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西华大学毕业设计说明书 化工企业数据收集和显示系统设计摘 要本文设计了无纺布生产车间内的一个CAN总线网络。通过这个网络，可以将现场智能设备互联起来，形成一个简单的工控网络。该网络包括一个主站和几个从站。从站是几个智能测控节点，主要对生产线的启停状态、锅炉温度、布匹的移动速度、单卷长度、单卷重量和总产量等数据进行测量，在现场用LED数码管显示测得的各种数据，通过CAN总线将数据传送到主站，并根据现场数据控制布匹单卷产量和产生温度报警。主站主要起到连接CAN总线与上位机的作用，主站与上位机之间通过RS232串行接口进行通信。此外，还设计了掉电保护电路，可以在突然断电的情况下对现场数据进行保护。关键词：CAN总线,温度测量,重量测量,速度测量,RS232,掉电保护AbstractIn 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 intelligent 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 used to measure the production line is in state of starting or ending、 the temperature of Boiler、 the speed of moving cloth 、the length and weight of a roll of cloth and the total output ，and show the data with 7-segment LED in the worksite ， and send the data to the master station with CAN bus， and control the length of the cloth，and give alarms when the temperature is too high or too low. The master station connects CAN bus and PC. The master station communicates with PC according RS232 serial interface. Furthermore ，I designed the protecting circuit ，the circuit can protect the data when the power suddenly lost.Keywords:key word： CAN bus, temperature measuring, weight measuring, speed measuring,RS232,losing power protecting目 录摘 要I1前言- 1 -2总体方案设计- 2 -3通信设计- 5 -3.1基于RS232的单片机与PC机通信- 5 -3.2单片机CAN总线通信- 5 -3.2.1 CAN协议简介- 5 -3.2.2 CAN通信协议的实现- 8 -3.2.3 CAN通信电路设计- 12 -4数据采集显示控制系统设计- 14 -4.1温度采集显示系统设计- 14 -4.1.1温度测量方案- 14 -4.1.2信号放大- 16 -4.1.3 AD转换- 17 -4.1.4 LED显示- 17 -4.1.5 PT100的现场安装- 18 -4.1.6 温度值计算- 19 -4.2重量采集显示系统设计- 20 -4.2.1应变称重原理- 20 -4.2.2称重传感器产品- 21 -4.2.3 AD转换- 22 -4.3速度位移测量及单卷产量控制- 23 -4.3.1速度测量原理- 24 -4.3.2速度测量方案- 24 -4.3.3继电器驱动电路- 26 -5电源设计级掉电保护- 28 -5.1正负5V直流稳压电源- 28 -5.2精确5V电源设计- 29 -5.3掉电保护设计- 30 -6结论- 32 -7总结与体会- 33 -8致谢- 34 -参考文献- 35 -附录电路原理图（见资料袋内）Protel原理图及PCB图（见光盘）- 35 -1前言随着计算机特别是微型计算机与网络技术的飞速发展，越来越多的智能设备被应用于生产中。工程师们利用这些技术实现了车间的自动化或半自动化系统。分布式控制系统DCS（Distributed Control System），又称集散控制系统，是相对于集中式控制系统而言的一种新型计算机控制系统，它是在集中式控制系统的基础上发展、演变而来的。它是一个由过程控制级和过程监控级组成的以通信网络为纽带的多级计算机系统，综合了计算机，通信、显示和控制等技术，其基本思想是分散控制、集中操作、分级管理、配置灵活以及组态方便。工程师站是对DCS进行离线的配置、组态工作和在线的系统监督、控制、维护的网络节点，其主要功能是提供对DCS进行组态，配置工作的工具软件（即组态软件），并在DCS在线运行时实时地监视DCS网络上各个节点的运行情况，使系统工程师可以通过工程师站及时调整系统配置及一些系统参数的设定，使DCS随时处在最佳的工作状态之下。与集中式控制系统不同，所有的DCS都要求有系统组态功能，可以说， 没有系统组态功能的系统就不能称其为DCS。本次的设计内容就是一个简单的DCS系统。本系统设计的是一个化工企业的无纺布生产车间的自动数据采集控制系统。纺织生产要求车间对成品单卷产量、总产量等进行数据自动采集和监控，每两条生产线旁安装一台计算机，通过RS232通信口与下位机连接，从下位机中取得车速、温度、启停状态、成品单卷产量、总产量等数据，并根据定单要求自动设置下位机中的参数。控制系统中还要具有包括键盘输入、数据显示、温度信号和重量信号读取、串行通讯、继电器控制和掉电保护等功能。对于这样的系统，采用廉价的单片机作为控制器是比较合适的。在系统中设计一个主站和多个从站，从站完成各种数据采集、运动控制等功能，主站集中管理各个从站。总线是系统实现各个站点互联的纽带，CAN总线是一种成熟、可靠、廉价的现场总线，适合用在本系统之中。2总体方案设计根据设计内容及要求，需要设计一个工控网络，对车间里成品单卷产量、总产量等进行数据自动采集和控制，并向ERP系统上传数据及接收来自上位机的数据和指令。这就要求系统以总线为纽带，将分散的智能节点（单片机测量控制节点）互联起来，形成一个可以相互通信、共同完成测控任务的控制网络。国际IEC1158标准定义：现场总线是一种互联现场自动化设备及控制系统的双向数字化通信协议。利用现场总线，可以将现场智能装置组建成为全数字化、多变量、双向、多节点网络。1993年由德国Bosch公司推出的CAN（controller area network控制局域网），就是一种实用的现场总线，广泛应用于汽车监控、开关量控制、制造业。1)RS232总线RS232标准出现较早，具有的不足之处：接口信号电平值较高，容易损坏接口电路芯片，与TTL电平不兼容，传输速率低，异步传输时，波特率为20kbps，采用共地传输，容易产生共模干扰，最大传输距离标准值仅为50英尺，实际只能用于50米左右。2)RS485总线RS485总线网络技术成熟结构简单，可靠性高，抗干扰能力强，传输速度也比RS232总线快得多，接口信号电平比RS232低，不易损坏接口芯片，与TTL电平兼容，最高传输速率可达到10Mbps，最长传输距离最长1200米。RS485总线的不足：RS485总线只存在一个简单的没有硬件通信协议的物理层，其通信协议完全依赖软件的支持，增加了系统软件的负担，并且在没有可靠的总线竞争仲裁与帧重发机制的情况下，数据丢失率几乎正比于总线数据流通量。RS485总线组成的测控网络如图2-1所示。.图2-1 RS485总线组成的测控网络MAX1487MAX1487MAX1487重量采集速度位移测量温度测量RS232/RS485转换器PC机3)CAN总线CAN总线数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性。支持多主方式，信息分级，高优先级先传输，非破坏性总线仲裁技术，通信方式有点对点、一点对多点、全局广播，通信距离最高可达到10km、速率最高为1000kbps。节点数取决于总线驱动电路，可达110个，采用短帧结构的数据传输格式，CRC校验检错，出错严重时，节点自动关闭输出功能。CAN总线相对其他现场总线而言，通信协议比较简单，开发技术成熟，软件工作量小易于实现。由于CAN总线有这样的特点，在工控系统中得到广泛的应用。基于CAN总线的数据收集和显示系统如图2-2所示。PC机RS232主站从站4从站2从站3从站1温度数据采集 速度位移采集显示 重量采集 显示 切断布匹 显示 1#生产线 2#生产线 图2-2 基于CAN总线的数据收集和显示系统3通信设计系统要求上位机通过RS232通信口与下位机连接，并且下位机与上位机可以进行数据交换，设计中选用CAN总线实现各智能现场设备互联，故通信设计主要是单片机通过RS232接口与PC机通信和单片机间的CAN总线通信3.1基于RS232的单片机与PC机通信 RS232接口使用的是RS232电平，PC机的RS232C串口采用负逻辑，即逻辑“1”为-3V-15V，逻辑“0”为+3V+15V，不能与TTL电平兼容，要使单片机能够与PC机通信，必须使用电平转换电路使电平统一。图4.1就是一种常用的电平转换电路，RS232C电平与TTL电平可以通过max232芯片转换得到统一。 图3-1 232串口通信电路3.2单片机CAN总线通信3.2.1 CAN协议简介CAN报文的四种帧类型a.数据帧： 数据帧携带数据从发送器至接收器。数据帧由7个不同的位场组成，即帧起始、仲裁场、控制场、数据场、CRC场、应答场、帧结束。b.远程帧： 总线单元发出远程帧，请求发送具有同一识别符的数据帧。远程帧由6个不同的位场组成，即帧起始、仲裁场、控制场、CRC场、应答场、帧结束。c.错误帧： 任何单元检测到一总线错误时就发送错误帧。错误帧由两个不同的场组成。第一个场是错误标志，用做为不同站提供错误标志的叠加；第二个场是错误界定符。d.超载帧： 用来在先行的和后续的数据帧（或远程帧）之间提供一附加的延时。超载帧包括两个位场：超载标志和超载界定符CAN数据帧格式 图3-2 CAN总线数据帧结构a.帧起始 帧起始标志数据帧和远程帧的起始，由一个单独的“0”位组成。b.仲裁场 图3-3 CAN2.0A的仲裁场的组成 仲裁场包括标识符ID和远程发送请求位（RTR）。对于CAN2.0A标准，标识符的长度为11位。RTR位在数据帧中必须是显性位，而在远程帧必须为隐性位。对于CAN2.0，标准格式和扩展格式的仲裁场不同。在标准格式中，仲裁场由11位标识符和远程发送请求位组成。在扩展格式中，仲裁场由29位标识符和替代远程请求位（SRR） 、标志位（IDE）和远程发送请求位组成。仲裁场的作用之一是说明数据帧或远程帧发送目的地；之二是指明数据帧或远程帧。c.控制场 控制场由6个位组成，其结构如图9.7所示。标准格式和扩展格式的控制场格式不同。标准格式里的帧包括数据长度代码、IDE位（为显性位，见上文）及保留位r0。扩展格式里的帧包括数据长度代码和两个保留位：r1和r0。其保留位必须发送为显性，但是接收器认可“显性”和“隐性”位的任何组合。数据长度代码（标准格式以及扩展格式）DLC（data length code），如表 3-1所示。图3-4 控制场结构表3-1数据帧长度代码DLC数据字节的数目数据长度代码DLC3DLC2DLC1DLC0012345678ddddddddrddddrrrrdddrrddrrddrdrdrdrdd.数据场 数据场为08个字节的有效数据，如果需要一次发送的数据大于8个字节，则要用多个数据帧，各数据帧按照一定的顺序进行分组发送，在接收端再重新组合成一个整体的信息数据。e.CRC场CRC场包括15位的CRC序列和一位CRC定界符。f.应答场 应答场是两个位时间的长度，包括一个应答间隙和一个应答定界符。g.帧结束每一个数据帧和远程帧均由一标志序列界定，这个标志序列由7个“1”组成。3.2.2 CAN通信协议的实现CAN通信协议的实现由CAN控制器完成。下面介绍一种应用最为广泛的独立CAN控制器SJA1000。CAN控制器SJA1000的结构如图3-5所示，主控制器上的位的数据被传送到SJA1000之后，SJA1000将数据打包，形成符合CAN通信协议的数据结构，通过收发器传送到CAN总线上，发送到其他智能节点。接收的节点再以相反的方式，将接收到的CAN数据帧转换为位二进制数，传给单片机，从而实现了智能节点之间的有效通信。有CAN总线协议的支持，智能节点之间就可以实现最快1000kbps，最远10的通信。图3-5SJA1000的结构图SJA1000的重要寄存器设置SJA1000 的两个工作模式（Basic 和Peli）所使用的寄存器数目不同，功能也不尽相同。Basic CAN 有从0-31 共32 个寄存器可用，Peli CAN 有从0-127 共128 个寄存器可用。要实现CAN通讯，主要就是配置这些寄存器。1）控制寄存器（CR）控制寄存器位于SJA1000寄存器区的0地址,用来设置CAN总线的模式和各种中断。在硬启动或总线状态位设置为1（总线关闭）时,复位请求位被置为1.在外部复位期间,微控制器不能把复位请求位置为0。如果要把复位请求位置为0,微控制器必须先检查这一位,以确定外部复位引脚不为低电平。复位请求位被设为0后,SJA1000将会等待：1个总线空闲信号（11个弱势位）,如果前一次复位请求是硬件复位或CPU初始复位;等待128个总线空闲,如果前一次复位请求是CAN控制器在重新进入总线开启模式前初始化总线造成的。2）命令寄存器（CMR）命令寄存器对微控制来说是只写存储器。在复位模式和工作模式下都可对此寄存器进行访问,但是读这个地址返回值是“11111111”。将睡眠模式位置为1,SJA1000进入睡眠模式,此时没有总线活动,没有中断等待。CMR.3位是用来清除由数据溢出状态位指出的数据溢出。如果数据溢出位被置位,就不会产生数据溢出中断了。在释放接收缓冲器命令的同时,可以发出清除数据溢出命令。读接收缓冲器之后,微控制器可以通过设置释放接收缓冲器为1,来释放接收队列当前信息的内存空间。3）状态寄存器（SR）状态寄存器对微控制器来说是只读存储器,当传输错误计数器超过限制（255）（总线状态位置1,即总线关闭）,CAN控制器就会将复位请求位置1,在错误中断允许的情况下,会产生一个错误中断。这种状态会持续到CPU清除复位请求位。对于错误状态位,当至少有一个错误计数器满或超出CPU警告限制（96）时,错误状态位被置位。在中断使能的情况下,会产生错误中断。4）中断寄存器（IR）通过中断寄存器可识别中断源。当寄存器的1位或多位被置位时,INT（低电平有效）引脚被激活。寄存器被微控制器读过之后,所有会导致INT引脚上的电平变化的位被复位。中断寄存器对微控制而言是只读存储器。中断寄存器各位的功能说明如表4所列。)验收代码寄存器（ACR）表3-2 ACR 的位分配 CAN 地址4BIT 7BIT BIT BIT BIT BIT BIT BIT AC.7AC.AC.AC.AC.AC.AC.AC.验收代码位 AC.7-AC.0 和信息识别码的高8 位ID.10-ID.3 相等且与验收屏蔽位AM.7-AM.0的相应位相或为1 ,即如果满足以下方程的描述则被接收。ID xnor ACRor(AMR)=1（-）6 )验收屏蔽寄存器(AMR)表3-3 AMR 位配置 CAN 地址5BIT 7BIT 6BIT 5BIT 4BIT 3BIT 2BIT 1BIT 0AM.7AM.6AM.5AM.4AM.3AM.2AM.1AM.07)总线定时寄存器0 (BTR0)总线定时寄存器0 定义了波特率预设值BRP 和同步跳转宽度SJW 的值复位模式有效时这个寄存器是可以被访问读/写的。如果选择的是 PeliCAN 模式此寄存器在工作模式中是只读的在BasicCAN 模式中总是FFH表3-4 总线定时寄存器0 BTR0 的位功能说明CAN 地址6BIT 7BIT 6BIT 5BIT 4BIT 3BIT 2BIT 1BIT 0SJW.1SJW.0BRP.5BRP.4BRP.3BRP.2BRP.1BRP.0波特率预设值BRPCAN 系统时钟tSCL 周期是可编程的而且决定了相应的位时序CAN 系统时钟，由如下公式计算。tSCL=2 tCLK (32 BRP.5+16 BRP.4+8 BRP.3+4 BRP.2+2 BRP.1+BRP.0+1)（-）这里tCLK 等于晶振的频率周期1/fXTAL。同步跳转宽度(SJW) 为了补偿在不同总线控制器的时钟振荡器之间的相位偏移任何总线控制器必须在当前传送的相关信号边沿重新同步跳转宽度定义了每一位周期可以被重新同步缩短或延长的时钟周期的最大数目tSJW=tSCL (2 SJW.1+SJW.0+1)（-）8)总线定时寄存器BTR1总线定时寄存器1 定义了每个位周期的长度采样点的位置和在每个采样点的采样数目。在复位模式中这个寄存器可以被读/写访问在PeliCAN 模式的工作模式中这个寄存器是只读的在BasicCAN 模式中总是FFH表3-5 总线定时寄存器1 BTR1 的各位功能说明CAN 地址7BIT 7BIT 6BIT 5BIT 4BIT 3BIT 2BIT 1BIT 0SAMTSEG2.2TSEG2.1TSEG2.0TSEG1.3TSEG1.2TSEG1.1TSEG1.0SAM=1 三倍;总线采样三次;建议在低/中速总线(A和B级)上使用,这对过滤总线上的毛刺波是有益的SAM =0 单倍;总线采样一次;建议使用在高速总线上(SAE C级)时间段1 TSEG1 和时间段2 TSEG2决定了每一位的时钟数目和采样点的位置这里tSYNCSEG=1 tSCL（-）tTSEG1=tSCL（8 TSEG1.3+4 TSEG1.2+2 TSEG1.1+TSEG1.0+1）（-）tTSEG2=tSCL（ 4 TSEG2.2+2 TSEG2.1+TSEG2.1+1）（-）TBIT=Tsync+tSEG1+TSEG2（-）波特率1/TBIT（-）设置好BTR0和BTR1参数后，实际传输的有效波特率范围为：最大波特率1/(tBITtSJW)，最小波特率1(tBITtSJW) 3.2.3 CAN通信电路设计 图3-6 CAN通信电路设计如图所示，电路主要有四部分组成：主控制器89C51单片机、独立CAN控制器SJA1000、高速光耦6N137、CAN总线驱动器82C250。SJA1000的AD0AD7与单片机的P0口相连，RD、WR分别于单片机的对应引脚相连，为增强CAN节点的抗干扰能力，SJA1000的TX0和RX0引脚不直接连接CAN总线驱动器82C250的TXD与RXD，而是通过高速光耦连接，这样就很好的实现了电气隔离。82C250与CAN总线的接口部分也采用了一定的安全和抗干扰措施，82C250的CANH和CANL引脚各自通过一个5的电阻与CAN总线相连，电阻的限流作用可以保护82C250免受过流冲击。CANH和CANL与地之间并联了两个30pF的电容可以起到滤除总线上的高频干扰和一定的防电磁辐射的能力。另外在两CAN总线输入端与地之间分别接一个防雷击管，当两输入端与地之间出现瞬变干扰时，通过二极管放电可以起到一定的保护作用。82C250上的Rs脚上皆有一个斜率电阻。其取值一般在16140K之间。表3-6 RS选择的三种工作方式：条件方 式Rs上的电压或电流VRS0.75Vcc10A-IRS200AVRS0.3VCC待机方式斜率方式高速方式IRS 10A 0.4VCCVRS0.6VCC-IRS500A 在高速工作方式下,发送器输出晶体管简单地以尽可能快的速度启闭。在这种方式下,不采取任何措施限制上升和下降斜率。建议使用屏蔽电缆以避免射频干扰问题。通过将引脚8接地,可选择高速方式。对于较低速度或较短总线长度,可用非屏蔽双绞线或平行线作总线。为降低射频干扰,应限制上升和下降斜率。上升和下降斜率可通过由引脚8至地连接的电阻进行控制。斜率正比于引脚8上的电流输出。若引脚8加有高电平,则电路进入低电流待机方式。在这种方式下,发送器被关掉,而接收器转至低电流。由于在待机方式下,接收器是慢速的,因此,第一个报文将被丢失。为了提高网络节点的拓扑能力， CA N 总线两端需要接有抑制反射的终端电阻， 它对匹配总线阻抗起着非常重要的作用，如果忽略此电阻， 会使数字通信的抗干扰性和可靠性大大降低， 甚至无法通信.。终端电阻是为了消除在通信电缆中的信号反射在通信过程中，有两种信号因导致信号反射：阻抗不连续和阻抗不匹配。 终端电阻的大小由CAN节点的多少和距离决定，最小值为118，本次设计节点少且距离短，可以取120。4数据采集显示控制系统设计4.1温度采集显示系统设计常用的温度传感器有：热电偶、热敏电阻、电阻温度检测器(RTD) 、IC温度传感器、声学温度传感器、红外传感器和微波传感器等。从成本、量程等方面考虑，最终选择热电阻传感器。金属热电阻的感温元件有石英套管十字骨架结构，麻花骨架结构得杆式结构等。金属热电阻常用的感温材料种类较多，最常用的是铂丝。工业测量用金属热电阻材料除铂丝外，还有铜、镍、铁、铁-镍、钨、银等。Pt100就是最常用的热电阻传感器之一。PT100的量程为-200650，0时其电阻值为100欧姆。温度测量方案PT100的电阻值随温度的变化而变化，温度为-200时，电阻为18.5，温度为0时，电阻为100，温度为650时，电阻为332.79。其阻值与温度之间的关系是非线性关系，具体对应关系见PT100的分度表。阻值大小能体现温度高低，测量温度的实质就是测量PT100的电阻值。温度采集显示系统框图CAN通信报警LED显示AD转换信号放大 单片机恒流源PT100掉电保护 图4-1温度采集显示系统框图4.1.1温度测量方案常用的电阻测量的方法一般有两种，即电桥法和利用恒流源测电阻的方法。如图4-2所示，PT100的电阻值变化导致输出电压Uo的变化，测量Uo的大小即可间接求出电阻的变化和温度的大小。但是，其电阻与输出电压的关系比较复杂，应用于智能仪表方面会增加系统软件设计的难度。图4-3是恒流源测电阻的示意图，如果能流过电阻的电流是一个恒定的值，那么电阻两端的电压就易于计算了，即R=Uo/I，电阻值与电压信号之间呈简单的线性关系，这样系统软件设计就得到简化。 图4-2 单臂桥式测电阻 图4-3 恒流源测电阻恒流源电路的设计，有用三极管构成的，有用专门的恒流管，也有用价格低廉的器件通过比较巧妙的设计构成的。本系统主要采用价格低廉的运放OP-07和2.5V基准电压集成芯片LM336-2.5构成高质量的恒流源。恒流源原理图如图5-4所示。由于运放虚地的结果，造成OP-07的反相输入端为0V，而图中电阻R13的下端由于使用精密的基准电压源LM336-2.5，外加调整电路，该点电压被确定为-2.5V，由于运放的输入阻抗极高，输入端可以认为不吸人电流，可以认为R13电阻上流过的电流大小固定而且一定等于OP-07输出端流人Ptl00温度传感器的电流，从而达到恒流的效果。恒流源的电流大小由R13确定。 图4-4 恒流源温度测量电路4.1.2信号放大由于测量得到的电压信号微弱，达不到AD转换所需的电压，所以要将电压信号放大。仪用放大器AD620、AD622等集成芯片是比较理想的放大器。这两种放大器很相似，本文对AD620作一个简单介绍。 图4-5 AD620管脚图AD620的核心为三级运放，它的增益可以根据需要调整，调整范围为11000。最大误差在03之内。AD620主要技术指标和特点：a.仅用一个外接电阻设置增益，增益范围为11000增益A= (49. 4 k/Rg) + 1； （4-1）b.电源电压范围宽: 2.3V 18V；c.性能优于3个独立的运算放大器；d.低功耗，电源电流最大为1. 3mA；e.优良的直流性能：输人失调电压小于50uV，输人失调漂移0. 6A/0C，输人偏置电流100dB；f.低噪声，输人信号带宽120kHz(A=100)。4.1.3 AD转换经放大的电压信号是一个模拟量，而单片机只可以处理数字信号，所以需要将AD620输出的电压信号转换为数字信号。考虑到温度测量系统中需要对多点进行测量，需选用多通道的AD转换器。由于需要测量的温度范围大概有几百度，若以600度计算，采用10位AD转换器，测量精度为600/1024=0.586oC；采用12位AD转换器，测量精度为600/4096=0.1465oC。本次设计使用11通道12位AD转换器TLC2543。TLC2543使用开关电容逐次逼近技术完成，由于是串行输入结构，能够节省51系列单片机的IO资源其特点有：a.12 bit分辨率AD转换器；b.在工作温度范围内10u s转换时间；c.11个模拟输入通道；d.3路内置自测试方式；e.采样率为66 kbs；f.线性误差+1LSB(max)；g.有转换结束(EOC)输出；h.具有单、双极性输出；i.可编程的MSB或LSB前导；j.可编程的输出数据长度 图 4-6 TLC2543管脚图4.1.4 LED显示显示电路采用MAX7219专用数码管显示电路。MAX7219使用灵活，不占用数据存储器空间，仅使用3个单片机I/O口就能完成显示8位共阴极LED的任务。其峰值电流可以达到40mA，最高串行扫描速率为10MHz，典型扫描速率为1300MHz。MAX7219内部有14个控制寄存器，写入DIG0DIG8的值即可使LED显示对应数值。表4-1 MAX7219内部控制寄存器的功能寄存器名称十六进制数地址寄存器名称十六进制数地址空操作00HDIG607HDIG001HDIG708HDIG102H译码控制09HDIG203H亮度控制0AHDIG304H扫描位数0BHDIG405H停机控制0CHDIG506H显示测试控制0FH 图4-7 LED显示电路4.1.5 PT100的现场安装因为温度传感器直接接在恒流源电路中，所以温度传感器在现场的安装对于本系统来说是至关重要的，如果安装方法不当，就会直接造成设计的失败。两线制接法和两线制接法常应用于电桥法测量中，四线制接法常用于恒流源测量法。如图4-8所示， 图4-8 两线制接法 图4-9 四线制接法Pt100铂热电阻温度传感器需安装在现场测量温度。如图4-8所示，如果采用两线制接法，就会由于不同的测量现场，线路长度的不一造成线路阻抗的不一;而且该线路的阻抗与温度传感器的阻值都成了反映温度变化的变量，直接送人后级放大器，这样显然是不合理的。如果采用四线制接法，如图4-9所示，导线1、4的电阻不会引起恒流源电流的变化，由于AD620的输入阻抗极高，可以认为导线2、3线上没有电流通过，导线电阻不产生压降，输入AD620的电压就是PT100两端的电压。故系统可完全不考虑多个测点到达本测量系统的距离不一的问题。因此，四线制尽管多花消了线路成本，但达到了高精度的目标，这对于本高精度的温度测量系统来说是非常关键的。4.1.6 温度值计算现场温度与PT100的电阻值的关系是非线性关系。其具体对应关系见PT100的分度表。根据工业Cu、Pt电阻检定规程的计算方法，得出以下温度计算方程：在-200oC0 oC的情况下，R（t）=R（0）1+At+Bt2+C（t-100）t3） （4-2）在0oC650 oC的情况下, R（t）=R（0）（1+At+Bt2） （4-3）其中A=3.9083*10-3，B=-5.775*10-7，C=-4.183*10-3经验证比较，该曲线与PT100分度表拟合良好。4.2重量采集显示系统设计称重传感器按转换方法分为光电式、液压式、电磁力式、电容式、磁极变形式、振动式、陀螺仪式、压电式、电阻应变式等，以电阻应变式使用最广。单片机AD转换LED显示称重变送器掉电保护CAN通信 图4-10 重量采集显示系统框图4.2.1应变称重原理电阻应变式称重传感器测量原理：弹性体在外力作用下产生弹性变形，使粘贴在他表面的电阻应变片产生变形，电阻应变片变形后，它的阻值将发生变化（增大或减小），再经相应的测量电路把这一电阻变化转换为电信号（电压或电流），就完成了将外力变换为电信号的过程。选用不同的变形体，可以得到几千克至数十吨的量程范围。电阻与应变的关系：R/R=K0（K0 ：金属材料的灵敏度系数）直流电桥测应变片电阻原理如图4.11所示：若R1= R2= R3= R4= R，则Uo=0，电桥平衡。若其中一个电阻发生变化（假设是R1），阻值增加R，则电桥失衡，Uo=UiR/4R （4-4）若有两个桥臂工作， Uo=UiR/2R （4-5） 若有两个桥臂工作， Uo=UiR/R （4-6） 由以上三个公式可见，四分之一桥测量灵敏度最低，是半桥的1/2，全桥的1/4。在测量中最好采用全桥测量。图4-11 直流电桥测应变片电阻4.2.2称重传感器产品下面列出几种是适合在本次设计中使用的称重传感器（由蚌埠金诺传感测控工程有限公司生产）。 图4-12 JHBU型轮幅式系列传感器 图4-13 JHBT型筒式系列传感器如图4-12，JHBU型轮幅式系列传感器采用了箔式应变片贴在合金钢弹性体上，具有精度高、抗侧向力和抗偏心载荷能力强、密封性能好等特点可用于电子地中衡、料仓秤、轨道衡等场所。可选择内置式变送器，标准信号010mA、420mA或05V输出，量程：0.2、0.5、1.5、10、20、30、50 t，供桥电压：915 VDC，建议10V。 如图4-13，JHBT型筒式系列传感器，采用了箔式应变片贴在合金钢做的弹性体上，具有精度高、长期稳定性好、密封性好等到特点，可用在料仓秤等需测载荷力的地方。可选择内置式变送器，标准信号010mA、420mA或05V输出，量程：100、200、300、500KG，1、5、10、20、30、50 、100、200t，供桥电压：915 VDC，建议10V。 如图4-13，JHBL-型悬臂式系列荷重传感器采用了箔式应变片贴在合金钢做的弹性体上，具有精度高、密封性好，可用于电子皮带秤、斗秤计算机配料系统等。可选择内置式变送器，标准信号010mA、420mA或05V输出。量程：50、100、2002000kg。供桥电压：915 VDC，建议10V。 图4-14 JHBL-型悬臂式系列荷重传感器 图4-15 JHBL-I型悬臂式系列荷重传感器JHBL-I型悬臂式系列荷重传感器采用了箔式应变片贴在合金钢做的弹性体上，具有精度高、密封能力好，可用于电子皮带秤、升秤计算机配料系统等。可选择变送器输出0-5V、0-10V、4-20mA、0-10mA输出。量程：5、10、20、30、50、100、200、500kg。供桥电压：915 VDC，建议10V。4.2.3 AD转换如果单片机与称重传感器之间的距离比较近，就可以直接把变送器输出的5V电压进行转换。如果距离较远会导致信号衰减，此时就需要变送器输出电流信号，再将电流信号经过一个精密电阻转化为电压信号。由于传感器输出的是一个电压差，所以需要一个差分输入的AD转换器，设计方案选用AD77057706。AD77057706的特点：a.AD7705：2个全差分输入通道的ADC；b.AD7706：3个伪差分输人通道的ADC；16位无丢失代码；0003非线性；c.可编程增益：1128；e.三线串行接口SPI、QSPI、MICROWIRE和DSP兼容；f.有对模拟输入缓冲能力；g.2733V或475525V工作电压；h.3V电压时，最大功耗为lmW；i.等待电流的最大值为8mA；j.16脚DIP、SOIC和TSSOP封装。 图 4-16 AD7705应用电路图4.3速度位移测量及单卷产量控制对于作直线运动的无纺布，一般难以直接测量其运动速度。在实际测量过程中，常常采用测量转速的方法间接测得直线运动的速度。在本系统中，采用如下方法测量：设计两个滚轮，使无纺布穿过两个滚轮之间的间隙，两滚轮施加一定的预紧力以保证滚轮与布匹之间无相对滑动，这样，滚轮外侧圆周的线速度即时布匹移动速度。我们测量角速度，根据角速度与线速度的关系，即可求出布匹运动速度。记录角位移，即可求出布匹移动的直线运动位移。单片机根据布匹的长度数据，发出指令给功率接口，控制切刀切断布匹。滚轮使用时间过长，由于摩擦半径减小会导致测量不准确。如果更换滚轮又显得浪费，故设计有键盘输入功能，可以输入滚轮的实际半径，以保证既节省成本，又能保证测量精度。键盘单片机图4-17 速度位移测量框图掉电保护CAN通信LED显示信号调理脉冲采集4.3.1速度测量原理角速度测量常用测频法。假设被测量的转动物体上的标记数为Z，被测量物体转动一周，传感器发出Z个脉冲，则传感器每发出一个脉冲就代表转动物体旋转了2/Z(rad)的角度。设总共采集到的脉冲数为m，布匹位移为S，转速为w，线速度为v，角位移为，时间为t，滚轮半径为R，则：位移S=2m/（ZR） （4-7）瞬时角速度w=d/dt （4-8）布匹瞬时速度v=wR （4-9） 实际上布匹移的运动可以看作是匀速运动，为了体现布匹速度在生产线启停时的速度变化，可以在单片机每接收一定数量的脉冲后，计算一次速度。位移通过转过的总的角度来计算4.3.2速度测量方案霍尔式转速传感器测量如图4-18所示。被测物上固定小磁钢，转动时每当一个小磁钢接近霍尔元件，霍尔元件输出一个脉冲。 图4-18 霍尔式转速测量示意图 脉冲信号检测电路如图4-19所示。设计选用的检测元件为DN6837的开关集成霍尔传感器。集成霍尔元件片内设有稳压电路、施密特电路，通过晶体管的集电极输出信号，并且通过的脉冲信号不需要进行整形。这种传感器具有时滞特性，此特性可以防止噪声干扰。此元件是OC 门，需要在输出端与电源之间接一个15k上拉电阻。为了提高其带负载能力，接一个三极管放大电路。脉冲信号输入单片机的定时计数器T1，进行信号分析。 图4-19 霍尔式脉冲信号采集电路 光电式脉冲采集的原理如图4-20所示。被测物与圆盘固定在一起，圆盘上留有过孔，过孔两侧安装红外光电传感器，可以避免可见光光线的干扰。当被测物转动，红外线能通过过孔时，就产生一个脉冲。 4-20 光电式转速测量示意图脉冲信号检测电路如图4-19所示。74LS14的输入端的信号不是理想的脉冲信号，所以利用斯密特触发器将信号整形，再输入到单片机。 图4-21 光电式脉冲信号采集电路4.3.3继电器驱动电路本从站还应具有无纺布单卷产量控制的功能，即在布匹长度达到单卷长度设定值的时候，控制切刀切断布匹。主电路的通断决定切刀的动作，要求单片机具有功率接口，可以发送指令控制主电路上的继电器，达到弱电控制强电的目的。图4-22 继电器驱动电路 如图4-22，P1.7为高电平时，74LS14输出“0”，光耦中的发光二极管导通，同时光电三极管导通，三极管9013饱和，电磁铁得电，衔铁吸合，主电路接通。反之主电路关断。5电源设计级掉电保护5.1正负5V直流稳压电源作为一个完整的系统，必须有电源设计。由于CAN总线网络的主站离上位机很近，故可以直接用上位机的USB接口供电。对于几个从站，需要设计电源，将市电转换为直流电源。在速度位移测量从站上，只需要+5V的直流电源，采用最常用的三端集成稳压器LM7805产生+5V直流电压源。如图5-1所示，220V交流电经整流、滤波、稳压后形成稳定的+5V直流电。由于LM7805的输入、输出电压差最少为2V，最大为35V，一般压差保持在6V左右比较好。故设计中使用220V12V的变压器。 图5-1 +5V直流稳压电源在温度、重量测量工作站使用了仪用放大器AD620，AD620需要正负电源供电，电源电压范围为：2. 3V18V，为了使电路简单，采用5V电源。79系列的三端集成稳压器可以产生负电压，故用7805、7905一起产生正负5V电压源。如图5-2所示。 图5-2 5V直流稳压电源5.2精确5V电源设计AD转换器的电源直接关系到转换输出的数据，所以需要有一个比较精确的电源给AD转换器供电。MAX8875是Maxim公司生产的一款低压差线性稳压芯片，其输入电压范围为+2.5V +6.5V，输出电流达到150mA，可提供的输出电压值为1.5V、2.5V、2.7V、3.0V、3.3V和5.0V，它们的初始精度为1%。MAX8875还具有如下特点：a.具有“POWER-OK”输出，当输出电压超出稳压范围时产生报警信号；b.输出端只需要1F的小陶瓷电容，就可以确保负载高达150mA电流的稳定性；c.过热和短路保护；d.电池反接保护；e.1A最大关断电流。 图5-3 MAX8875应用电路图5.3掉电保护设计本系统采用的电源来自市电，当遇到突发情况断电时，单片机就会停止工作，RAM中的数据将会丢失。为避免这种情况的发生，需设计掉电保护方案。掉电保护的