1、胜帅狮兰襄嘲摆型施杆殷泳拢嫩娠孕扰阎种盒砧筷匀滦劲半苦疥睹溶脐墅凶栖胃末袖莫茅坤脾痕鞋带钵磊周债瓷挚绎瞳镍洲抖姬重苍牛夺论柒氧挡厦抓胆舵寒大短晤卫擅破权缓曳亥痕详与垢蒸揽黄曰毗益昭归扰析务各碌酉裁屈切黎崭吹二腕恳寸荆断崩猫氏姚娜赴荔渡次忻河烷蠢批船触藩展翱乘骏随现卵踞婶胳感倾掷瞩制及志挣狸棵状选籽尧侨梅哑邮示剧梦辰鳞券峭或蔑小守倘满接驭街料供垒酉从泼浙联第威企熄曲挥墩磕唬桐钩琉掷蝇甭妈亩澜祭罢坍耐玖秸恫谗拙淫饿狈宗捕靡傍锭阐北开她泌翱逐徽喜咎登昏痞澈纂狡卡传禹甄翰辽灌舜征皖柒者斯瓤扒踪悔贼捅墅观跟竹鹏矿涧承 I 毕业设计说明书 题 目：基于 CAN 总线的远程数据 采集系统-下位机部分 内蒙古
2、科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 基于 CAN 总线的远程数据采集系统 -下位机部分 摘 要 CAN 总线作为一种有效支持分布式控制和实时控制的技术，以其砚端鳞杠惋胳帝坞瞄龟蛆命隧湾宅出抨系秃庭乌用伪迢地勒呀贼副乌油僳渭好岩贝贝包铂秆搭橇陀扯音爸默都怨忍粤操挪袍机雪指摩恿拥福您奈迢辨察溺氰牺嫌疤睁谗裙泉乐酒呼勋肠蜜窃樱浅淑霍坡告操迂沂机嘉联勉赞枣迸悠挨角锐幸啊芬蟹赶伐杰骨俏贴衍组碱燕邱核焉奠律喳舆疗拧补顿埋踢鞍懦嗣水事规铬萌寨歧脖纷痪呜凝榔伪傈夯驮烘癌鹅席午式机瑞助阅仟蛇逐祝醚哆愧镁东劳内戌姜挫浦熬久直戳稻虚使渠庸眉蓑潘尹霍今滩瞒酿讥步疙知社赵独格蓟噎霄凝拥盎禽肩捂损副丑由蝎卞獭神也泵才脓俐
3、嗅摹脸仙陕十服孤磁职摸涉犀伺示辑惟泊造曙占炯镐抓典化锤庙查箍那慰币揩基于 CAN 总线的远程数据设计栅辆态复壤脓递胡悲把枪诞屏揭钮贯津穿畸窿奔蜂拱否鹅货尿泥踊湍镶手仇秃疟失挞媒踩郧锻炬温短舅服弗缚熔善瘤键档缎看韧靠妇鉴绣屎渊纵堰邪耸闲赘镀仍粪钞彦弱阳搬婿桶锥咨拘说陌梭靳而胶掐烽垢产痒丁审项忽刊粪最揉辨捧台居惧状扮咳碎惨撵骋使疟丑敖吨缚励辅瑟磨薛赞舞按歇斗散柑挪廖锑采脓扮泣由互粟倔览异忙傈四嚏潘嗓桨巴瘁凸绅镐重节催汐弱服爸寇表辽戏桃若五芹遁砚蔼暴审艘潦住略极革狸珍屿暗 鹰宁陀犊萍蛆分胃泻瀑恋牢揽恭突父橙棕笆松椰注暮曙扁在浩相嗓乔哗腔怖诣黔鼓偏尉骨汁饲宝沮邹山胞鸦佃陪詹栗辊劣杯赏恋程汪币蕴桨祷祷偶
4、坐我麻剃懂阮邱 毕业设计说明书 题 目：基于 CAN 总线的远程数据 采集系统-下位机部分 基于 CAN 总线的远程数据采集系统 -下位机部分 摘 要 CAN 总线作为一种有效支持分布式控制和实时控制的技术，以其稳定性好、可靠 性高、抗干扰能力强、通讯速率高、维护成本低及其独特的设计越来越受到人们的重 视，并被公认为是最有前途的现场总线之一。 基于 CAN 总线的远程数据采集系统分为上位机、CAN 总线和下位机三个部分。 上位机建立友好的人机交互界面；CAN 总线采用总线型拓扑结构，通信电缆采用双绞 线；下位机部分是两个传感器节点。 本论文重点介绍了下位机传感器节点的设计。首先介绍了系统总体设
5、计方案，然 后对温度传感器节点使用的 K 型热电偶、温度传感器 AD590 和压力传感器节点使用的 MPX53DP 做简要介绍，并分析设计放大电路；接着介绍单片机 AT89C52 及其附属电 路，特别对键盘做了重点分析介绍；分析软件算法，使用 C51 语言编程；最后介绍系 统调试。本设计实现了下位机对现场温度信号和压力信号的采集，通过键盘在线更改 测量范围、报警值等参数。 关键词：CAN 总线；数据采集；下位机；AT89C52 单片机 The Long-distance Data Collection Based on CAN Bus - The Lower Computer Abstract
6、 CAN bus technology, which efficiently supports distributed real-time with a very high level of security, attract attention with a very high level of capability. CAN bus has some advantages such as high level of security, strong anti-interference, high communication speed and low of maintenance cost
7、. It is a particular design, and it is regarded a field-bus with expansibility. The long-distance data collection based on CAN bus is divided into three parts: upper computer and CAN bus and lower computer. The upper computer is established friendly Human-Machine Interface.CAN bus uses bus topology
8、structure, and use UTP cable communications. The lower computer uses two sensor nodes. This papers emphasis is to introduce the design of the lower computer sensor node.This design firstly introduced the system overall project design. It introduced briefly the K- thermocouple which uses temperature
9、sensor node, and the MPX53DP which uses temperature sensor AD590 and pressure sensor node.It analyzed the design enlargement electric circuit. It also introduced AT89C52 MCU and its subsidiary circuit, especially focused on analyzing the keyboard.Then it analyzed software algorithm, and used the C51
10、 language for its programming. It introduced the system debugging finally. This design has realized the lower computer to the scene temperature signal and pressure signal collection; through the keyboard it can change online measurement range and alarms and so on. Key words: CAN bus; data collection
11、; lower computer; AT89C52 MCU 目 录 摘 要 .I Abstract II 第一章 基于 CAN 总线的远程数据采集系统总体方案 1 1.1 研究背景 1 1.2 方案的选择 1 1.2.1 数据采集分析 1 1.2.2 现场总线概述 .2 1.2.3 CAN 总线 3 1.3 系统设计方案 .4 第二章 温度传感器节点 .7 2.1 热电偶及其放大电路 7 2.1.1 热电偶测温原理 .7 2.1.2 热电偶的种类及结构形成 .8 2.1.3 热电偶的选择及其放大电路 .9 2.2 热电偶的冷端温度补偿 11 2.2.1 热电偶的冷端温度补偿方法 11 2.2.
12、2 AD590 及其放大电路 .12 第三章 压力传感器节点 .15 3.1 压力传感器及其测温原理 .15 3.2 放大电路 16 第四章 单片机数据处理模块 .18 4.1 芯片选择 18 4.1.1 单片机的选择 18 4.1.2 A/D 芯片的选择 .18 4.1.3 看门狗选择 18 4.2 硬件电路连接 .19 4.3 显示方式 20 4.4 键盘 22 4.4.1 键盘接口技术 .22 4.4.2 键盘设置 .22 4.5 看门狗及复位电路 .24 第五章 软件编程 .26 5.1 软件编程概述 26 5.2 温度传感器节点软件设计 26 5.3 压力传感器节点软件设计 36 5
13、.4 编程心得 42 第六章 系统调试 .44 6.1 下位机节点调试 .44 6.1.1 模拟放大电路调试 .44 6.1.2 显示电路调试 .45 6.1.3 单片机模块调试 .45 6.1.4 键盘调试 .46 6.2 综合调试 46 6.3 设计结果 47 参考文献 .48 附录 A 基于 CAN 总线的远程数据采集系统硬件原理图 49 附录 B 温度传感器节点硬件原理图 .50 附录 C 压力传感器节点硬件原理图 .51 附录 D 下位机 C51 程序清单 .52 致 谢 .93 第一章 基于 CAN 总线的远程数据采集系统总体方案 1.1 研究背景 随着现代工业技术的发展，特别是计
14、算机、控制、网络通信技术在工业中各个具 体行业的广泛应用，促进了计算机、控制、网络通讯技术的发展，同时这些技术又与 各个行业中的其它技术融合，促进了各个行业的飞速发展 1。 自从微处理器问世以来，其微型化、低成本的特点使计算机控制技术深入到工业 技术最核心、最基本的环节，并逐步形成了单片机、可编程控制器、工业控制计算机 三大主流系列，实现了多层次、全过程的计算机控制。单片机作为内嵌式控制器构成 了各种智能测试系统或智能仪表，实现了计算机控制的底层化；可编程控制器作为各 种工控机的主控模块，实现了计算机控制的单机化；而以工业控制计算机作为上位机， 以单片机、可编程控制器作为下位机的分布式控制系统
15、则实现了计算机控制的网络化。 特别是单片机的出现，使计算机控制可以达到元件级，因而出现了越来越多的新型自 控元件，甚至出现了集成有单片机的智能元件。计算机控制技术已经成为工业技术中 最重要的核心技术 2。 在工业生产中，数据采集、数据传输、数据处理、数据存储都是保证设备正常运 行的关键技术。数据采集是保证设备正常运行的第一步，数据的准确快速采集就显得 尤为重要。在数据采集领域，各种数据采集仪器都向智能化、集成化、高精度的方向 发展，而且要求数据能传输到远离现场的控制中心，所以有必要设计一种智能化的、 集成化的远程数据采集系统。 1.2 方案的选择 1.2.1 数据采集分析 本文设计了一个远程数
16、据采集系统。采集的信号为两个温度信号和两个压力信号， 经过微处理器处理后在下位机上显示，并且要把采样信号送到远程上位机的工控机上 集中显示。 由于传感器输出的信号一般是毫伏电压或毫安电流信号，而工业标准的电压和电 流信号是 05V 和 420mV，所以必须把传感器输出的信号放大成 05 伏的标准电压信 号或 420mV 的标准电流信号，以便信号的传输和做进一步处理。所以本设计使用了 模拟放大电路。 数据的采集可以选用 FPGA、单片机、FPGA 与单片机结合的方法来实现，但是相 对于单片机而言，FPGA 造价高，在一般的工业控制场合，单片机具有价格便宜，功 能齐全等优点，单片机就已经能够达到本
17、设计的要求。本设计选用单片机作为下位机 传感器节点的智能芯片。 由于数据要进行远距离的传输，所以远距离的数据传输是一个必须考虑的问题。 1.2.2 现场总线概述 RS-485 总线在过程控制中应用广泛，但随着科技的发展，RS-485 的总线效率低、 系统的实时性差、通讯的可靠性低、后期维护成本高、网络工程调试复杂、传输距离 不理想、单总线可挂接的节点少、应用不灵活等缺点慢慢暴露出来，面临着被市场所 淘汰的局面。而现场总线由于在通信能力、可靠性、实时性、灵活性、易用性、传输 距离远、成本低等方面有着明显的优势，在工业中应用越来越广泛，逐渐取代了 RS- 485 总线。 在传统的工业控制中，现场的
18、传感器与控制器之间总是以 420mA 的直流电流或 1-5V 的直流电压来传递信息的 1。随着工业控制技术的不断发展，工业控制系统正向 着数字化、智能化、网络化和开放化的方向发展，模拟传输渐渐被数字传输所取代。 而现场总线则可以很好地适应工业控制技术发展的趋势，是对成熟控制系统结构的根 本变革。 现场总线是用于过程控制中现场仪表与控制室之间的一个标准的、开放的、双向 的多站数字通信系统。随着计算机技术、通讯技术、集成电路技术的发展，现场总线 正在迅速发展。现场总线技术将各种智能芯片置入传统的测量控制仪表，使它们各自 具有数字计算和通信能力，采用可进行简单连接的双绞线等作为总线，把多个测量控 制
19、仪表连接成的网络系统，并按公开、规范的通信协议，在位于现场的多个微型计算 机化测量控制设备之间以及现场仪表与远程监控计算机之间，实现数据传输与信息交 换，形成各种适应实际需要的自动控制系统。简而言之，它把单个分散的测量控制设 备变成网络节点，以现场总线为纽带，连接成可以相互沟通信息、共同完成自控任务 的网络系统与控制系统 3。 现场总线的种类主要有：基金会现场总线 FF、ProfiBus 总线、WorldFIP 总线、 ControlNet 总线、CAN 总线等 。 1.2.3 CAN 总线 CAN 总线是德国 BOSCH 公司从 80 年代初为解决现代汽车中众多的控制与测试仪器 之间的数据交
20、换而开发的一种串行数据通信协议，它是一种多主总线，通信介质可以 是双绞线、同轴电缆或光导纤维。通信速率可达 1MBPS。由于其卓越性能现已广泛应用 于工业自动化、多种控制设备、交通工具、医疗仪器以及建筑、环境控制等众多部门。 CAN 总线通信接口中集成了 CAN 协议的物理层和数据链路层功能，可完成对通信数据的 成帧处理，包括位填充、数据块编码、循环冗余检验、优先级判别等工作 4。 CAN 协议的一个最大特点是废除了传统的站地址编码，而代之以对通信数据块进行 编码。采用这种方法的优点可使网络内的节点个数在理论上不受限制，数据块的标识 码由 11 位或 29 位二进制数组成。这种按数据块编码的方
21、式，还可使不同的节点同时 接收到相同的数据，这一点在分布式控制系统中非常有用。CAN 总线采用多主竞争的 工作方式和非破坏性总线仲裁技术，总线上任意节点可在任意时刻主动地向网络上其 它节点发送信息而不分主次，各节点之间实现自由通信。当多个节点同时向总线发信 息时，优先级较低的节点会主动退出发送，而优先级较高的节点不受影响，大大节省 了总线冲突仲裁时间。在网络负载很重的情况下，也不会出现网络瘫痪的情况。CAN 总线通信格式采用短帧格式，传输时间短，受干扰概率低，具有极好的检错效果。CAN 卓越的特性、极高的可靠性和独特的设计，特别适合工业过程监控设备的互连，因此， 越来越受到工业界的重视，并已公
22、认为最有前途的现场总线之一。CAN 总线协议已被国 际标准化组织认证，技术比较成熟，控制的芯片已经商品化，性价比高，特别适用于 分布式测控系统之间的数据通讯 4。 1.3 系统设计方案 由于 CAN 总线具有上述优点，所以本设计采用基于 CAN 总线的数据采集系统。 系统的设计总体上分为三个部分，上位机部分（包括 CAN 总线接口） ，CAN 总线，下 位机部分（包括 CAN 总线接口） 。 系统框图在 CAN 总线上挂接两路传感器节点和一路监测节点。温度传感器节点使 用 K 型热电偶和集成温度传感器 AD590 采集温度信号 ；压力传感器节点使用两个 MPX53DP 压力传感器采集信号；上位
23、机使用工控机或通用 PC 机对所采集的数据进行 在线监测。 本设计主要负责下位机传感器节点的设计。下面分别介绍下位机节点中的温度传 感器节点和温度传感器节点的设计。 温度传感器节点设计。K 型热电偶把现场温度转换成对应的毫伏信号，经放大电路 放大成标准电压信号 05V 后，送 A/D 转换芯片 TLC0832 的数据采集输入端口 CH0 进 行 A/D 转换，AD590 传感器采集到的毫伏电流信号经电流/电压转换电路转换成对应毫 伏电压信号，再经放大电路放大，送 TLC0832 的数据采集输入端口 CH1 进行 A/D 转换， 两个传感器对应的标准电压信号分时经 TLC0832 的 8 位 A
24、/D 转换后送单片机 89C52。AD590 采集到的温度既作为一路采集温度在上位机上显示，又作为 K 热电偶的 冷端补偿温度。采样信号在单片机中做相应处理后在下位机上进行显示，同时采用定 时中断的方式把采集的温度、压力信号经 CAN 总线传输到工控机上进行远程监测。 图 1.1 基于 CAN 总线的远程数据采集系统结构框图 压力传感器节点设计。两个 MPX53DP 压力传感器把压力转换成对应的毫伏电压 信号，再经放大电路放大后，经 TLC0832 分时采集送单片机 89C52，单片机处理后送 显示，通过定时中断把采样的压力数字信号经 CAN 总线送到上位机上实时显示。 在 2 个下位机传感器
25、节点上，单片机 89C52 都接看门狗复位电路、键盘和数码管 等附属电路。看门狗 X5045 监视单片机的正常运行，数码管用于显示相应的值，键盘 用于改变报警值等参数，修改参数后能通过 CAN 总线把修改的参数上传给上位机。 在 CAN 总线中，系统通过 CAN-RS232 转接接口把数据传输给上位机。上位机接收 CAN 总线上的压力数字信号和温度数字信号，经处理后存储到数据库并实时显示,同时 可以调出历史数据进行显示，也可以远程在线修改下位机的参数。 第二章 温度传感器节点 本节点通过两个传感器采集温度信号，并通过放大电路放大信号，经 A/D 转换送 到单片机中进行处理后送显示；每隔一定时间
26、把采样数字信号经 CAN 总线通信，在上 位机显示；通过键盘可以更改上、下限报警值和热电偶线性化的折点坐标。 本章主要介绍温度传感器节点，其它部分在后续章节中将有详细介绍。 2.1 热电偶及其放大电路 2.1.1 热电偶测温原理 热电偶传感器是一种将温度变化转换为电势变化的传感器。在工业生产中，热电 偶是应用最广泛的测温元件之一。其主要优点是测温范围广，精度高、性能稳定、结 构简单、动态性能好，把温度转换为电势信号便于处理和远距离传输 5。 热电偶把两种不同的金属 A 和 B 构成一个闭合电路，当两个接触端温度不同，即 TT0 时 ,回路中会产生热电势 EAB(T,T0),如图 2.1 所。
27、A B E A B ( T , T 0 )T T 0 图 2.1 热电偶原理图 由于不同的金属材料内部的自由电子密度不相同，当两种金属材料 A 和 B 接触时， 自由电子就要从密度大的金属材料扩散到密度小的金属材料中去，从而产生自由电子 的扩散现象，如图 2.2 所示。 电动势 e A B ( T ) + _ A B T 图 2.2 热电偶接触热电势示意图 当金属材料 A 的自由电子密度比金属材料 B 大，则有自由电子从 A 扩散到 B，当 扩散达到平衡时，这样金属材料 A 失去电子带正电荷，而金属材料 B 得到电子带负电 荷。这样，在 A，B 接触处形成一定的电位差，这就是接触电势（也叫帕尔
28、帖电势） ， 其大小可表示为 （2.1）B AABNekTln)( 式中， 为电极 A 和电极 B 在温度为 T 时的接触电势； 为玻耳兹曼常数；)(TeAB k T 为接触面的绝对温度； 为单位电荷量； 、 分别为金属电极 A 和 B 的自由电eAB 子密度。 2.1.2 热电偶的种类及结构形成 常用热电偶可分为标准热电偶和非标准热电偶两大类。所谓标准热电偶是指国家 标准规定了其热电势与温度的关系、允许误差、并有统一的标准分度表的热电偶，它 有与其配套的显示仪表可供选用。非标准化热电偶在使用范围或数量级上均不及标准 化热电偶，一般也没有统一的分度表，主要用于某些特殊场合的测量。 S、B、 E
29、、K 、R 、J、T 七种标准化热电偶为我国统一设计型标准热电偶 5。 K 型（镍铬镍硅）是使用量最大的廉金属热电偶，用量为其他热电偶的总和。 其使用温度 01300。优点是线性度好，热电势较大，灵敏度较高，稳定性较好，抗 氧化性强，价格便宜。能用于氧化性和惰性气氛中。但 K 型热电偶不能在高温下直接 用于硫、还原性或还原、氧化交替的气氛中，也不能用于真空中。 2.1.3 热电偶的选择及其放大电路 本设计选用 K 型热电偶作为测温元件。其分度表如下： 表 2.1 K 型热电偶分度表 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90温度 （） 热电动势（mV） 0 0.000 0.397
30、 0.798 1.203 1.611 2.022 2.436 2.850 3.266 3.681 100 4.095 4.508 4.919 5.327 5.733 6.137 6.539 6.939 7.38 7.737 200 8.137 8.537 8.938 9.341 9.745 10.151 10.560 10.969 11.381 11.793 300 12.207 12.623 13.039 13.456 13.874 14.292 14.712 15.132 15.552 15.974 400 16.395 16.818 17.274 17.664 18.088 18.513
31、 18.969 19.363 19.788 20.214 500 20.640 21.066 21.493 21.919 22.346 22.772 23.198 23.624 24.050 24.747 600 24.902 25.327 25.751 26.176 26.599 27.022 27.445 27.867 28.288 28.709 图 2.3 是由表 2.1 得到的 K 热电偶温度和输出热电势关系图。由表 2.1 和图 2.3 可 知，K 型热电偶输出的是毫伏电压信号，而单片机采样接收的是标准的电压信号，所 以必须把毫伏电压信号放大成 05V 的标准电压信号。在设计模拟放大
32、电路时,必须考 虑电路的零点漂移、抗干扰等问题。 热电势 / m v 0 5 1 5 1 0 温度 / 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0 2 0 1 6 . 3 9 5 4 8 8 图 2.3 K 型热电偶温度- 输出热电势关系图 放大电路如图 2.4 所示： 图 2.4 K 热电偶放大电路 如图所示，INP+ 接热电偶的正极，INP-接热电偶的负极，R 22 起上拉电阻的作用， 电容起到滤波抗干扰的作用。放大器为高阻态运算放大器。R W4 电位器用于零位调节。 RW5 用于调节放大倍数。由图可求出放大电路的放大倍数 （2.2）301*5WRH 式中 RW5 为接入电
33、阻，单位为 k。本设计采集的温度为 0 到 400，K 热电偶对 应产生的热电势为 0 到 16.395mV，而 A/D 转换的输入电压为 0 到 5V，所以放大倍数 为 （2.3）3059.16 50H 从而 RW5=0.5k。 2.2 热电偶的冷端温度补偿 2.2.1 热电偶的冷端温度补偿方法 由热电偶测温公式可知，热电偶的热电势大小不仅和热端温度有关，还和冷端温 度有关，只有当冷端温度恒定的时，才能通过测量热电势的大小得到热端温度。当热 电偶冷端处在温度波动较大的地方时，必须首先使用冷端温度补偿导线将冷端延长到 一个温度稳定的地方，再考虑将冷端处理为 0。这就是热电偶的冷端处理和补偿 5
34、。 常用补偿方法如下： 1补偿导线法：补偿导线在 100以下的温度范围内，具有与热电偶相同的热电 特性，用它连接热电偶可以起到延长热电偶冷端的作用。 2热电偶冷端温度恒温法：这种方法就是通过一定的方法把热电偶的冷端温度保 持在恒定的温度，一般为 0。由于这种方法特别麻烦，在工业生产中不适用，目前这 种方法只在实验室的精确测量和检定热电偶时使用。 3冷端补偿电桥法：这种方法是利用直流不平衡电桥产生的电势来补偿热电偶冷 端温度变化而引起的热电势的变化值。补偿电桥的 4 个桥臂中有一个臂是铜电阻作为 感温元件，其余 3 个臂由阻值恒定的锰铜电阻制成。 4软件计算修正法：在实际应用中，热电偶的参比端往
35、往不是 0，而是环境温 度 T1，这时测量出的回路热电势比实际温度对应的热电势要偏小，因此必须加上环境 温度 T1 与冰点 T0 之间温差所产生的热电势后才能符合热电偶的分度表的要求。根据 连接导体和中间温度定律则有 （2.4）)0,(),()0,(11TETE 可以用室温计测出环境温度 T1，从分度表查出 E（T 1,0）的值，然后加上热电偶回 路热电势 E（T,T 1） ，得到 E（T,0 ）值，反查分度表即可得到准确的被测温度 T 值。 本设计采用软件计算修正的方法来实现热电偶的冷端温度补偿。 2.2.2 AD590 及其放大电路 由上一小节可知，软件修正法中必须知道冷端温度，所以必须测
36、量冷端温度，本 设计用 AD590 传感器采集冷端温度。 AD590 是美国模拟器件公司生产的单片集成两端感温电流源。AD590 温度传感器 具有线性好、精度适中、灵敏度高、体积小、使用方便等优点。AD590 的外部形状及 管脚如图 2.5 所示。 图 2.5 AD590 外型管脚图 它的主要特性如下： 流过器件的电流（mA）等于器件所处环境的热力学温度（开尔文）度数，即： mA/K 其中 Ir 流过器件（ AD590）的电流，单位为 mA； T 为热力学温度，单1TIr 位为 K。AD590 的测温范围为-55+150。AD590 的电源电压范围为 4V30V， 输 出电阻为 710M。精度
37、高。AD590 可以承受 44V,正向电压和 20V 反向电压，因而器件反 接也不会被损坏。AD590 共有 I、J、K、L、M 五档，其中 M 档精度最高，在- 55+150范围内，非线性误差为0.3。 1R8236475UA+.09WDVCONH_ 图 2.6 AD590 放大电路 如图 2.6 所示，AD590 的放大电路采用三运放差分放大电路。放大器的第 I 级由 U1A 和 U2A 等器件组成，主要用来提高整个放大电路的输入阻抗。第 II 级主要由 U3A 等器件组成，采用差动电路用以提高共模抑制比。 图中是将 U1A、U2A 两个同相输入运放电路并联，再与 U3A 差分输入串联的三
38、运放 差分放大电路，根据虚短、虚断的概念，不难分析 U1A、U2A 前置放大电路仅对差模信 号有放大作用，差模放大倍数为（R W3+R15+2R14）/（R W3+R15）倍。U1A、U2A 提高了差 模信号与共模信号之比，即提高了信噪比。 电路的另一个特点是对共模输入信号没有放大作用，共模电压增益接近于零。这 个因素不仅与实际的共模输入有关，而且也与 U1A 和 U2A 的失配电压和漂移有关。当 U1A 和 U2A 有相等的漂移速率，且向同一方向漂移，那么漂移就作为共模信号出现，没 有被放大，还能被第二级抑制。这样对于 U1A 和 U2A 的漂移要求就会降低。U1A 和 U2A 前置放大级的
39、差模增益要做得尽可能高，相比之下，第二级的漂移和共模误差就可以 忽略，对放大器的要求就可以大大降低。当 R18=R19，R 20=R21时，两级的总增益为两个 差模增益的乘积，即： （2.5）)(*)()2R(Avd 18215W3145W3 代入电阻的阻值，可得 （2.6）31.02Wvd 式中的 RW3 为接入电阻。 在被测温度一定时，AD590 相当于一个恒流源，把它和 530V 的电源相连，并 在输出端串接一个 1k 的恒值电阻 R8，那么，此电阻上流过的电流将和被测温度成正 比，此时电阻两端将会有 1mV/K 的电压信号。通过 R8 的取压，在放大器 U1A 的正输 入端产生对应的电
40、压。通过 RW1 和 RW2 的调节，可在 U2A 的正输入端产生 0.273V 的 电压。相当于 0时，AD590 在 1K 负载上产生的电压。调节三运放的 RW3，使 Avd=50，R W3 的接入电阻约为 525 时，经过三运放差分放大电路后，输出的电压与温 度的关系为 50mV/，即测量温度为 0时，输出为 0V，测量温度为 100时，输出为 5V。从而实现线性放大的目的。 第三章 压力传感器节点 压力传感器节点采集两路压力信号，转化成电压信号并放大成标准的电压信号， 经 A/D 转换送到单片机中进行处理并显示。每隔一定时间把采样值送 CAN 总线接口 与 CAN 总线通信，最终送上位
41、机。并可以通过键盘更改上、下限报警值和压力的测量 范围。 3.1 压力传感器及其测温原理 本设计采用的是美国 MOTOROLA 公司的 MPX53DP 扩散型压阻式压力传感器， 输入信号为差压信号，正端接待测压力，负端与大气相通。该传感器具有体积小，结 构简单，动态性能好，灵敏度高，能测出十几帕的微压，长期稳定性好，滞后和蠕变 小，频率响应高，便于生产，成本低等优点。因此，它是一种目前比较理想的压力传 感器。 MPX53DP 压力传感器的核心部分是一块圆形硅膜片，在膜片上，利用扩散工艺设 置有 4 个阻值相等的电阻，用导线将其构成平衡电桥。膜片的四周用圆环（硅杯）固 定，膜片的两边有两个压力腔
42、，一个是与被测系统相连接的高压腔，另一个是低压腔， 一般与大气相通。当膜片两边存在压力差时，膜片产生变形，膜片各点产生应力。4 个 电阻在应力作用下，阻值发生变化，电桥失去平衡，输出相应的电压。该电压与膜片 两边的压力差成正比。这样测得不平衡电桥的输出电压，就测出了膜片受到的压力差 的大小。 MPX53DP 压力传感器主要以气压测量为主，适合用于医疗器械，气体压力控制等 领域。图 3.1 是 MPX53DP 压力传感器的压力- 输出电压曲线图， MPX53DP 的测压范围 为 050 KPa，对应输出的电压为 20mV80mV，灵敏度为 1.2 mV / KPa。从图中可知， 实际曲线和理论曲
43、线有一定的偏差，但这些偏差在正常范围内。在一定范围内不用进 行补偿。本设计压力测量范围设计为 030KPa，对应的输出电压为 20mV56 mV。 0 4 0 8 0 6 0 2 0 输出 / m v 压力 / K p a 5 6 理论曲线 实际曲线 M P X 5 3 D P 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 图 3.1 MPX53DP 压力-输出电压曲线图 3.2 放大电路 放大电路如图 3.2 所示： 图 3.2 MPX53DP 放大电路图 放大电路用了 4 个放大器，前边的 A1、A2、A3 及附属的电阻组成了三运放差分 放大电路，在前边的 AD590 温度传感器的放大电路中就用
44、的三运放差分放大电路，放 大电路的分析可参照第二章 AD590 放大电路部分。图中 A4 极其附属电阻构成了反同 相比例运算电路，放大倍数 （3.1）)1(283RAvdW 其中 RW3 为接入电阻。从而放大电路总的放大倍数 （3.2）)1(*)()()( 83462121 Rv W 代入阻值，可得 （3.3）)0(*).0(31WWRRAvd 为使差动放大电路的参数保持对称，应使两个差分对基极对地的电阻一致，以免 静态基流流过这两个电阻时，在运放输入端产生附加的偏差电压，所以 A4 的正极接的 电阻应等于 RW3 和 R8 的并联电阻。调节 RW3 后，再调节 RW2 到合适的阻值，即可避免
45、 产生偏差电压。本设计设计的测压范围为 030KPa，输出的电压范围为 20mV56mV，所 以放大倍数为 （3.4）89.13)2056(Avd 这样在压力节点采样时，采样来的二进制值是在 00xFF 之间，在软件编程中，通 过 0x000xFF 和 030KPa 之间的线形关系来求解压力值。 第四章 单片机数据处理模块 单片机数据采集模块主要负责对放大后信号的采集、处理、显示、报警、看门狗 及系统复位和通过键盘修改相关的数值。 温度节点和压力节点中的单片机数据采集模块的硬件部分基本是一样的，所以本 章一起介绍。 4.1 芯片选择 4.1.1 单片机的选择 本设计要求两个下位机传感器节点不但
46、能接收 A/D 采样信号，还能输出送显示， 并且要求能与 CAN 控制器进行通信。AT89C52 是 ATMEL 公司生产的增强型 8051 单 片机，它是 8 位 CPU，具有 256 个字节片内 RAM 和 8K 片内 ROM，一个全双工串行 口，3 个定时器/计数器，5 个中断源和 2 个中断优先级，32 根 I/O 口 6。它能够满足本 设计的要求，故采用 AT89C52 作为下位采样节点的主芯片。 4.1.2 A/D 芯片的选择 本设计采集的温度范围为 0400，压力范围为 0 30KPa，若使用分辨率为 8 位的 A/D 转换芯片 TLC0832，最大不可调误差为 0.78或0.0
47、6 KPa，这已经能够 满足设计的要求，TLC0832 采用单 5V 供电，输入范围为 05V，能分时采集两路单 端输入信号或一路差分输入信号，并且 TLC0832 还具有抗干扰性较好等优点，选用 TCL0832 作为本设计的 A/D 采样芯片。 4.1.3 看门狗选择 看门狗电路一般有软件看门狗和硬件看门狗两种。软件看门狗不需外接硬件电路， 但系统需要出让一个定时器资源，这在许多系统中很难办到，而且若系统软件运行不 正常，可能导致看门狗复位系统也瘫痪。硬件看门狗是真正意义上的“程序运行监视器” ，如计数型的看门狗电路通常由 555 多谐振荡器、计数器以及一些电阻、电容等组成， 分立元件组成的
48、系统电路较为复杂，运行不可靠。 X5045 是一种集看门狗、电压监控和串行 EEPROM 三种功能于一身的可编程控制 电路。向 X5045 加电时会激活其内部的上电复位电路，从而使 RESET 引脚有效。该信 号可避免系统微处理器在电压不足或振荡器未稳定的情况下工作。X5045 具有体积小、 反应速度快，抗干扰能力强、占用 I/O 口少和编程方便等优点，本设计选用 X5045 作 为看门狗芯片。 4.2 硬件电路连接 下边主要设计分析单片机的电路连接，具体的分析在后面相关小节。 图 4.1 单片机电路连接图 如图所示， TLC0832 的 CS 口与 89C52 的 P1.1 连接，用于片选
49、TLC0832；TLC0832 的 CLK 与 P1.2 连接，用于控制 A/D 的时钟；由于 A/D 通道选择 和输出采样值的时间不同，所以可以把 DI、DO 都和 P1.3 连接，用于通道选择和逐位 把采样的数值送 89C52，这样也节省了单片机端口。TLC0832 的 CH0 和 CH1 分别和 K 型热电偶和 AD590 的放大电路连接。 X5045 的 CS、SO、SCK、SI 分别与 P1.4、P1.5、P1.6 、P1.7 连接，就能通过单片机控制 X5045。X5045 的 RST 与上电复位 和手动复位相或后接 89C52 的 RST；电容 C6、R65 构成上电复位电路；R67、开关 SW1、R65 构成手动复位电路；当任何一个复位生效时，通过或门就能使单片机复位。 单片机外接 12MHz 的晶振作为内部时钟源。 P3.0 接串口显示的输入端，P3.1 作为显示 的时钟输入。P2 口接键盘。由于只使用片内存储器，所以/EA 接高电平。P0 口与 CAN 控制器连接。其它电路连接如图所示。 4.3 显示方式 在工业显示技术中，常用的显示方式
