基于CAN总线的液位控制装置的设计课程设计论文.doc

本科生课程设计（论文） iii 课程设计（论文）任务及评语课程设计（论文）任务及评语 院（系）：电气工程学院 教研室： 学 号学生姓名专业班级 课程设 （论文） 题目 基于can总线的液位控制装置的设计 课程设计（论文）任务 课题完成的功能、设计任务及要求、技术参数课题完成的功能、设计任务及要求、技术参数 实现功能实现功能 基于 can 总线的液位控制器实现通过 can 总线接收控制指令及上传数据、并根 据指令进行液位的控制功能。硬件设计包括 cpu 选型、can 总线控制器、can 总线 收发器及液位采集与驱动电路等。软件采用汇编语言或 c 语言，并调试与分析。 设计任务及要求设计任务及要求 1、确定设计方案，画出方案框图。 2、控制器硬件设计，包括元器件、传感器的选择。 3、画出控制器的原理图。 4、绘出程序流程图，并编写 can 总线初始化、接收及发送程序。 5、要求认真独立完成所规定的全部内容；所设计的内容要求正确、合理。 6、按学校规定的格式，撰写、打印设计说明书一份；设计说明书应在4000字以 上。 技术参数技术参数 1、can 总线符合 can2.0b 规范； 2、can 总线通讯速率 500kbit/s； 3、can 总线进行光电隔离设计； 4、液位控制精度为 1%； 5、液位调整阀的驱动电流为20ma。 进度计划 1、布置任务，查阅资料，确定系统设计方案（2 天） 2、系统硬件设计及模块选择（3 天） 3、系统软件设计及编写功能程序及调试（3 天） 4、撰写、打印设计说明书（1 天） 5、验收及答辩。 （1天） 指导教师评语及成绩 平时： 论文质量： 答辩： 总成绩： 指导教师签字： 年 月 日 本科生课程设计（论文） iv 注：成绩：平时20% 论文质量60% 答辩20% 以百分制计算 本科生课程设计（论文） v 摘 要 自 20 世纪 80 年代开始， 由于微电子计算机、光纤、超声波等高科技的迅 猛发展，在液位控制领域出现了种类多样的控制手段，并且其功能越来越完善,各 项性能指标越来越易于适应工业生产的要求,趋于自动化、智能化。 本课设主要研究的是基于 can 总线的液位控制，实现通过 can 总线接收控 制指令及上传数据、并根据指令进行液位的控制。硬件设计包括 cpu- at89c51、can 总线控制器 mpc2510、can 总线收发器 pac82c250 及液位变 送器 cyb31 与驱动电路等。首先由液位变送器产生一个输入信号给 a/d 转换器 adc0804 进行信号转换送入 cpu，进行数据处理，然后经由 can 总线控制后由 cpu 输出信号给 d/a 转换器 dac0832，然后输出信号作用于控制阀门，直接作 用于容器装置，形成一个完整的循环控制系统。总体的来达到基于 can 总线的 液位控制。 基于 can 总线的液位控制技术也因其优点特性而被广泛应用于工业生产过 程中。发展现场总线技术已成为工业自动化领域广为关注的焦点课题，国际上现 场总线的研究、开发，使控制系统冲破了长期封闭系统的禁锢，走上开放发展的 征程，这对中国现场总线控制系统的发展是个极好的机会，也是一次严峻的挑战。 关键词：can 总线；can 总线控制器；can 总线收发器 本科生课程设计（论文） vi 目 录 第 1 章 绪论 1 第 2 章 课程设计的方案 2 2.1 概述 .2 2.2 系统组成总体结构 .2 第 3 章 系统硬件设计 3 3.1 最小系统设计 .3 3.2 液位变送器 .3 3.3 a/d 接口电路设计 4 3.4 d/a 接口电路设计 5 3.5 can 总线的接口设计 5 3.5.1 can 总线的控制器接口设计 5 3.5.2 can 总线的收发器接口设计 6 3.5.3 光电隔离设计 7 3.6 系统总体电路图 .7 第 4 章 软件设计 9 4.1 系统流程框图 .9 4.2 控制程序 .9 第 5 章 课程设计总结 .15 参考文献 16 论文内容变化后，右键单击目录区域，选择 “更新域” ，再选择“更新整个目录” ，确定。 本科生课程设计（论文） 1 第 1 章 绪论 在工业生产过程中，液位往往是很重要的控制参数，常常需要测量容器中液 体的液位。液位测量的目的主要是通过液位测量来确定容器里的原料、半成品或 产品的数量，以保证生产过程各环节物料平衡以及为进行经济核算提供可靠的依 据。随着各行业的快速发展，液位测量已应用到越来越多的领域，传统的液位测 量手段已经无法满足对其精确性的要求，所以基于 can 总线的液位控制，这种智 能化控制方向已经成为一种新的手段被广泛的应用。 主要针对液位数据采集和传输。以单片机为核心，以 can 协议总线作为数据 传输手段，数据采集模块将采集到的数据转换输送到单片机内进行处理，再由单 片机通过 can 通讯模块将液位信息数据经 can 总线传输给中心机房的上位机处理， 形成基于 can 总线的液位控制系统。 现场总线 can 作为一种工业网络通讯技术，以其独特的设计思想、优良的实 时传输性能和极高的可靠性，越来越受到人们的重视。本设计就是开发一种基于 can 总线的液位控制。can 总线，实现液位检测系统与工业数字化信息平台的信 息共享，具有良好的发展前景。 本科生课程设计（论文） 2 第 2 章 课程设计的方案 2.1 概述 随着电子技术、计算机技术和信息技术的发展,工业生产中传统的检测和控 制技术发生了根本性的变化。液位作为化工等许多工业生产中的一个重要参数, 其测量和控制效果直接影响到产品的质量,因此液位控制成为过程控制领域中的 一个重要的研究方向。本课设主要研究的是基于 can 总线的液位控制，实现通过 can 总线接收控制指令及上传数据、并根据指令进行液位的控制。硬件设计包括 cpu、can 总线控制器、can 总线收发器及液位采集与驱动电路等。 2.2 系统组成总体结构 通过对现有元器件进行分析和对所掌握知识的了解，本次设计对所有元器件 进行了选择，并对数据采集模块和 can 通讯模块进行了硬件设计。主要是针对 微处理器 at89c51、a/d 转换器 0804、d/a 转换器 0832、can 总线控制器 mpc2510 和 can 总线收发器 pca82c250 的硬件选择和设计。系统总体结构框 图如图 2.2。 液位变送器 cpua/dd/a 控制阀门 液体容器 总线控制器 总线收发器 can总线 驱动电路 光电隔离 图 2.2 系统总体结构框图 本科生课程设计（论文） 3 第 3 章 系统硬件设计 3.1 最小系统设计 at89c51 是一种带 4k 字节 flash 存储器的低电压、高性能 cmos 8 位微处理 器，俗称单片机。at89c2051 是一种带 2k 字节闪存可编程可擦除只读存储器的单 片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除 1000 次。该器件采用 atmel 高 密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的 mcs-51 指令集和输出管脚相兼 容。由于将多功能 8 位 cpu 和闪速存储器组合在单个芯片中，atmel 的 at89c51 是一种高效微控制器， at89c51 单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性 高且价廉的方案。为了精确的对系统进行控制，满足控制要求，本设计选用 at89c51 可满足控制要求，如图 3.1。 at89c51 vcc 40 p2.0(a8) 21 p2.1(a9) 22 p2.2(a10) 23 p2.3(a11) 24 p2.4(a12) 25 p2.5(a13) 26 p2.6(a14) 27 p2.7(a15) 28 psen 29 (ale/prog) 30 epvpp 31 (ad7)p0.7 32 (ad6)p0.6 33 (ad5)p0.5 34 (ad4)p0.4 35 (ad3)p0.3 36 (ad2)p0.2 37 (ad1)p0.1 38 (ad0)p0.0 39 p1.0(t2) 1 p1.1(t2) 2 p1.2 3 p1.3 4 p1.4 5 p1.5(mosi) 6 p1.6(moso) 7 p1.7(sck ) 8 rst 9 p3.0(rxd) 10 p3.1(txd ) 11 p3.2(int0) 12 p3.3(int1) 13 p3.4(t0) 14 p3.5(t1) 15 p3.6(wr) 16 p3.7(rd) 17 xlal 2 18 xlal 1 19 gnd 20 图 3.1 at89c51 3.2 液位变送器 cyb31 系列隔离式液位变送器采用进口不锈钢隔离膜片的高精度、高稳定性 本科生课程设计（论文） 4 的力敏芯片,经合理精密的结构设计和厚膜技术温度补偿、信号放大、v/i 转换, 对不锈钢壳体进行全密封焊接,使用有通风导管的防水电缆,使传感器背压腔与大 气连通,从而制成工业标准的 420ma 信号输出且性能稳定可靠的全固态产品。 本设计要求液位控制精度为 1%，而 cyb31 的控制精度可达到 0.2%，结合具体情 况本系统选用 cyb31 型液位变送器来进行液位的测量，如图 3.2。 图 3.2 液位变送器 3.3 a/d 接口电路设计 来自于液位变送器的信号为模拟信号，必须经过 a/d 转换后才能进入单片机。 a/d 转换就是将连续的模拟电压转换成相对应的数字量，输入的电压与输出的数 字量有严格的对应关系。 在本次设计中采集模拟信号是使用的转换器是 adc0804，如图 3.3，它是典 型的八位逐次逼近型 a/d 转换器。最多可以允许 8 位模拟量的输入，借助三位的 地址锁存器与译码电路，多路模拟开关可以选择此八路模拟量中的一个，所有的 模拟量转换共用一个 a/d 转换器。 vcc 20 clk r 12 db0 18 db1 17 db2 16 db3 15 db4 14 db5 13 db6 12 db7 11 cs 1 rd 2 wr 3 clk in 4 intr 5 vin(+) 6 vin(-) 7 agnd 8 vref/2 9 gnd 10 ad c0804 本科生课程设计（论文） 5 图 3.3 adc0804 3.4 d/a 接口电路设计 来自于 can 总线上的信号经过单片机变成数字信号。输出的数字信号只有经 过 d/a 转换才能实现模拟量的输出。 本次设计采用 dac0832，dac0832 是一种常用的 8 位数字/模拟转换芯片。 dac0832 最具有特色是输入为双缓冲结构，数字信号在进入 d/a 转换前，需经 过两个独立控制的 8 位锁存器传送。其优点是 d/a 转换的同时，dac 寄存器中 保留现有的数据，而在输入寄存器中可送入新的数据。系统中多个 d/a 转换器 内容可用一公共的选通信号选通输出。 isbdi0 7 di1 6 di2 5 di3 4 di4 16 di5 14 di6 14 msbdi7 13 cs 1 xfe r 17 iout1 11 iout2 12 ile 19 vcc 20 wr2 18 wr1 2 rfb 9 da c0832 vref 8 图 3.4 dac0832 3.5 can 总线的接口设计 单片机将采集的液位数据运算处理之后，还要将数据通过 can 总线通信接口 以符合 can 协议的数据形式发送到总线上供中心机房的上位机处理。要完成这一 功能所以必须得对 can 总线接口进行设计，其中包括 can 控制器、can 收发 器及对 can 总线的光电隔离设计。 本科生课程设计（论文） 6 3.5.1 can 总线的控制器接口设计 本设计中 can 总线控制器芯片采用 mcp2510, mcp2510 是 microchip 公司推 出的采用独立 can 控制器的 can 总线控制器芯片,它完全符合 can 总线的 2.0b 技 术规范,并带有符合工业标准的 spi 串行接口。mcp2510 在目前市场上是体积最 小、最易于使用也是最节约成本的独立 can 控制器。 mcp2510 是一种带有 spi 接口的 can 控制器，它支持 can 技术规范 v2.0a/b；并能够发送的接收标准的和扩展的信息帧，同时具有接收滤波和信息 管理的功能。mcp2510 通过 si 接口与 mcu 进行数据传输，最高数据传输速率可达 5mb/s，mcu 可通过 mcp2510 与 can 总线上的其它 mcu 单元通讯。mcp2510 内含三 个发送缓冲器、二个接收缓冲器。同时还具有灵活的中断管理能力，这些特点使 得 mcu 对 can 总线的操作变得非常简便。如图 3.5.1。 vss 9 txca n 1 rxcan 2 clko ut 3 tx0rts 4 tx1rts 5 tx2rts 6 osc2 7 osc1 8 rx1bf 10 rx0bf 11 int 12 sck 13 si 14 so 15 cs 16 reset 17 vdd 18 mcp2510 图 3.5.1 can 总线控制器 mcp2510 3.5.2 can 总线的收发器接口设计 can 收发器是一个物理层的器件，它是 can 总线控制器和物理总线之间的 接口，器件可以提供对总线的差动发送能力和差动接收能力。本设计总线收发器 选用 pca82c250，其与 iso/dis 11891 标准完全兼容，最高速可达 1mbps，很强 的抗瞬间干扰和保护总线的能力，降低射频干扰（rfi-radio frequency interference）的斜率控制，热防护，可防护电池与地之间发生短路，存在低电流 本科生课程设计（论文） 7 备用模式，并且某一个节点掉电不会影响总线。如图 3.5.2。 txd 1 gnd 2 vcc 3 rxd 4 wref 5 canl 6 canh 7 rs 8 pca82c250 图 3.5.2 can 收发器 pca82c250 3.5.3 光电隔离设计 本设计要求对 can 总线进行光电隔离设计，这里我们选择 tlp113 光耦合器。 toshiba 小型扁平耦合器 tlp113（p113）是一个小外型耦合器，适用于贴片安 装。tlp113（p113）包含一个高输出功率的砷化镓铝发光二极管，该二极管光耦 合到一个高增益，高速单片光探测器。探测器的输出为肖特基钳位晶体管，集电 极开路输出，如图 3.5.3。 5 vcc 6 gnd 4 1 3 tl p113 图 3.5.3 tlp113 光耦合器 3.6 系统总体电路图 本设计总体电路图如图 3.8。 本科生课程设计（论文） 8 123456 a b c d 654321 d c b a title numberrevisionsize b date:25-dec-2013sheet of file:f:料料27.ddbdrawn by: vcc 20 clk r 12 db0 18 db1 17 db2 16 db3 15 db4 14 db5 13 db6 12 db7 11 cs 1 rd 2 wr 3 clk in 4 intr 5 vin(+) 6 vin(-) 7 agnd 8 vref/2 9 gnd 10 ad c0804 isbdi0 7 di1 6 di2 5 di3 4 di4 16 di5 14 di6 14 msbdi7 13 cs 1 xfe r 17 iout1 11 iout2 12 ile 19 vcc 20 wr2 18 wr1 2 rfb 9 da c0832 vref 8 5v 5v port rfb ou t 500k 10k a b + + _ _2 3 1 4 5 6 7 11 lm324 lm324 10k -12v +12v at89c51 vcc 40 p2.0(a8) 21 p2.1(a9) 22 p2.2(a10) 23 p2.3(a11) 24 p2.4(a12) 25 p2.5(a13) 26 p2.6(a14) 27 p2.7(a15) 28 psen 29 (ale/prog) 30 epvpp 31 (ad7)p0.7 32 (ad6)p0.6 33 (ad5)p0.5 34 (ad4)p0.4 35 (ad3)p0.3 36 (ad2)p0.2 37 (ad1)p0.1 38 (ad0)p0.0 39 p1.0(t2) 1 p1.1(t2) 2 p1.2 3 p1.3 4 p1.4 5 p1.5(mosi) 6 p1.6(moso) 7 p1.7(sck ) 8 rst 9 p3.0(rxd) 10 p3.1(txd ) 11 p3.2(int0) 12 p3.3(int1) 13 p3.4(t0) 14 p3.5(t1) 15 p3.6(wr) 16 p3.7(rd) 17 xlal 2 18 xlal 1 19 gnd 20 di0 di1 di2 di3 di4 di5 di6 di7 p0.0 p0.1 p0.2 p0.3 p0.4 p0.5 p0.6 p0.7 in1 in2 vss 9 txca n 1 rxcan 2 clko ut 3 tx0rts 4 tx1rts 5 tx2rts 6 osc2 7 osc1 8 rx1bf 10 rx0bf 11 int 12 sck 13 si 14 so 15 cs 16 reset 17 vdd 18 mcp2510 p1.3 p1.1 p1.2 p1.0 rst rst clock out 5 vcc 6 gnd 4 1 3 tl p113 5 vcc 6 gnd 4 1 3 tlp113 tl p113 390 r2 390 r1 +3.3v 390 r3 390r4 can-rx can-tx390 r5 390 r6 cgnd txd 1 gnd 2 vcc 3 rxd 4 wref 5 canl 6 canh 7 rs 8 pca82c250 c1 cgnd cvcc can-h can-l sck si cs so reset 图 3.8 系统总体电路图 本科生课程设计（论文） 9 第 4 章 软件设计 4.1 系统流程框图 软件流程图如图 4.1 开始 系统初始化 设定控制液位 can总线接收信 号，液位改变？ 传送上位 机控制 pid控制 输出 结束 n y 图 4.1 系统流程图 4.2 控制程序 系统控制程序如下： #include #include “cancom.h“ unsigned char uart_tx_data8 = 0,1,2,3,4,5,6,7; unsigned char can_tx_data8 = 0,1,2,3,4,5,6,7; 本科生课程设计（论文） 10 unsigned char xdata uart_rx_data255; /串口接收到的串行帧 unsigned char xdata can_tx_data255; /待发送的数据缓冲区 unsigned char code acr_id4 = 0,0,0,0; /can 初始设置验收滤波值 unsigned char code amr_id4 = 0xff,0xff,0xff,0xff; unsigned char can_tx_id4 = 0,0,0,0; /待发送的目标的 id unsigned char can_rx_id4 = 0,0,0,0; /接收到的信息来自何 id unsigned char can_rx_data8 = 7,6,5,4,3,2,1,0; /接受到的数据缓冲 unsigned char code can_btr010 =0xdf,0xcf,0xc7,0xc3,0x43,0xc1,0xc1, xc0,0xc0,0x80; unsigned char code can_btr110 = 0x7f,0x7f,0x7f,0x7f,0x2f,0x7f,0x4d,0x 3e,0x3a,0x23; / 5k 10k 20k 40k 50k 80k 100k 200k 250k 500k unsigned char code uart_btr4 = 0xe8,0xf4,0xfa; / 1.2k,2.4k,4.8k unsigned char can_flag; /can 发送标志位 unsigned char uart_flag; / unsigned char can_error_flag = not; / unsigned char can_datalength = 8; /can 信息的报文长度 unsigned char uart_datalength = 0; /串口接收时的当前指示 unsigned char uart_length = 0; /串口接收区的长度指示 /sbit aaa = p14; void main(void) ea = 0; system_init(); /系统初始化 timer_init(); /定时器初始化 interrupt_init(); /中断 uart_ini(); can_init(); delay(1); w_wdt(); 本科生课程设计（论文） 11 ea = 1; /delay(1); /uart_length = 8; /can_transmit(0); /uart_transmit(); void interrupt_init(void) /ip = 0x00; it0 = 0x01; /外部 0 中断沿触发 et0 = 1; /定时器 0 中断使能 ex0 = 1; /外部中断使能 es = 1; /串行中断使能 / 定时中断程序 / 一旦中断，说明一帧的接收已经结束，开始启动 can 发送程序 / 把串口接收到的数据准备好给 can 总线发送 / 初始化定时器程序 / -定时器 0 方式 1，定时器 1 方式 2 留给串口 /void timer_init(void) tmod |= 0x01; /使用定时器 0方式 1 th0 = temp_th0; tl0 = temp_tl0; /tr0 = 1; /这里不打开定时器 void can_init(void) ea = 0; mod_can1 |= 0x08; /单滤波方式 do 本科生课程设计（论文） 12 mod_can1 |= 0x01; /request to reset mode while (mod_can1 cdr_can1 = 0xc8; /选择 pelican 模式，使用输入比较器，clk_out 关闭 ier_can1 = 0x01; /允许发送中断，其他中断禁能 acr0_can1 = acr_id0; acr1_can1 = acr_id1; acr2_can1 = acr_id2; acr3_can1 = acr_id3; amr0_can1 = amr_id0; amr1_can1 = amr_id1; amr2_can1 = amr_id2; amr3_can1 = amr_id3; /ecc_can1 = 0; /txerr_can1 = 0; /rbsa_can1 = 0; btr0_can1 = can_btr00; btr1_can1 = can_btr10; ocr_can1 = 0xaa; /normal output w_wdt(); do mod_can1 while (mod_can1 ea = 1; / can 发送接受到的一帧串口数据 / -最大长度 255，根据接收到的串口信息的 / 个数来确定 本科生课程设计（论文） 13 / -按每依次 8 个数据作为一个 can 帧的报文部分 / 不足 8 个或超过 8 的倍数的部分按实际个数作 / 为 can 报文 / -farmetype = 1 为扩展帧，farmetype = 0 为 / 标准帧 while (can_status txframeinfo1 = 0x80 + uart_length%8; pointer = for (i=0;i4;i+) *(pointer+) = can_tx_idi; pointer = for (i=0;i(uart_length%8);i+) *(pointer+) = can_tx_datai+8*(uart_length/8); cmr_can1 = request_tx; w_wdt(); / can 接收中断服务程序 void can_isr(void) interrupt 0 using 1 unsigned char can_int; ea = 0; can_int = ir_can1; if (can_int cmr_can1 |= releaserxbuf; else 本科生课程设计（论文） 14 can_error_flag = yes; /其他中断，暂时未用 /uart_flag = yes; /can_flag = yes; uart_transmit(); ea = 1; / can 接收数据函数 #define yes 1 /4800bps 5bits 1.04ms #define time_ms 1 #define temp_th0 (0 - 922*time_ms)/256 #define temp_tl0 (0 - 922*time_ms)%256 sbit led1 = p12; sbit led2 = p13; sbit led3 = p15; sbit led4 = p14; sbit wdt = p34; void system_init(void); void delay(unsigned char time); void w_wdt(void); void interrupt_init(void); void can_init(void); /void can_transmit(unsigned char farmeinfo); void can_transmit(bit farmetype); void can_receive(void); void timer_init(void); void uart_ini(void); void uart_send_byte(unsigned char data); void uart_transmit(void); void clear_buffer(unsigned char *pointer,unsig