基于现场总线的单片机温度测量系统

毕业设计（论文）第1页共63页目录1，绪论311设计总体说明412方案论证7121铂热电阻71227123现场总线82、总体设计1321系统工作原理1322系统方框图14基于现场总线的单片机温度测量系统第2页共63页23系统总体电路设计153、硬件设计1531总体设计框架1532温度传感器16321传感器概述16322传感器的静态特性17323传感器的动态特性20324传感器不失真检测转换条件20325传感器的分类21326电阻式温度传感器22327传感器的选毕业设计（论文）第3页共63页用2333A/D转换器23331A/D转换器的类型23332ADC性能指标24333选用ADC08092534单片机28341单片机概述28342AT89S51单片机2935CAN总线设计35351CAN总线硬件设计35352CAN总线软件设基于现场总线的单片机温度测量系统第4页共63页计3736CAN总线收发器3936182C250的主要特性2936282C250的功能框图29363功能描述4037显示电路424、软件设计4341系统程序设计4442显示控制程序4543按键检测子程序50结束毕业设计（论文）第5页共63页语52附录测量主程序533、流程图57参考文献58致谢59基于现场总线的单片机温度测量系统第6页共63页1、绪论改革开放以来，人们生活水平越来越高，城市农村建设迅猛发展，农业、工业发展迅速，在城市里人们需要更多的园林建设来美化城市，改善生态环境，因此需要一个良好的温室系统来培育优良的苗木和花草，在农村，用温室种植蔬菜、花草等。在其它很多地方也会用到温室系统，如粮库需要一个好的温、湿度环境，让粮食不至于在长时间里变质。因此一个良好的智能温室系统，会给人们生活带来很大的帮助温室系统是一个多方面智能监控系统，如温度系统、湿度系统、灌溉系统、阳光系统、通风系统等。通过该系统进行温度测量，将数据实时显示和监控，要求系统温度偏差小于5，这样才能更加准确的提供一个良好的温度环境。当温度过高或者过低时，系统采取相应措施进行即时处理，恢复所要的理想温度范围。温度是与人类的生活、工作关系最密切的物理量，也是各门学科与工程研究设计中经常遇到和必须精确测定的物理量。从工业炉温、环境气温到人体温度；从空间、海洋到家用电器，各个技术领域都离不开测温和控温。因此，测温、控温技术是发展最快、范围最广的技术之一。本文采用的是物理化学性能在高温和氧化性介质中很稳定，而且测量精度高、范围宽的铂热电阻进行温度系统的测量。温度控制系统具有非线性、时滞以及不确定性。单纯依靠传统的控制方式或现代控制方式都很难达到高质量的控制效果。采用单片机进行温度控制不仅具有控制方便、简单和灵活性大等优点，而且可以大幅度提高被控温度的技术指标。此测量电路能测量0500的温度变化。用传感器测量温度，将被测量转换成电压，再转换为A/D转换器能够识别的05V，经过单片机处理，并在四位LED数码管上显示所测量的温度值显示格式为XXXX。控温精度为正负05。AT89S51将所测数据通过CAN总线传送给上位机，作为工业的参考数据存储起来。目前现场总线控制系统是一个以智能传感器、自动控制、计算机、通信、网络技术为主要内容的多学科交叉的新兴技术，在过程自动化、制造自动化，电力等领域都有广泛的应用前景。目前国内的现场智能仪表中，可连接于FF总线系统的产品还没有得到推广。而国外进口产品价格较高，维修不方便。因此，对于此次设计的，可以和毕业设计（论文）第7页共63页现有常规产品连接的系统是很有必要的。设计总说明本文以CAN总线为基础，CAN总线上的每一节点均可以作为主节点主动地与其它节点交换数据,彻底解决了主从结构网络上只能有一个主节点、其余均为从节点的潜在危害，CAN网络中的节点（信息帧）可分优先级，这对实时控制系统无疑是极为有利的。由于本系统采用了CAN总线构成局域网因此程序设计具有很大的灵活性。根据系统特点将程序分为两部分监控程序、现场LCD显示程序和测温程序。利用微型计算机作为监控模块的主机，监控程序可完成较完备的温度监控和数据管理功能如特定点温度的采集和显示，整个系统温度的采集和显示，温度越限报警点的定位等；现场LCD显示程序主要完成对信息的接收、处理，并按照一定的规律将其显示出来；测温程序主要完成接收监控计算机发出的各种命令，采样信息等功能根据CAN协议和CAN设备的要求，用铂热电阻的温度传感器进行温度采集，通过AT89S51芯片进行温度输入、显示、控制等。然后通过FB3050和CPUP89V51RD2完成通讯控制，AT89S51将所测数据通过CAN总线传送给上位机，作为工业的参考数据存储起来。设计了一个基于现场总线的温度测控系统。该系统具有结构简单、成本低廉、性能可靠等优点。温度测量系统中，传感器采用铂热电阻的温度测控电路。信号采集电路采用对称的差动式电桥测量温度信号,铂热电阻器RES4和精密电阻器R3、R4及R5组成测量电桥。此信号再经放大器放大之后经A/D转换器接入单片机就构成了温度监控系统。再经过处理以后，由LED数码管显示数据。温度测量系统可以通过传感器将被测量转换为O到5V的单路输入电压值，并在四位LED数码管上显示温度值。本文将研究一种由CAN总线完成测控系统间数据通信、结构灵活、通用性号的温度测控系统，使用PT100，并能方便的实现系统互联。将传感器的输出变换成标准电压或电流信号，通过A/D转换变成数字量。将数字量信号传给单片机，最后单片机将采集到的数据送到CAN总线控制器，通过CAN总线收发器传上总线，完成数据采集工作。本文首先引入了现场总线这一高度综合与集成了计算机技术、通信技术和控制技术的新的技术模式，分析了现场总线的结构模型、特点、优点和类型等，进而讨论了CAN作为众多现场总线之一的独特优点。在此基础上开发了基于CAN现场总线的温度监基于现场总线的单片机温度测量系统第8页共63页控系统。本文对该系统的结构、功能与特点、硬件选用设计和通信程序设计给予了详细的叙述从整体和局部的不同角度阐明了系统中所使用技术的先进性和独到之处此测量电路能测量0500的温度变化。用传感器测量温度，将被测量转换成电压，再转换为A/D转换器能够识别的05V，经过单片机处理，并在四位LED数码管上显示所测量的温度值显示格式为XXXX。控温精度为正负05。通过该系统进行温度测量，将数据实时显示和监控，要求系统温度偏差小于5，这样才能更加准确的提供一个良好的温度环境。当温度过高或者过低时，系统采取相应措施进行即时处理，恢复所要的理想温度范围。关键词温度；CAN总线；LCD；行列式键盘；AT89S5GENERALDESIGNDESCRIPTIONTHISPAPERBASEDONCANBUS,CANBUSEVERYNODEONALLCANBEASTHEMAINNODEACTIVELYANDOTHERNODESEXCHANGEDATA,THOROUGHLYSOLVEDTHEMASTERSLAVESTRUCTUREONTHENETWORKCANONLYHAVEONEMAINNODE,THEOTHERSALLTHEPOTENTIALDANGERFROMNODETONODEINTHENETWORK,CANINFORMATIONCANBEDIVIDEDINTOPRIORITYFRAME,THEREALTIMECONTROLSYSTEMISUNDOUBTEDLYTHEEXTREMELYBENEFICIALBECAUSETHISSYSTEMUSESACANBUSCONSTITUTEALANSOTHEPROCESSDESIGNOFGREATFLEXIBILITYACCORDINGTOTHESYSTEMCHARACTERISTICSWILLPROGRAMWASDIVIDEDINTOTWOPARTSMONITORINGPROCEDURES,THELCDDISPLAYPROCEDURESANDTEMPERATUREMEASUREMENTPROCEDURESMICROCOMPUTERASMONITORINGMODULESHOST,MONITORINGPROCEDURESCANCOMPLETEACOMPLETETEMPERATUREMONITORINGANDDATAMANAGEMENTFUNCTIONSSUCHASSPECIFICPOINTTHECOLLECTIONOFTEMPERATUREANDDISPLAYTHEWHOLESYSTEM,THECOLLECTIONOFTEMPERATUREANDDISPLAY,THEEMERGENCYALARMLIMITTEMPERATUREOFPOSITIONINGTHELCDDISPLAYPROGRAMINFORMATIONTOCOMPLETETHEMAINRECEIVING,PROCESSING,ANDACCORDINGTOCERTAINRULESWILLDISPLAYTHETEMPERATUREMEASUREMENTPROGRAMMAINLYCOMPLETESACOMPUTERMONITORALLKINDSOFRECEIVINGORDERS,SAMPLINGINFORMATIONETCFUNCTIONACCORDINGTOTHEAGREEMENTANDCANEQUIPMENTCANREQUEST,USEOFTHEPLATINICRESISTANCETEMPERATURESENSORSFORTEMPERATUREGATHERING,THROUGHTHEAT89S51CHIPSFORTEMPERATUREINPUT,DISPLAY,CONTROLANDSOONTHENTHROUGHTHEFB3050ANDCPU毕业设计（论文）第9页共63页P89V51RD2COMPLETECOMMUNICATIONCONTROL,AT89S51WILLTESTDATATHROUGHTHECANBUSTRANSFERTOTHEPC,ASTHEREFERENCEDATASTORAGEINDUSTRYUPDESIGNBASEDONFIELDBUSTEMPERATUREMEASUREMENTANDCONTROLSYSTEMTHESYSTEMHASSIMPLESTRUCTURE,LOWCOSTANDRELIABLEPERFORMANCE,ETCTEMPERATUREMEASURINGSYSTEM,ANDTHESENSOROFTHEPLATINICRESISTANCETEMPERATUREMEASUREMENTANDCONTROLCIRCUITSIGNALACQUISITIONCIRCUITADOPTSSYMMETRICALDIFFERENTIALBRIDGEMEASURINGTEMPERATURESIGNAL,PLATINUMRESISTORANDPRECISIONRESISTORHOTRES4R3,ANDOFBRIDGER5R4G9MEASUREMENTTHISSIGNALBYTHEAMPLIFIERAMPLIFICATIONAGAINAFTERTHEA/DCONVERTERACCESSSINGLECHIPMICROCOMPUTERCONSTITUTESTHETEMPERATUREMONITORINGSYSTEMANDTHENAFTERTREATMENT,AFTERLEDDIGITALDISPLAYBYTHEDATATEMPERATUREMEASUREMENTSYSTEMCANBEMEASUREDTHROUGHTHESENSORWILLCONVERTTOO5VSINGLEINPUTVOLTAGEVALUES,ANDINTHEFOURLEDDIGITALDISPLAYONTHETEMPERATURETHISPAPERWILLRESEARCHACOMPLETEMEASUREMENTANDCONTROLSYSTEMBYTHECANBUSBETWEENDATACOMMUNICATION,FLEXIBLE,THETEMPERATUREOFTHEMEASUREMENTANDCONTROLSYSTEM,GENERALUSE,ANDCANPT100,THEREALIZATIONOFTHECONVENIENTSYSTEMINTERCONNECTIONTHEOUTPUTOFTHESENSORTOTRANSFORMSTANDARDVOLTAGEORCURRENTSIGNAL,THROUGHTHEA/DCONVERSIONINTOTHEDIGITALQUANTITYWILLTHEDIGITALQUANTITYSIGNALTOASINGLECHIPMICROCOMPUTER,THEMICROCONTROLLERWILLBECOLLECTEDDATASENTTOTHECANBUSCONTROLLER,THROUGHTHECANBUSTRANSCEIVERPOSTEDONTHEBUS,COMPLETEDATAACQUISITIONWORKTHISPAPERFIRSTINTRODUCESTHEFIELDBUSTHISHIGHLYINTEGRATEDANDINTEGRATIONOFTHECOMPUTERTECHNOLOGY,COMMUNICATIONTECHNOLOGYANDCONTROLTECHNOLOGYOFNEWTECHNOLOGYMODE,ANALYZESTHESTRUCTUREOFTHEFIELDBUSMODEL,CHARACTERISTICS,ADVANTAGESANDTYPEANDSOON,THENDISCUSSESTHEMANYFIELDBUSCANONEOFTHEUNIQUEADVANTAGESONTHEBASISOFTHEDEVELOPMENTBASEDONCANFIELDBUSTEMPERATUREMONITORINGSYSTEMINTHISPAPER,THESYSTEMSTRUCTURE,FUNCTIONANDCHARACTERISTICS,HARDWAREDESIGNANDCOMMUNICATIONPROGRAMDESIGNSELECTIONGIVESDETAILEDNARRATIVEFROMTHEOVERALLANDPARTIALVIEWOFTHEDIFFERENTILLUSTRATESTHESYSTEMUSEDINTHEADVANCEDNATUREOFTHEORIGINALITYANDTECHNOLOGYTHEMEASUREMENTCIRCUITCANMEASURE0500TEMPERATURECHANGESUSESENSORSMEASURINGTEMPERATUREMEASUREMENT,WILLBECONVERTEDINTOVOLTAGE,THENSWITCHEDTOA/DCONVERTERBE基于现场总线的单片机温度测量系统第10页共63页ABLETORECOGNIZETHE0,5V,SINGLECHIP,ANDINTHEFOURLEDDIGITALDISPLAYATUBEOFMEASUREMENTTEMPERATUREDISPLAYFORMATFORXXXXTEMPERATURECONTROLPRECISIONOFPLUSORMINUS05THROUGHTHISSYSTEM,TEMPERATUREMEASUREMENTDATAREALTIMEDISPLAYANDMONITORING,ASKSTHESYSTEMLESSTHAN5TEMPERATUREDEVIATION,SOTHATWECANMOREACCURATELYPROVIDEAGOODTEMPERATUREENVIRONMENTWHENTHETEMPERATURETOOHIGHORTOOLOW,THESYSTEMADOPTCORRESPONDINGMEASURESREALTIMEPROCESSING,RESTORETHEIDEALTEMPERATURERANGEKEYWORDSTEMPERATURETHECANBUSLCDTHEDETERMINANTKEYBOARDAT89S5112方案论证1铂热电阻传感器铂电阻温度传感器PT100其电阻值随着温度的变化而变化，为了便于检测，可将其信号转换为电压或电流信号，这里采用外加恒流源将电阻变化转变为电压变化信号。铂热电阻的端子接线有三种不同的连接方式，即2线式、3线式和4线式。铂热电阻是一种阻值随温度改变的温敏传感器，但实际使用时要把引线电阻计算在内，即与铂热电阻本身阻值相加。因此，2线式适用于传感器在印制版上，即测量电路与传感器不太远的情况。所以我们常采用3线或者4线式接法。原理图中，第一个运算放大器的输出端和其反向输出端连接，起到了稳压的左右，而又将输出的稳压连接到了测量电桥，当温度发生变化时,铂热电阻器RES4的阻值也随之变化,电桥输出信号经运算放大器放大并经过相应的偏置处理后。使其电压满足ADC0809片内A/D转换器的电压输入范围0V一5V,以进行A/D转换。在信号调整电路里，为了提高PT100的测量精度,减少线路的长度对检测结果的影响，PT100采用四线法进行采样信号，再经过差动放大电路，这样可以较好的减少零点漂移，以及减少由于线路过长产生的压降对系统的影响。2AT89S51单片机现代控制系统设计思想是将单片机或其他可编程器件与传统模拟、数字技术相结合，原来需要通过模拟电路、脉冲电路、组合逻辑实现的大部分控制功能，现在相当大的部分都可以用各种单片机通过软件方法予以实现。毕业设计（论文）第11页共63页尽管8位单片机种类很多，但无论是从世界范围还是全国范围来看，51系列都是使用最广泛、影响最深远的，许多公司都推出了兼容系列单片机。51系列单片机实际上已经成为一个公认的8位单片机的标准，一直占有最大的市场。其中8051是51系列中最早最典型的产品，它最能体现单片机“SINGLECHIPCOMPUTER”的基本结构。但由于8051芯片使用起来不方便，功耗也较高，在实际使用方面早已经被淘汰，代之以与其兼容的89C51、89S51等。与PIC单片机相比，AT89C51最致命的缺点在于不支持ISP（在线更新程序）功能。AT89SC51就是在这样的背景下取代AT89C51的。AT89S51系列单片机的优点ISP在线编程功能当你需要修改单片机内部程序存储器内的程序时，并不需要把AT89S51芯片从工作现场中剥离。具有串行的程序存储器写入方式，写入速度更快，稳定性更好，烧写电压也较低，仅仅需要45V即可。反复烧写次数更多AT89S51标称为1000次，实际最少是1000次10000次，这样更有利于初学者反复烧写，减低学习成本。工作频率更高AT89C51极限工作频率是24MHZ，而AT89S51最高工作频率是33MHZ。就是说AT89S51具有更高工作频率，从而具有了更快的计算速度。为适应低功耗的要求，AT89S51的时钟频率最低可以下降到0电源范围更宽AT89S51电源范围较宽，达455V，而AT89C51系列单片机在低于48V和高于53V的时候则无法正常工作，电压范围相对较窄。抗干扰性更强AT89S51内部集成了看门狗计时器（WATCHDOGTIMER）加密功能更强AT89S51系列提供了三层的全新加密算法（有LB1、LB2、LB3三个可编程的加密位），这使得对于AT89S51的解密变为几乎不可能，程序的保密性大大加强。支持低功耗模式AT89S51支持两种可以用软件设置的低功耗模式，空闲（IDLE）和掉电（POWERDOWN）模式，其中POWERDOWN模式还支持中断唤醒。IDLE模式可以在RAM、定时器、串行口和中断系统持续工作的时候停止CPU。POWERDOWN模式可以保持RAM中的数据，但时钟停止工作，并且所有的功能部件都会失效，直到来一个外部中断或者系统复位，才会脱离POWERDOWN模式。另外，AT89S51在结构上基于现场总线的单片机温度测量系统第12页共63页还设计了双数据指针（DUALDATAPOINTER）、设置了电源关闭标志（POWEROFFFLAG）。AT89S51向下完全兼容51系列的所有产品。3现场总线31现场总线简介现场总线是当今自动化领域技术发展的热点之一，被誉为自动化领域的计算机局域网。它的出现，给自动化领域带来了一次革命。基于现场总线及智能化仪表的控制系统FCS现场总线控制系统将逐步取代传统DCS（集散式控制系统）。DCS系统被称为集散式控制系统，它打破了计算机控制系统发展初期由单台计算机统管整个车间甚至工厂的集中控制模式，把整个生产过程分解多个子系统，由多台计算机共同协作完成自控系统功能，每台计算机或微处理器独立承担其中某一部分功能，并广泛采用冗余结构提高安全性。这种系统的优点是避免集中控制模式中危险集中的弊端。FCS是在DCS的基础上发展起来的，FCS顺应了自动控制系统的发展潮流，它必将替代DCS计算机控制系统出现以后，在工程实践中广泛使用模拟仪表系统中的传感器、变送器和执行机构，其信号传送一般采用420MA的电流信号形式。一个变送器或者执行机构需要一对传输线来单向传送一个模拟信号。这种传输方法使用的导线多，现场安装及调试的工作量大，投资高，传输精度和抗干扰性能较低，不便维护。主控室的工作人员不便了解现场仪表的实际情况，不能对其进行参数调整和故障诊断，所以处于底层的模拟变送器和执行机构成了计算机系统中最薄弱的环节，即所谓的DCS系统的发展瓶颈。现场总线控制系统正是在这种情况下诞生的。现场总线（FIELDBUS）是应用在生产现场的，在测量控制设备之间实现双向、串行、多点通信的数字通信系统。它在制造业、流程工业、交通、楼宇、工业控制、汽车行业等方面的自动化系统中具有广泛的应用前景，并在很多行业渗透。基于现场总线的控制系统被称为现场总线控制系统。现场总线控制系统（FIELDBUSCONTROLSYSTEM,FCS）是在以往的集散控制系统的基础上顺应用户对网络控制系统提出的开放性和降低成本的要求而诞生的。它用现场总线这一开放的、具有互操作性的网络将现场各控制器及仪表设备互联，构成现场总线控制系统，同时控制功能彻底下放到现场，降低了安装成本和维护费用。因此，FCS实质是一种开放的、具有互操作性的、彻底分散的分布式控制系统，已成为21世纪控制系统的主流产品。毕业设计（论文）第13页共63页现场控制系统既是一个开放的通信网络，又是一个全分布控制系统，它作为智能设备的纽带，把挂接在总线上、作为网络节点的智能设备连接成网络系统，并通过组态进一步构成自动化系统，实现基本控制、补偿控制、参数修改、报警、显示、监控、以及测、控、管一体化的综合自动化功能。现场总线控制系统是一个以智能传感器、自动化、计算机、通信、网路等技术为主要内容的多学科交叉的新兴技术，在过程自动化、制造自动化、楼宇自动化、交通、电力、等领域都有广泛的应用前景。现场总线具有以下技术特点系统具有开放性，对相关标准的一致性、公开性，强调对标准的共识与遵从；系统具有互可操作性与互用性，互可操作性是指实现互联设备之间、系统间的信息传送与沟通，互用则意味着不同生产厂家性能类似的设备可实现相互替换；现场设备的智能化与功能的自治性，它将传感测量、补偿计算、工程量处理与控制等功能分散到现场设备中完成，仅靠现场设备即可完成自动控制的基本功能，并可随时诊断设备运行状态；系统结构高度分散性，现场总线已构成一种全新的全分散性控制系统的体系结构。从根本上改变了现有DCS集中与分散相结合的集散控制系统体系，简化了系统结构，提高了可靠性；对现场环境的适应性，工作在生产现场最前端的现场总线，是专门为现场环境设计的，可以支持双绞线、同轴电缆、光缆、射频、红外线、电力线等，具有较强的抗干扰能力，能采用两线制实现供电与通信，可满足本征安全防爆要求等。自现场总线出现以来，有几种现场总线技术已逐渐形成其影响并在一些特定的领域显示了自己的优势。它们具有各自的特点，也显示了较强的生命力。下面介绍几种常用的现场总线。1基金会总线基金会现场总线的主要技术内包括FF通信协议，用于完成开放式互联模型中的27层通信协议的通信栈，用于描述设备特征、参数、属性及操作接口的DDL设备描述语言、设备描述字典，以及用于实现测量、控制、工程量转换等应用功能块，实现系统组态、调度、管理等功能的系统软件，以及构筑集成自动化系统网络系统的系统集成技术。基金会现场总线FF（FIELDBUSFOUNDATION）以ISO/OSI开放系统互联模式为基础，取其物理层、数据链路层、应用层为FF通信模型的相应层次，并在应用层上增加了用户层。用户层主要针对自动化测控应用的需要，定义了信息存取的统一规则，采用设备描述语言规定了通用的功能块集。基金会现场总线的主要技术内容包括FF通信协议、用于完成开放互联模式中第27层通信协议的通信栈、用于描述基于现场总线的单片机温度测量系统第14页共63页设备特性、参数、属性及操作接口的DDL设备描述语言、设备描述字典、用于实现测量、控制、工程量转换等功能的功能块、实现系统组态、调度、管理等功能的系统软件技术以及构筑集成自动化系统、网络系统的系统集成技术。2LONWORKSLONWORKS技术所采用的LONTALK协议被封装在称之为NEURON的芯片中并得以实现。在开发智能通信接口、智能传感器方面，LONWORKS神经元芯片也具有独特的优势。LONWORKS技术已经被美国暖通工程师协会ASHRE定为建筑自动化协议BACNET的一个标准。LONWORKS现场总线特点（1）采用了ISO/OSI模型的全部七层协议和面向对象的设计方法，通过网络变量把网络系统通信设计简化为参数设置，通信速率从300BPS至15MBPS不等。（2）支持多种通信介质，并开发了相应的本质安全防爆产品。（3）3个8位CPU分工合作，共同完成系统功能。（4）ECHELON公司鼓励OEM开发商运用LONWORKS技术和神经元芯片，开发自己的产品，因此，已被广泛用于工业控制等行业。3PROFIBUSPROFIBUS是作为德国国家标准DIN19245和欧洲标准PREN50170的现场总线。ISO/OSI模型也是它的参考模型。由PROFIBUSDP、PROFIBUSFMS、PROFIBUSPA组成了PROFIBUS系列。DP型适用于分散外设的高速传输，适合于加工自动化领域的应用。4HARTHART是HIGHWAYADDRESSABLEREMOTETRANSDUCER的缩写。最早由ROSEMOUNT公司开发并得到80多家著名仪表公司的支持，于1993年成立了HART通信基金会。这种被称为可寻址远程传感高速通道的开放通信协议，其特点是在现有模拟信号传输线上实现数字通信，属于模拟系统向数字系统转变过程中工业过程控制的过渡性产品，因而在当前的过度时期具有较强的市场竞争能力，得到了较好的发展。HART通信采用的是半双工的通信方式，其特点是在现有模拟信号传输线上实现数字信号通信，属于模拟系统向数字系统转变过程中过渡性产品，因而在当前的过渡时期具有较强的市场竞争能力，得到了较快发展。HART规定了一系列命令，按命令方式工作。它有三类命令，第一类称为通用命令，这是所有设备都理解、都执行的命令；第二类称为一般行为命令，所提供的功能可以在许多现场设备（尽管不是全部）中实现，这类命令包括最常用的的现场设备的功能库；第三类称为特殊毕业设计（论文）第15页共63页设备命令，以便于工作在某些设备中实现特殊功能，这类命令既可以在基金会中开放使用，又可以为开发此命令的公司所独有。在一个现场设备中通常可发现同时存在这三类命令。HART采用统一的设备描述语言DDL。现场设备开发商采用这种标准语言来描述设备特性，由HART基金会负责登记管理这些设备描述并把它们编为设备描述字典，主设备运用DDL技术来理解这些设备的特性参数而不必为这些设备开发专用接口。但由于这种模拟数字混合信号制，导致难以开发出一种能满足各公司要求的通信接口芯片。HART能利用总线供电，可满足本质安全防爆要求，并可组成由手持编程器与管理系统主机作为主设备的双主设备系统。CANCAN是控制网络CONTROLAREANETWORK的简称，最早由德国BOSCH公司推出，用于汽车内部测量与执行部件之间的数据通信。它采用总线仲裁技术，当出现几个节点同时在网络上传输信息时，优先级高的节点可继续传输数据，而优先级低的节点则主动停止发送，从而避免了总线冲突。CAN总线具有极高的可靠性、数据传输速度高、传输距离较长、实时性强，特别适合工业现场监控设备的互联。CAN总线通过CAN收发器接口芯片82C250的两个输出端CANH和CANL与物理总线相连,而CANH端的状态只能是高电平或悬浮状态,CANL端只能是低电平或悬浮状态。这就保证不会在出现在RS485网络中的现象,即当系统有错误,出现多节点同时向总线发送数据时,导致总线呈现短路,从而损坏某些节点的现象。而且节点在错误严重的情况下具有自动关闭输出功能,以使总线上其他节点的操作不受影响,从而保证不会出现象在网络中,因个别节点出现问题,使得总线处于“死锁”状态。而且,CAN具有的完善的通信协议可由CAN控制器芯片及其接口芯片来实现,从而大大降低系统开发难度,缩短了开发周期,这些是仅有电气协议的RS485所无法比拟的。相对于其他总线，CAN总线有以下优点A采用通信数据块编码，可实现多主工作方式，数据收发方式灵活；B采用非破坏性基于优先权的总线仲裁技术；C信号传输用短帧结构（8个字节），传输时间短，受干扰的概率低；D发送的信息遭到破坏后，可自动重发；E不关闭总线即可任意连接或拆除节点，增强了系统的灵活性和可扩展性；基于现场总线的单片机温度测量系统第16页共63页F采用统一的标准和规范，使各设备具有较好的互操作性和互换性；G报文不包含源地址或目标地址，仅用标示符来指示功能信息、优先级信息；H通信介质可采用双绞线，现场布线和安装简单，易于维护，经济性好。I作为一种技术先进、可靠性高、功能完善、成本合理的远程网络通信控制方式，CANBUS已经被广泛应用到各个自动化控制及检测系统中，从高速的网路到低价位的多路接线都可使用CANBUS，如汽车电子、自动控制、智能大厦、电力系统、安防监控等领域。2、总体设计系统通过铂热电阻式传感器测量温度变化，其测量范围可设在0100。通过信号调理电路转换为O5V的电压值，由A/D转换器ADC0809进行模数转换成单片机能接受的信号，通过单片机AT89S51控制四位LED显示通过BCD编码可使用在LED上显示测量的温度值，格式为XXXX。单片机AT89S51通过CAN总线把所测量的数据传给上位机，这样就实现了下位机与上位机的通信。21系统方框图传感器信号调理电路A/D转换器ADC0809单片机CAN控制器SJA1000CAN收发器820C250显示器系统工作原理框图毕业设计（论文）第17页共63页系统工作原理传感器信号经调理电路后转换为标准的O5V直流信号，送入集成A/D转换器ADC0809中进行模数转换成单片机能接受的信号，单片机AT89S51分析和处理通过采样读入A/D转换后的数据，并控制四位LED显示，通过BCD编码可在LED上显示测量的温度值，其格式为XXXX。后将数据写入SJA1O00的缓冲区，由SJA1000将数据送给CAN总线收发器并上传，同时实现通信。22系统总体电路设计123456ABCD654321DCBAABFCGDEDPY1234567ABCDEFG8DPDPABFCGDEDPYDPABFCGDEDPYDPABFCGDEDPYDPR1Q2PNPQ3PNPQ1PNPQ4PNPR20RES2R21RES2R19RES2R2RES2VCRP11Y11Y21Y31Y42Y12Y22Y32Y41A11A21A32A41A42A12A22A31G2G_RP224IN026MSB21212220IN12723192418IN2282582615IN312714LSB2817IN42EOC7IN53ADA25IN64ADB24ADC23IN75ALE2REF16ENABLE9START6REF12CLOCK10U6ADC0809INT0P24P25CLORS8GND2VC3CANL6CANH7VREF5TXD1RXD4U1PCA82C250NC1IN2IN3NO4VC8EN7OT6GND5U26N137NC1IN2IN3NO4VC8EN7OT6GND5U36N137VD12AD72AD61AD528AD427AD326AD225AD124AD023CS4RST17ALE/AS3CLOKOUT7RD/E5WR6INT16RX019RX120MODE1XTAL19XTAL210VS18VD218VS221VD312VS315TX013TX114U4SJA100VDVDVDR12390KVCR13390KVCVCVCVCR1647KC310NFR175KR185KVCC130PFC230PFD1DIODED2DIODER15390KR145KVCY110592MY212MC615PFC515PFC715PFTX0RX0WRRDINT1ALED7D6D5D4D3D2D1D0RSTAR1OPAMPAR2OPAMPR15KR42KR510KR710KR910KR810KR610KR32KR210K15V15V15V15V15VR1050KR110K度度度度C415PFVCD7D6D5D4D3D2D1D0D7D6D5D4D3D2D1D0INT0P10P11P12P13P14P15P16P17P10P11P12P13P14P15P16P17WRRDINT1P20P21P22P23P24P25P26P23P22P21P20P26RSTCLOC901UFVCR2510KRST12U10A74LS04RSTS1R2320KR241KC32RSTVCCANLCANHR30RES4于于于于于于于于于于于于于于于于于于06B于于于4于2060302408于于于于于于于于于于于于于于于于于于于A0于于EA/VP31XTAL119XTAL218RESET9P37/RD17P36/WR16P32/INT012P3/INT113P34/T014P35/T115P10/T1P1/T2P123P134P145P156P167P178P039P0138P0237P0336P0435P0534P063P0732P2021P212P223P2324P2425P2526P2627P2728PSEN29ALE/P30P31/TXD1P30/RXD10GND20VC40U5AT89S51VC由于单片机为8位处理器，当输入电压为500V时，输出数据值为255FFH，因此单片机最大的数值分辨率为001965255。为就决定了该系统是最大分辨率精基于现场总线的单片机温度测量系统第18页共63页度只能达到00196V。测试时电压数值的变化一般以002的电压幅度变化，如要获得更高的精度要求，应采用12位的AD转换器。系统测得的值基本上均比标准值偏大001002。这可以通过校正ADC0809的基准电压来解决，因为该电压表设计时直接有7805的供电电源作为基准电压，电压可能有偏差。别外可以用软件编程来校正测量值。3、硬件设计31总体设计框架系统接口应用设计系统电路属于一路温度检测、显示与通信的系统，由于ADC0809带有输出锁存器，因此其输出线D0D7（即MSB21LSB28）可以与AT89S51的P0口直接相连。AT89S51通过P24控制ADC0809的地址锁存ALE端与启动转换START端；通过T0查询转换结束信号EOC的电平状态；A/D转换结束后，再通过P25控制ADC0809的输出允许端OE（ENABLE），通过P0口将转换后的数字信号读入单片机内；由ALE端口输出频率可调的方波信号至ADC0809的时钟脉冲CLOCK端。如电器原理图所示I/O口使用情况I/O口名称功能使用情况P0数据线使用8个P1提供段码使用8个P2ADC转换装置使用7个P3位控信号P32、6、7硬件设计系统主要元器件表序号名称数量备注1AT89S511片2ADC08091片3SJA10001片4PCA82C2501个5数码管模块1块含四个数码管6铂热电阻传感器1个毕业设计（论文）第19页共63页7稳压电源2个8OP072个974LS2441个1074LS041个11晶振12MHZ2个12发光二极管（红）2个136N1372个14电阻若干32温度传感器321传感器概述温度传感器，使用范围广，数量多，居各种传感器之首。温度传感器的发展大致经历了以下3个阶段1传统的分立式温度传感器热电偶传感器热电偶传感器是工业测量中应用最广泛的一种温度传感器，它与被测对象直接接触，不受中间介质的影响，具有较高的精度，测量范围广，可从501600进行连续测量，特殊的热电偶如金铁镍铬，最低可测到269，钨铼最高可达2800。2模拟集成温度传感器集成传感器是采用硅半导体集成工艺制成的，因此亦称硅传感器或单片集成温度传感器。模拟集成温度传感器的主要特点是功能单一（仅测量温度）、测温误差小、价格低、响应速度快、传输距离远、体积小、微功耗等，适合远距离测温，不需要进行非线性校准，外围电路简单3智能温度传感器智能温度传感器亦称数字温度传感器）是在20世纪90年代中期问世的。智能温度传感器内部包含温度传感器、A/D传感器、信号处理器、存储器（或寄存器）和接口电路。有的产品还带多路选择器、中央控制器（CPU）、随机存取存储器（RAM）和只读存储器（ROM）。智能温度传感器能输出温度数据及相关的温度控制量，适配各种微控制器（MCU），并且可通过软件来实现测试功能，即智能化取决于软件的开发水平。根据被转换的非电量种类不同，传感器的组成可能有所不同。但一般情况传感器是由以下四个环节组成，如下图所示敏感元件将被测非电量转换成容易变成电量的非电量。基于现场总线的单片机温度测量系统第20页共63页传感元件将易变成电量的非电量转换成电量（参数）。测量电路将电量参数转换成可用电量（电压、电流、频率等）便于传输、显示、记录、处理、控制等应用的量。辅助电源提供给传感器进行非电量转换用的辅助电源。敏感元件转换元件测量电路辅助电源传感器的组成框图传感器的基本特性主要是指输出量与输入量之间的关系。传感器作为被测量的一种转换器件，总是希望能无失真地进行转换，这种转换的精度水平取决于传感器的基本特性。当输入量为常量或缓慢变化时，这一关系称为静态特性；当输入量随时间变化时，这一关系为动态特性。一般情况下，传感器的输入与输出特性关系式可用微分方程式来描述，理论上当一阶以上微分项为零时，即得到静态特性。但实际上静态特性还包括非线性和随机性等因素，把这些因素引入微分方程中将使其解复杂化，为避免这种情况发生，总是将静态特性和动态特性分开研究。因此，传感器的基本特性应该包括静态特性、动态特性及不失真检测条件三个因素。322传感器的静态特性传感器作为检测变换器件，在实际使用中总是希望具有线性特性，因此经常进行线性化处理，这样就造成实际曲线与线性化直线间的误差，这些误差主要有以下各种误差。线性度传感器的线性度是指传感器的输出与输入之间数量关系的线性程度。输出与输入关系可分为线性特性和非线性特性。从传感器的性能看，希望具有线性关系，即理想输入输出关系。但实际遇到的传感器大多为非线性。毕业设计（论文）第21页共63页在实际使用中，为了标定和数据处理的方便，希望得到线性关系，因此引入各种非线性补偿环节，如采用非线性补偿电路或计算机软件进行线性线性度化处理，从而使传感器的输出与输入关系为线性或接近线性，但如果传感器非线性方次不高，输入量变化范围较小时，可用一条直线（切线或割线近似地代表实际曲线的一段，使传感器输入输出特性线性化，所采用的直线称为拟合直线。传感器的线性度是指在全量程范围内实际特性曲线与拟合直线之间的最大偏差值与满量程输出值之比。线性度也称为非线性误差，用表示，MAXLFSYLMAX10LFSY式中最大非线性绝对误差AXL满量程输出值FSY迟滞误差迟滞误差是指在相同工作条件下，做正、反行程试验（测试）所得两个曲线不重合的程度，如下图所示。迟滞误差的定义式在同一输入作用下，其正，反行程中输出间的最大偏差或最大偏差的一半值与满量程输出值的百分比，即MAX10HFSY最大的迟滞值；MAX满量程输出值；FSY迟滞误差。H基于现场总线的单片机温度测量系统第22页共63页MAXHXFSYFS重复性重复性是指传感器在输入量按同一方向作全量程连续多次变化时，所的曲线不一致的程度。重复性误差属于随机误差，常用标准差计算，也可以用正反行程中最大重复差值计算，即MAXR2310RFSY或MAXRFS漂移传感器的漂移是指在输入量不变的情况下，传感器输出量随着时间变化，此现象称为漂移。产生漂移的原因有两个方面一是传感器自身结构参数；二是周围环境如温度、湿度等。最常见的漂移是温度漂移，即周围环境温度变化而引起输出的变化，温度漂移主要表现为温度零点漂移和温度灵敏度漂移。温度漂移通常用传感器工作环境温度偏离标准环境温度一般为20度时的输出值的变化量与温度变化量之比来表示，即20TY式中工作环境温度T偏离标准环境温度之差，即T20T20TT传感器在环境温度T时的输出；TY传感器在环境温度时的输出。2020毕业设计（论文）第23页共63页灵敏度灵敏度是传感器静态特性的一个重要指标，其定义为输出增量与引起输出增量Y的相应输入增量之比。用S表示灵敏度。YXYX它表示单位输入量的变化所引起传感器输出量的变化，很显然，灵敏度S值越大，表示传感器越灵敏。线性传感器的灵敏度就是它的静态特性的斜率，其灵敏度S在整个测量范围内为常量，如右图所示；而非线性传感器的灵敏度为一变量，用SDYDZ表示，实际上就是输入输出特性曲线上某点的斜率，且灵敏度随输入量的变化而变化。从灵敏度的定义可知，传感器的灵敏度通常是一个有因次的量，因此表述某一传感器灵敏度时，必须说明它的因次。A传感器的灵敏度（A）线性（B）非线性。323传感器的动态特性传感器的动态特性是指传感器的输出量对随时间变化的输入量的响应特性。传感器所检测的非电量信号大多数是时间的函数，即YTFXT。传感器能否不失真的响应输入量XT的变化，是由它的动态特性来确定的，所以传感器的动态特性是传感器的输出值能够真实的再现变化着的输入量能力的反映。输出量与输入量两者之差称动态误差。在研究传感器动态特性时，采用控制理论课程中的“时域”和“频域”两种基本的分析方法来研究，在“时域”中研究时其输入量采用阶跃信号；在“频域”中研究时，取正弦函数作输入信号。基于现场总线的单片机温度测量系统第24页共63页324传感器不失真检测转换条件传感器不失真检测转换条件是指传感器的输出变化能够不失真的复现输入变化的条件。由控制理论可知，在线性系统中有两个重要性质输出、输入的频率不变性及输出信号的叠加性。根据线性系统具有的这种性质，传感器的输出能够不失真检测转换输入信号的条件如下在线性传感器中输出YT与输入XT的频率