2022年毕业设计方案说明书 3.pdf

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1、1 / 38 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学生学号： 05510128 学生姓名：相阳专业班级： 自动 0501 指导教师：翟玉文职称：教授起止日期： 2009.2.23 2009.6.12 吉林化工学院Jilin Institute of Chemical Technology精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页，共 38 页I / 38 摘要温度是现代工业生产过程中的一个重要参数, 在生

2、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，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

3、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总线精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页，共 38 页II / 38 Abstract Temperature is the process of modern industrial production as an important parameter, in the produ

4、ction 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 temperature parameters. Production in some special occasions (such

5、 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 collection. Thermal resistance with temperature changes in the

6、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 collected analog-to-digital conversion, to convert digital signals r

7、eceived, 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 measurement accuracy to overcome the non-linear error, reducing the ind

8、ex 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 fieldbus temperature in order to be able to MODBUS agreement sent

9、 to the PC, the realization of the Industrial Fieldbus computer for centralized management. Key words: Temperature acquisition。 PT100 Thermistor 。 RS485 bus 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页，共 38 页III / 38 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

10、指标 42.2 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

11、 章软件设计 164.1 温度值计算 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 20精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页，共 38 页IV / 38 5.1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精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结

12、- - - - - - -第 5 页，共 38 页1 / 38 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。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

13、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

14、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

15、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。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页，共 38 页2 / 38 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

16、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。 ：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， Fault Tolera

17、nt 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。，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

18、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、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。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页，共 38 页3 / 38

19、 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

20、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。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 8 页，共 38 页4 / 38 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

21、： PT100 ；2. 测温分辨： 0.05；3. 测温精度 : 0.1 ；4. 供电电源： 220VAC 10% ；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

22、路PT100(1 信 号 放 大信 号 放 大PT100(2 PT100(6 信 号 放 大. . . . +5V -5V GND A/D 接口图 2-1 实施方案原理框图精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 9 页，共 38 页5 / 38 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

23、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-

24、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 温度传感器集成电路 (IC 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

25、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A精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 10 页，共 38 页6 / 38 2.3 通信接口的选择2.3.1 RS-232 双机通讯接口目前 RS-232是 PC机与通信工业中应用最广泛的一种串行接口。RS-232被定义为一种在低速率串行通讯中增加通讯距离的单端标准。RS-232采取不平衡传输方式，即所谓单端通讯。如果双机通讯距离在30m 之内，可利用 RS-232标准接口实现点对点的双机通讯。2.3.2 RS-422 串行通讯

26、接口RS-422标准全称是 “ 平衡电压数字接口电路的电气特性” ，它定义了接口电路的特性。典型的 RS-422是四线接口。实际上还有一根信号地线，共5根线。由于接收器采用高输入阻抗和发送驱动器比RS232更强的驱动能力，故允许在相同传输线上连接多个接收节点，最多 可 接 10 个节点 。即一 个主设备Master） ， 其余为从设备Salve），从设备之间不能通信，所以RS-422支持点对多的双向通信。接收器输入阻抗为 4k，故发端最大负载能力是104k+100 终接电阻）。 RS-422四线接口由于采用单独的发送和接收通道，因此不必控制数据方向，各装置之间任何必须的信号交换均可以按软件方式

27、 XON/XOFF 握手）或硬件方式 一对单独的双绞线）实现。 RS-422的最大传输距离为 1219M，最大传输速率为 10Mb/s。其平衡双绞线的长度与传输速率成反比，在100kb/s 速率以下，才可能达到最大传输距离。只有在很短的距离下才能获得最高速率传输。一般100M 长的双绞线上所能获得的最大传输速率仅为1Mb/s。RS-422 需要一终接电阻，要求其阻值约等于传输电缆的特性阻抗。在矩距离传输时可不需终接电阻，即一般在300M 以下不需终接电阻。终接电阻接在传输电缆的最远端。2.3.3 RS-485 串行通讯接口由于 RS-485是从 RS-422基础上发展而来的，所以RS-485许

28、多电气规定与RS-422 相仿。如都采用平衡传输方式、都需要在传输线上接终接电阻等。RS-485可以采用二线与四线方式，二线制可实现真正的多点双向通信，而采用四线连接时，与RS-422 一样只能实现点对多的通信，即只能有一个主Master）设备，其余为从设备，但它比 RS-422有改进， 无论四线还是二线连接方式总线上可多接到32个设备。 RS-485与 RS-422 的不同还在于其共模输出电压是不同的，RS-485 是-7V 至+12V 之间，而RS-422在-7V 至+7V 之间，RS-485接收器最小输入阻抗为12k，RS-485满足所有 RS-422的规范，所以 RS-485的驱动器可

29、以用在 RS-422网络中应用。 RS-485与 RS-422一样，其最大传输距离约为1219M，最大传输速率为 10Mb/s。平衡双绞线的长度与传输精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 11 页，共 38 页7 / 38 速率成反比，在100kb/s 速率以下，才可能使用规定最长的电缆长度。只有在很短的距离下才能获得最高速率传输。一般100M 长双绞线最大传输速率仅为1Mb/s RS-485需要 2 个终接电阻，其阻值要求等于传输电缆的特性阻抗。在矩距离传输时可不需终接电阻，即一般在 300M以下不需终接电阻。终接电阻接在传输总线的两端

30、。综上所述， RS-232双机传输距离太短，故不采用。 RS-422A 双机通讯需四芯传输线，这对工业现场的长距离通信是很不经济的，因此采用RS-485串行通讯接口。2.4 单片机的选择C8051F410 MCU 在 CIP-51 内核和外设方面有几项关键性的改进，提高了整体性能，更易于在最终应用中使用。扩展的中断系统允许大量的模拟和数字外设独立于微控制器工作，只在必要时中断微控制器。一个中断驱动的系统需要较少的MCU 干预，因而有更高的执行效率，并使多任务实时系统的实现更加容易。C8051F410内部有一个 12 位 SAR ADC 和一个 27 通道单端输入多路选择器，该ADC 的最大转换

31、速率为 200ksps 。 ADC 系统包含一个可编程的模拟多路选择器，用于选择 ADC 的输入。端口 02可以作为 ADC 的输入；另外，片内温度传感器的输出和电源电压 VDD）也可以作为 ADC 的输入。用户固件可以将ADC 置于关断状态或使用突发模式以节省功耗。C8051F410内部 24个 I/O 引脚，端口引脚被组织为三个8位端口。端口的工作情况与标准 8051相似，但有一些改进。每个端口引脚都可以被配置为数字或模拟I/O 引脚。被选择作为数字I/O 的引脚还可以被配置为推挽或漏极开路输出。在标准8051中固定的“弱上拉”可以被单独或总体禁止，以降低功耗。根据设计要求，只需一个全双工

32、串行接口，一个A/D 转换电路，一个多路模拟开关电路，因此 C8051F410单片机足以满足控制要求，功耗较低。因此选择C8051F410 单片机作为主控制器。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 12 页，共 38 页8 / 38 第 3 章硬件设计本设计硬件电路由采集放大电路，主控单元电路，RS485通信接口电路，光电隔离电路，稳压电源电路组成，总体硬件电路图见附录B。3.1 单片机接口电路C8051F410 单片机接口如图 3-1。图 3-1C8051F410单片机VDD 为内核电源， VIO 为 I/O 电源，GND 为地。 VR

33、TC-BACKUP 为 smaRTClock后备电源， P1.0-P1.5为 6 路模拟信号的接收端， RP0.5）、TRT+2R,R15+RR则有V2= I ( KT + 2 R (3-1 V1= I R (3-2 V4= V3=1/3V2 (3-3 (V1-1/3*V2/R15=(1/3*V2-V0/(R23+R19 (3-4 精密稳定恒流源由热电阻 PT100构 成的信号采集电路A/D转换电路单片机精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 14 页，共 38 页10 / 38 V0=(R24*VR1/(R17+R24 (3-5 带入各电

34、阻值整理得 : VR1=11*I*RT (3-6 V0=I*RT (3-7 由式( 3-7可见, 热电阻测量电路的输出电压仅与电流I 和热阻 RT有关 , 与 r 无关, 消除了由导线电阻引入的测量误差。本设计采用由 LM258构成的精密恒流源电路。在图3-3 中 3脚电压为 V+，2脚电压为 V-，输出电压为 Vo，则由虚断可知 V+ = V-，虚短可知 I+ = I-。所以有： 3-8） 3-9）将式3-9）代入式 3-8）得V，所以恒流源输出电流1mA 3.2.3 恒流源电路仿真仿真电路图如图 3-4所示。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - -

35、 - -第 15 页，共 38 页11 / 38 图 3-4 恒流源电路仿真图如图 3-4 所示，恒流源输出稳定电流I , 经过负载电阻 R1 ，R1=1.0K ，由万用表测得电压为 1.001V，由此得 I=1mA 。3.3RS485接口通信电路RS-485总线采用双绞线差分传输方式 , 可连接成半双工和全双工方式 , 最远传输距离为 112 km.系统数据通信采用半双工通信方式 , 即整个网络中任一时刻只能由一个节点成为主节点 , 处于发送状态 , 并向总线发送数据 , 其他的节点都必须处于接收状态 , 如果 2 个或 2 个以上节点同时向总线发送数据 , 将导致所有发送方发送数据失败 ,

36、 因此通信网一般采取主从式 , 即主节点控制整个网络的通信时序 , 使总线上的各节点分时使用总线 , 解决总线数据传输的冲突。由于设计的控制器具备现场总线通信功能，支持MODBUS 协议与组态软件直接挂接,因此设计了 RS485通信接口电路。为适应供电系统， RS485器件选择 SP3485 芯片。图 3-5 为 SP3485 芯片与 C8051F410片上系统的接口电路，微处理器的UART 串口的 TXD 连接到 SP3485芯片的 DE 和 /RE 引脚，RXD 连接到 SP3485芯片的 RO 引脚。由微处理器输出的TXD 信号控制 SP3485芯片的发送器 /接收器使能，此时微处理器可

37、以向 RS485总线发送数据。任一时刻， SP3485芯片中的“ 接收器”和“ 发送器” 只能够有一个处于工作状态。连接至A 引脚的上拉电阻 R3、连接至 B 引脚的下精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 16 页，共 38 页12 / 38 拉电阻 R5 用于保证无连接的SP3485芯片处于空闲状态 ,提供网络失效保护，以提高RS485节点与网络连接的可靠性。图 3-5 RS485 通信接口电路3.46N137光电隔离电路在未采用光电隔离器的电路中，源部分由隔离变压器隔离，减少电网中的噪声影响，数字电源和模拟电源不共地，由于模拟电路一般

38、只有15V ，而AD转换器还需要+5V 电源，为使数字电路与模拟电路真正隔离，+5V 电源由+15V模拟电源经 DC-DC变换器得到。模拟电路以及AD转换电路与数字电路的信号联系都通过6N137 。逐次比较型 AD并行输出 12 位数据，每一路信号经缓存器后送入6N137的脚 3，进行同相逻辑传输至数字电路，输入端限流电阻选用470，输出端上拉电阻选用47k，输出端电源和地间 功耗小，效率高。在图3-8 所示的开关稳压电源电路中，晶体管受激励信号的控制，交替地工作在导通- 截止和截止 - 导通的开关状态，晶体管的功耗很小，由于频率高，电感量要求小，变压器的铜损小，所以电源的效率可以大幅度地提高

39、，能达到 80。(2 体积小，重量轻。从开关稳压电源的原理框图中可以清楚地看到，由于没有采用笨重的工频变压器。调整管上的耗散功率小，可以省去较大散热片。所以开关稳压电源的体积小、重量轻。(3 稳压范围宽。开关稳压电源的输出电压是由激励信号的占空比来调节的，输入信号电压的变化可以通过调频或调宽来进行补偿，这样，在工频电网电压变化较大时，它仍能保证有较稳定的输出电压，所以开关稳压电源的稳压范围很宽，稳压效果很好。此外，改变占空比的方法有脉宽调制型和频率调制型两种。这样，开关稳压电源不仅具有稳压范围宽的优点，而且实现稳压的方法也较多，设计人员可以根据实际应用的要求，灵活地选用各种类型的开关稳压电源。

40、图 3-7 电源稳压电路图L VD C RL UO整流滤波激励信号精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 19 页，共 38 页15 / 38 (4 滤波的效率大为提高，滤波电容的容量和体积大为减小。开关稳压电源的工作频率目前基本上是工作在20kHz以上，是线性稳压电源频率的400 倍以上，整流后的滤波效果几乎也提高了400 倍。就是采用半波整流后加电容滤波，效率也提高了200 倍。在相同的纹波输出电压的要求下，采用开关稳压电源时，滤波电容的容量只是线性稳压电源中滤波电容容量的1/2001/400，随着频率的增加会更小。(5电路形式灵活多样

41、。例如，有自激式和他激式；有调宽型和调频型；有单端式和双端式等等。设计者可以发挥各种类型电路的特长，设计出满足不同应用场合的开关稳压电源。市电 220VAC 供电的开关电源是应用最多的开关电源，在众多用于市电220VAC 供电的开关电源集成电路中，最有代表性的是Power Integrations 公司生产的 TOP2XX 系列新型开关电源集成电路，该系列器件的特点是构成开关电源的外围电路少，可靠性高。如图 3-8 所示，采用 TOP200 开关集成电路， C14、C28、C29为滤波电容， L2 和 C37 构成输出滤波器。 D5 和 D3 构成放电保护电路。 D8，D9，D10 分别为输出

42、端整流二极管， C25为反馈端滤波电容。 U5 为光电隔离器。通过 TL431反馈调节电压控制光偶隔离器发光的强弱，发光强度越强光电流就越大，光偶输出电流也就越大，从而控制 TOP200的开关时间，调节变压器输出大小，使输出稳定的电压+5V。图 3-8 开关电源原理图精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 20 页，共 38 页16 / 38 第 4 章 软件设计4.1 温度值计算温度值的计算由单片机来完成，启动ICL7135 开始一次新的转换，判断转换结束后读取转换结果并作数字滤波处理 ( 滑动平均值滤波 。单片机将处理后的 A /D值转

43、换成对应的电阻值，用该电阻值查分度表中相邻三点的数字量，代入二次插值公式求出测得的温度值。由于电阻值与温度值之间是非线性关系，为了克服非线性误差以提高测量精度，减少分度表的存储量，用二次插值算法计算温度数值。T =( x - x2 ( x - x3 x4/( x1 - x2 ( x1 - x3 +( x - x1 ( x - x3 /( x2 - x1 ( x- x3 x5+( x - x1 ( x - x2 /( x3 - x1 ( x3 - x2 | x6精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 21 页，共 38 页17 / 38 4.

44、2MODBUS现场总线协议MODBUS 是 MOD I CON 公司最早为它的可编程控制器设计的基于RS2 485通讯介质的一个现场总线协议，目前在工业控制领域获得了比较广泛的应用 2 ，3 。硬件系统能选择设置 ASCII 或 RT U 两种传输模式中的任何一种在标准的MOD2BUS 网络中通信 . 用户选择想要的模式，包括波特率、校验方式等串口通信参数，在配置每个控制器的时候，在一个MODBUS 网络上的所有设备都必须选择相同的传输模式和串口参数。目前最常用的就是RTU 模式，即二进制方式 4 6 . 使用 RTU 模式，对于主控制器，一个典型的发送消息帧如表4-1 所示: 表 4-1 M

45、ODBUS 协议 RTU 模式典型的发送消息帧起始间隔设备地址功能代码数据CRC16校验结束间隔T1-T2-T3-T41 个 8 位字节1个 8位字节n个 8 位字节2个 8位字节T1-T2-T3-T4消息发送至少要以3.5 个字符时间的停顿间隔开始。传输的第一个字节是设备地址，网络设备不断侦测网络总线。当第一个字节接收到后，每个设备都进行解码以判断是否发往自己的。在最后一个传输字符之后 , 一个至少 3.5 个字符时间的停顿标定了消息的结束。一个新的消息可在此停顿后开始。整个消息帧必须作为一连续的流传输。如果在帧完成之前有超过1.5 个字符时间的停顿时间 , 接收设备将刷新不完整的消息并假定

46、下一字节是一个新消息的地址字节。同样地 , 如果一个新消息在小于3.5个字符时间内接到前一个消息开始 , 接收的设备将认为它是前一消息的延续。这将导致一个错误 , 因为在最后的CRC 字节的值不可能是正确的。对于被呼叫的远程终端设备，它的具体应答格式如表4-2 所示: 表 4-2 被呼叫的远程终端设备的应答格式设备地址功能代码数据数量数据 1 数据 n CRC 高位CRC 低位基于现场总线的控制器只使用了03 命令和 06 命令。03 命令为读取保持寄存器 ,在一个或多个保持寄存器中取得当前的二进制值, 例如读取一个采集器的采集结果。06 命令是写单寄存器 , 即把一个 16 位二进制数装入一

47、个保持寄存器。主设备的03 命令发送格式如表4-3 所示,03 命令支持 1128 个数据的读取 , 返回的数据都是整形字 , 每个占用两个字节。如果读取多个字节 , 那么一定是一组地址连续的数据 , 从设备 03命令应答格式如表 4-3 所示: 表 4-3 主设备的 03 命令发送格式设备地址功能代码数据起始数据起始读取的数据寄读取的数据寄CRC16 校验精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 22 页，共 38 页18 / 38 地址高位地址低位存器个数高位存器个数低位1个字节03 1 个字节1 个字节1 个字节1 个字节2 个字节表

48、4-403 命令应答格式设 备 地址功 能 代码返回数据字节计数数据 1 高位数据 1低位数据 n 高位数据 n 低位CRC16校验1 个字节03 2 个字节1个字节1 个字节1 个字节1 个字节2 个字节主设备的 06 命令发送格式如表 4-5 所示 ,06 命令仅支持一个输出寄存器的刷新 ,要求从机把原样数据发回作为应答。表 4-5 06 命令发送格式设备地址功能码数据地址高位数据地址低位数据高位数据低位CRC16校验1个字节06 1个字节1个字节1个字节1 个字节2个字节4.3 主程序流程框图主程序包含系统初始化子程序、通信子程序、数据处理子程序等三个模块。如图4-1所示。开始系统初始化

49、子程通信子程序数据处理子程序图 4-1 主程序流程框精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 23 页，共 38 页19 / 38 4.4 系统初始化子模块程序设计系统初始化是使系统能够按照设计期望运行的必要条件，包括对内部或外部可编程模块的初始化，以及所用到的全局变量作初始赋值。系统初始化子程序框图如图4-2所示。4.5 串口通信子模块程序设计根据设计要求需PC 机由 CPU 完成数据发送和接收。故上、下位机之间进行通讯，采用标准的现场总线通讯协议MODBUS 协议。数据每桢为8 个字节，具体格式如表 4- 6 和表 4-7 所示。通讯程序

50、程序框图如图4-3所示。表4-6数据读取传输格式站号03号命令写地址写地址数据数据CRC 校验CRC 校验表4-7数据写传输格式站号06命令号数据数据数据数据CRC 校验CRC 校验在通讯协议中只用了两个命令，03 号命令和 06 号命令， 03 号命令代表要求发送数据， 06 号命令代表要求从机原样数据发回作为应答。串口接收中断判断协议命令号发送数据是否通过 CRC校验子程序返回否是图 4-3 通信程序流程图初始化 E2PROM 串行口、定时器初始化各种变量初始化子程序返回图 4-2 系统初始化程序流精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第