毕业设计(论文)-基于RS485现场总线的温度采集模块的设计.doc
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1、河 南 工 业 职 业 技 术 学 院Henan Polytechnic institute 毕业设计(论文) 题目:温度采集器班级:生产过程自动化0901姓名:指导老师: 河南工业职业技术学院毕业设计说明书摘 要温度是现代工业生产过程中的一个重要参数, 在生产过程中常需对温度进行检测和监控,特别是在电力、化工等大型自动化企业的生产过程中往往需要监视和测量几十个温度参数。在某些特殊的生产场合 (比如印染和炼油),温度参数测量和控制的精度直接影响后续产品的质量。本文介绍一种基于RS485现场总线的温度采集模块的设计方法。热电阻随温度的变化而产生不同的电阻信号,电阻信号经过恒定电流变成模拟电压信号
2、,单片机内部多路模拟开关电路对模拟信号进行采集,A/D转换模块对采集到的信号进行模数转换,把转换得到的数字信号按照顺序分别送入单片机,单片机通过RS485现场总线实现与PC机的挂接。由于电阻值与温度值之间是非线性关系,为了提高测量精度克服非线性误差,减少分度表的存储量,采用二次插值算法计算温度数值,使测温分辨率达到了0.05,测温精度优于0.1。单片机通过现场总线能够把温度值以MODBUS协议的形式发送给PC机,实现了工控计算机的现场总线集中管理。关键词:温度采集;PT100热敏电阻;RS485总线- I -AbstractTemperature is the process of moder
3、n industrial production as an important parameter, in the production process often required to detect and monitor the temperature, especially in the electricity, chemical industry and other large enterprises, automation of production processes often require dozens of monitoring and measuring the tem
4、perature parameters. Production in some special occasions (such as printing and dyeing and refining), temperature measurement and control parameters directly affect the accuracy of follow-up to the quality of the product.In this paper, based on the temperature RS485 fieldbus module design method of
5、collection. Thermal resistance with temperature changes in the resistance of different signals, resistance constant current signal into the analog voltage signal, single-chip multi-channel analog switches internal circuitry of the analog signal acquisition, A / D converter module of the signal colle
6、cted analog-to-digital conversion, to convert digital signals received, respectively, in accordance with the sequence into single-chip, single-chip RS485 fieldbus through with PC-articulated.As the resistance value and temperature is non-linear relationship between, in order to improve the measureme
7、nt accuracy to overcome the non-linear error, reducing the index storage table, the use of quadratic interpolation algorithm for calculating the temperature value, so that the temperature resolution of 0.05 , temperature measurement accuracy of better than 0.1 . Single-chip microcomputer through fie
8、ldbus temperature in order to be able to MODBUS agreement sent to the PC, the realization of the Industrial Fieldbus computer for centralized management.Key words: Temperature acquisition; PT100 Thermistor; RS485 bus- 31 -目 录摘 要IAbstractII第1章 绪论11.1设计的背景及意义11.2温度采集技术现状2第2章 设计方案选择与论证42.1设计要求及技术指标42.2
9、 系统总体方案设计42.3温度传感器的选择52.3.1 热电阻温度传感器52.3.2集成电路(IC) 温度传感器52.3 通信接口的选择62.3.1 RS-232双机通讯接口62.3.2 RS-422串行通讯接口62.3.3 RS-485串行通讯接口62.4单片机的选择7第3章 硬件设计83.1单片机接口电路83.2温度信号采集电路83.2.3恒流源电路仿真103.3 RS485接口通信电路113.4 6N137光电隔离电路113.5开关电源电路123.5.1 PWM芯片TOP220工作原理123.5.2开关电源电路及工作原理13第4章 软件设计164.1 温度值计算164.2 MODBUS现
10、场总线协议164.3主程序流程框图184.4系统初始化子模块程序设计184.5串口通信子模块程序设计18第5章 使用工具介绍205.1电子设计工具ProtelDXP205.2仿真工具Multisim924第6章 结 论27参考文献28附录A PT100铂电阻的温度和阻值对应关系表29附录B总体电路原理图31致 谢32第1章 绪论1.1设计的背景及意义温度是现代工业生产过程中的一个主要参数,在生产过程中常需对温度进行检测和监控,特别是在电力、化工等大型自动化企业的生产过程中往往需要监视和测量几十个温度参数。在某些特殊的生产场合 (比如印染和炼油 ),温度参数测量和控制的精度直接影响后续产品的质量
11、。自从1976年Intel公司推出第一批单片机以来,80年代单片机技术进入快速发展时期,近年来,随着大规模集成电路的发展,单片机继续朝快速、高性能方向发展,从4位、8位单片机发展到16位、32位单片机。单片机主要用于控制,它的应用领域遍及各行各业,大到航天飞机,小至日常生活中的冰箱、彩电,单片机都可以大显其能。单片机在国内的三大领域中应用得十分广泛:第一是家用电器业,例如全自动洗衣机、智能玩具;第二是通讯业,包括电话、手机和BP机等等;第三是仪器仪表和计算机外设制造,例如软盘、硬盘、收银机、电表。除了上述传统领域外,汽车、电子工业在国外也是单片机应用十分广泛的一个领域。它成本低、集成度高、功耗
12、低、控制功能多能灵活的组装成各种智能控制装置,由它构成的智能仪表解决了长期以来测量仪器中的误差的修正、线性处理等问题。现场总线是将自动化最底层的现场控制器和现场智能仪表设备互连的实时控制通讯网络,遵循ISO的OSI开放系统互连参考模型的全部或部分通讯协议。FCS则是用开放的现场总线控制通讯网络将自动化最底层的现场控制器和现场智能仪表设备互连的实时网络控制系统。现场总线系统由于采用了智能现场设备,能够把原先DCS中处于控制室的控制模块、各输入输出模块置于现场设备,加上现场设备具有通信能力,现场的测量变送仪表可以与阀门等执行机构直接传送信号,因而控制系统功能能够不依赖控制室的计算机或控制仪表,直接
13、在现场完成,实现了彻底的分散控制。 DCS随着计算机、控制、网络通信、组态软件、信息集成和数据库技术的发展而不断更新和发展,主要体现在以下几个方面:(1)信息化:DCS已从单一的控制系统,发展为集控制和管理于一体的综合信息系统。DCS提供了从生产现场到车间,再从工厂到公司,最后到企业集团的整个信息通道,充分体现了信息的全面性、准确性和实时性。(2)集成化:DCS已从单一封闭系统,发展为集成各类PLC、工业PC、数字化仪表和设备,甚至不同型号DCS可以互相集成和信息共享,为最终用户提供集成化综合系统。(3)智能化:随着人工智能、专家系统、自适应、预测和推理等先进控制技术的发展和应用,DCS也适时
14、地融合这些新技术,实现先进的智能化控制功能。(4)开放式网络:DCS已从单一封闭网络,发展为开放式网络系统,通过互联网技术和IE浏览器,可以访问过程画面、查询数据、管理调度和指挥生产。开放式网络的关键是网络安全,传统DCS采用软件防火墙,现代DCS不仅有软件防火墙,而且有硬件防火墙,既保证网络安全开放,又保证监控层的实时性。例如,Honeywell公司的Experion PKS R300的控制站采用硬件防火墙技术。(5)容错以太网(FTE):传统DCS用两条独立网络(A,B)实现冗余,两台设备之间只有一条通信路径,其本质是单条网络运行,故障时整条网络切换(A到B或B到A),切换时间长,可靠性低
15、。现代DCS用容错以太网(FTE,Fault Tolerant Ethernet) 。(6)无线网络技术:支持手持移动无线操作站,将无线技术与控制技术融为一体,进行现场操作监控、故障处理和仪表校验,实现操作与维护的无缝集成。例如,Honeywell公司的Experion PKS R300采用此无线网络技术。(7)数字视频技术:通过摄像头采集现场图像信息,再通过图像识别软件,进行图像处理,发现异常图像,立即发出报警信号,具有自动录像和录像回放功能,便于事故分析,并将数字视频技术与操作监控软件融为一体。例如,Honeywell公司的Experion PKS R300采用此数字视频技术。(8)先进控
16、制站:DCS的基础是控制站,为了进一步提高控制站的可靠性、稳定性和安全性,增强控制站的功能,而采用了一系列先进技术。例如,控制站采用无底板模块结构,独立倾斜式垂直插拔,散热效果好,接线维护方便;采用容错以太网(FTE),硬件控制防火墙(冗余),冗余控制器、冗余I/O、冗余电源、冗余现场总线接口;采用先进的预估控制算法,鲁棒性好,具有参数自整定功能。Honeywell公司的Experion PKS R300控制站是上述先进控制站的代表之一。随着现代信息技术的飞速发展,温度采集控制系统在工业、农业及人们的日常生活中扮演着一个越来越重要的角色,它对人们的生活具有很大的影响,例如:在冶金工业、化工生产
17、、电力工程、机械制造和食品加工等许多领域中,人们都需要对各类加热炉等温度进行采集和控制。温度采集与控制,在保证产品质量、节约能源和安全生产等方面起着关键的作用。1.2温度采集技术现状 随着电子技术的发展,特别是随着大规模集成电路的产生,给人们的生活带来了根本性的变化,如果说微型计算机的出现使现代的科学研究得到了质的飞跃,那么可编程控制器的出现则是给现代工业控制测控领域带来了一次新的革命。在现代社会中,温度控制不仅应用在工厂生产方面,其作用也体现到了各个方面。 随着人们生活质量的提高,酒店厂房及家庭生活中都会见到温度控制的影子,温度控制将更好的服务于社会目前,单片机控制器在从生活工具到工业应用的
18、各个领域,例如生活工具的电梯、工业生产中的现场控制仪表、数控机床等。尤其是用单片机控制器改造落后的设备具有性价比高、提高设备的使用寿命、提高设备的自动化程度的特点。 现代工业设计、工程建设及日常生活中常常需要用到温度控制,早期温度控制主要应用于工厂中,例如钢铁的水溶温度,不同等级的钢铁要通过不同温度的铁水来实现,这样就可能有效的利用温度控制来掌握所需要的产品了。第2章 设计方案选择与论证2.1设计要求及技术指标本课题要求设计出能够支持MODBUS协议的RS485现场总线通信的热阻型温度采集模块,该模块能够通过现场总线与工控计算机挂接。技术指标:1.输入信号:PT100;2.测温分辨:0.05;
19、3.测温精度: 0.1;4.供电电源:220VAC10%;5.环境温度:-4585;6.环境湿度:85%;7.通信方式:RS485现场总线。2.2 系统总体方案设计针对本课题的研究内容是设计一款测量精度高、支持RS485硬件接口和MODBUS工业现场总线协议的温度采集模块。该温度采集模块能够对6点温度进行实时采集,采用支持MODBUS工业现场总线协议的RS485光电隔离接口与PC机进行通信。基于以上功能,具体设计方案如图2-1所示。220VACC8051F410单片机多路模拟开关RS485接口电路PC机开关电源电路PT100(1)信号放大(1)信号放大(2)PT100(2)PT100(6)信号
20、放大(6). . .+5V-5VGNDA/D接口图2-1 实施方案原理框图根据上述研究内容和技术要求,采用图2-1所示设计方案。在图2-1中包含采集放大电路,主控单元,RS485接口电路,电源电路等4个主要功能模块。采集放大电路:将热电阻信号转换为0-2v的模拟电压信号,用来测量温度;主控单元:采用C8051F410单片机作为整个电路的核心,控制采集通道的选择,数据的处理并与RS485接口电路相连接,进行数 据的传输和通信;RS485接口电路:实现PC机与现场总线模块之间的通讯;电源电路:将220VAC通过开关电源稳压电路输出+5V和-5V电压,给模块中的各部分电路提供工作电源。其中,采集放大
21、电路采用三线制接线法,来消除导线引入的测量误差。因为C8051F410单片机中自带A/D转换接口,因此不需要单独设计A/D转换电路。2.3温度传感器的选择2.3.1 热电阻温度传感器热电阻是工业上最常用的温度检测元件之一。其优点是:1测量精度高。因热电阻直接与被测对象接触,不受中间介质的影响。2测量范围广。常用的热电偶从-50+1600均可边续测量,某些特殊热电阻最低可测到-269(如金铁镍铬),最高可达+2800(如钨-铼)。3构造简单,使用方便。热电阻通常是由两种不同的金属丝组成,而且不受大小和开头的限制,外有保护套管,用起来非常方便。2.3.2集成电路(IC) 温度传感器集成电路(IC)
22、 温度传感器性能离散度很大, 用于高精度测量时, 必须进行校准。测温铂电阻温度系数的离散度很小, 精确度高, 灵敏度也较好, 特别适用于1000 度以下的温度测量, 但价格昂贵。集成电路温度传感器利用了半导体PN 结电流电压特性和温度的相关性, 和热敏电阻、热电偶相比, 最大优点是输出线性好, 测温精度较高。感温部分、传感器驱动部分、信号处理部分等电路均集成化并封闭在一个小型管壳内, 使用方便。题目设计要求输入信号为PT100;测温分辨为0.05;测温精度为0.1;综合以上因素考虑选择热电阻温度传感器(PT100)。PT100铂电阻的温度和阻值对应关系见附录A2.3 通信接口的选择2.3.1
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