氣象溫度傳感器設(shè)計(jì)

1、本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開題報(bào)告課題名稱：基于現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的氣象溫度傳感器 學(xué)院（系）： 自動(dòng)化學(xué)院自動(dòng)化系 年級(jí)專業(yè)： 自動(dòng)化09級(jí)-1班（學(xué)號(hào)0912010108）學(xué)生姓名： 王龍渠 指導(dǎo)教師： 呂寧 完成日期： 2013年3月29日 一、綜述本課題國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，說明選題的依據(jù)和意義1國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀：（1）、國(guó)外研究現(xiàn)狀 1984年美國(guó)一家公司提出一種計(jì)算機(jī)分布式控制系統(tǒng)-位總線（BITBUS），它主要是將低速的面向過程的輸入輸出通道與高速的計(jì)算機(jī)總線多（MULTIBUS）分離，形成了現(xiàn)場(chǎng)總線的最初概念。80年代中期，美國(guó)Rosemount 公司開發(fā)了一種可尋址的遠(yuǎn)程傳感器（HART）通信協(xié)

2、議。采用在420mA模擬量疊加了一種頻率信號(hào)，用雙絞線實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)傳輸。HART協(xié)議已是現(xiàn)場(chǎng)總線的雛形。1985年由Honeywell和Bailey等大公司發(fā)起，成立了WorldFIP制定了FIP協(xié)議。1987年，以Siemens，Rosemount，橫河等幾家著名公司為首也成立了一個(gè)專門委員會(huì)互操作系統(tǒng)協(xié)議（ISP）并制定了PROFIBUS協(xié)議。后來美國(guó)儀器儀表學(xué)會(huì)也制定了現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)IEC/ISA SP50。隨著時(shí)間的推移，世界逐漸形成了兩個(gè)針鋒相對(duì)的互相競(jìng)爭(zhēng)的現(xiàn)場(chǎng)總線集團(tuán)：一個(gè)是以Siemens、Rosemount,橫河為首的ISP集團(tuán)；另一個(gè)是由Honeywell、Bailey等公司牽

3、頭的WorldFIP集團(tuán)。1994年，兩大集團(tuán)宣布合并，融合成現(xiàn)場(chǎng)總線基金會(huì)（Fieldbus Foundation）簡(jiǎn)稱FF。對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)總線的技術(shù)發(fā)展和制定標(biāo)準(zhǔn)，基金委員會(huì)取得以下共識(shí)：共同制定遵循IEC/ISA SP50協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)；商定現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)發(fā)展階段時(shí)間表。 目前國(guó)際上有40多種現(xiàn)場(chǎng)總線，但沒有任何一種現(xiàn)場(chǎng)總線能覆蓋所有的應(yīng)用面，按其傳輸數(shù)據(jù)的大小可分為3類：傳感器總線（sensor bus)，屬于位傳輸；設(shè)備總線（device bus)，屬于字節(jié)傳輸；現(xiàn)場(chǎng)總線，屬于數(shù)據(jù)流傳輸。目前應(yīng)用比較多的有基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線（FF）、LonWorks、Profibus、WorldFIP及CAN等。圍繞

4、著現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化，世界上各大廠商展開了激烈競(jìng)爭(zhēng)。 目前現(xiàn)場(chǎng)總線產(chǎn)品主要是低速總線產(chǎn)品，應(yīng)用于運(yùn)行速率較低的領(lǐng)域，對(duì)網(wǎng)絡(luò)的性能要求不是很高。從應(yīng)用狀況看，無論是FF和Profibus，還是其他一些現(xiàn)場(chǎng)總線，都能較好地實(shí)現(xiàn)速率要求較慢的過程控制。因此，在速率要求較低的控制領(lǐng)域，誰都很難統(tǒng)一整個(gè)世界市場(chǎng)。而現(xiàn)場(chǎng)總線的關(guān)鍵技術(shù)之一是互操作性，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的統(tǒng)一是所有用戶的愿望。今后現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)如何發(fā)展、如何統(tǒng)一，是所有生產(chǎn)廠商和用戶十分關(guān)心的問題。 高速現(xiàn)場(chǎng)總線主要應(yīng)用于控制網(wǎng)內(nèi)的互連，連接控制計(jì)算機(jī)、PLC等智能程度較高、處理速度快的設(shè)備，以及實(shí)現(xiàn)低速現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)橋間的連接，它是充分實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)

5、的全分散控制結(jié)構(gòu)所必須的。目前這一領(lǐng)域還比較薄弱。因此，高速現(xiàn)場(chǎng)總線的設(shè)計(jì)、開發(fā)將是競(jìng)爭(zhēng)十分激烈的領(lǐng)域，這也將是現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一的重要機(jī)會(huì)。而選擇什么樣的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)作為高速現(xiàn)場(chǎng)總線的整體框架將是其首要內(nèi)容。（2）、國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀總體來看，現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)在中國(guó)已經(jīng)度過了啟蒙宣傳期，現(xiàn)在正進(jìn)入推廣應(yīng)用期。國(guó)內(nèi)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的研發(fā)，已經(jīng)有了一段時(shí)間的積累，獲得了許多寶貴的經(jīng)驗(yàn)。但由于國(guó)內(nèi)外在發(fā)展情況和研發(fā)特點(diǎn)上的差異，國(guó)內(nèi)針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)總線展開研發(fā)時(shí)，同樣面臨著一些問題。這些問題主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面： 一、總線的選擇，近些年來，存在許多現(xiàn)場(chǎng)總線在國(guó)內(nèi)展開激烈競(jìng)爭(zhēng)，這些種類的現(xiàn)場(chǎng)總線側(cè)重點(diǎn)各有不同。如何根據(jù)

6、自身特點(diǎn)及實(shí)際需求選擇適合研發(fā)的現(xiàn)場(chǎng)總線，對(duì)于國(guó)內(nèi)的研發(fā)力量來說，是首先要解決的問題。 二、進(jìn)入門檻較高。要針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)總線進(jìn)行研發(fā)，對(duì)國(guó)內(nèi)的企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)來說，是存在一定高度的門檻的。這些企業(yè)和機(jī)構(gòu)既要承擔(dān)加入及注冊(cè)的費(fèi)用，又要具備能確保提供后期支持及維持的能力。另外，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的認(rèn)證及測(cè)試，也需要研發(fā)機(jī)構(gòu)具備一定的資金實(shí)力和級(jí)數(shù)實(shí)力。 三、技術(shù)的難易以及對(duì)發(fā)展趨勢(shì)的把握?，F(xiàn)場(chǎng)總線的開發(fā)、工具包的獲得，以及技術(shù)實(shí)現(xiàn)上的難易，都是國(guó)內(nèi)研發(fā)機(jī)構(gòu)需要面對(duì)的實(shí)際問題，另外，目前各種現(xiàn)場(chǎng)總線爭(zhēng)相把中國(guó)作為實(shí)驗(yàn)及應(yīng)用的場(chǎng)地。如何把握技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)和前景，以研發(fā)出順應(yīng)市場(chǎng)潮流的現(xiàn)場(chǎng)總線產(chǎn)品，也是研發(fā)企業(yè)最

7、為關(guān)注的方面，可見，現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)在國(guó)內(nèi)的研發(fā)和應(yīng)用，要達(dá)到完全成熟的程度尚需時(shí)日。但可以預(yù)見的是，通過國(guó)內(nèi)研究力量的不懈努力，現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)必將在中國(guó)得到更加廣泛的應(yīng)用和長(zhǎng)足的發(fā)展。2.選題依據(jù) 針對(duì)目前工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)普遍采用的自動(dòng)控制系統(tǒng)如DCS（Distribute Control System）集散式控制系統(tǒng)來說，它在控制現(xiàn)場(chǎng)需要大量的傳感器、執(zhí)行器、調(diào)節(jié)器等相關(guān)設(shè)備，他們相對(duì)分散且分布在較廣泛的范圍內(nèi)，連線過多不便于安裝和維護(hù)，而且遠(yuǎn)距離傳輸導(dǎo)致信號(hào)衰減，局域通訊網(wǎng)絡(luò)采用RS485方式，使系統(tǒng)開放性差，組態(tài)比較繁瑣，不具備在線調(diào)試功能，抗干擾能力差，給安全平穩(wěn)運(yùn)行帶來隱患。針對(duì)這一系列弊端，本

8、設(shè)計(jì)提出了應(yīng)用可靠性強(qiáng)、穩(wěn)定性好、抗干擾能力強(qiáng)、通信速率快、造價(jià)低、維護(hù)成本低的CAN總線控制系統(tǒng)。本課題“基于現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的氣象溫度傳感器”就是針對(duì)這一問題提出的。它的提出對(duì)戶外氣象站的溫度數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集和傳輸，保證氣象中心隨時(shí)掌握戶外天氣的一手?jǐn)?shù)據(jù)有重要意義。 3研究的目的與意義（1）、研究的目的 本課題研究的目的就是尋求一個(gè)切實(shí)可行的途徑，將現(xiàn)場(chǎng)總線中的CAN總線與戶外氣象站的溫度傳感器結(jié)合起來，滿足氣象中心對(duì)戶外氣象數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集和傳輸?shù)囊?，保證數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性和可靠性。（2）、研究的意義現(xiàn)代社會(huì)，氣溫作為一個(gè)物理量，與人們的生活環(huán)境，生產(chǎn)活動(dòng)，科學(xué)研究等密切相關(guān)。許多時(shí)候掌握實(shí)時(shí)有效的氣

9、溫狀況對(duì)生產(chǎn)生活，科學(xué)研究等各方面非常重要。二、主要研究?jī)?nèi)容，擬解決的主要問題 1研究?jī)?nèi)容（1） CAN現(xiàn)場(chǎng)總線的特性和開發(fā)應(yīng)用。（2） CAN控制器的初始化（3） CAN總線報(bào)文的接收（4） CAN總線報(bào)文的發(fā)送（5） 介紹幾種常用溫度傳感器，如鉑電阻、PN結(jié)溫度傳感器、集成溫度傳感器、熱敏電阻傳感器等。（6） 鉑電阻的特性和開發(fā)應(yīng)用（7） 鉑電阻兩端電壓的計(jì)算（8） 電壓信號(hào)的放大（9） 電壓信號(hào)的A/D轉(zhuǎn)換（10） MC9S12XS128單片機(jī)的基本工作原理分析及應(yīng)用電路設(shè)計(jì)（11） 信號(hào)的處理與傳輸（12） 上位機(jī)節(jié)點(diǎn)電路設(shè)計(jì)（13） C+語言介紹及軟件設(shè)計(jì)（14） 對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試 2

10、.擬解決的問題（1） 溫度傳感器數(shù)據(jù)的采集和處理（2） 信號(hào)的過濾、抗干擾、防電磁輻射（3） CAN 總線通訊模塊的初始化（4） CAN總線報(bào)文的發(fā)送與接收（5） USB-CAN轉(zhuǎn)換模塊接口電路 三、研究步驟及方法1研究步驟（1）.閱讀相關(guān)文獻(xiàn)和書籍，了解相關(guān)設(shè)計(jì)方法，吸取有關(guān)經(jīng)驗(yàn)。（2）.了解各環(huán)節(jié)基本原理，畫出系統(tǒng)框圖，進(jìn)行方案論證，完成整體方案設(shè)計(jì)。（3）.畫出程序流程圖，實(shí)現(xiàn)對(duì)戶外溫度監(jiān)測(cè)。（4）.根據(jù)掌握的相關(guān)知識(shí)要求，編寫相應(yīng)程序。（5）.整理資料，撰寫畢業(yè)論文，使論文符合學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)要求。 2研究方法系統(tǒng)由溫度傳感器模塊、通信協(xié)議模塊、上位機(jī)模塊三部分組成溫度傳感器模塊負(fù)責(zé)采

11、集數(shù)據(jù)，通信協(xié)議模塊負(fù)責(zé)吧處理好的數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)上，上位機(jī)負(fù)責(zé)顯示，保存數(shù)據(jù)，其中通信模塊采用CAN總線。溫度傳感器采用鉑電阻，鉑電阻在不同溫度下阻值不同，采用恒流源裝置進(jìn)行供電，因此在電流保持恒定的條件下，監(jiān)測(cè)到的電壓發(fā)生變化，電壓信號(hào)再通過放大電路及A/D轉(zhuǎn)換傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)中，實(shí)現(xiàn)溫度信號(hào)的采集。通信協(xié)議模塊采用CAN總線，它主要包括三個(gè)部分，第一部分是獨(dú)立CAN協(xié)議控制器。在網(wǎng)絡(luò)的層次結(jié)構(gòu)中，數(shù)據(jù)鏈路層和物理層是保證通信質(zhì)量至關(guān)重要、不可缺少的部分，也是網(wǎng)絡(luò)協(xié)議中最復(fù)雜的部分，CAN控制器就是扮演這個(gè)角色，對(duì)外它提供了與微處理器的物理線路的接口。第二部分是CAN總線收發(fā)器，CAN總線收發(fā)

12、器提供了CAN控制器與物理總線的接口，是影響網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)安全性、可靠性和電磁兼容性的主要因素。第三部分USBCAN轉(zhuǎn)換器，CAN總線雖然可連接設(shè)備多，傳輸距離遠(yuǎn)，抗干擾能力強(qiáng)等諸多優(yōu)點(diǎn)，但是它不能直接與計(jì)算機(jī)相連，必須把CAN總線轉(zhuǎn)換為能與計(jì)算機(jī)相連的串行總線，能把CAN總線上的數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，本系統(tǒng)采用是使用較多的USB總線?？垢蓴_設(shè)計(jì)單片機(jī)通過程序控制將數(shù)據(jù)傳輸給CAN總線控制器。然后，CAN總線控制器再把數(shù)據(jù)進(jìn)行一定的處理后發(fā)送給CAN總線收發(fā)器。為了保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院驼鎸?shí)性，在CAN控制器和CAN收發(fā)器之間加入了高速的光電耦合器件來完成抗干擾的功能微處理器的選擇及其電路設(shè)計(jì) 在溫度傳

13、感器模塊中，微處理器是核心，因此，在硬件設(shè)計(jì)時(shí)首先要考慮的是微處理器的選擇，然后再確定與之配套的外圍設(shè)備電路。 單片機(jī)的出現(xiàn)，引起了儀器儀表結(jié)構(gòu)的根本性變革。以單片機(jī)為主體取代傳統(tǒng)儀器儀表的常規(guī)電子線路，可以容易地將計(jì)算機(jī)技術(shù)與測(cè)量控制技術(shù)結(jié)合在一起，組成新一代的“智能儀器”。在測(cè)量控制儀表中采用單片機(jī)技術(shù)使之成為智能儀器后，能解決許多傳統(tǒng)儀表不能或不易解決的難題，同時(shí)還能簡(jiǎn)化儀表電路，提高儀表可靠性，降低儀表成本以及加快新產(chǎn)品的開發(fā)速度。本設(shè)計(jì)中，數(shù)據(jù)采集電路采用單片機(jī)作為微處理器。 微處理器原則上只要能夠滿足實(shí)時(shí)控制調(diào)節(jié)需要的處理器都可以使用，CAN控制器需要16位尋址，應(yīng)選用ROM足夠大

14、，且性能強(qiáng)大的處理器，本設(shè)計(jì)采用MC9S12XS128微控制器CAN 控制器模塊 CAN總線節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)主要包括三個(gè)方面：CAN控制器初始化、報(bào)文發(fā)送和報(bào)文接受、錯(cuò)誤處理函數(shù)和溢出處理函數(shù) 初始化主要包括工作方式的設(shè)置、驗(yàn)收濾波的設(shè)置、波特率參數(shù)的設(shè)置等等 CAN接收函數(shù)，該函數(shù)讀取接收緩沖區(qū)的有效數(shù)據(jù)，并將接收到的數(shù)據(jù)存入相應(yīng)的數(shù)據(jù)區(qū)，接收?qǐng)?bào)文完畢后，釋放緩沖區(qū)。 CAN發(fā)送函數(shù)。該函數(shù)首先檢驗(yàn)是否還在處理上一幀報(bào)文，如果已經(jīng)完成，則像緩沖區(qū)中寫入待發(fā)送的報(bào)文，并向控制器啟動(dòng)發(fā)送報(bào)文的命令，將報(bào)文發(fā)送出去。 USB-CAN轉(zhuǎn)換模塊接口電路 由于上位機(jī)沒有專用的CAN總線接口，因此CAN總線

15、發(fā)送過來的報(bào)文必須先經(jīng)過轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)為上位機(jī)可以讀取的數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在上位機(jī)的分析處理。該模塊就是解決上述問題。四、進(jìn)度安排和預(yù)期成果1、進(jìn)度安排第一階段（3.30-4.5）查找相關(guān)資料，并做出單片機(jī)接口電路設(shè)計(jì)第二階段（4.6-4.13）溫度信號(hào)采集電路設(shè)計(jì)第三階段（4.14-4.20）接口通信電路和開關(guān)電源電路設(shè)計(jì)第四階段(4.21-4.28）溫度值計(jì)算程序設(shè)計(jì)和CAN現(xiàn)場(chǎng)總線模塊程序設(shè)計(jì)第五階段（4.29-5.5）完成畢業(yè)設(shè)計(jì)初稿，交給老師審閱第六階段(5.6-5.10)反復(fù)修改，最終寫出有自己獨(dú)立見解的畢業(yè)論文。2、預(yù)期結(jié)果（1）提出并實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)各性能指標(biāo)，設(shè)計(jì)出的電路和程序，實(shí)現(xiàn)了

16、控制要求。（2）設(shè)計(jì)出基于現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的氣象溫度傳感器系統(tǒng)，最后進(jìn)行硬件調(diào)試、軟件調(diào)試、聯(lián)合調(diào)試達(dá)到預(yù)期結(jié)果。五、主要參考文獻(xiàn)1.李全利 單片機(jī)原理及接口技術(shù) 第二版.高等教育出版社 2010.112.譚浩強(qiáng) C+程序設(shè)計(jì) 清華大學(xué)出版社 2004.63.劉曙光. 現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的進(jìn)展與展望J. 自動(dòng)化與儀表，2002，（3）：23264.饒運(yùn)濤, 鄒繼軍, 鄭勇蕓. 現(xiàn)場(chǎng)總線CAN 原理與應(yīng)用技術(shù)D. 北京航空航天大學(xué)出版社，20035.鄔寬明. CAN 總線原理和應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)D. 北京航空航天大學(xué)出版社，1996：12136.馮建華, 趙亮. 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)與產(chǎn)品開發(fā)D. 人民郵電出版社

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