摘 要:本文设计了一种C8051F040 单片机作为主控制器,AD590作为测温元件,CAN 总线作为数据传输线远程多点温度测控系统,并介绍了系统的功能、结构框图,阐述了其硬件和软件的设计与实现。该系统具有测量点多、便于扩展、可靠性高、抗干扰性强等优点。
1 引言
远程温度控制是工业生产过程中经常遇到的过程控制,特别是一些大型的特殊的工控场合,对温度的精确控制要求非常高。为此,笔者开发出基于C8051F040[1]单片机的远程多点温度智能控制系统,该系统终端用智能单片机进行多点温度的检测处理,使用CAN[2]总线进行远程传输数据,冷库温度在-25~+75℃范围内变化,精度±0.1℃。系统工作实时性强,稳定可靠,控制精确,操作简便。
2 硬件电路设计
2.1 系统总体结构
该系统要求上位机C8051F040读取按键设定温度,根据终端温度采集电路检测的多路温度判断是否超过设定温度±1℃,启动相应的加热或制冷设备。如此反复,使远程测控的温度保持在设定温度附近。
系统主要功能模块包括12232C[3]液晶显示器模块、4x4矩阵式键盘电路、CAN总线数据传输线路、终端采集模块、报警和控制电路。系统功能的整体构成如图1所示。
2.2 CAN总线通信接口硬件设计
完整的CAN总线通信接口的硬件部分应该包括C8051F040集成的CAN控制器和PHILIPS公司出品的TJA1050CAN[4]收发器,可靠性要求非常高时两者间还需隔离装置。CAN总线控制的网络拓扑结构如图2 所示,其主要功能是:
(1) C8051F040集成CAN 控制器:集成了CAN 总线的物理层和数据链路层的功能,能够使用多种物理介质,极高的总线利用率,数据传输距离达10km,数据传输速率高达1Mb/s,可靠的错 误处理和检错机制。
(2) CAN 收发器:集成了CAN协议物理层的部分功能,主要进行电气转换,将逻辑信号转换为平衡差分码,电气保护、过热保护等功能.CAN总线上两端节点加电容电阻对信号吸收,避免信号反射。
2.3 终端温度采集电路设计
温度采集使用电流型集成电路温度传感器AD590[5],它将温度转换为电流,温度每增加1℃,AD590会增加1uA输出电流,在-55℃-150℃范围中有较好的线性度,工作电源电压范围为+4V-30V。终端系统温度采集及信号处理电路如图3所示,终端模拟信号输入到单片机的ADC0引脚。AD590输出电流以绝对温度零度为基准,每增加1℃,它会增加1uA 电流。因此,它的输出电压为Ui=(273+T)uAx10K=(2.73+T/100)V。为了将电压测量出来又使输出电流I不分流出来,使用电压跟随器输出电压Ui。
基准电压Vref由稳压芯片产生,电位器R3用于产生2.48V的稳定电压。运算放大器U2 及电阻R4,R5,R6,R7 构成减法电路,用于将输出电压转换为0~4V 的电压。计算过程如下:
3 系统软件设计
系统软件设计采用模块化程序设计流程,软件模块包括主程序、键盘扫描子程序、LCD显示子程序、CAN总线数据传输子程序和终端AD温度采集数据处理子程序。其中主程序流程图如图4所示。
主程序的初始化主要包括关闭看门狗,初始化配置I/O端口的分配,初始化外部晶振为系统时钟,CAN接口初始化和发送接收子程序。所完成的功能主要包括:通过键盘设定恒温温度值,单片机C8051F040把采样过来的多路温度数据平均数字滤波,显示当前温度和设定温度,根据当前温度值与设定的温度比较,如若未在设定温度的±1℃范围内时,启动控制电机,对异常情况进行报警和终端位置进行显示。
终端采集信号处理后的标准电压信号被送入C8051F040单片机的ADC0 转换器,ADC0 是否转换完成由定时器溢出判断。当ADC0转换完成,进入中断服务程序。并且各个终端对采集到的数据进行平均值滤波处理。终端采集处理主要代码如下:
MOV R0,#16
MOV A,ADC0L
MOV @R1,A
DEC R1
MOV A,ADC0H
MOV @R1,A
DJNZ R0,LOOP
4 结束语
该系统利用C8051F040单片机作为上位机,各终端能自行采集处理温度数据,CAN总线数据传输,采用电压跟随器和平均数字滤波,系统抗干扰性强。该系统能够对远程多个温度点进行检测与控制,且具有结构简单、成本低、控制精度和可靠性高等优点,符合远程多点温度控制的设计要求。
参考文献:
[1] 胡晓柘,张培仁等.对 C8051F040 的 CAN 控制器的分析及应用[J].微计算机信息,2007,23(11):105-107.
[2] 宋明权,周纯杰等.基于 C8051F040 的 CAN 通讯接口的开发与应用[J].计算机技术与自动化,2005,24(1):42-45.
[3] 李长娥.SED1520 与 PIC 单片机的接口设计[J].微计算机信息,2007,23(11):143-144.
[4] 许小军,王东兴.基于 C8051F040 的 CAN 总线系统智能节点设计[J].仪表技术,2005,(5):24-26.
[5] 黄乐天,谢意. 实用高精度智能恒温加热器系统设计[J].微计算机信息,2005,21(10):70-73
作者简介:王立国(1979-),男,助教,硕士,主要从事电气工程及其自动化。
