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PT100热敏电阻；

RS485总线

Abstract

Temperatureistheprocessofmodernindustrialproductionasanimportantparameter,intheproductionprocessoftenrequiredtodetectandmonitorthetemperature,especiallyintheelectricity,chemicalindustryandotherlargeenterprises,automationofproductionprocessesoftenrequiredozensofmonitoringandmeasuringthetemperatureparameters.Productioninsomespecialoccasions（suchasprintinganddyeingandrefining）,temperaturemeasurementandcontrolparametersdirectlyaffecttheaccuracyoffollow-uptothequalityoftheproduct.

Inthispaper,basedonthetemperatureRS485fieldbusmoduledesignmethodofcollection.Thermalresistancewithtemperaturechangesintheresistanceofdifferentsignals,resistanceconstantcurrentsignalintotheanalogvoltagesignal,single-chipmulti-channelanalogswitchesinternalcircuitryoftheanalogsignalacquisition,A/Dconvertermoduleofthesignalcollectedanalog-to-digitalconversion,toconvertdigitalsignalsreceived,respectively,inaccordancewiththesequenceintosingle-chip,single-chipRS485fieldbusthroughwithPC-articulated.

Astheresistancevalueandtemperatureisnon-linearrelationshipbetween,inordertoimprovethemeasurementaccuracytoovercomethenon-linearerror,reducingtheindexstoragetable,theuseofquadraticinterpolationalgorithmforcalculatingthetemperaturevalue,sothatthetemperatureresolutionof0.05℃,temperaturemeasurementaccuracyofbetterthan0.1℃.Single-chipmicrocomputerthroughfieldbustemperatureinordertobeabletoMODBUSagreementsenttothePC,therealizationoftheIndustrialFieldbuscomputerforcentralizedmanagement.

Keywords:

Temperatureacquisition;

PT100Thermistor;

RS485bus

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。

（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ExperionPKSR300的控制站采用硬件防火墙技术。

（5）容错以太网（FTE）：

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，FaultTolerantEthernet）。

（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ExperionPKSR300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ExperionPKSR300采用此数字视频技术。

（8）先进控制站：

DCS的基础是控制站，为了进一步提高控制站的可靠性、稳定性和安全性，增强控制站的功能，而采用了一系列先进技术。

例如，控制站采用无底板模块结构，独立倾斜式垂直插拔，散热效果好，接线维护方便；

采用容错以太网（FTE），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ExperionPKSR300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。

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。

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：

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：

-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。

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-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℃（如钨-铼）。

3．构造简单，使用方便。

热电阻通常是由两种不同的金属丝组成，而且不受大小和开头的限制，外有保护套管，用起来非常方便。

2.3.2集成电路（IC）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

2.3通信接口的选择

2.3.1RS-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。

2.3.2RS-422串行通讯接口

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10×

4k+100Ω（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（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1219米，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100米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300米以下不需终接电阻。

终接电阻接在传输电缆的最远端。

2.3.3RS-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1219米，最大传输速率为10Mb/s。

平衡双绞线的长度与传输速率成反比，在100kb/s速率以下，才可能使用规定最长的电缆长度。

一般100米长双绞线最大传输速率仅为1Mb/sRS-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。

终接电阻接在传输总线的两端。

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

C8051F410MCU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SARADC和一个27通道单端输入多路选择器，该ADC的最大转换速率为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0~2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。

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。

VRTC-BACKUP为smaRTClock后备电源，P1.0-P1.5为6路模拟信号的接收端，R（P0.5）、T（P0.4）为数字串口的接收和发送端，C2D和C2CK是JTAG下载调试接口。

VCC为5.0V电源接口。

GND为地接口。

XTAL3端口为smaRTClock振荡器晶体输入端，XTAL4端口为smaRTClock振荡器晶体输出端。

3.2温度信号采集电路

热敏电阻温度采集模块由精密稳定恒流源电路，热敏电阻PT100构成的信号采集电路，A/D转换电路构成。

热敏电阻PT100根据温度信号变化电阻阻值发生变化，被测温度的变化是直接通过热电阻阻值的变化来测量，在热敏电阻PT100组成的采集电路加一恒定电流，产生一个模拟的电压信号，经过A/D转换成单片机可以识别的数字信号，输入单片机进行处理。

热电阻测温模块原理框图如图3-2。

恒定电流

温度信号模拟电压信号数字电压信号

3-2热电阻测温模块框图

热电阻PT100的三线制接法测量电路如图3-3所示为消除引线引入的测量误差,热电阻的测量采用三线制接法。

图3-3热电阻信号测量电路

在图3-3中,由于R12+R13>

>

RT+2R,R15+R>

R则有

V2=I×

（KT+2×

R）（3-1）

V1=I×

R（3-2）

V4=V3=1/3×

V2（3-3）

（V1-1/3*V2）/R15=（1/3*V2-V0）/（R23+R19）（3-4）

V0=（R24*VR1）/（R17+R24）（3-5）

带入各电阻值整理得:

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。

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=1.0KΩ，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112km.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,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3-5RS485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。