汽車尾氣余熱發(fā)電系統(tǒng)溫度檢測模塊設(shè)計(jì)與開發(fā)——畢業(yè)論文

1、<p>　　畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)任務(wù)書</p><p>　　學(xué)生姓名 專業(yè)班級 自動(dòng)化 </p><p>　　指導(dǎo)老師 工作單位 自動(dòng)化學(xué)院 </p><p>　　設(shè)計(jì)(論文)題目： 汽車尾氣余熱發(fā)電系統(tǒng)溫度檢測模塊設(shè)計(jì)與開發(fā) </p><p>　　設(shè)計(jì)

2、(論文)主要內(nèi)容： </p><p>　　了解汽車尾氣余熱發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，了解常見溫度傳感器的基本種類與各自特征，設(shè)計(jì)溫度檢測模塊，選用PIC單片機(jī)控制，采用CAN總線通信技術(shù)，確定系統(tǒng)控制方案，完成硬件電路設(shè)計(jì)。</p><p>　　要求完成的主要任務(wù)：</p><p>　?。?）了解溫度傳感器特別是熱電偶的基本種類與各自特征，并選擇合適的熱電偶，使其能檢測0~35

3、0℃、0~3800℃兩種范圍的溫度，同時(shí)精度要求在±0.5℃。</p><p>　?。?）了解溫度變送器的工作原理，并選擇能夠與溫度傳感器相符的溫度變送器；</p><p>　　（3）了解PIC單片機(jī)的基本功能，選擇能夠?qū)崿F(xiàn)8路AD轉(zhuǎn)換功能的單片機(jī)作為本設(shè)計(jì)的主控機(jī)及AD轉(zhuǎn)換器件；</p><p>　　（4）了解CAN總線的基本功能，并以CAN總線數(shù)據(jù)傳輸

4、作為本設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞?，其波特率可達(dá)250Kbps；</p><p>　　（5）撰寫畢業(yè)設(shè)計(jì)論文，字?jǐn)?shù)15000左右；</p><p>　?。?）翻譯外文文獻(xiàn)20000字符。</p><p><b>　　參考資料</b></p><p>　　[1] 程德福,王君,凌振寶,王言章.傳感器原理及應(yīng)用[m].北京:機(jī)械工業(yè)

5、出版社2008.</p><p>　　[2] 田宇鵬,姚恩濤,李開宇.傳感器原理[m].北京:科學(xué)出版社,2007.</p><p>　　[3] 饒運(yùn)濤,鄒繼軍,鄭勇蕓.現(xiàn)場總線CAN總線原理及應(yīng)用技術(shù)[m].北京:航空航天大學(xué)出版社,2003.</p><p>　　[4] 夏繼強(qiáng).單片機(jī)實(shí)驗(yàn)與實(shí)踐教程[m].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2001.</p&g

6、t;<p>　　[5] 劉向宇,秦龍. PIC單片機(jī)C語言程序設(shè)計(jì)實(shí)例精粹丁元杰[m] .北京:電子工業(yè)出版社2010．</p><p>　　指導(dǎo)教師簽名 系主任簽名 </p><p>　　院長簽名(章)

7、 </p><p>　　武漢理工大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開題報(bào)告</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　摘 要I</b></p><p>　　ABSTRACTII</p><p><b>　　1緒論1</b>

8、;</p><p>　　1.1研究背景及意義1</p><p>　　1.2溫度檢測發(fā)展現(xiàn)狀2</p><p>　　1.2.1集成溫度傳感器的分類2</p><p>　　1.2.2輻射式溫度傳感器3</p><p>　　1.3 本文主要研究內(nèi)容4</p><p>　　2溫度傳感器比較與選

9、擇5</p><p>　　2.1溫度傳感器概述5</p><p>　　2.2熱電偶溫度傳感器5</p><p>　　2.2.1熱電偶的工作原理5</p><p>　　2.2.3熱電偶的常用材料與結(jié)構(gòu)7</p><p>　　2.2.4冷端溫度及處理8</p><p>　　2.3溫度傳感

10、器的選擇9</p><p>　　3測量方案設(shè)計(jì)10</p><p>　　3.1整體方案設(shè)計(jì)10</p><p>　　3.2溫度傳感器選型10</p><p>　　3.3溫度變送器的選型10</p><p>　　3.4運(yùn)算放大器的選型10</p><p>　　3.5 PIC單片機(jī)型號的

11、選型11</p><p>　　3.6 ADC的選型13</p><p>　　3.7數(shù)據(jù)傳輸總線選擇14</p><p>　　4硬件電路設(shè)計(jì)14</p><p>　　4.1電源部分14</p><p>　　4.2溫度測量部分硬件電路設(shè)計(jì)15</p><p>　　4.3 PIC單片機(jī)硬件

12、設(shè)計(jì)16</p><p>　　4.4數(shù)據(jù)傳輸部分17</p><p>　　5 CAN總線傳輸19</p><p>　　5.1 CAN總線技術(shù)特點(diǎn)19</p><p>　　5.2芯片SJA1000的概述19</p><p>　　5.3 CAN總線收發(fā)器21</p><p>　　5.4

13、CAN總線在本系統(tǒng)中的應(yīng)用22</p><p>　　5.5主流程框圖25</p><p><b>　　結(jié)束語26</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)27</b></p><p><b>　　致謝28</b></p><p><b

14、>　　附：總電路圖29</b></p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　當(dāng)今，汽車的發(fā)展給人們帶來極大的便利，但同時(shí)也帶來了負(fù)面影響，環(huán)境污染，資源浪費(fèi)。因此如何提高能源利用率，減少環(huán)境污染等問題也迫在眉睫。利用汽車尾氣余熱發(fā)電以供給汽車設(shè)備使用可以在很大程度上解決這一難題。尾氣溫度檢測是余熱發(fā)電系統(tǒng)的必要環(huán)節(jié)，通過對尾氣溫

15、度的檢測來獲得相關(guān)溫度參數(shù)，以研究尾氣溫度與所產(chǎn)生電能大小之間的關(guān)系，從而為改進(jìn)裝置、提高熱量與電能之間的轉(zhuǎn)換率提供數(shù)據(jù)支持。</p><p>　　本文在對熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)了解的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種以K型熱電偶來測尾氣溫度，以T型熱電偶測尾氣通過各模塊溫度；通過變送器將信號轉(zhuǎn)換成模擬量傳輸給PIC16F877多路AD轉(zhuǎn)換通道，然后以CAN總線來傳輸，最終得到檢測數(shù)據(jù)。文中闡述了熱電偶的基本原理及選擇、PIC單片機(jī)、CA

16、N總線技術(shù)等基本原理及功能，以及多路溫度傳感器的溫度檢測及傳輸，溫度變送器的選擇以及AD轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)方法，CAN總線數(shù)據(jù)傳輸，并給出了相關(guān)硬件電路圖。同時(shí)，該系統(tǒng)測量精度高，抗干擾能力強(qiáng)，實(shí)用性強(qiáng)，具有很強(qiáng)的實(shí)際操作性。</p><p>　　研究結(jié)果表明，以K型、T型熱電偶來檢測尾氣溫度，通過PIC單片機(jī)AD轉(zhuǎn)換功能將數(shù)據(jù)通過CAN總線傳輸?shù)玫轿矚鉁囟葦?shù)據(jù)，最終得到所需數(shù)據(jù)，以方便研究。</p><

17、;p>　　關(guān)鍵詞：溫度檢測；PIC16F877；CAN總線</p><p><b>　　ABSTRACT</b></p><p>　　Today, the development of automobile bring great convenience to people, but also cause environmental pollution and

18、energy problems. How to improve energy efficiency and reduce environmental pollution problems are imminent. Therefore, the use of automotive exhaust generating heat supply and use of mobile equipment in largely to solve

19、this problem. And exhaust temperature detection heat generation system, based on the essential link to obtain the temperature exhaust temperature parameters related </p><p>　　Based on the understanding of th

20、ermoelectric conversion system based on design, a kind of K to exhaust temperature, thermocouple with t-shape thermocouple temperature measurement exhaust through each module, Through the transmitter will be converted in

21、to analog signal transmission give PIC16F877 multiplexing channel, and finally to AD transform, thecan bus final test data. In this paper, the basic principle and choose thermocouples, PIC microcontroller, thecan bus tec

22、hnology, basic principle and</p><p>　　Research results show that, by K, T thermocouple temperature detection, through the PIC microcontroller tail AD transform function data through the CAN bus transport get

23、 exhaust temperature data and, eventually, to obtain the required data, to facilitate studies.Keywords: Temperature detection PIC16F877 The CAN bus</p><p><b>　　1緒論</b></p><p>　　1.

24、1研究背景及意義</p><p>　　如今汽車已逐步成為現(xiàn)代人們出行旅游的主要交通工具，然而在滿足人們出行方便的同時(shí)，汽車尾氣也已成為環(huán)境污染的重要源頭。汽車尾氣是由內(nèi)燃機(jī)中燃料燃燒排放出來的廢氣，雖然機(jī)車是靠燃料燃燒所產(chǎn)生的機(jī)械能來制動(dòng)的，但是燃料燃燒所產(chǎn)生的能量并不能完全轉(zhuǎn)換成汽車動(dòng)能，其余大部分將隨尾氣熱量排出于空氣中而未被利用，這部分未能被利用的能量，不僅會(huì)造成嚴(yán)重資源浪費(fèi)，同時(shí)廢氣直接排入空氣還會(huì)污染空

25、氣。同時(shí)，汽車內(nèi)部許多設(shè)備需要電能驅(qū)動(dòng)，而在現(xiàn)在許多車輛中整車的電能依然是靠汽車運(yùn)動(dòng)時(shí)的機(jī)械發(fā)電的，這樣又會(huì)造成機(jī)械能的損失。但是如果利用汽車尾氣的余熱來發(fā)電，將這部分熱量轉(zhuǎn)換成電能供汽車設(shè)備使用，這樣不僅能變廢為寶節(jié)省能源，同時(shí)還不會(huì)削減汽車的動(dòng)能，達(dá)到雙重收獲。同時(shí)也將會(huì)促進(jìn)整個(gè)汽車行業(yè)的發(fā)展，特別是石油價(jià)格日益加重的今天，也會(huì)給人們帶來良好的經(jīng)濟(jì)效益。</p><p>　　利用汽車尾氣余熱發(fā)電，首先必須對汽

26、車尾氣進(jìn)行溫度檢測。通過溫度檢測，來獲得相關(guān)數(shù)據(jù)，以此研究尾氣溫度與所產(chǎn)生電能大小之間的關(guān)系，從而為提高效率改進(jìn)裝置提供數(shù)據(jù)支持。</p><p>　　對汽車尾氣溫度的檢測，一般采用熱電偶溫度傳感器。如今，傳感器技術(shù)已十分成熟，比較常用的傳感器有熱電偶，熱敏電阻溫度傳感器，以及集成溫度傳感器中的三類：電壓輸出型集成電路溫度傳感器；電流輸出型集成電路溫度傳感器；數(shù)字輸出型集成溫度傳感器[1]。這些溫度傳感器的測量范

27、圍，測量精度都有所差異，一般在測量高溫物體時(shí)選用熱電偶溫度傳感器，而對一般溫度較低的物體則采用熱敏電阻溫度傳感器。</p><p>　　單片機(jī)的特點(diǎn)是體積較小，也就是其集成特性，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)是普通計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的簡化，增加一些外圍電路，就能夠組成一個(gè)完整的小系統(tǒng)，單片機(jī)具有很強(qiáng)的可擴(kuò)展性。它具有和普通計(jì)算機(jī)類似的、強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能，通過使用一些科學(xué)的算法，可以獲得很強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力。所以單片機(jī)在工業(yè)中應(yīng)用中，可以極大

28、地提高應(yīng)用設(shè)備的智能化、數(shù)據(jù)處理能力和處理效率，而且單片機(jī)無需占用很大的空間。</p><p>　　由于CAN總線數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咝阅?、高可靠性及?dú)特性，CAN總線數(shù)據(jù)傳輸也越來越受人們的重視。CAN總線屬于總線式串行通信網(wǎng)絡(luò)，由于其采用了許多新技術(shù)及獨(dú)特的設(shè)計(jì)，與一般的通信總線相比，CAN總線的通信具有突出的可靠性、及時(shí)性和靈活性[3]。</p><p>　　當(dāng)前，各國為提高能源利用率都在不

29、斷努力。尋找新能源，可替代能源，加深對能源的利用等方面都取得了一定成果。在全球汽車行業(yè)飛速發(fā)展的今天，隨著工業(yè)的發(fā)展需求，人們對這些能源的消耗越來越大。需求不斷加大，能源匱乏等問題也越來嚴(yán)重。一方面是能源的儲(chǔ)藏有限；另一方面在機(jī)器的運(yùn)行過程中，比如汽車的運(yùn)行過程中能量又不會(huì)完全利用。如何讓這些流失的能量加以利用或回收，以達(dá)到節(jié)約能源、提高能源利用率，解決能源匱乏問題有著相當(dāng)重大的意義。在一些發(fā)達(dá)國家，汽車燃料利用率也在不斷提高，美國，日

30、本，德國等一些發(fā)達(dá)國家都在不斷研究新領(lǐng)域，混合動(dòng)力汽車、新型柴油機(jī)車、可變排量機(jī)車等綠色汽車，這些在一定程度上不僅節(jié)省了燃料的使用，更大大提高了內(nèi)燃機(jī)的利用率，從而起到節(jié)約能源的良好效益。而我國汽車行業(yè)起步晚，一些技術(shù)還未成熟，在高效能汽車方面，一些國內(nèi)品牌如比亞迪，奇瑞等正大量投入研制使用輕能源，電動(dòng)汽車，以此來改善這一現(xiàn)狀。將汽車尾氣的熱能轉(zhuǎn)換成電能來供汽車運(yùn)行，不僅在很大程度上也節(jié)省了能源的利用，同時(shí)也對提高效率，改善環(huán)境等方面有

31、很好幫助，但此技術(shù)的使用未到成熟地步，利用率較低，加之成本高，還有待改進(jìn)。</p><p>　　汽車尾氣直接排放于空氣不僅會(huì)造成環(huán)境污染，也會(huì)造成巨大能源浪費(fèi)。由于尾氣排放于空氣中會(huì)帶走大量熱能，如果將這些熱能加以利用，不僅會(huì)減少能量損失，變廢為寶，又會(huì)減少環(huán)境污染，達(dá)到雙重收益。因此，通過汽車尾氣溫度檢測以提高熱電轉(zhuǎn)換效率從而帶來良好經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。</p><p>　　本文主要以溫

32、度檢測、AD轉(zhuǎn)換以及CAN總線數(shù)據(jù)傳輸三部分展開，對器件功能及各項(xiàng)指標(biāo)的了解，從而選擇合理的器件，以設(shè)計(jì)合理的硬件電路圖實(shí)現(xiàn)其基本功能。</p><p>　　1.2溫度檢測發(fā)展現(xiàn)狀</p><p>　　作為本實(shí)驗(yàn)的重要環(huán)節(jié)——溫度檢測，首先是對傳感器的選擇。如今新型溫度敏感元件，將溫度傳感器的發(fā)展推向新的高度。這類傳感器的輸出性能好、測量精度高，并且其傳感驅(qū)動(dòng)電路，信號處理電路等都能與溫度

33、傳感器部分集成在一起，因此也可稱為集成溫度傳感器；當(dāng)然在遠(yuǎn)距離溫度檢測方面，輻射式溫度傳感器代表著現(xiàn)在較高水平的測溫元件。</p><p>　　1.2.1集成溫度傳感器的分類</p><p>　　集成溫度傳感器主要分為三類：電壓輸出型集成電路溫度傳感器；電流輸出型集成電路溫度傳感器；數(shù)字輸出型集成溫度傳感器。</p><p>　　電壓輸出型集成溫度傳感器與緩沖放大器

34、集成在同一芯片上制成的測溫器件。因器件有放大器，固輸出電壓高，線性輸出為10mV/℃。另外，由于其具有輸出阻抗低的特性，故不適合長線傳輸。這類集成溫度傳感器特別適用于工業(yè)現(xiàn)場測量。</p><p>　　電流輸出型集成溫度傳感器是把線性集成電路和與之相容的薄膜工藝元件集成在一塊芯片上，再通過激光修版加工技術(shù)，制造出性能優(yōu)良的測溫傳感器。這種傳感器的輸出電流正比于熱力學(xué)溫度，即1uA/K；其次，因其輸出恒流，所以傳感

35、器具有高輸出阻抗，其值可達(dá)10M歐姆，這為遠(yuǎn)距離傳輸測溫提供一種新型器件。</p><p>　　數(shù)字輸出型集成溫度傳感器是將溫度檢測和A/D轉(zhuǎn)換等電路集成在同一芯片上，直接輸出數(shù)字量的溫度器件。這類傳感器有單總線式、雙總線式、三總線式等多種類型，并直接與單片機(jī)接口幾乎不需要外圍元件，使得硬件電路結(jié)構(gòu)簡單，抗干擾能力強(qiáng)，廣泛應(yīng)用于接點(diǎn)分布的測溫場合[4]。</p><p>　　1.2.2輻射

36、式溫度傳感器</p><p>　　輻射式溫度傳感器是利用物體的輻射能量隨溫度變化的原理制成的，它屬于非接觸式溫度傳感器的一種。其工作原理是：物體受熱激勵(lì)了原子中的電子，使電子運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能增加，有一部分能量以電磁波形式向空間輻射，它不需要任何物質(zhì)為介質(zhì)，輻射能量的多少與溫度、波長有關(guān)。當(dāng)溫度較低時(shí)，輻射能量的多少與溫度、波長相關(guān)。當(dāng)溫度較低時(shí)，輻射能力很弱；當(dāng)溫度升高時(shí)，輻射能力變強(qiáng)；當(dāng)溫度升高到一定數(shù)值后，用肉眼可

37、以看到發(fā)光，其發(fā)光亮度與溫度有一定關(guān)系。因此，輻射式溫度傳感器常用于檢測高溫、超高溫、運(yùn)動(dòng)物體或小體積的被測對象的溫度。</p><p>　　根據(jù)輻射測溫的方法的不同，有輻射式溫度傳感器組成的測溫系統(tǒng)有光學(xué)高溫計(jì)、輻射溫度計(jì)、比色溫度計(jì)三種類型。</p><p><b>　?。?）光學(xué)溫度計(jì)</b></p><p>　　光學(xué)溫度計(jì)是利用物體單色

38、輻射量度隨溫度變化的原理，并以被測物體光譜的一個(gè)狹窄區(qū)域內(nèi)的亮度與標(biāo)準(zhǔn)輻射物體的亮度進(jìn)行比較，從而確定被測物體的溫度。由于實(shí)際物體比絕對黑體的單色輻射發(fā)射系數(shù)小，因而實(shí)際物體的單色亮度小于絕對黑體的單色亮度，故光學(xué)高溫計(jì)測得的溫度低于被測物體的實(shí)際溫度。所測得的溫度稱為亮度溫度。</p><p>　　光學(xué)高溫計(jì)主要由光學(xué)系統(tǒng)和電測系統(tǒng)兩部分組成，其工作過程是：將被測物體與標(biāo)準(zhǔn)光源的輻射經(jīng)調(diào)制后射向光敏元件，當(dāng)兩束

39、光的亮度不同時(shí)，光敏元件產(chǎn)生輸出信號，經(jīng)放大后驅(qū)動(dòng)與標(biāo)準(zhǔn)光源相串聯(lián)的電位器滑動(dòng)端向相應(yīng)的方向移動(dòng)，以調(diào)節(jié)標(biāo)準(zhǔn)光源的回路電流，從而改變他的發(fā)光亮度；當(dāng)兩束光的亮度相同時(shí)，光敏元件沒有信號輸出，這是電位器的電阻及代表被測溫度。這種傳感器的量程較大，具有較高的側(cè)來那個(gè)精度，一般用于測量溫度在700℃～3200℃的燒鑄、軋鋼、鍛壓和熱處理等場合的溫度。</p><p><b>　?。?）輻射溫度計(jì)</b&

40、gt;</p><p>　　輻射溫度計(jì)也叫電熱推，是利用被測物體在全光譜范圍內(nèi)總輻射能量與溫度之間的關(guān)系來確定被測物體的溫度。黑體的熱輻射與溫度之間的關(guān)系如下：</p><p><b>　　（1-1）</b></p><p>　　式中，E0為黑體全輻射能量；為斯慶潘-波爾茲曼常數(shù)， =5.67*10-8W/(m2*k4)；</p>

41、<p>　　為被測溫度。實(shí)際被測物體全輻射能量E與同一溫度T下黑體全輻射能量E0是不同的。</p><p><b>　?。?）比色溫度計(jì)</b></p><p>　　比色溫度計(jì)是以測量兩種波長的輻射量度之比與被測溫度之間的關(guān)系為基礎(chǔ)，故此稱這種測溫方法為“閉塞測溫法”。如果被測物體輻射的兩種波長（和）對應(yīng)的亮度之比值相等，則黑體的溫度稱為比色溫度，它與被測

42、物體之間的真實(shí)溫度T之間的關(guān)系為：</p><p><b>　?。?-2）</b></p><p>　　式中，為對應(yīng)于波長為的單色輻射發(fā)射因數(shù)；為對應(yīng)于波長為的單色輻射發(fā)射因數(shù)；C2為第二輻射常數(shù)，=1.44*104um*K。</p><p>　　由式可以看出，當(dāng)兩種波長的單色輻射發(fā)射因數(shù)相同時(shí)，被測物體的真是溫度T一定與比色溫度Tp相同。一般

43、被測物體的發(fā)射因數(shù)不隨波長而變，因此他們的比色溫度等于真實(shí)溫度。對被測輻射物體兩種波長按工作條件和需要選擇，通常對應(yīng)為藍(lán)色，對應(yīng)于紅色。對于很多金屬，由于單色輻射發(fā)射因數(shù)隨波長的增加而減少，故比色溫度稍高于真是溫度[5]。</p><p>　　1.3 本文主要研究內(nèi)容</p><p>　　汽車尾氣余熱發(fā)電系統(tǒng)模塊的溫度檢測，需要有溫度檢測部分，AD轉(zhuǎn)換部分以及數(shù)據(jù)傳輸部分，以實(shí)現(xiàn)溫度的檢測

44、和數(shù)據(jù)的獲取。</p><p>　　通過對熱電偶的基本原理，功能的介紹，并對幾種熱電偶的工作的指標(biāo)的分析比較，選擇適于本設(shè)計(jì)要求的熱電偶以實(shí)現(xiàn)溫度采集。在溫度檢測中，熱電偶在本設(shè)計(jì)中占有重要地位，不僅僅是檢測溫度的一種基本器件，同時(shí)其發(fā)展現(xiàn)狀也對溫度檢測帶來重要影響。</p><p>　　主要講述對本設(shè)計(jì)做出設(shè)計(jì)方案的器件選型，包括溫度傳感器、溫度變送器、運(yùn)算放大器、PIC單片機(jī)以及數(shù)據(jù)傳

45、輸總線的選型，本章通過對各類器件的主要功能及其基本原理以及器件在本設(shè)計(jì)中的作用的介紹，選擇適于本設(shè)計(jì)的器件，以更好實(shí)現(xiàn)其基本功能，為本設(shè)計(jì)的順利完成提供有力保障。</p><p>　　基于對各個(gè)器件已選擇好的基礎(chǔ)上，進(jìn)行硬件電路設(shè)計(jì)，包括電源部分、溫度測量部分、PIC單片機(jī)部分以及數(shù)據(jù)傳輸部分，通過對各部分硬件設(shè)計(jì)以實(shí)現(xiàn)其基本功能，完成本設(shè)計(jì)。</p><p>　　將CAN總線數(shù)據(jù)傳輸單獨(dú)

46、成為一章，對CAN總線數(shù)據(jù)傳輸做較為深入介紹，不僅是任務(wù)要求，同時(shí)也是本設(shè)計(jì)獨(dú)特的一點(diǎn)，選用CAN總線數(shù)據(jù)傳輸具有很好的可操作性，并且在整體上也與其他系統(tǒng)相結(jié)合，共同組成CAN總線控制系統(tǒng)。</p><p>　　本設(shè)計(jì)的主要技術(shù)參數(shù)為：尾氣的溫度范圍：≤700℃；模塊溫度范圍：≤350℃；精度誤差小于0.5℃。</p><p>　　2溫度傳感器比較與選擇</p><p&

47、gt;　　2.1溫度傳感器概述</p><p>　　溫度傳感器的種類和特點(diǎn)：測量溫度的方法大致分為為接觸式和非接觸式兩種。因此，溫度傳感器也分為接觸式和非接觸式兩種傳感器。接觸式傳感器是將測溫敏感元件直接與被測介質(zhì)接觸，使被測介質(zhì)與測溫敏感元件進(jìn)行充分熱交換，當(dāng)兩者具有相同溫度時(shí)達(dá)到測量的目的。這種傳感器的測量精度較高，但由于被測介質(zhì)的熱量傳遞給傳感器，從而降低了被測介質(zhì)的溫度，特別是被測介質(zhì)熱容量較小時(shí)，會(huì)給測

48、量帶來誤差。非接觸式溫度傳感器是利用物質(zhì)的熱輻射原理工作，測溫敏感元件部不與被測介質(zhì)直接接觸，是利用物體的溫度與總輻射出射度全光譜范圍的積分輻射能量的關(guān)系來測量溫度的。這種傳感器的制造成本較高，測溫精度卻較低，但不存在測溫敏感元件與被測介質(zhì)接觸之間的熱交換現(xiàn)象。</p><p>　　通過對接觸式與非接觸式傳感器的理解，對于在汽車尾氣流過模塊時(shí)，會(huì)隨流經(jīng)的距離溫度發(fā)生變化，且在剛流進(jìn)模塊的溫度高，隨后降低，因此對汽

49、車尾氣的溫度測量選擇接觸式，分段來測量尾氣溫度。</p><p>　　2.2熱電偶溫度傳感器</p><p>　　溫差熱電偶是目前溫度測量中使用最普遍的傳感器之一。它除具有結(jié)構(gòu)簡單、測量范圍寬、準(zhǔn)確度高、熱慣性小、輸出信號為電信號便于遠(yuǎn)傳或信號轉(zhuǎn)換等優(yōu)點(diǎn)外，還能有來測量流體、固體及固體壁面“點(diǎn)”的溫度。微型熱電偶還用于快速及動(dòng)態(tài)溫度的測量。</p><p>　　2.

50、2.1熱電偶的工作原理</p><p>　　熱電偶溫度傳感器工作原理建立在導(dǎo)體的熱點(diǎn)效應(yīng)上。兩種不同性質(zhì)的導(dǎo)體（或半導(dǎo)體）可組合成如圖2-1所示的閉合回路，若兩種導(dǎo)體A和B的連接點(diǎn)上點(diǎn)溫度不同（設(shè)T>T0），則在此閉合回路中就有電流產(chǎn)生，有就是說回路中有電動(dòng)勢存在，我們把這種現(xiàn)象叫為熱電效應(yīng)。</p><p>　　T0 A +

51、 T - B </p><p>　　A B</p><p>　　T </p><p>　　圖2-1 熱電偶原理圖 圖2-2 接觸電動(dòng)勢原理圖</p><p><b>　　（1）接觸電動(dòng)

52、勢</b></p><p>　　由于兩種導(dǎo)體（或半導(dǎo)體）材料不同，當(dāng)他們互相接觸時(shí)，由于其內(nèi)部電子密度（單位體積中自由電子數(shù)）不同，設(shè)導(dǎo)體A的電子密度大于B的電子密度，則就會(huì)有一些電子從導(dǎo)體A擴(kuò)散到導(dǎo)體B，如圖2-2所示。此時(shí)，導(dǎo)體A因失去電子而帶正電，導(dǎo)體B因得到電子而帶負(fù)電，于是在接觸處形成電位差，稱為接觸電動(dòng)勢。該電動(dòng)勢的大小主要取決于接觸處的溫度和A、B導(dǎo)體材料的性質(zhì)。根據(jù)物理學(xué)有關(guān)理論推導(dǎo)，

53、接觸電動(dòng)勢可用如下式表示：</p><p>　　= - （2-1）</p><p>　　式中為導(dǎo)體A、B的接觸點(diǎn)在溫度T的形成的接觸電動(dòng)勢；e 為電子電荷量，e=1.6*10-19C；k 為波爾茲曼常數(shù)，k=1.38*10-23J/K； NAT 、 NBT為導(dǎo)體A、B在接觸處溫度為T時(shí)的電子密度。</p><p>&

54、lt;b>　　（2）溫差電動(dòng)式</b></p><p>　　溫差電動(dòng)勢是由于單一導(dǎo)體兩端溫度不同而產(chǎn)生的一種熱電動(dòng)勢，如圖2-3所示。由于導(dǎo)體兩端溫度不同，假設(shè)一段溫度為T，另一端溫度為T0 ，且T>T0，則兩端電子能量也不同，即溫度越高，電子能量就越大，能量較大的一端電子必定會(huì)向能量較小一端擴(kuò)散，這樣就會(huì)形成一個(gè)由高溫向低溫的溫差電動(dòng)勢。該電動(dòng)勢的形成又會(huì)阻止電子繼續(xù)向低溫?cái)U(kuò)散，最后達(dá)到

55、平衡。溫差電動(dòng)勢的大小可用下式表示：</p><p>　　= （2-2）</p><p>　　式中，為導(dǎo)體A兩端溫度分別為T和T0時(shí)形成的溫差電動(dòng)勢；T 、T0為高低溫的絕對溫度；為湯姆遜系數(shù)。</p><p>　　T0 eAB(T0)</p><p>　　Ea(T，T0) eA（T

56、，T0） A B eB(TT0)</p><p><b>　　Eab（T）</b></p><p>　　圖2-3 溫差電動(dòng)勢原理圖 圖2-4 熱電偶回路電動(dòng)勢分布圖</p><p>　　圖2-4所示為由不同導(dǎo)體材料A、B組成的閉合回路，其節(jié)點(diǎn)兩端溫度分別為T、T0，如果T>T0，則必存在兩接觸電

57、動(dòng)勢,、和兩個(gè)溫差電動(dòng)，于是，回路總電動(dòng)勢可由下式表示： </p><p><b>　?。?-3）</b></p><p>　　式中，為由導(dǎo)體A、B的熱電偶在接觸點(diǎn)溫度為T和T0時(shí)的電動(dòng)勢； ,為導(dǎo)體A在接觸點(diǎn)溫度為T和T0時(shí)的電子密度；、為導(dǎo)體B在接觸點(diǎn)溫度為T和T0時(shí)的電子密度；、為導(dǎo)體A和B的湯姆遜系數(shù)。</p><p>　　如果參考溫

58、度恒定不變，即（常數(shù)），則回路熱電動(dòng)勢就只與溫度T有關(guān)，而且是T的單值函數(shù)，即：</p><p><b>　?。?-4）</b></p><p>　　熱電偶的溫度與熱電動(dòng)勢間的函數(shù)關(guān)系可以用函數(shù)形式，也可以用表格形式。通常把溫度較高的一段叫熱端，把溫度較低的一段腳冷端。</p><p>　　應(yīng)該指出，在實(shí)際測量中不可能也沒有必要單獨(dú)測量溫差電動(dòng)

59、勢和接觸電動(dòng)勢，而只需用儀表測出回路中總電動(dòng)勢即可。由于溫差電動(dòng)勢與接觸電動(dòng)勢相比較，其值很小，因此，在工程技術(shù)中認(rèn)為熱電動(dòng)勢近似等于接觸電動(dòng)勢。</p><p>　　2.2.3熱電偶的常用材料與結(jié)構(gòu)</p><p>　　熱電偶的材料應(yīng)滿足：（1）物料性能穩(wěn)定，熱點(diǎn)特性不隨時(shí)間改變；（2）化學(xué)性能穩(wěn)定，以保證在不同介質(zhì)中測量是不被腐蝕；（3）熱電動(dòng)勢盡可能高，電導(dǎo)率高，且本身的電阻溫度系數(shù)

60、要??；（4）便于制造；（5）復(fù)現(xiàn)性好，便于成批生產(chǎn)。</p><p>　　熱電偶的常用材料：鉑-鉑鐒10熱電偶（分度號為S），測量溫度為長期使用可到1300℃，短期可到1600℃；鎳鎘-鎳硅熱電偶（分度號為B），測量溫度為長期可到1000℃，短期可到1300℃；鎳鎘-考銅熱電偶（分度號為E），測量溫度為長期可到600℃，短期可到800℃；鉑銠30-鉑銠6熱電偶（分度號為B），測量溫度為為長期可達(dá)1600℃，短期可

61、達(dá)1800℃[1]。</p><p>　　2.2.4冷端溫度及處理</p><p>　　由熱電偶的工作原理可知，熱電偶熱電動(dòng)勢的大小不僅與測量端溫度有關(guān)，而且還與冷端的溫度有關(guān)，是測量端溫度T和冷端溫度T0函數(shù)。為了保證熱電偶輸出熱電動(dòng)勢是被測溫度的單值函數(shù)，就必須使熱電偶的一個(gè)接點(diǎn)的溫度保持恒定，而且使用的熱電偶分度表中的熱電動(dòng)勢值都是在冷端溫度為0℃時(shí)給出的，因此如果熱電偶的冷端溫度不

62、是0℃，而是其他某一數(shù)值，那么即使測得了熱電動(dòng)勢的值，仍不能直接查找分度表，急不可能得到測量端的準(zhǔn)確溫度，會(huì)產(chǎn)生測量誤差。但熱電偶在工業(yè)使用時(shí)，要使冷端的溫度保持為0℃是比較困難的，通常采用如下溫度補(bǔ)償方法。</p><p>　?。?）冰點(diǎn)槽法：冰點(diǎn)槽法是在科學(xué)實(shí)驗(yàn)室中使用的一種方法。為了測量準(zhǔn)確，可以把熱電偶偶的參比端置于冰水混合物的容器里，保證使T0=0℃。這種辦法最為妥善，然而不夠方便，所以僅限于科學(xué)實(shí)驗(yàn)使

63、用。為了避免冰水導(dǎo)電引起這兩個(gè)溫度短短路，必須把接點(diǎn)分別置于兩個(gè)玻璃試管里。浸入同一病槽，是相互絕緣.</p><p>　?。?）計(jì)算修正法：在實(shí)際使用中，熱電偶的冷端溫度保持在0℃比較困難，但將保持在某一恒定溫度還是可以做到的。此時(shí)，可以采用冷端溫度計(jì)算修正法實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償。根據(jù)熱電偶中間溫度定律，可得熱電動(dòng)勢上網(wǎng)計(jì)算修正公式：</p><p><b>　?。?-5）</b&g

64、t;</p><p>　　式中 為熱電偶實(shí)際測得的熱電動(dòng)勢； 為根據(jù)熱電偶冷端溫度TH從分度表中查的的熱電動(dòng)勢；為熱電偶在被測點(diǎn)的溫度T，冷端溫度為0℃時(shí)的熱電動(dòng)勢。</p><p>　　（3）補(bǔ)正系數(shù)法：補(bǔ)正系數(shù)法也是一種計(jì)算修正法，它是把熱電偶冷端的實(shí)際溫度TH乘以一個(gè)因數(shù)k（稱為補(bǔ)正因數(shù)），加到由熱電動(dòng)勢查分度表所得的溫度上，得到的被測溫度T。用公式表示為：</p>&

65、lt;p><b>　　(2-6)</b></p><p>　　式中 為未知的被測溫度；為冷端在室溫條件下測得的熱電偶電動(dòng)勢與其分度表上對應(yīng)的某個(gè)溫度；為室溫；為補(bǔ)正因數(shù)，不同熱電偶或同一熱電偶不同值查表所對應(yīng)的溫度補(bǔ)正因數(shù)k均不一樣[1]。</p><p>　　對于冷端溫度補(bǔ)償方法還有零點(diǎn)遷移法，冷端補(bǔ)償器法，以及軟件處理法。</p><p&

66、gt;　　2.3溫度傳感器的選擇</p><p>　　通過以上對溫度傳感器類型的分析比較，溫度傳感器大致可分為熱電偶溫度傳感器和熱敏電阻溫度傳感器兩類。</p><p>　　熱電阻溫度傳感器除具有結(jié)構(gòu)簡單、測量范圍寬、準(zhǔn)確度高、熱慣性小、輸出信號為電信號便于遠(yuǎn)傳或信號轉(zhuǎn)換等優(yōu)點(diǎn)外，還能有來測量流體、固體及固體壁面“點(diǎn)”的溫度。微型熱電偶還用于快速及動(dòng)態(tài)溫度的測量。但是，由于測量范圍寬，其測

67、量精度低，在本示例中，因?yàn)橐缶雀卟槐悴捎?。而熱敏電阻溫度傳感器，溫度系?shù)的范圍甚寬，熱敏電阻除有正、負(fù)溫度系數(shù)外，還有在某一特定溫度區(qū)域內(nèi)阻值突變的熱敏電阻元件，可控選擇使用。電阻溫度系數(shù)的絕對值，比金屬熱電偶大10～100倍左右。材料加工容易、性能好，同時(shí)精度高固在本示例采用熱敏電阻溫度傳感器。</p><p>　?。?）K型熱電偶：K型熱電偶作為一種溫度傳感器，可以直接測量各種生產(chǎn)中從0℃到1300℃范圍

68、的液體蒸汽和氣體介質(zhì)以及固體的表面溫度。 K型熱電偶通常由感溫元件、安裝固定裝置和接線盒等主要部件組成。 </p><p>　　鎧裝K型熱電偶，測溫范圍：800℃；精度：±7.5‰|T|；探頭長度：3cm</p><p>　　探頭直徑：4mm；螺紋直徑：6mm 。K型熱電偶具有線性度好，熱電動(dòng)勢較大，靈敏度高，穩(wěn)定性和均勻性較好，抗氧化性能強(qiáng)，價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，能用于氧化性惰性氣氛

69、中。 </p><p>　　由于汽車尾氣的溫度一般可達(dá)800℃，在這里，選用K型熱電偶。</p><p>　　T型熱電偶，又稱銅-康銅熱電偶，是一種最佳的測量低溫的廉金屬的熱電偶。它的正極（TP）是純銅，負(fù)極（TN）為銅鎳合金，常之為康銅，它與鎳鉻-康銅的康銅EN通用，與鐵-康銅的康銅JN不能通用，盡管它們都叫康銅，銅-銅鎳熱電偶的測量溫區(qū)為-200～350℃[4]。T型熱電偶具有線性度好

70、，熱電動(dòng)勢較大，靈敏度較高，穩(wěn)定性和均勻性較好，價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn),特別在-200～0℃溫區(qū)內(nèi)使用，穩(wěn)定性更好，年穩(wěn)定性可小于±3μV，經(jīng)低溫檢定可作為二等標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行低溫量值傳遞。 T型熱電偶的正極銅在高溫下抗氧化性能差，故使用溫度上限受到限制。</p><p>　　在汽車尾氣流經(jīng)的特定模塊的熱端溫度可達(dá)到350℃，因此選用T型熱電偶。</p><p><b>　　3測量方案

71、設(shè)計(jì)</b></p><p><b>　　3.1整體方案設(shè)計(jì)</b></p><p>　　對于汽車尾氣溫度檢測，總要是三大部分：溫度的檢測、AD轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)傳輸。溫度檢測部分通過傳感器采集溫度，通過變送器將信號轉(zhuǎn)換成能夠測量的模擬量；再通過單片機(jī)的AD轉(zhuǎn)換功能將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)量，以方便CAN總線傳輸。</p><p>　　圖3-1

72、整體方案流程</p><p>　　如圖3-1所示：傳感器，將溫度等物理量轉(zhuǎn)換成電壓信號；變送器，將傳感器的信號轉(zhuǎn)換成可測量的電流信號；信號調(diào)理前端，位于AD模數(shù)轉(zhuǎn)換部分之前，故稱“前端”，主要作用是對傳感器傳過來的信號進(jìn)行阻抗增強(qiáng)、放大等調(diào)理處理，這樣更有利于AD轉(zhuǎn)換的正確性；AD模數(shù)轉(zhuǎn)換部分，用ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片來實(shí)現(xiàn)，起到模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號的作用，從而傳到數(shù)字化的PIC控制核心。</p>&

73、lt;p>　　3.2溫度傳感器選型</p><p>　　通過以上分析，選用K型熱電偶與T型熱電偶。如此可完成對汽車尾氣的檢測和溫度模塊的檢測，實(shí)現(xiàn)本實(shí)例的基本要求做到很好的指標(biāo)要求，對本設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)測量帶來較好的作用。</p><p>　　3.3溫度變送器的選型</p><p>　　溫度變送器是將熱電阻或熱電阻的信號放大，并轉(zhuǎn)換成4～20mA或0～10mA的輸出

74、電流，或0～5V的輸出電壓，以獲得容易檢測的模擬量。</p><p>　　在本設(shè)計(jì)中，模塊的溫度在0～350℃之間,尾氣溫度≤700℃。因此在檢測模塊溫度時(shí)，選用隔離式溫度變送器HWP40-1TC T型溫度變送器，其基本參數(shù)：輸出信號，4～20mA；量程，0～350℃(T型)；精度，2‰FS；且輸入、電源、輸出三相隔離。在檢測尾氣溫度時(shí)選用隔離式溫度變送器HWP40-1TC K型溫度變送器，其基本參數(shù)：輸出信號，

75、4～20mA；量程，0～700℃(K型)；精度，2‰FS；且輸入、電源、輸出三相隔離[5]。</p><p>　　3.4運(yùn)算放大器的選型</p><p>　　運(yùn)算放大器，簡稱運(yùn)放。對于運(yùn)放的選擇，我們一般考慮運(yùn)放的帶寬，供電范圍、輸入阻抗，輸出驅(qū)動(dòng)能力、溫漂等方面。</p><p>　　鑒于本實(shí)例應(yīng)用中，溫度傳感器產(chǎn)生的信號是低頻信號，且信號電壓范圍不廣，所以，在此

76、選用的運(yùn)放型號：OP07。</p><p>　　OP07的性能簡介如下，寬電壓輸入范圍：14V；寬供電范圍：3V～18V；多種工作溫度范圍；從民用到軍工級。引腳兼容：725、108A/308A、741、AD510[7]。</p><p>　　3.5 PIC單片機(jī)型號的選型</p><p>　　常用的PIC單片機(jī)有PIC10、PIC12、PIC16和PIC18系列。根

77、據(jù)本實(shí)例測溫、控制的要求，做到性能夠用而不浪費(fèi)，我們選擇PIC16F877作為主控單片機(jī)。</p><p>　　PIC16F877性能簡介如下：高性能、RISC（精簡指令集）CPU；40個(gè)引腳；8位；僅有35個(gè)單字指令；可編程的Flash存儲(chǔ)器高達(dá)8K*14字節(jié)；數(shù)據(jù)RAM高達(dá)368*8字節(jié)；多達(dá)14個(gè)中斷源；可編程的密碼保護(hù)；低功耗、高速度的CMOS FLASH/EEPROM；僅用2個(gè)引腳就能實(shí)現(xiàn)的片上調(diào)試；寬

78、供電范圍，2.0V～5.5V。</p><p>　　一．PIC16F87X單片機(jī)的核心模塊</p><p>　?。?）運(yùn)算器（ALU）和工作寄存器（Wreg）：運(yùn)算器（ALU）是一個(gè)通用算術(shù)。邏輯運(yùn)算單元，使用它可以對工作寄存器和任何寄存器中的兩個(gè)數(shù)進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算（如加、減、乘、除）和邏輯運(yùn)算（如與、或、異或等）。PIC16F87X是8位單片機(jī)，ALU的字長為8位。</p>&

79、lt;p>　?。?）程序存儲(chǔ)器：在單片機(jī)內(nèi)存放程序指令的存儲(chǔ)器稱為程序存儲(chǔ)器。PIC16F87X的所有指令字長為14位，所以程序存儲(chǔ)器的各存儲(chǔ)單元是14位寬。一個(gè)存儲(chǔ)單元存放一條指令。PIC16F87X的程序存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)容量為2KB～8KB不等，這些程序存儲(chǔ)器是由膳宿存儲(chǔ)器構(gòu)成的，程序存儲(chǔ)器有程序計(jì)數(shù)器PC尋址。PIC16F87X的程序計(jì)數(shù)器為13位寬，可尋址為13位寬，可尋址為8KB的程序存儲(chǔ)單元。</p><

80、;p>　　（3）狀態(tài)存儲(chǔ)器：狀態(tài)存儲(chǔ)器又稱標(biāo)志寄存器，用來反映某一邏輯運(yùn)算或操作結(jié)果的特征，例如是否產(chǎn)生近位或錯(cuò)位，以及結(jié)果是否為0等，他常用來配合跳轉(zhuǎn)指令來使用。</p><p>　?。?）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器：數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器包括通用存儲(chǔ)器和特俗功能寄存器兩種，用于存儲(chǔ)CPU運(yùn)算過程中產(chǎn)生的中間數(shù)據(jù)，既可以讀出也可以寫入，除此之外，PIC單片機(jī)還可以提供了功能靈活的各種面向位的操作方法，可直接對數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行進(jìn)位測試、

81、置位、位移等。</p><p>　?。?）間接尋址寄存器INDF和FSR：間接尋址寄存器INDF和FSR位于PIC數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的頂端，地址00單元單元的間接尋址寄存器INDF是一個(gè)空的寄存器，它只有地址碼，在物理上不是一個(gè)真正的寄存器。它的功能常常與寄存器FSR配合工作，實(shí)現(xiàn)間接尋址的目的。</p><p>　　除此以外，還有上電延時(shí)，起振延時(shí)、上電復(fù)位、看門狗、欠壓復(fù)位、低壓編程等附加電路

82、，他們主要起到電路保護(hù)、方便調(diào)試、優(yōu)化運(yùn)行等作用，以提高運(yùn)行的可靠性可可操作性[6]。</p><p>　　根據(jù)本實(shí)例測溫、控制的要求，做到性能夠用而不浪費(fèi)，我們選用PIC16F877作為主控單片機(jī)。</p><p>　　PIC16F877性能如下：高性能、RISC CPU；40個(gè)引腳；8位；僅有35個(gè)單子指令；可編程的Flash存儲(chǔ)器高達(dá)8K14字節(jié)；數(shù)據(jù)RAM高達(dá)3688字節(jié)；EEPR

83、OM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器高達(dá)256K8字節(jié)；多達(dá)14個(gè)中斷源；可編程的密碼保護(hù)；低功耗、高速度的CMOS FLASH/EEPROM；僅用2個(gè)引腳就能實(shí)現(xiàn)片上調(diào)試；寬供電范圍：2.0V～5.5V。</p><p>　　二．PIC16F877的引腳功能圖</p><p>　　圖3-2 PIC16F877/874PDIP封裝</p><p>　　根據(jù)引腳功能的不同可將引腳分為以下幾

84、類：</p><p>　　(1)供電引腳：PIC單片機(jī)的工作電壓為2.0V～5.5V，VDD接電源“+”端，VSS接電源“—”端，芯片上一般有兩個(gè)VDD和VSS引腳。</p><p>　　(2)振蕩器輸入/輸出引腳：PIC單片機(jī)可采用3種不同的振蕩器方式。第一，采用晶振或陶瓷諧振器，將一晶振或陶瓷諧振器連接到單片機(jī)的OSC1/CLKIN和OSC2/CLKIN引腳上，以建立振蕩；第二，除了外

85、部振蕩信號從OSC1端輸入，OSC2端開路；第三，還可以使用RC振蕩器，該振蕩器適合對時(shí)間精度要求不高的應(yīng)用。</p><p>　　(3)硬件復(fù)位引腳:PIC單片機(jī)除了可以實(shí)現(xiàn)軟件復(fù)位之外，還可以通過MCLR引腳接收外部電路的復(fù)位信號，產(chǎn)生硬件的復(fù)位，此外，在編程時(shí)，還可以用編程電壓輸入端[7]。</p><p>　　3.6 ADC的選型</p><p>　　ADC

86、模數(shù)轉(zhuǎn)換器，可以選用單片機(jī)內(nèi)置的，也可以使用外接的ADC器件。在上一小節(jié)中，我們選定PIC16F877作為主控單片機(jī)，所以，可以方便使用PIC16F877上自帶的AD轉(zhuǎn)換通道來實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換，從而節(jié)省了外接ADC器件，達(dá)到節(jié)約成本的目的。</p><p>　　PIC16F877中ADC模塊的性能如下：10位分辨率；多通道（28個(gè)引腳的PIC16F877有5個(gè)AD輸入，而40個(gè)引腳的有8個(gè)AD輸入通道）；單片機(jī)處于休

87、眠狀態(tài)時(shí)，ADC模塊也可以運(yùn)行。</p><p>　　模擬輸入采集是任何十字系統(tǒng)必不可少的組成部分，是對模擬信號進(jìn)行數(shù)字信號處理的第一步，其采集精度直接影響到系統(tǒng)精度。本例采用PIC16F877單片機(jī)的ADC模塊對輸入的模擬信號試試采樣后，對采集到的電壓進(jìn)行判斷，并轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號傳遞。</p><p>　　ADC模塊的相關(guān)的有關(guān)寄存器介紹：ADC模塊專用的有4個(gè)完整的寄存器：ADC結(jié)果高字

88、節(jié)寄存器ADRESH；ADC結(jié)果低字節(jié)寄存器ADRESL；0號ADC控制寄存器ADCON0；1號ADC控制寄存器ADCON1。</p><p><b>　　表1 ADCON0</b></p><p>　　ADC控制寄存器為ADCON0，ADCON0的各位如上表所示。用于控制ADC的操作，是一個(gè)7bit可讀/寫的寄存器。各位的含義如下：</p><p

89、>　　ADCS1～ADCS0，A/D轉(zhuǎn)換時(shí)鐘及其頻率選擇位：00=選擇系統(tǒng)時(shí)鐘，頻率位fosc/2；01=選擇系統(tǒng)時(shí)鐘，頻率位fosc/8；10=選擇系統(tǒng)時(shí)鐘，頻率位fosc/32；11=選擇自帶阻容（RC）振蕩器，頻率fRC.</p><p>　　CHS2～CHS0，A/D轉(zhuǎn)換模擬通道選擇位：000=選擇通道0，RA0/AN0；001=選擇通道1，RA1/AN1；010=選擇通道2，RA2/AN2；011

90、=選擇通道3，RA3/AN3；100=選擇通道4，RA4/AN4；101=選擇通道5，RA5/AN5；011=選擇通道6，RA6/AN6；111=選擇通道7，RA7/AN7。選擇公共通道與哪一個(gè)模擬輸入段接通。其中AN5～AN7通道只有40腳封裝的型號才具備。</p><p>　　GO/DONE：A/D轉(zhuǎn)換啟動(dòng)控制位兼做狀態(tài)位。在ADCON1=1的前提下：1=啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換過程或表明A/D轉(zhuǎn)換正在進(jìn)行；0=A/D

91、轉(zhuǎn)換已經(jīng)完成（自動(dòng)清0）或表示未進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。</p><p>　　ADON：A/D轉(zhuǎn)換器開關(guān)位：1=啟用ADC，令其進(jìn)入工作狀態(tài)；0=關(guān)閉ADC，令其退出工作狀態(tài)，可以不消耗電流。</p><p>　　表2 ADCON1</p><p>　　ADC控制寄存器1為ADCON1，ADCON1的各位如表2所示。ADCON1主要用于控制相關(guān)引腳的功能選擇，對于RA和R

92、E端口的各條引腳進(jìn)行設(shè)置，它們可以被設(shè)置成模擬輸入、參考電壓輸入或通用數(shù)字I/O引腳。只有ADCON1寄存器的最高位和低4位是可以讀/寫的。</p><p>　　PCFG3～PCFG0：A/D轉(zhuǎn)換引腳功能選擇位，其含義解釋如表4所示。舉一個(gè)簡單例子，當(dāng)PCFG3～PCFG0=1100,RE2～RE0定義為通用數(shù)字I/O引腳，RA5、RA1和RA0定義為模擬通道AN4、AN1和AN0，RA3引腳定義為外接正參考電壓

93、VREF+，RA2引腳定義為外接負(fù)載參考電壓VREF_。</p><p>　　ADC結(jié)果寄存器高位ADRESH：當(dāng)ADMF=0時(shí)，用于存放A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果的高8位；當(dāng)ADMF=1時(shí)，用于存放A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果的高2位；ADC結(jié)果寄存器低位ADRESL：當(dāng)ADMF=0時(shí)，用于存放A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果的低8位；當(dāng)ADMF=1時(shí)，用于存放A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果的低2位。如果需要A/D中斷功能，則開放相應(yīng)的中斷使能位。</p>

94、<p>　　對于ADC模塊中斷標(biāo)志位ADIF清0；對于ADC模塊中斷使能位ADIF置1；對于外設(shè)模塊中斷使能PEIE置1；對于全局中斷使能GIE置1.</p><p>　　將控制位兼狀態(tài)位GO/DONE位置1，啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換過程，等待A/D轉(zhuǎn)換完成，可以通過以下兩方式來判斷：軟件循環(huán)查詢狀態(tài)位兼控制位GO/DONE是否被硬件自動(dòng)清0；中斷標(biāo)志位ADIF是否被硬件自動(dòng)置。讀取A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果寄存器ADRE

95、SG：ADRESL，如果需要，對ADIF清0；如果需要一次A/D轉(zhuǎn)換，根據(jù)實(shí)際需要重新從第一步或第二步開始。</p><p>　　TIMER1的16位計(jì)數(shù)器放在TMR1H、TMR1L兩個(gè)寄存器中；他們可以被讀取或?qū)懭胗?jì)數(shù)值。寫入計(jì)數(shù)值時(shí)，可以改變計(jì)數(shù)范圍，從而改變中斷信號發(fā)生的頻率[6]。</p><p>　　3.7數(shù)據(jù)傳輸總線選擇</p><p>　　在對數(shù)據(jù)傳輸

96、中，雖然有多種傳輸方式，但是由于CAN總線其高性能、高可靠性及獨(dú)特的設(shè)計(jì)，更容易在本示例中應(yīng)用。CAN屬于總線式串行通信網(wǎng)絡(luò)，由于其采用了許多新技術(shù)及獨(dú)特的設(shè)計(jì)，與一般的通信總線相比，CAN總線的通信具有突出的可靠性、及時(shí)性和靈活性[8]。</p><p><b>　　4硬件電路設(shè)計(jì)</b></p><p><b>　　4.1電源部分</b>&l

97、t;/p><p>　　本例的電源電路如圖所示.電源1通過端口輸出的24V直流電源，再通過DC2412轉(zhuǎn)換直流+12V的輸出電源供運(yùn)放使用。</p><p><b>　　圖4-1 電源1</b></p><p>　　電源2通過LM2576將+12V 電源轉(zhuǎn)換成+5，再通過穩(wěn)壓整流后得到穩(wěn)定電壓以供單片機(jī)電源輸入。</p><p&g

98、t;<b>　　圖4-2 電源2</b></p><p>　　電源3 將+12V電源通過DC1205轉(zhuǎn)換成+5V電源，供CAN總線使用,同時(shí)5W的輸出功率符合CAN總線傳輸中單片機(jī)的使用。</p><p><b>　　圖4-3 電源3</b></p><p>　　4.2溫度測量部分硬件電路設(shè)計(jì)</p><

99、;p>　　溫度傳感器與溫度變送器的電路連接模塊：</p><p>　　圖4-4 溫度變送器連接模塊</p><p>　　信號調(diào)理前端，一般由運(yùn)放組成?？煞譃镮-V變換電路、電壓跟隨、電壓放大器等部分，如圖所示</p><p>　　圖4-5 信號調(diào)理輸入電路</p><p>　　Input1與input2接入溫度變送器兩端，其中input

100、2與地線連接，AIN1與單片機(jī)AD接口連接，成為模擬量輸入端。</p><p>　　4.3 PIC單片機(jī)硬件設(shè)計(jì)</p><p>　　本設(shè)計(jì)中時(shí)鐘部分使用內(nèi)部振蕩器,在OSC1/CLKIN和OSC2/CLKOUT兩個(gè)引腳之間連接一個(gè)石英晶體外加兩個(gè)電容，利用芯片內(nèi)部的振蕩電路組成并聯(lián)諧振電路，可產(chǎn)生與外接晶體同頻率的時(shí)鐘信號。兩個(gè)電容通常選在10～30pF之間。它們可以對時(shí)鐘頻率起到微調(diào)作

101、用。如圖4-6中時(shí)鐘部分所示。石英晶體的頻率等于DSP芯片的主頻x80％x25％， 即GPAl的頻率=135MHzx80％x25％=27MHz，故選取30MHz的晶體，能夠滿足DSP芯片的工作要求，兩個(gè)電容分別選取10pF[7]。</p><p>　　圖4-6 PIC單片機(jī)電路</p><p>　　PIC單片機(jī)作為控制核心，其最小系統(tǒng)原理如圖4-6所示。把RCO～RC3作為選控制端，RD0

102、～RD7作為數(shù)據(jù)輸出端，同時(shí)把RA0～RA7作為模擬信號輸入端，OSC1、OSC2作為時(shí)鐘信號輸入端,下圖為看門狗電路，其WD1接MCLR端口。</p><p><b>　　4.4數(shù)據(jù)傳輸部分</b></p><p>　　由于系統(tǒng)是通過CAN總線通信，所以上位機(jī)要配置合適的適配器，以便監(jiān)聽來自總線的信號。目前的PC機(jī)還沒有提供現(xiàn)成的CAN總線接口，PC機(jī)軟件必須在總線

103、適配器的支持下才能訪問和監(jiān)聽總線?？偩€適配器既可以采用通過串口或打印口的通信方式設(shè)計(jì)，也可以以板卡的形式通過計(jì)算機(jī)總線和系統(tǒng)進(jìn)行通信。因?yàn)榭偩€方式的數(shù)據(jù)交互有更快的響應(yīng)速度，適配器能具有更強(qiáng)的實(shí)時(shí)處理能力。</p><p>　　該總線適配器實(shí)際上是一個(gè)CAN總線節(jié)點(diǎn)，功能是在CAN總線協(xié)議的基礎(chǔ)上進(jìn)行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)。本文使用通過串口通信的總線適配器，將數(shù)據(jù)傳輸給給定模塊，以完成數(shù)據(jù)通信工作，如圖4-7所示。</

104、p><p>　　圖4-7 數(shù)據(jù)傳輸部分電路</p><p><b>　　5 CAN總線傳輸</b></p><p>　　5.1 CAN總線技術(shù)特點(diǎn)</p><p>　　CAN（Controller Area Network）即控制器局域網(wǎng)絡(luò)。由于其高性能、高可靠性及獨(dú)特的設(shè)計(jì)，CAN越來越受人們的重視。CAN屬于總線式串行通

105、信網(wǎng)絡(luò)，由于其采用了許多新技術(shù)及獨(dú)特的設(shè)計(jì)，與一般的通信總線相比，CAN總線的通信具有突出的可靠性、及時(shí)性和靈活性。其特點(diǎn)可概括如下：</p><p>　　CAN為多主方式工作，網(wǎng)絡(luò)上任意一個(gè)結(jié)點(diǎn)均可在任意時(shí)刻主動(dòng)向網(wǎng)絡(luò)上的其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，不分主次、通信方式的靈活性，且無需站地址等節(jié)點(diǎn)信息。利用這一特點(diǎn)可方便地構(gòu)成多級備份系統(tǒng)；CAN網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點(diǎn)信息分成不同的優(yōu)先級，可滿足不同的實(shí)時(shí)要求，高優(yōu)先級的數(shù)據(jù)最快可在

106、13us內(nèi)得到傳輸；CAN總線采用非破壞性總線仲裁技術(shù)，當(dāng)多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)向總線發(fā)送信息時(shí)，優(yōu)先級較低的節(jié)點(diǎn)會(huì)主動(dòng)退出發(fā)送，而最高優(yōu)先級的結(jié)點(diǎn)可不受影響繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù)，從而大大地節(jié)省了總線沖突仲裁時(shí)間。在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載很重的情況下也不會(huì)出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)癱瘓情況；CAN網(wǎng)絡(luò)具有點(diǎn)對點(diǎn)、一點(diǎn)對多點(diǎn)的和全局廣播等幾種通信方式；CAN的直接通信距離最遠(yuǎn)可達(dá)10km（速度在5kbps以下）；通信速度最高可達(dá)1Mbps（此時(shí)通信距離最長可達(dá)40m）；CAN總線的節(jié)點(diǎn)數(shù)

107、主要取決于總線驅(qū)動(dòng)電路，目前可達(dá)110個(gè)；報(bào)文標(biāo)識符可達(dá)2032種（CAN2.0B）的報(bào)文標(biāo)識幾乎不受限制；采用短幀結(jié)構(gòu)，傳輸時(shí)間短，受干擾概率低，具有極好的檢錯(cuò)效果；CAN的每幀信息都有CRC校驗(yàn)及其他檢錯(cuò)措施，保證了基地的數(shù)據(jù)出錯(cuò)率；CAN總線的通信介質(zhì)可為雙絞線、同軸電纜或光線，選擇靈敏；CA</p><p>　　5.2芯片SJA1000的概述</p><p>　　SJA1000是一

108、種獨(dú)立的CAN控制器，主要用于移動(dòng)目標(biāo)和一般工業(yè)環(huán)境中的區(qū)域網(wǎng)絡(luò)控制。它是Philips半導(dǎo)體公司PCA82C200CAN控制器的替代產(chǎn)品，而且它增加了一種新的操作模式——PeliCAN，這種模式支持具有很多新特性的CAN2.0協(xié)議。</p><p>　　SJA1000的基本特性如下：引腳與PCA82C200獨(dú)立CAN控制兼容； 電氣參數(shù)與PCA82C200獨(dú)立CAN控制器兼容；有PCA82C200CAN模式；支