基于rs485水位变送器的设计.docx
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基于rs485水位变送器的设计
基于rs485水位变送器的设计
毕业设计说明书
设计题目:
基于RS485水位变送器的设计
学 院计算机科学与信息工程学院
专业年级10自动化3班
学生姓名陈娅学号2010133326
指导教师代光辉职称讲师
设计地点重庆工商大学
日期2013年5月14日
基于RS485水位变送器的设计
计信学院自动化2010级三班陈娅
指导老师代光辉
摘要:
在机械、化工、纺织等行业,随着生产规模的不断扩大,以及对生产过程集中监控的迫切要求,现场总线技术应运而生,并成为了当今测控领域研究的热点之一。
RS485作为现场总线的一种,以其开发成本低,简单易用等诸多优点己被工业领域广泛接受。
液位作为工业中重要的测量参数之一,本论文题基于RS485通信设计了水位变送器。
本设计采用HC-SR04模块采集液位,由STC89C51RC单片机进行控制和RS485通讯。
通讯的物理层采用RS485接口,通过拨码开关实现对液位器的编址。
最后实现了单个节点和PC机的通讯。
本文分别从硬件和软件上阐述了该水位变送器的实现方法。
关键词:
STC89C51RC,HC-SR04模块,LCD显示,RS485通讯
Abstract:
mechanical,chemical,textileandotherindustries,withtheurgentneedtoexpandproductionscale,andcentralizedmonitoringoftheproductionprocess,fieldbustechnologycameintobeingandbecameoneofthehotresearchfieldmonitoringtoday.AsanRS485fieldbus,withitslowdevelopmentcost,easytouse,andmanyotheradvantageshavebeenwidelyacceptedbyindustry.Levelasoneoftheimportantmeasurementparametersindustry,theessayquestionbasedontheRS485communicationdesignleveltransmitter.
ThisdesignusesHC-SR04modulecollectionlevelbySTC89C51RCMCUcontrolandRS485communications.ThephysicallayerofcommunicationusingtheRS485interface,toachievethelevelisaddressingthroughDIPswitchswitch.Finally,toachieveasinglenodecommunicationsandPC.Thispaperdescribestheimplementationofthewaterlevelofthetransmitterfromthehardwareandsoftware.
Keywords:
STC89C51RC,HC-SR04module,LCDdisplay,RS485communication
一、绪论
随着计算机技术和网络技术的发展,工业参数的数字采集促进了现场总线技术的发展,目前现场总线已经从以前的4-20mA电流信号升级成为了数字信号,进入了数字通讯,解决了信号长距离高速传输的问题,而且大大提高了抗干扰性的能力,给系统的配置增加了灵活性,省了许多硬件的投资,是未来过程控制和生产自动化的发展方向。
目前,较有影响的总线有:
LONWORKS,MODBUS,CAN,PROFIBUS等。
虽然这些总线无主从方式工作、速度较快网络支持较完整,但系统造价高,应用受到限制。
而RS-485总线有制程简单、成本低、软硬件较为丰富、以及可以主从方式工作等特点。
现如今仍然是中小控制系统的主要形式。
距离测量模块作为一种重要的设备,在诸多工业生产过程中得到了广泛应用。
自70年代以来,由于工业过程控制的需要,特别是微电子技术和计算机技术的迅猛发展,并在智能化、自适应等方面取得显著成果。
在这方面,以口本、美国、德国、瑞典等国的技术领先,生产出了很多商品化的、性能优异的液位测控器及仪器仪表,并在各行业广泛应用。
目前,国外液位测控系统及仪表正朝着高精度、智能化、小型化等方面快速发展。
基于单片机的RS485产品一般由单片机芯片为核心和外围辅助逻辑元器件组成,它充分利用单片机的硬件资源和软件资源,同时合理配置特定的功能元器件来实现产品的功用,外围元器件一部分是用来实现通讯的串行接口元件,具有电平转换的功能,这使得RS485产品具有组成工业网络的能力;另一部分是功能器件,如:
地址编码、LED显示器等,能够实现很多的特定功能。
由于产品的硬件构成比较简单,性能比较稳定,功能比较强且造价比较低成为该产品的主要特点。
本设计实现了单节点与PC机的RS485的通讯,通过单片机的功能模块进行液位采集,数据保存,通过RS485和上位机通讯,实现节点上液位的测试。
本论文第一章是绪论,概述了现场总线的发展及工业应用的发展趋势,分析了液位测控模块在国内应用的现状,然后对基于单片机的RS485产品的特点进行介绍。
第二章是设计方案介绍,通过对比不同的液位测试方案,论证了设计的可靠性,并概述定了设计了系统实现的功能和设计的思路,并确的方案。
第三章是超声波测量距离的介绍。
第四章是硬件电路的设计和实现,主要对设计方案的硬件部分进行分模块的介绍,包括硬件结构、接口设计以及元器件功能的介绍说明。
第五章是节点软件设计,首先概述了软件实现的功能和主要设计模块,分别介绍了个子程序的设计,重点描述了RS485通讯实现的过程。
第六章主要是调试部分,包括了硬件和软件两个部分的调试。
二、设计方案
1方案概述
本方案采用HC-SR04作为采集现场环境液位的传感器,单片机选用性价比较高的STC89C51RC。
8位拨码开关用来设置RS485节点的ID号。
RS485通讯电路实现节点和PC的RS485通讯,并在调试时USB转RS485作为ISP烧录程序的接口。
RS485电路实现节点与节点之间的RS485通讯接口。
LCD1602显示器来显示现场液位。
如2.1图:
2.1设计方案图
2方案论证
(1)通讯可靠性
本设计中,主要包括RS485电路。
RS485电路适用于节点之间的通讯,其通讯速率预设低于1Mb/s,距离小于1000米,RS-485接口用于平衡驱动器和查分接收器的组合,共模干扰抵抗能力增强,即噪声干扰性好。
由于本通讯采用了RS485通信,可以保证数据链路层和应用层数据传输的可靠性。
(2)液位检测方法的选择及可靠性
液位包括液位的连续测量和液位信号器两种。
液位信号器是针对几个固定位置的液位展开的测量,用于液位的上、下限报警等。
液位的连续测量是对液位进行连续的测量,它广泛应用于化工、食品加工、石油等许多领域,有十分重要的意义。
文中对几种连续液位测量方法进行比较分析。
a.玻璃管法、玻璃板法、双色水位法、人工检尺法。
上述4种方法都是手工测量的方法,这种测量方法具有简单、可靠性高、直观以及成本较低的优点。
b.电容法:
电容式液位的仪价格比较低,易于安装,液位计可应用于高温、高压的情况。
但是电容液位仪测量可重复性较低,需要经常维修和重新标定,而且它的工作寿命不是特别长。
c.电阻法:
最适用于测量液体的导电率,敏感器的电阻,它的电阻值跟随液位的变化而产生变化,因此将电阻变化值传传送给二次电路便可以得到液位。
液位传感器的电参数产生变化的方法来测量液位的。
d.超声波法:
天线(大多为口径天线,也有平面天线)辐射出去,经液面反射后被天线接收,然后由二次电路计算发射信号与接收信号的时间差得液位。
通过分析发射信号与和接收信号混频后得到的差额信号,从而得到微波传输的时间,然后计算出液位来。
选择液位检测的原则:
液位检测选择的原则:
除了满足设计的要求,按照电路的设计简单可靠,性价比高路。
在高精度、高可靠性的场合中,HC-SR04液位传感器更适用。
其具有体积小,硬件开消低,抗干扰能力强,精度高等特点。
本设计选择该传感器来测量液位。
(3)系统电源稳定性
电源是一个系统动力源,其设计的好坏会直接影响到该设备的稳定性。
结合本题实际,在仔细分析了各个模块的供电需求后,本文设计了一个完全可以满足本题要求的电源系统。
必须比较稳定。
考虑到工业上常用直流电源为24V,并且估算系统的最大工作电流小于1A。
通过查阅相关技术文档,单片机电源最初选择了LM7805电路和LM22680电路。
LM7805为线性稳压器。
它的成本相对于其他电源来说更低,而且体积小、工作更为可靠、性能也非常好,目前,它是运用较为广泛的集成稳压器件。
LM22680为开关稳压器,其输入电压范围为4.5V至42V,可以驱动电流高达2A的负载,具有超过90%的高开关转换效率,发热量很小,并且其输出直流纹波和交流纹波都很小,可以满足单片机设计需求。
根据上述,我们可以任选一电源器件,考虑到各种因素,本设计选择的是LM7805作为电源电路。
三、超声波测距介绍
采用单片机来控制的超声波测距仪是先由单片机产生一个信号,经过信号线,把信号引入到与超声波发射器相连的信号引脚之上,再通过超声波发射器向某个方向发射出超声波,在发射的同时就开始计时,超声波在空气中传播,途中碰到了障碍物就会即刻返回来,当超声波接收器收到了反射波的时候,就立即停止计时。
在空气中,超声波的传播速度为340m/s,根据计时器记录的时间t,就可以计算出发射点距障碍物的距离(s),即:
S=vt/2,原理框图如3.1所示。
图3.1超声波的测距原理
1超声波的基本理论
超声波是一门以物理、电子、机械、以及材料科学为基础的、各行各业都要使用的通用技术之一。
该技术在国民经济中,对提高产品质量,保障生产安全和设备安全运作,降低生产成本,提高生产效率特别具有潜在能力。
因此,我国对超声波的研究特别活跃。
超声技术是通过超声波的产生、传播以及接收的物理过程完成的。
超声波具定向及反射、投射、有聚束等特性。
按照超声波振动辐射的大小的不同我们大致可以分成:
利用超声波使得物体或物性变化的功率应用,称它为功率超声;用超声波获取信息,称它检测超声。
超声波是听觉阈值之外的振动,其频率范围在10
——10
Hz,其中通常的频率大约在10
——3
之间。
超声波在超声场(被超声波充满的范围)传播时,如果超声波的波长与超声场相比,超声场很大,超声波就像处于一种无限介质中,超声波自由地向外部扩散;与之相反,如果超声波的波长和相邻介质的尺寸基本一样,那么超声波受到界面限制而不能自由的向外部扩散。
于是超声波在传播过程中有如下的特性和作用:
超声波的传播速度
超声波在介质中可以产生三中形式的振荡波:
横波——质点振动方向垂直于传播方向的波;纵波——质点振动方向与传播方向一致的波;表面波——质点振动介于纵波和横波之间,沿表面传播的波。
横波只能在固体中传播,纵波能在固体液体中和气体中传播,表面波随深度的增加其衰减很快。
为了测量各种状态下的物理量多采用纵波形式的超声波。
超声波的频率越高,越与光波某些特性相似。
超声波与气其他声波一样,其传播速度与介质密度和弹性特性有关。
超声波在气体和液体中,其传播速度C
=(
)
式中
——介质的密度;
——绝对压缩系数。
可以推导出超声波在空气种传播速度
。
(T为环境温度)。
超声波的物理性质
当超声波传播到两种特性不同的介质的平面上时,一部分被反射;另一部分透射过界面,在相邻的介质内部继续传播;这样的两种情况称之为超声波的反射和折射,如图3.2所示:
图3.2声波反射与折射
2超声波传感器
超声波传感器主要有电致伸缩和磁致伸缩两类,电致伸缩采用双压电陶瓷晶片制成,具有可逆特性。
压电陶瓷片具有以下特性:
当在其两端加上方向和大小不断变化的交流电压的时候,就会产生“压电效应”,使得压电陶瓷也会产生机械变形,这种机械变形的方向以及大小和外加电压的方向和大小成正。
也就是说,若在压电晶片两边加以频率为
的交流电电压时,它就会产生同频率的机械振动,这种机械振动推动空气的张弛,当
落在音频范围内时便会发出声音。
与之相反,如果由超声波机械振动作用于陶瓷片使它发生微小形变的时候,则压电晶片同样也会产生与振动频率相同的微弱的交流信号。
超声波传感器结构如下:
图3.3元件内部结构图3.4超声波外部结构
四、硬件电路
最小系统电路
STC89C51RC单片机是宏晶科技推出的新一代高速/低功耗/超强抗干扰的单片机,指令代码完全兼容传统8051单片机,12时钟/机器周期和6时钟/机器周期可以任意选择。
选用STC89C51RC单片机完全可以满足本设计需求。
由图4.1可以看出单片机最小电路包括了三个部分:
第一部分是晶振,包含了C1和C2两个电容器,X1是晶振;第二部分是复位电路,当电路充电的时候,C3两端的电压不会发生突变,在RST引脚上的电压接近五伏,随着充电时间的加长,电流就会减小,引脚电位也会随之下降。
当C3两端电压接近五伏时,引脚也会变成低电平,只要它能保持在10ms的高电平,就可以使单片机复位,此复位电路为上电自动复位电路;第三部分是单片机,自单片机问世以来,已经经历了五个发展阶段,分别是:
萌芽、初级、高性能、八位以及十六位单片机推出、在集成度,速度,功能等方面向更高水平发展的阶段。
其内部结构包括:
中央处理器,并行口,串行口,存储器,定时/计数器和中断系统。
图4.1单片机最小系统
液位检测电路
HC-SR04超声波测距模块可提供2cm-400cm的非接触式距离感测功能,测距达高到3mm;模块包括超声波发射器、接收器与控制电路。
基本工作原理:
(1)采用IO,TRIG触发测距,给至少10us的高电平信号;
(2)模块自动发送8个40khz的方波,自动检测是否有信号返回;(3)有信号返回,通过IO口ECHO输出一个高电平,高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间。
测试距离=(时间*声速(340M/S))/2
a发送电路设计:
图中用了三个施密特触发器,主要是将数字型号转变成为方波的形式,这样便利于数字信号接收电路识别。
图4.2发送电路
b接收电路设计
图中主要包含了三部分,第一部分是LM741,它是一个运算放大器,成线性,主要是把接收到的信号放大,超声波的信号是40K,将放大的信号传送到第二部分的74HC4046芯片上;第二部分则是74HC4046锁相环,它是一种反馈控制电路。
能够提高波形频率,其中,C4形成一个40K的频率;第三部分接入了一个二极管IN4148和两个电阻,IN4148是一种通用的小信号高频开关二极管,它的价格便宜,获取渠道容易。
图4.3接收电路
3AD转换芯片及量程设定电路与调零电路
(1)AD转换芯片选择与介绍
本次论文用到两路输入,精度方面8位即可满足要求。
本文选择了ADC0809芯片,ADC0809芯片是最常用的8位模数转换器。
它的模数转换原理采用逐次逼进型,芯片由单个+5V电源供电,可以分时对8路输入模拟量进行A/D转换,典型的A/D转换时间为100微妙左右。
在同类型产品中,ADC0809模数转换器的分辨率、转换速度和价位都属于居中位置。
内部逻辑结构,如图4.4所示:
图4.4ADC0809内部结构
引脚功能说明:
·D7~D0:
8位数字量输出,A/D转换结果。
·IN0~IN7:
8路模拟电量输入,可以是:
0~5V或者-5V~+5V或者-10V~+10V。
·+VREF:
正极性参考电源。
性参考电源。
·START:
启动A/D转换控制输入,高电平有效。
·入的工作时钟,典型频率为500KHz。
·ALE:
地址锁存控制输入,高电平开启接收3位地址码,低电平锁存地址。
·CBA:
3位地址输入,其8个地址值分别选中8路输入模拟量IN0~IN7之一进行模数转换。
C是高位地址,A是最低位地址。
·OE:
数字量输出使能控制,输入高有效,输出A/D转换结果D7~D0。
·EOC:
模数转换状态输出。
当模数转换未完成时,EOC输出低电平;当模数转换完成时,EOC输出高电平。
EOC输出信号可以作为中断请求或者查询控制。
·Vcc:
芯片工作电源+5V。
·GND:
芯片接地端。
主要特性
1)8路输入通道,8位A/D转换器,即分辨率为8位。
2)具有转换起停控制端。
3)转换时间为100μs(时钟为640kHz时),130μs(时钟为500kHz时)
4)单个+5V电源供电
5)模拟输入电压范围0~+5V,不需零点和满刻度校准。
6)工作温度范围为-40~+85摄氏度
7)低功耗,约15mW。
转换数据的传送A/D转换后得到的数据应及时传送给单片机进行处理。
数据传的关键问题是如何确认A/D转换的完成,因为只有确认完成后,才能进行传送。
为此可采用以下三种方式:
a定时传送方式
对于一种A/D转换器来说,转换时间作为一项技术指标是已知的和固定的。
例如ADC0809转换时间为128μs,相当于6MHz的MCS-51单片机共64个机器周期。
可据此设计一个延时子程序,A/D转换启动后即调用此子程序,延迟时间一到,转换肯定已经完成了,接着就可进行数据传送。
b查询方式
A/D转换芯片由表明转换完成的状态信号,例如ADC0809的EOC端。
因此可以用查询方式,测试EOC的状态,即可确认转换是否完成,并接着进行数据传送。
c中断方式
把表明转换完成的状态信号(EOC)作为中断请求信号,以中断方式进行数据传送。
不管使用上述哪种方式,只要一旦确定转换完成,即可通过指令进行数据传送。
首先送出口地址并以信号有效时,OE信号即有效,把转换数据送上数据总线,供单片机接受。
(2)量程的设定电路
由于在生产生活中遇到的容器高度不同,在单片机内设定同一的高度是不合适的,因此,在单片机运行时,要可以随时改量程。
本设计通过滑动电阻器改变液位的量程。
使用的HC-SR04超声波测距模块可提供2cm-400cm的非接触式距离感测功能,测距精度可达高到3mm。
如图所示,通过ad转换,把电压信号转换成0-255的数字量l,放大一百倍后变成25500,进过转换,100表示1cm,最大量程是255cm传感器满足要求。
所以量程为lc=l*100,液位高度就是diantance=lc-wdistance。
如下图:
wdistance
lc
diantance
图4.5液位测量
在液位的测量过程中,往往会出现死区,也就是盲区,是指测量不到的地方。
产生盲区的原因主要是超声换能器的余震。
量程和盲区是超声波测液位的两个最重要的考虑因素。
图4.6调量程电路
(3)传感器调零点电路
因为通过超声波对距离测量,而介质的温度和成分等因素会影响传播速度,而在其他介质中传播速度大于空气中,因此如果固定distance=t*0.17cm作为高度就会带来误差,所以本设计设计了调零功能。
通过AD转换,把电压信号转换为数字信号tl,得到正确结果wdistance=(340+x)*(t+t1)cm,综上,distance=lc-wdistance。
其中,x是温度引起的变化,而tl则是调零的时间。
调零电路如下图:
图4.7调零电路
图中所用到的是一个运算放大器LM741和一个可变电阻。
滑动可变电阻可以达到调零的效果。
4电源电路
为了给单片机系统提供稳定可靠的电源,本次设计采用的是LM7805电源电路,LM7805电路可以提供许多种固定的输出电压,并且它的应用范围十分广泛。
电路中存在着过热和短路保护,这样更利于整个电路的运行。
电路中有两个电容,C8可以改善瞬态响应以及稳定性,当稳压器远离电源滤波器的时候,就需要用到C9。
该电源电路较为简单方便直观。
其电路图如下:
图4.8电源电路
5RS485通讯电路
为实现现场组网控制和方便上位机完成现场数据采集和各种控制任务,该设计提供了两种通信接口:
RS485接口和USB转RS485接口。
USB转RS485主要用来实现一对一的通信方式,即液位测控节点和上位机的通讯,而RS485则可用来完成节点组网通信。
其中USB转RS485通讯电路采用USB转RS485接口,它是专门为电脑的USB转RS485标准串口设计的转换模块,使用+5v单电源供电。
发送rs485电路如图4.9所示:
图4.9rs485发送电路
图中运用到了三个MOC3021,MOC3021是一款光隔离三端双向可控制硅驱动器芯片。
RS485发送电路的DATA与CLOCK接口分别与单片机对应的接口相连接。
由于实际应用系统中,往往分散控制单元数量较多,分布较远,现场存在各种干扰,使得实际工程应用中如何保障RS-485总线通信的可靠性成为一个棘手的问题。
在使用RS-485总线时,如果简单地按常规方式设计电路,在实际工程中可能有以下两个问题出现。
一是通信数据收发的可靠性问题;二是在多机通信方式下,一个节点的故障如死机,往往会使得整个系统的通信框架崩溃,给故障的排查带来困难。
由于应用系统中,上位机与分节点相隔较远,通信线路的总长度往往超过几百米,而分节点系统上电或复位又常常不在同一个时刻完成。
如果在此时某个分节点的RS485芯片DE端电位为“1”,那么它在RS485总线输出将会处于发送状态,也就是占用了通信总线,这样其它的分节点就无法与主机进行通信。
这种情况尤其表现在某个分节点出现异常情况下如死机,会使整个系统通信崩溃。
因此在电路设计时,应保证系统上电复位时每个分节点的485芯片的DE端电位为“0”。
在单片机在复位期间,其I/O口输出低电平,485芯片的DE端为低电平,节点处于接收状态,故电路的接法有效地解决复位期间分节点“咬”总线的问题。
除了上述总线逻辑问题需要解决外,还要对RS485总线输出电路的参数进行精心设置。
由于要对现场液位情况进行实时监控及响应,通信数据的波特率往往做得较高,通常都在4800波特以上。
另外,在RS485信号输出端串联了两个10Ω的电阻,这样本节点的硬件故障就不会使整个总线的通信受到影响。
在应用系统工程的现场施工中,由于通信载体一般是双绞线加屏蔽层,双绞线的特性阻抗为120Ω左右,所以线路设计时,在RS-485网络传输线的始端和末端各应接1只120Ω的匹配电阻,以减少线路上传输信号的反射。
由于RS485芯片的特性,接收器的检测灵敏度为±200mV,即差分输入端VA-VB≥+200mV,输出逻辑1;VA-VB≤-200mV,输出逻辑0。
而A、B端电位差的绝对值小于200mV时,输出为不确定。
如在总线上所有发送器被禁止时,接收器输出逻辑0,这会误认为通信帧的起始引起工作不正常。
解决这个问题的办法是使A端电位高于B两端电位,这样RXD的电平在485总线不发送期间呈现唯一的高电平,单片机就不会被误中断而收到乱字符。
通过在485电路的A、B输出端加接上拉、下拉电阻,即可很好地解决这个问题。
6显示电路
1602是工业字符型液晶,能够同时显示16x02即3
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