2022年毕业设计方案说明书3.docx
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1、吉林化工学院毕业设计说明书基于现场总线的温度采集器的设计Design of Temperature Collecting ModuleBased on Field-Bus同学学号: 05510128同学姓名:相阳专业班级: 自动 0501指导老师:翟玉文职 称:教授起止日期: 2021.2.23 2021.6.12吉林化工学院Jilin Institute of Chemical Technology1 / 38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,特殊是在电力、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
2、合 比如印染和炼油 ,温度参数测量和掌握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,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依据次序分别送入单片机,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,削减分度表的储备量,采纳二次插值算法运算温度数值,使测温辨论率达到了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
3、MODBUS 协议的形式发送给 PC 机,实现了工控运算机的现场总线集中治理;关键词:温度采集; PT100热敏电阻; RS485总线I / 38AbstractTemperature is the process of modern 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
4、other large enterprises, automation of production processes often require dozens of monitoring and measuring the temperature parameters. Production in some special occasions such as printing and dyeing and refining, temperature measurement and control parameters directly affect the accuracy of follo
5、w-up to the quality of the product.In this paper, based on the temperatureRS485 fieldbus module design method of collection. Thermal resistance with temperature changes in the resistance of different signals, resistanceconstant current signal into the analog voltage signal, single-chip multi-channel
6、 analog switches internal circuitry of the analog signal acquisition, A / D converter module of the signal collected 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- articula
7、ted.As the resistancevalue and temperatureis non-linear relationship between,in order to improve the measurement accuracy to overcome the non-linear error, reducing the index storage table, the use of quadratic interpolation algorithm for calculating the temperature value, so thatthe temperature res
8、olution of 0.05 , temperature measurement accuracy of better than0.1Single-chip microcomputer through fieldbus temperaturein order to be able to MODBUS agreementsent to the PC, the realization of the Industrial Fieldbus computer for centralized management.Key words: Temperature acquisitio;n PT100 Th
9、ermistor; RS485 busII / 38目录摘要 I AbstractII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 章设计方案挑选与论证 42.1 设计要求及技术指标 42.2 系统总体方案设计 42.3 温度传感器的挑选 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 通信接口的挑选 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 单片机的挑选 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 8
10、3.2.3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 12 3.5.2开关电源电路及工作原理 13第 4 章软件设计 164.1 温度值运算 164.2 MODBUS 现场总线协议 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 20V / 385.1 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
11、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,特殊是在电力、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 ,温度参数测量和掌握的精度直接影响后续产品的质量;自从 1976 年 Intel公司推出第一批单片机以来, 80 岁月单片机技术进入快速进展时期,近年来,随着大规模集成电路的进展,单片机连续朝快速、高性能方向发展,从 4 位、8 位单片机进展到 16 位、32 位单片机;单片机主要用于掌握,它的应
12、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特别广泛:第一是家用电器业,例如全 自动洗衣机、智能玩具;其次是通讯业,包括电话、手机和BP 机等等;第三是仪器外表和运算机外设制造,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特别广泛的一个领域;它成本低、集成度高、功 耗低、掌握功能多能敏捷的组装成各种智能掌握装置,由它构成的智能外表解决了长 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掌握器和现场智能外表设备互连的实时掌握通 讯网络,遵循 ISO的 O
13、SI开放系统互连参考模型的全部或部分通讯协议; FCS就是用开放的现场总线掌握通讯网络将自动化最底层的现场掌握器和现场智能外表设备互连 的实时网络掌握系统;现场总线系统由于采纳了智能现场设备,能够把原先DCS中处于掌握室的掌握模块、各输入输出模块置于现场设备,加上现场设备具有通信才能,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,因而掌握系统功能能够不依靠掌握室的运算 机或掌握外表,直接在现场完成,实现了完全的分散掌握;DCS随着运算机、掌握、网络通信、组态软件、信息集成和数据库技术的进展而不断更新和进展,主要表达在以下几个方面:1)信息化: DCS已从单一的掌握系统,进展为集掌握和治
14、理于一体的综合信息系统; DCS供应了从生产现场到车间,再从工厂到公司,最终到企业集团的整个信息通道,充分表达了信息的全面性、精确性和实时性;19 / 382)集成化: DCS已从单一封闭系统,进展为集成各类PLC、工业 PC、数字化外表和设备,甚至不同型号 DCS可以相互集成和信息共享,为最终用户供应集成化综合系统;3)智能化:随着人工智能、专家系统、自适应、猜测和推理等先进掌握技术的进展和应用, DCS也适时地融合这些新技术,实现先进的智能化掌握功能;4)开放式网络: DCS已从单一封闭网络,进展为开放式网络系统,通过互联网技术和 IE 浏览器,可以拜访过程画面、查询数据、治理调度和指挥生
15、产;开放式网络的关键是网络安全,传统DCS采纳软件防火墙,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 的掌握站采纳硬件防火墙技术;: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; 现代 DCS 用容错以太网 FTE, FaultTolerant Ethernet ;6)无线网络技术:支持手持移动无线操作站,将无线技术与掌握技术融为一体,进行现场操作监控
16、、故障处理和外表校验,实现操作与爱护的无缝集成;例如,Honeywell 公司的 Experion PKS R300 采纳此无线网络技术;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,发觉反常图像,立刻发出报警信号,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 采纳此数字视频技术;,硬件掌握防火墙 冗余,冗余掌握器、冗余I/O 、冗余电源、冗余现场总线接口;采纳先进的预估掌握算法,鲁棒性好,具有参数自整定功能;Honeywell 公司的Experion
17、PKS R300 掌握站是上述先进掌握站的代表之一;随着现代信息技术的飞速进展,温度采集掌握系统在工业、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、电力工程、机械制造和食品加工等很多领域中,人们都需要对各类加热炉等温度进行采集和掌握;温度采集与掌握,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进展,特殊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,假如说微型运算机的显现使现代的科学讨论得到了质的飞跃,那么可编程掌握器的显现就是给现代工业掌握测控领域带来了一次新的革命;
18、在现代社会中 , 温 度 掌握 不仅 应 用 在工 厂 生 产 方面 , 其 作 用 也 表达 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掌握的影子,温度控制将更好的服务于社会目前,单片机掌握器在从生活工具到工业应用的各个领域,例如生活工具的电梯、工业生产中的现场掌握外表、数控机床等;特殊是用单片机掌握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经常需要用到温度掌握, 早期温度掌握主要应用于工厂中,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掌握来把
19、握所需要的产品了;第 2 章设计方案挑选与论证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运算机挂接;技术指标:1. 输入信号: PT100;2. 测温辨论: 0.05 ;3. 测温精度 : 0.1;4. 供电电源: 220VAC10%;5. 环境温度: -45 85;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讨论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
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