p><p>　　4.3.3繼電器驅動電路- 26 -</p><p>　　5電源設計級掉電保護- 28 -</p><p>　　5.1正負5V直流穩(wěn)壓電源- 28 -</p><p>　　5.2精確5V電源設計- 29 -</p><p>　　5.3掉電保護設計- 30 -<

12、;/p><p>　　6結論- 32 -</p><p>　　7總結與體會- 33 -</p><p>　　8致謝- 34 -</p><p>　　參考文獻- 35 -</p><p><b>　　附錄</b></p><p>　　電路原理圖（見資料袋內）</p&g

13、t;<p>　　Protel原理圖及PCB圖（見光盤）</p><p><b>　　1前言</b></p><p>　　隨著計算機特別是微型計算機與網絡技術的飛速發(fā)展，越來越多的智能設備被應用于生產中。工程師們利用這些技術實現了車間的自動化或半自動化系統。分布式控制系統DCS（Distributed Control System），又稱集散控制系統，是相

14、對于集中式控制系統而言的一種新型計算機控制系統，它是在集中式控制系統的基礎上發(fā)展、演變而來的。它是一個由過程控制級和過程監(jiān)控級組成的以通信網絡為紐帶的多級計算機系統，綜合了計算機，通信、顯示和控制等技術，其基本思想是分散控制、集中操作、分級管理、配置靈活以及組態(tài)方便。</p><p>　　工程師站是對DCS進行離線的配置、組態(tài)工作和在線的系統監(jiān)督、控制、維護的網絡節(jié)點，其主要功能是提供對DCS進行組態(tài)，配置工作的

15、工具軟件（即組態(tài)軟件），并在DCS在線運行時實時地監(jiān)視DCS網絡上各個節(jié)點的運行情況，使系統工程師可以通過工程師站及時調整系統配置及一些系統參數的設定，使DCS隨時處在最佳的工作狀態(tài)之下。與集中式控制系統不同，所有的DCS都要求有系統組態(tài)功能，可以說， 沒有系統組態(tài)功能的系統就不能稱其為DCS。</p><p>　　本次的設計內容就是一個簡單的DCS系統。本系統設計的是一個化工企業(yè)的無紡布生產車間的自動數據采集控

16、制系統。紡織生產要求車間對成品單卷產量、總產量等進行數據自動采集和監(jiān)控，每兩條生產線旁安裝一臺計算機，通過RS232通信口與下位機連接，從下位機中取得車速、溫度、啟停狀態(tài)、成品單卷產量、總產量等數據，并根據定單要求自動設置下位機中的參數?？刂葡到y中還要具有包括鍵盤輸入、數據顯示、溫度信號和重量信號讀取、串行通訊、繼電器控制和掉電保護等功能。對于這樣的系統，采用廉價的單片機作為控制器是比較合適的。在系統中設計一個主站和多個從站，從站完成各

17、種數據采集、運動控制等功能，主站集中管理各個從站?？偩€是系統實現各個站點互聯的紐帶，CAN總線是一種成熟、可靠、廉價的現場總線，適合用在本系統之中。</p><p><b>　　2總體方案設計</b></p><p>　　根據設計內容及要求，需要設計一個工控網絡，對車間里成品單卷產量、總產量等進行數據自動采集和控制，并向ERP系統上傳數據及接收來自上位機的數據和指令。

18、</p><p>　　這就要求系統以總線為紐帶，將分散的智能節(jié)點（單片機測量控制節(jié)點）互聯起來，形成一個可以相互通信、共同完成測控任務的控制網絡。國際IEC1158標準定義：現場總線是一種互聯現場自動化設備及控制系統的雙向數字化通信協議。利用現場總線，可以將現場智能裝置組建成為全數字化、多變量、雙向、多節(jié)點網絡。</p><p>　　1993年由德國Bosch公司推出的CAN（contro

19、ller area network控制局域網），就是一種實用的現場總線，廣泛應用于汽車監(jiān)控、開關量控制、制造業(yè)。</p><p><b>　　1)RS232總線</b></p><p>　　RS232標準出現較早，具有的不足之處：接口信號電平值較高，容易損壞接口電路芯片，與TTL電平不兼容，傳輸速率低，異步傳輸時，波特率為20kbps，采用共地傳輸，容易產生共模干擾，

20、最大傳輸距離標準值僅為50英尺，實際只能用于50米左右。</p><p><b>　　2)RS485總線</b></p><p>　　RS485總線網絡技術成熟結構簡單，可靠性高，抗干擾能力強，傳輸速度也比RS232總線快得多，接口信號電平比RS232低，不易損壞接口芯片，與TTL電平兼容，最高傳輸速率可達到10Mbps，最長傳輸距離最長1200米。</p>

21、;<p>　　RS485總線的不足：RS485總線只存在一個簡單的沒有硬件通信協議的物理</p><p>　　層，其通信協議完全依賴軟件的支持，增加了系統軟件的負擔，并且在沒有可靠的總線競爭仲裁與幀重發(fā)機制的情況下，數據丟失率幾乎正比于總線數據流通量。RS485總線組成的測控網絡如圖2-1所示。</p><p><b>　　3)CAN總線</b><

22、/p><p>　　CAN總線數據通信具有突出的可靠性、實時性和靈活性。支持多主方式，信息分級，高優(yōu)先級先傳輸，非破壞性總線仲裁技術，通信方式有點對點、一點對多點、全局廣播，通信距離最高可達到10km、速率最高為1000kbps。節(jié)點數取決于總線驅動電路，可達110個，采用短幀結構的數據傳輸格式，CRC校驗檢錯，出錯嚴重時，節(jié)點自動關閉輸出功能。CAN總線相對其他現場總線而言，通信協議比較簡單，開發(fā)技術成熟，軟件工作量

23、小易于實現。由于CAN總線有這樣的特點，在工控系統中得到廣泛的應用?；贑AN總線的數據收集和顯示系統如圖2-2所示。</p><p><b>　　3通信設計</b></p><p>　　系統要求上位機通過RS232通信口與下位機連接，并且下位機與上位機可以進行數據交換，設計中選用CAN總線實現各智能現場設備互聯，故通信設計主要是單片機通過RS232接口與PC機通信和

24、單片機間的CAN總線通信</p><p>　　3.1基于RS232的單片機與PC機通信</p><p>　　RS232接口使用的是RS232電平，PC機的RS232C串口采用負邏輯，即邏輯“1”為-3V～-15V，邏輯“0”為+3V～+15V，不能與TTL電平兼容，要使單片機能夠與PC機通信，必須使用電平轉換電路使電平統一。圖4.1就是一種常用的電平轉換電路，RS232C電平與TTL電平可

25、以通過max232芯片轉換得到統一。</p><p>　　圖3-1 232串口通信電路</p><p>　　3.2單片機CAN總線通信</p><p>　　3.2.1 CAN協議簡介</p><p>　　CAN報文的四種幀類型</p><p>　　a.數據幀： 數據幀攜帶數據從發(fā)送器至接收器。數據幀由7個不同的位場組

26、成，即幀起始、仲裁場、控制場、數據場、CRC場、應答場、幀結束。</p><p>　　b.遠程幀： 總線單元發(fā)出遠程幀，請求發(fā)送具有同一識別符的數據幀。遠程幀由6個不同的位場組成，即幀起始、仲裁場、控制場、CRC場、應答場、幀結束。</p><p>　　c.錯誤幀： 任何單元檢測到一總線錯誤時就發(fā)送錯誤幀。錯誤幀由兩個不同的場組成。第一個場是錯誤標志，用做為不同站提供錯誤標志的疊加；第二個

27、場是錯誤界定符。</p><p>　　d.超載幀： 用來在先行的和后續(xù)的數據幀（或遠程幀）之間提供一附加的延時。超載幀包括兩個位場：超載標志和超載界定符</p><p><b>　　CAN數據幀格式</b></p><p>　　圖3-2 CAN總線數據幀結構</p><p><b>　　a.幀起始</

28、b></p><p>　　幀起始標志數據幀和遠程幀的起始，由一個單獨的“0”位組成。</p><p><b>　　b.仲裁場</b></p><p>　　圖3-3 CAN2.0A的仲裁場的組成</p><p>　　仲裁場包括標識符ID和遠程發(fā)送請求位（RTR）。</p><p>　　對于

29、CAN2.0A標準，標識符的長度為11位。RTR位在數據幀中必須是顯性位，而在遠程幀必須為隱性位。對于CAN2.0，標準格式和擴展格式的仲裁場不同。在標準格式中，仲裁場由11位標識符和遠程發(fā)送請求位組成。在擴展格式中，仲裁場由29位標識符和替代遠程請求位（SRR） 、標志位（IDE）和遠程發(fā)送請求位組成。仲裁場的作用之一是說明數據幀或遠程幀發(fā)送目的地；之二是指明數據幀或遠程幀。</p><p><b>

30、　　c.控制場</b></p><p>　　控制場由6個位組成，其結構如圖9.7所示。標準格式和擴展格式的控制場格式不同。標準格式里的幀包括數據長度代碼、IDE位（為顯性位，見上文）及保留位r0。擴展格式里的幀包括數據長度代碼和兩個保留位：r1和r0。其保留位必須發(fā)送為顯性，但是接收器認可“顯性”和“隱性”位的任何組合。數據長度代碼（標準格式以及擴展格式）DLC（data length code），如

31、表 3-1所示。</p><p>　　圖3-4 控制場結構</p><p>　　表3-1數據幀長度代碼DLC</p><p><b>　　d.數據場</b></p><p>　　數據場為0～8個字節(jié)的有效數據，如果需要一次發(fā)送的數據大于8個字節(jié)，則要用多個數據幀，各數據幀按照一定的順序進行分組發(fā)送，在接收端再重新組合

32、成一個整體的信息數據。</p><p><b>　　e.CRC場</b></p><p>　　CRC場包括15位的CRC序列和一位CRC定界符。</p><p><b>　　f.應答場</b></p><p>　　應答場是兩個位時間的長度，包括一個應答間隙和一個應答定界符。</p>&

33、lt;p><b>　　g.幀結束</b></p><p>　　每一個數據幀和遠程幀均由一標志序列界定，這個標志序列由7個“1”組成。</p><p>　　3.2.2 CAN通信協議的實現</p><p>　　CAN通信協議的實現由CAN控制器完成。下面介紹一種應用最為廣泛的獨立CAN控制器SJA1000。CAN控制器SJA1000的結構如

34、圖3-5所示，主控制器上的８位的數據被傳送到SJA1000之后，SJA1000將數據打包，形成符合CAN通信協議的數據結構，通過收發(fā)器傳送到CAN總線上，發(fā)送到其他智能節(jié)點。接收的節(jié)點再以相反的方式，將接收到的CAN數據幀轉換為８位二進制數，傳給單片機，從而實現了智能節(jié)點之間的有效通信。有CAN總線協議的支持，智能節(jié)點之間就可以實現最快1000kbps，最遠10ｋｍ的通信。</p><p>　　圖3-5　　SJA

35、1000的結構圖</p><p>　　SJA1000的重要寄存器設置</p><p>　　SJA1000 的兩個工作模式（Basic 和Peli）所使用的寄存器數目不同，功能也不盡相同。Basic CAN 有從0-31 共32 個寄存器可用，Peli CAN 有從0-127 共128 個寄存器可用。要實現CAN通訊，主要就是配置這些寄存器。</p><p>　　1）

36、控制寄存器（CR）</p><p>　　控制寄存器位于SJA1000寄存器區(qū)的0地址,用來設置CAN總線的模式和各種中斷。在硬啟動或總線狀態(tài)位設置為1（總線關閉）時,復位請求位被置為1.在外部復位期間,微控制器不能把復位請求位置為0。如果要把復位請求位置為0,微控制器必須先檢查這一位,以確定外部復位引腳不為低電平。復位請求位被設為0后,SJA1000將會等待：1個總線空閑信號（11個弱勢位）,如果前一次復位請求是

37、硬件復位或CPU初始復位;等待128個總線空閑,如果前一次復位請求是CAN控制器在重新進入總線開啟模式前初始化總線造成的。</p><p>　　2）命令寄存器（CMR）</p><p>　　命令寄存器對微控制來說是只寫存儲器。在復位模式和工作模式下都可對此寄存器進行訪問,但是讀這個地址返回值是“11111111”。將睡眠模式位置為1,SJA1000進入睡眠模式,此時沒有總線活動,沒有中斷等

38、待。CMR.3位是用來清除由數據溢出狀態(tài)位指出的數據溢出。如果數據溢出位被置位,就不會產生數據溢出中斷了。在釋放接收緩沖器命令的同時,可以發(fā)出清除數據溢出命令。讀接收緩沖器之后,微控制器可以通過設置釋放接收緩沖器為1,來釋放接收隊列當前信息的內存空間。</p><p>　　3）狀態(tài)寄存器（SR）</p><p>　　狀態(tài)寄存器對微控制器來說是只讀存儲器,當傳輸錯誤計數器超過限制（255）（

39、總線狀態(tài)位置1,即總線關閉）,CAN控制器就會將復位請求位置1,在錯誤中斷允許的情況下,會產生一個錯誤中斷。這種狀態(tài)會持續(xù)到CPU清除復位請求位。對于錯誤狀態(tài)位,當至少有一個錯誤計數器滿或超出CPU警告限制（96）時,錯誤狀態(tài)位被置位。在中斷使能的情況下,會產生錯誤中斷。4）中斷寄存器（IR）</p><p>　　通過中斷寄存器可識別中斷源。當寄存器的1位或多位被置位時,INT（低電平有效）引腳被激活。寄存器被

40、微控制器讀過之后,所有會導致INT引腳上的電平變化的位被復位。中斷寄存器對微控制而言是只讀存儲器。中斷寄存器各位的功能說明如表4所列。</p><p>　　５)驗收代碼寄存器（ACR）</p><p>　　表3-2 ACR 的位分配 CAN 地址4</p><p>　　驗收代碼位 AC.7-AC.0 和信息識別碼的高8 位ID.10-ID.3 相等且與驗收

41、屏蔽位AM.7-AM.0的相應位相或為1 ,即如果滿足以下方程的描述則被接收。</p><p>　　[ID xnor ACR]or(AMR)=1　　　　　　　　　　　　　　　　　?。ǎ?１）</p><p>　　6 )驗收屏蔽寄存器(AMR)</p><p>　　表3-3 AMR 位配置 CAN 地址5</p><p>　　7)總線定

42、時寄存器0 (BTR0)</p><p>　　總線定時寄存器0 定義了波特率預設值BRP 和同步跳轉寬度SJW 的值復位模式有效時這個寄存器是可以被訪問讀/寫的。如果選擇的是 PeliCAN 模式此寄存器在工作模式中是只讀的在BasicCAN 模式中總是FFH</p><p>　　表3-4 總線定時寄存器0 BTR0 的位功能說明CAN 地址6</p><p>&

43、lt;b>　　波特率預設值BRP</b></p><p>　　CAN 系統時鐘tSCL 周期是可編程的而且決定了相應的位時序CAN 系統時鐘，由如下公式計算。</p><p>　　tSCL=2 tCLK (32 BRP.5+16 BRP.4+8 BRP.3+4 BRP.2+2 BRP.1+BRP.0+1)　（３-２）</p><p>　　這里tCL

44、K 等于晶振的頻率周期1/fXTAL。</p><p>　　同步跳轉寬度(SJW) </p><p>　　為了補償在不同總線控制器的時鐘振蕩器之間的相位偏移任何總線控制器必須在當前傳送的相關信號邊沿重新同步跳轉寬度定義了每一位周期可以被重新同步縮短或延長的時鐘周期的最大數目</p><p>　　tSJW=tSCL (2 SJW.1+SJW.0+1)　　　　　　　　　

45、　　　　　　　　　?。ǎ?３）</p><p>　　8)總線定時寄存器BTR1</p><p>　　總線定時寄存器1 定義了每個位周期的長度采樣點的位置和在每個采樣點的采樣數目。在復位模式中這個寄存器可以被讀/寫訪問在PeliCAN 模式的工作模式中這個寄存器是只讀的在BasicCAN 模式中總是FFH</p><p>　　表3-5 總線定時寄存器1 BTR1 的各

46、位功能說明CAN 地址7</p><p>　　SAM=1 三倍;總線采樣三次;建議在低/中速總線(A和B級)上使用,這對過濾總線上的毛刺波是有益的</p><p>　　SAM =0 單倍;總線采樣一次;建議使用在高速總線上(SAE C級)</p><p>　　時間段1 TSEG1 和時間段2 TSEG2決定了每一位的時鐘數目和采樣點的位置這里</p>

47、<p>　　tSYNCSEG=1 tSCL　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　?。ǎ?４）</p><p>　　tTSEG1=tSCL（8 TSEG1.3+4 TSEG1.2+2 TSEG1.1+TSEG1.0+1）　　　　　?。ǎ?５）</p><p>　　tTSEG2=tSCL（ 4 TSEG2.2+2 TSEG2.1+TSEG2.1+1）　　　　　　

48、　　　　?。ǎ?６）</p><p>　　TBIT=Tsync+tSEG1+TSEG2　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（３-７）</p><p>　　波特率＝1/TBIT             

49、60;                  　　　　　　　　　　　　　　　　?。ǎ?８）</p><p>　　設置好BTR0和BTR1參數后，實際傳輸的有效波特率范圍為：最大波特率＝1/(tBIT－tSJW) ，最小波特率＝1(

50、tBIT＋tSJW)                         </p><p>　　3.2.3 CAN通信電路設計</p><p>　　圖3-6

51、 CAN通信電路設計</p><p>　　如圖所示，電路主要有四部分組成：主控制器89C51單片機、獨立CAN控制器SJA1000、高速光耦6N137、CAN總線驅動器82C250。</p><p>　　SJA1000的AD0～AD7與單片機的P0口相連，RD、WR分別于單片機的對應引腳相連，為增強CAN節(jié)點的抗干擾能力，SJA1000的TX0和RX0引腳不直接連接CAN總線驅動器82C2

52、50的TXD與RXD，而是通過高速光耦連接，這樣就很好的實現了電氣隔離。</p><p>　　82C250與CAN總線的接口部分也采用了一定的安全和抗干擾措施，82C250的CANH和CANL引腳各自通過一個5Ω的電阻與CAN總線相連，電阻的限流作用可以保護82C250免受過流沖擊。CANH和CANL與地之間并聯了兩個30pF的電容可以起到濾除總線上的高頻干擾和一定的防電磁輻射的能力。另外在兩CAN總線輸入端與地

53、之間分別接一個防雷擊管，當兩輸入端與地之間出現瞬變干擾時，通過二極管放電可以起到一定的保護作用。82C250上的Rs腳上皆有一個斜率電阻。其取值一般在16～140KΩ之間。</p><p>　　表3-6 RS選擇的三種工作方式：</p><p>　　在高速工作方式下,發(fā)送器輸出晶體管簡單地以盡可能快的速度啟閉。在這種方式下,不采取任何措施限制上升和下降斜率。建議使用屏蔽電纜以避免射頻干擾

54、問題。通過將引腳8接地,可選擇高速方式。</p><p>　　對于較低速度或較短總線長度,可用非屏蔽雙絞線或平行線作總線。為降低射頻干擾,應限制上升和下降斜率。上升和下降斜率可通過由引腳8至地連接的電阻進行控制。斜率正比于引腳8上的電流輸出。</p><p>　　若引腳8加有高電平,則電路進入低電流待機方式。在這種方式下,發(fā)送器被關掉,而接收器轉至低電流。由于在待機方式下,接收器是慢速的,

55、因此,第一個報文將被丟失。</p><p>　　為了提高網絡節(jié)點的拓撲能力， CA N 總線兩端需要接有抑制反射的終端電阻， 它對匹配總線阻抗起著非常重要的作用，如果忽略此電阻， 會使數字通信的抗干擾性和可靠性大大降低， 甚至無法通信.。終端電阻是為了消除在通信電纜中的信號反射在通信過程中，有兩種信號因導致信號反射：阻抗不連續(xù)和阻抗不匹配。 終端電阻的大小由CAN節(jié)點的多少和距離決定，最小值為118Ω，本次設計節(jié)

56、點少且距離短，可以取120Ω。</p><p>　　4數據采集顯示控制系統設計</p><p>　　4.1溫度采集顯示系統設計</p><p>　　常用的溫度傳感器有：熱電偶、熱敏電阻、電阻溫度檢測器(RTD) 、IC溫度傳感器、聲學溫度傳感器、紅外傳感器和微波傳感器等。從成本、量程等方面考慮，最終選擇熱電阻傳感器。</p><p>　　金屬

57、熱電阻的感溫元件有石英套管十字骨架結構，麻花骨架結構得桿式結構等。金屬熱電阻常用的感溫材料種類較多，最常用的是鉑絲。工業(yè)測量用金屬熱電阻材料除鉑絲外，還有銅、鎳、鐵、鐵-鎳、鎢、銀等。Pt100就是最常用的熱電阻傳感器之一。</p><p>　　PT100的量程為-200～650℃，0℃時其電阻值為100歐姆。</p><p><b>　　溫度測量方案</b><

58、/p><p>　　PT100的電阻值隨溫度的變化而變化，溫度為-200℃時，電阻為18.5Ω，溫度為0℃時，電阻為100Ω，溫度為650℃時，電阻為332.79Ω。其阻值與溫度之間的關系是非線性關系，具體對應關系見PT100的分度表。阻值大小能體現溫度高低，測量溫度的實質就是測量PT100的電阻值。</p><p>　　溫度采集顯示系統框圖</p><p>　　4.1.

59、1溫度測量方案</p><p>　　常用的電阻測量的方法一般有兩種，即電橋法和利用恒流源測電阻的方法。</p><p>　　如圖4-2所示，PT100的電阻值變化導致輸出電壓Uo的變化，測量Uo的大小即可間接求出電阻的變化和溫度的大小。但是，其電阻與輸出電壓的關系比較復雜，應用于智能儀表方面會增加系統軟件設計的難度。圖4-3是恒流源測電阻的示意圖，如果能流過電阻的電流是一個恒定的值，那么電

60、阻兩端的電壓就易于計算了，即R=Uo/I，電阻值與電壓信號之間呈簡單的線性關系，這樣系統軟件設計就得到簡化。</p><p>　　圖4-2 單臂橋式測電阻 圖4-3 恒流源測電阻</p><p>　　恒流源電路的設計，有用三極管構成的，有用專門的恒流管，也有用價格低廉的器件通過比較巧妙的設計構成的。本系統主要采用價格低廉的運放OP-07和2.5V基準電壓集成芯片LM3

61、36-2.5構成高質量的恒流源。恒流源原理圖如圖5-4所示。由于運放虛地的結果，造成OP-07的反相輸入端為0V，而圖中電阻R13的下端由于使用精密的基準電壓源LM336-2.5，外加調整電路，該點電壓被確定為-2.5V，由于運放的輸入阻抗極高，輸入端可以認為不吸人電流，可以認為R13電阻上流過的電流大小固定而且一定等于OP-07輸出端流人Ptl00溫度傳感器的電流，從而達到恒流的效果。恒流源的電流大小由R13確定。 </p>

62、;<p>　　圖4-4 恒流源溫度測量電路</p><p><b>　　4.1.2信號放大</b></p><p>　　由于測量得到的電壓信號微弱，達不到AD轉換所需的電壓，所以要將電壓信號放大。儀用放大器AD620、AD622等集成芯片是比較理想的放大器。這兩種放大器很相似，本文對AD620作一個簡單介紹。</p><p>

63、　　圖4-5 AD620管腳圖</p><p>　　AD620的核心為三級運放，它的增益可以根據需要調整，調整范圍為1～1000。最大誤差在±0．3％之內。AD620主要技術指標和特點：</p><p>　　a.僅用一個外接電阻設置增益，增益范圍為1^1000</p><p>　　增益A= (49. 4 kΩ/Rg) + 1；

64、 （4-1）</p><p>　　b.電源電壓范圍寬: ±2.3V～± 18V；</p><p>　　c.性能優(yōu)于3個獨立的運算放大器；</p><p>　　d.低功耗，電源電流最大為1. 3mA；</p><p>　　e.優(yōu)良的直流性能：輸人失調電壓小于50uV，輸人失調漂移<0.

65、6A/0C，輸人偏置電流<1nA。，共模抑制比>100dB；</p><p>　　f.低噪聲，輸人信號帶寬120kHz(A=100)。</p><p>　　4.1.3 AD轉換</p><p>　　經放大的電壓信號是一個模擬量，而單片機只可以處理數字信號，所以需要將AD620輸出的電壓信號轉換為數字信號?？紤]到溫度測量系統中需要對多點進行測量，需選用多

66、通道的AD轉換器。由于需要測量的溫度范圍大概有幾百度，若以600度計算，采用10位AD轉換器，測量精度為600/1024=0.586oC；采用12位AD轉換器，測量精度為600/4096=0.1465oC。本次設計使用11通道12位AD轉換器TLC2543。TLC2543使用開關電容逐次逼近技術完成，由于是串行輸入結構，能夠節(jié)省51系列單片機的I／O資源．其特點有：</p><p>　　a.12 bit分辨率A／

67、D轉換器；</p><p>　　b.在工作溫度范圍內10u s轉換時間；</p><p>　　c.11個模擬輸入通道；</p><p>　　d.3路內置自測試方式；</p><p>　　e.采樣率為66 kb／s；</p><p>　　f.線性誤差+1LSB(max)；</p><p>　　g.

68、有轉換結束(EOC)輸出；</p><p>　　h.具有單、雙極性輸出；</p><p>　　i.可編程的MSB或LSB前導；</p><p>　　j.可編程的輸出數據長度．</p><p>　　圖 4-6 TLC2543管腳圖</p><p>　　4.1.4 LED顯示</p><p>　

69、　顯示電路采用MAX7219專用數碼管顯示電路。MAX7219使用靈活，不占用數據存儲器空間，僅使用3個單片機I/O口就能完成顯示8位共陰極LED的任務。其峰值電流可以達到40mA，最高串行掃描速率為10MHz，典型掃描速率為1300MHz。</p><p>　　MAX7219內部有14個控制寄存器，寫入DIG0～DIG8的值即可使LED顯示對應數值。</p><p>　　表4-1 MA

70、X7219內部控制寄存器的功能</p><p>　　圖4-7 LED顯示電路</p><p>　　4.1.5 PT100的現場安裝</p><p>　　因為溫度傳感器直接接在恒流源電路中，所以溫度傳感器在現場的安裝對于本系統來說是至關重要的，如果安裝方法不當，就會直接造成設計的失敗。</p><p>　　兩線制接法和兩線制接法常應用于電

71、橋法測量中，四線制接法常用于恒流源測量法。如圖4-8所示，</p><p>　　圖4-8 兩線制接法 圖4-9 四線制接法</p><p>　　Pt100鉑熱電阻溫度傳感器需安裝在現場測量溫度。如圖4-8所示，如果采用兩線制接法，就會由于不同的測量現場，線路長度的不一造成線路阻抗的不一;而且該線路的阻抗與溫度傳感器的阻值都成了反映溫度變化的

72、變量，直接送人后級放大器，這樣顯然是不合理的。如果采用四線制接法，如圖4-9所示，導線1、4的電阻不會引起恒流源電流的變化，由于AD620的輸入阻抗極高，可以認為導線2、3線上沒有電流通過，導線電阻不產生壓降，輸入AD620的電壓就是PT100兩端的電壓。故系統可完全不考慮多個測點到達本測量系統的距離不一的問題。因此，四線制盡管多花消了線路成本，但達到了高精度的目標，這對于本高精度的溫度測量系統來說是非常關鍵的。</p>

73、<p>　　4.1.6 溫度值計算</p><p>　　現場溫度與PT100的電阻值的關系是非線性關系。其具體對應關系見PT100的分度表。根據《工業(yè)Cu、Pt電阻檢定規(guī)程》的計算方法，得出以下溫度計算方程：</p><p>　　在-200oC～0 oC的情況下，R（t）=R（0）[1+At+Bt2+C（t-100）t3）] （4-2）</p>&l

74、t;p>　　在0oC～650 oC的情況下, R（t）=R（0）（1+At+Bt2） （4-3）</p><p>　　其中A=3.9083*10-3，B=-5.775*10-7，C=-4.183*10-3</p><p>　　經驗證比較，該曲線與PT100分度表擬合良好。</p><p>　　4.2重量采集顯示系統設計&

75、lt;/p><p>　　稱重傳感器按轉換方法分為光電式、液壓式、電磁力式、電容式、磁極變形式、振動式、陀螺儀式、壓電式、電阻應變式等，以電阻應變式使用最廣。</p><p>　　圖4-10 重量采集顯示系統框圖</p><p>　　4.2.1應變稱重原理</p><p>　　電阻應變式稱重傳感器測量原理：彈性體在外力作用下產生彈性變形，使粘貼在

76、他表面的電阻應變片產生變形，電阻應變片變形后，它的阻值將發(fā)生變化（增大或減?。?，再經相應的測量電路把這一電阻變化轉換為電信號（電壓或電流），就完成了將外力變換為電信號的過程。選用不同的變形體，可以得到幾千克至數十噸的量程范圍。</p><p>　　電阻與應變的關系：ΔR/R=K0ε（K0 ：金屬材料的靈敏度系數）</p><p>　　直流電橋測應變片電阻原理</p><

77、p>　　如圖4.11所示：若R1= R2= R3= R4= R，則Uo=0，電橋平衡。若其中一個電阻發(fā)生變化（假設是R1），阻值增加ΔR，則電橋失衡，</p><p>　　Uo=UiΔR/4R （4-4）</p><p>　　若有兩個橋臂工作， Uo=UiΔR/2R （4-5）

78、</p><p>　　若有兩個橋臂工作， Uo=UiΔR/R （4-6） </p><p>　　由以上三個公式可見，四分之一橋測量靈敏度最低，是半橋的1/2，全橋的1/4。在測量中最好采用全橋測量。</p><p>　　圖4-11 直流電橋測應變片電阻</p><p>　　4.2.2稱重傳感器

79、產品</p><p>　　下面列出幾種是適合在本次設計中使用的稱重傳感器 （由蚌埠金諾傳感測控工程有限公司生產）。</p><p>　　圖4-12 JHBU型輪幅式系列傳感器 圖4-13 JHBT型筒式系列傳感器</p><p>　　如圖4-12，JHBU型輪幅式系列傳感器采用了箔式應變片貼在合金鋼彈性體上，具有精度高、抗側向力和抗偏心載荷能力強、密封

80、性能好等特點可用于電子地中衡、料倉秤、軌道衡等場所?？蛇x擇內置式變送器，標準信號0～10mA、4～20mA或0～5V輸出，量程：0.2、0.5、1.5、10、20、30、50 t，供橋電壓：9～15 VDC，建議10V。</p><p>　　如圖4-13，JHBT型筒式系列傳感器，采用了箔式應變片貼在合金鋼做的彈性體上，具有精度高、長期穩(wěn)定性好、密封性好等到特點，可用在料倉秤等需測載荷力的地方?？蛇x擇內置式變送器

81、，標準信號0～10mA、4～20mA或0～5V輸出，量程：100、200、300、500KG，1、5、10、20、30、50 、100、200t，供橋電壓：9～15 VDC，建議10V。</p><p>　　如圖4-13，JHBL-Ⅱ型懸臂式系列荷重傳感器采用了箔式應變片貼在合金鋼做的彈性體上，具有精度高、密封性好，可用于電子皮帶秤、斗秤計算機配料系統等?？蛇x擇內置式變送器，標準信號0～10mA、4～20mA或0

82、～5V輸出。量程：50、100、200～2000kg。供橋電壓：9～15 VDC，建議10V。</p><p>　　圖4-14 JHBL-Ⅱ型懸臂式系列荷重傳感器 圖4-15 JHBL-I型懸臂式系列荷重傳感器</p><p>　　JHBL-I型懸臂式系列荷重傳感器采用了箔式應變片貼在合金鋼做的彈性體上，具有精度高、密封能力好，可用于電子皮帶秤、升秤計算機配料系統等?？蛇x擇變送器輸出0-

83、5V、0-10V、4-20mA、0-10mA輸出。量程：5、10、20、30、50、100、200、500kg。供橋電壓：9～15 VDC，建議10V。</p><p>　　4.2.3 AD轉換</p><p>　　如果單片機與稱重傳感器之間的距離比較近，就可以直接把變送器輸出的5V電壓進行轉換。如果距離較遠會導致信號衰減，此時就需要變送器輸出電流信號，再將電流信號經過一個精密電阻轉化為電

84、壓信號。</p><p>　　由于傳感器輸出的是一個電壓差，所以需要一個差分輸入的AD轉換器，設計方案選用AD7705／7706。</p><p>　　AD7705／7706的特點：</p><p>　　a.AD7705：2個全差分輸入通道的ADC；</p><p>　　b.AD7706：3個偽差分輸人通道的ADC；16位無丟失代碼；0．00

85、3％非線性；</p><p>　　c.可編程增益：1～128；</p><p>　　e.三線串行接口SPI、QSPI、MICROWIRE和DSP兼容；</p><p>　　f.有對模擬輸入緩沖能力；</p><p>　　g.2．7～3．3V或4．75—5．25V工作電壓；</p><p>　　h.3V電壓時，最大功耗為

86、lmW；</p><p>　　i.等待電流的最大值為8mA；</p><p>　　j.16腳DIP、SOIC和TSSOP封裝。</p><p>　　圖 4-16 AD7705應用電路圖</p><p>　　4.3速度位移測量及單卷產量控制</p><p>　　對于作直線運動的無紡布，一般難以直接測量其運動速度。在實

87、際測量過程中，常常采用測量轉速的方法間接測得直線運動的速度。在本系統中，采用如下方法測量：設計兩個滾輪，使無紡布穿過兩個滾輪之間的間隙，兩滾輪施加一定的預緊力以保證滾輪與布匹之間無相對滑動，這樣，滾輪外側圓周的線速度即時布匹移動速度。我們測量角速度，根據角速度與線速度的關系，即可求出布匹運動速度。記錄角位移，即可求出布匹移動的直線運動位移。單片機根據布匹的長度數據，發(fā)出指令給功率接口，控制切刀切斷布匹。</p><p

88、>　　滾輪使用時間過長，由于摩擦半徑減小會導致測量不準確。如果更換滾輪又顯得浪費，故設計有鍵盤輸入功能，可以輸入滾輪的實際半徑，以保證既節(jié)省成本，又能保證測量精度。</p><p>　　4.3.1速度測量原理</p><p>　　角速度測量常用測頻法。假設被測量的轉動物體上的標記數為Z，被測量物體轉動一周，傳感器發(fā)出Z個脈沖，則傳感器每發(fā)出一個脈沖就代表轉動物體旋轉了2π/Z(rad

89、)的角度。</p><p>　　設總共采集到的脈沖數為m，布匹位移為S，轉速為w，線速度為v，角位移為θ，時間為t，滾輪半徑為R，則：</p><p>　　位移S=2πm/（ZR） （4-7）</p><p>　　瞬時角速度w=dθ/dt （4-8）&l

90、t;/p><p>　　布匹瞬時速度v=wR （4-9）</p><p>　　實際上布匹移的運動可以看作是勻速運動，為了體現布匹速度在生產線啟停時的速度變化，可以在單片機每接收一定數量的脈沖后，計算一次速度。位移通過轉過的總的角度來計算</p><p>　　4.3.2速度測量方案</p><p

91、>　　霍爾式轉速傳感器測量如圖4-18所示。被測物上固定小磁鋼，轉動時每當一個小磁鋼接近霍爾元件，霍爾元件輸出一個脈沖。</p><p>　　圖4-18 霍爾式轉速測量示意圖</p><p>　　脈沖信號檢測電路如圖4-19所示。設計選用的檢測元件為DN6837的開關集成霍爾傳感器。集成霍爾元件片內設有穩(wěn)壓電路、施密特電路，通過晶體管的集電極輸出信號，并且通過的脈沖信號不需要進行整

92、形。這種傳感器具有時滯特性，此特性可以防止噪聲干擾。此元件是OC 門，需要在輸出端與電源之間接一個1．5kΩ上拉電阻。為了提高其帶負載能力，接一個三極管放大電路。脈沖信號輸入單片機的定時計數器T1，進行信號分析。</p><p>　　圖4-19 霍爾式脈沖信號采集電路</p><p>　　光電式脈沖采集的原理如圖4-20所示。被測物與圓盤固定在一起，圓盤上留有過孔，過孔兩側安裝紅外光電傳

93、感器，可以避免可見光光線的干擾。當被測物轉動，紅外線能通過過孔時，就產生一個脈沖。</p><p>　　4-20 光電式轉速測量示意圖</p><p>　　脈沖信號檢測電路如圖4-19所示。74LS14的輸入端的信號不是理想的脈沖信號，所以利用斯密特觸發(fā)器將信號整形，再輸入到單片機。</p><p>　　圖4-21 光電式脈沖信號采集電路</p>

94、;<p>　　4.3.3繼電器驅動電路</p><p>　　本從站還應具有無紡布單卷產量控制的功能，即在布匹長度達到單卷長度設定值的時候，控制切刀切斷布匹。主電路的通斷決定切刀的動作，要求單片機具有功率接口，可以發(fā)送指令控制主電路上的繼電器，達到弱電控制強電的目的。</p><p>　　圖4-22 繼電器驅動電路</p><p>　　如圖4-22

95、，P1.7為高電平時，74LS14輸出“0”，光耦中的發(fā)光二極管導通，同時光電三極管導通，三極管9013飽和，電磁鐵得電，銜鐵吸合，主電路接通。反之主電路關斷。</p><p>　　5電源設計級掉電保護</p><p>　　5.1正負5V直流穩(wěn)壓電源</p><p>　　作為一個完整的系統，必須有電源設計。由于CAN總線網絡的主站離上位機很近，故可以直接用上位機的U

96、SB接口供電。對于幾個從站，需要設計電源，將市電轉換為直流電源。在速度位移測量從站上，只需要+5V的直流電源，采用最常用的三端集成穩(wěn)壓器LM7805產生+5V直流電壓源。如圖5-1所示，220V交流電經整流、濾波、穩(wěn)壓后形成穩(wěn)定的+5V直流電。由于LM7805的輸入、輸出電壓差最少為2V，最大為35V，一般壓差保持在6V左右比較好。故設計中使用220V～12V的變壓器。</p><p>　　圖5-1 +5V直流

97、穩(wěn)壓電源</p><p>　　在溫度、重量測量工作站使用了儀用放大器AD620，AD620需要正負電源供電，電源電壓范圍為：±2. 3V～±18V，為了使電路簡單，采用±5V電源。79系列的三端集成穩(wěn)壓器可以產生負電壓，故用7805、7905一起產生正負5V電壓源。如圖5-2所示。</p><p>　　圖5-2 ±5V直流穩(wěn)壓電源</p>

98、;<p>　　5.2精確5V電源設計</p><p>　　AD轉換器的電源直接關系到轉換輸出的數據，所以需要有一個比較精確的電源給AD轉換器供電。MAX8875是Maxim公司生產的一款低壓差線性穩(wěn)壓芯片，其輸入電壓范圍為+2.5V ～+6.5V，輸出電流達到150mA，可提供的輸出電壓值為1.5V、2.5V、2.7V、3.0V、3.3V和5.0V，它們的初始精度為±1%。MAX8875還

99、具有如下特點：</p><p>　　a.具有“POWER-OK”輸出，當輸出電壓超出穩(wěn)壓范圍時產生報警信號；</p><p>　　b.輸出端只需要1μF的小陶瓷電容，就可以確保負載高達150mA電流的穩(wěn)定性；</p><p>　　c.過熱和短路保護；</p><p><b>　　d.電池反接保護；</b></p&g

100、t;<p>　　e.1μA最大關斷電流。</p><p>　　圖5-3 MAX8875應用電路圖</p><p><b>　　5.3掉電保護設計</b></p><p>　　本系統采用的電源來自市電，當遇到突發(fā)情況斷電時，單片機就會停止工作，RAM中的數據將會丟失。為避免這種情況的發(fā)生，需設計掉電保護方案。</p>

101、;<p>　　掉電保護的方案一般有兩種。一種是采用不間斷電源，即平時采用正常供電方式，同時給蓄電池充電，突然斷電后，由蓄電池供電，系統可以繼續(xù)工作。這種方法可以解決短時間斷電的問題。另一種方案是采用存儲器保存系統數據和狀態(tài)，即掉電時將系統當時的數據和狀態(tài)保護在E2PROM、FLASH MEMORY或ROM中，來電后，將系統恢復到掉電時的工作狀態(tài)并繼續(xù)工作。此方案對于一般測控系統、尤其是在工業(yè)現場使用的大負荷的系統來說，增加

102、成本不多，而且經濟實用。</p><p>　　單片機能夠實現掉電保護是有條件的，那就是單片機允許在電壓低至 2V 甚至更低的電壓供電時，仍能保證其最基本運行 ( 對外部輸入輸出功能將會失效或停止 ) 。這就是說，在掉電時，我們應該有一個2～3V的電源保證單片機的基本運行。故設計如圖5-4的電路在失去主電源時為單片機供電。</p><p>　　在正常情況下，單片機的電源由+5V電源提供（兩個

103、二極管均選用鍺管，壓降0.2～0.3V），同時電源為3.6V的鎳氫充電電池充電。R21為限流電阻，可以控制充電的電流大小和充電時間。充電電池兩端并聯一個4.2V的穩(wěn)壓二極管，當電量充滿后，電池兩端得電壓達到充電限制電壓4.2V，此時穩(wěn)壓二極管導通，充電停止，這樣可以避免過充，損壞電池。突然斷電時，電池放電，由于R21和R22產生壓降，對單片機的供電電壓可以保證單片機的基本運行。</p><p>　　5-4 掉電

104、保護的電源設計</p><p>　　x25045是美國xicor公司的生產的標準化8腳集成電路，它將E2PROM、看門狗定時器、電壓監(jiān)控三種功能組合在單個芯片之內，大大簡化了硬件設計，提高了系統的可靠性，減少了對印制電路板的空間要求，降低了成本和系統功耗，是一種理想的單片機外圍芯片。用x25045既可以保護系統重要數據，還為單片機提供了看門狗復位電路，增加了系統的抗干擾能力。x25045的應用電路圖如圖5-5所示

105、。</p><p>　　圖5-5 x25045的應用電路圖</p><p>　　電路有兩部分構成，分別是上電復位電路和看門狗復位電路，二者可將復位信號送入或門，任意一種復位方式都可以對系統復位。</p><p><b>　　6結論</b></p><p>　　本設計完成了基于CAN總線的工廠車間DCS的設計。系統具有對

106、化工企業(yè)無紡布生產車間的數據進行采集、現場監(jiān)控和控制單卷產量的功能。還設計了掉電保護、看門狗復位電路，以保證數據安全和系統的抗干擾能力。對每個站點的電路都進行原理圖和PCB圖的設計。系統盡量采用低成本且滿足實際要求的原件和設計方案，在電路中，AD轉換、掉電保護、LED顯示均采用串行通信技術，節(jié)省了單片機I/O口資源，使電路簡單。相對于傳統的運放電路，儀用放大器的使用也使電路得到簡化。</p><p>　　設計要應

107、用到工作現場，必須考慮車間的具體情況。比如可能對系統帶來的干擾、傳感器的現場安裝問題等。在采集數據信號時需特別注意想辦法濾去工頻噪聲信號，安裝時要注意傳感器接接線方式，比如溫度PT100提供三種接線方式，就是要解決溫度傳感器與單片機距離較遠產生的測量誤差的問題。稱重變送器也有四線制和六線制的接法，這些都是精確測量的保證。在設計PCB板時要注意留出合適的地方給傳感器接線。</p><p><b>　　7總

108、結與體會</b></p><p>　　總的來說，我在這次畢業(yè)設計中有不少的收獲。通過這次畢業(yè)設計，我鞏固了以前學到的基礎知識，掌握了查找所需資料的方法。在設計過程中多次發(fā)現設計方案存在的問題，帶這這些問題去尋找解決方案，從中搜集到了不少設計資料，獲得了新的知識。</p><p>　　我們在課堂上所學習的理論知識基本都是一些基礎知識，落后于行業(yè)的發(fā)展進度，如果僅用課堂上學到的內容

109、，是難以完成設計的，在網絡數據庫上有大量的實用的資料，這些資料中有大量的信息值得參考，如行業(yè)中常用的設計方案、新型實用的電子元器件等。參考這些資料可以發(fā)現自己的設計中存在的問題，將設計優(yōu)化。</p><p>　　合理利用軟件也可以有助于設計。我們對單片機外圍器件知之甚少，利用Proteus仿真軟件，我們可以了解到更多的單片機外圍器件。Proteus中有非常豐富的元器件，我們就可以從中選擇我們需要的產品。</

110、p><p>　　作為一個完整的設計，我們需要全面考慮其每一個需要注意的問題。如抗干擾措施、需要進行的系統保護措施、器件的現場安裝問題等。以本次設計為例，車間中存在工頻干擾，傳感器采集信號時要注意濾波，CAN總線傳輸時要選擇合適的斜率電阻和終端電阻。傳感器不能要安裝在PCB板上，在設計圖紙的時候就要留出接口來連接傳感器。而且傳感器的接線方式不同直接影響到測量精度，不同的接線方式要預留不同的接口。LED顯示器若需要接在P

111、CB板外，也要預留接口，用導線連接到LED的安裝位置。</p><p><b>　　8致謝</b></p><p>　　畢業(yè)設計終于順利完成了。這不僅是我自己的成果，其中更有給與我無私幫助的老師和同學的功勞。</p><p>　　首先，我要感謝我的指導老師***老師。向老師在指導過程中對我們嚴格要求，耐心講解，對我們的設計提出了指導性的意見，幫

112、助我在設計中發(fā)現問題和不足。向老師鼓勵我們自己獨立思考、解決問題，使我們通過自己學習獲得更多知識和經驗。此外，*老師還與我們交流學習和設計的方法，告誡我們人無遠慮，必有近憂，做事要認真積極，對待人生要有規(guī)劃。</p><p>　　其次，我要感謝和我一起學習，共同進步的同學們。遇到問題，我們大家一起討論、解決問題，互相幫助，交流在設計中獲得的知識和資料，最終都獲得了更豐富的專業(yè)知識和設計經驗。</p>