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刷环境测控系统的硬件设计-霍英杰
发布时间:2014-8-12 浏览次数:1007次

基于CAN总线印刷环境测控系统的硬件设计

霍英杰

(福建省漳州理工职业学院  电子与机械工程系 福建漳州  邮编363000 

电话18605905900 邮箱158493190@qq.com

  要:本文主要针对当今印刷行业对环境要求越来越高的情况,基于CAN总线设计了一套能实时监控印刷车间内温度、湿度、以及设备运行状况的多参数的测控系统。系统以PC机作为上位计算机,AT89S52单片机为下位机。主要由环境参数实时控制模块、数据采集模块、数据处理模块、通信模块和系统参数设定模块等几部分组成。其中,实时控制和数据采集功能由现场下位机来实现。通过该系统的自动调节,使车间内中环境参数处于适合印刷的最佳值。

关键词:硬件设计;印刷;环境监控

The Hardware Design of Printing Environment Monitoring System Based on CAN Bus

HuoYingjie

Fujian Zhangzhou Institute of Science & Engineering  Electronic and Mechanical Engineering Department Fujian Zhangzhou Postal code 363000  Telephone number 18605905900  Email 158493190@qq.com

Abstract:This paper, mainly aiming to today's printing industry demand that depends more and more on the environment, and basing on CAN bus, designs a set of the parameters of the measurement and control system which can give the real-time monitoring of temperature, humidity, and equipment operation condition to the printing shop CAN. This system use PC as host computer, AT89S52 chip for console computer. It mainly consists of real-time environment parameter control module, the data acquisition module, data processing module, communication module and system parameters set module. Among them, function of the real-time control and data collection are achieved by lower-position computer. it makes the workshop and environmental parameters in the best value for suitable printing.

KeywordsHardware Design ;Printing;Circumstance monitor

作者简介:霍英杰(1983-  ),男,吉林德惠,漳州理工职业学院,系副主任,助教,研究方向为智能控制。

印刷环境温湿度的稳定控制是提高印刷产品质量和生产效率的前提和基础。采用先进的数字传感技术,结合电子技术和计算机控制技术对印刷车间环境温湿度实现稳定的控制。不但可以优化印刷生产环境,提高产品质量,充分发挥先进进口设备的功能,还能推动绿色印刷、健康印刷,改变人们长期以来对印刷是黑手行业的偏见。改善印刷工作环境,为行业吸引人才。不但能产生巨大的经济效益,更重要的是能推动整个印刷行业发展的社会效益。

一、印刷环境监测系统的整体结构

印刷环境监测系统采用CAN总线作为通信网络,将数据检测单元(下位机)、和PC机(上位机)连接成环境监测控制系统。数据检测单元以AT89S52单片机为核心控制器,由相应的传感器(如温度传感器、湿度传感器等)组成。

1.1印刷环境监测系统框图

检测单元的位置及数量根据检测环境而定。利用较少的外围器件实现了对温湿度的自动控制。可独立完成数据的采集、存储、预处理等任务。也可接收由PC机上位机送来的各参数设置,驱动空调、风机等设备的开关,实现增温、降温、加湿、除湿等手段. 从而按不同要求调控印刷环境。上位PC机通过CAN适配卡与CAN总线相连,进行信息交换,PC机机将下位机送来的数据,及时在线用动态数据的方式显示出来,并储存在相应的数据库中,对存储起来的数据,按研究需要,进行分析、统计实现印刷环境的智能化管理。

二、控制系统的硬件设计

2.1直流供电电路

在本系统中,采用220V50HZ交流电源供电,系统电子器件需+5V直流电源,而驱动电路的继电器需要+24V流电源供电所以电源电路就是将交流电源经变压、整流、滤波和稳压等处理后得到具有一定功率的+5V+24V电源。该电源具有一定的稳定性和抗干扰能力,为系统的可靠运行提供有力的保障。电源电路如图2.1所示。

2.1直流电源

2.2复位电路

在单片机的工作现场,存在着各种各样的干扰源。这些干扰源很可能引起程序跑飞,造成死机或程序的非正常运行,如不及时复位,将造成重大损失。本系统采用的是由硬件和软件相结合的抗干扰措施。如遇到程序跑飞等情况,使用看门狗将程序拉回到复位状态。系统选用MAX813L设计看门狗电路。MAX813L具有上电复位、Watchdog输出、掉电电压监视、手动复位四大功能。系统上电后,MAX813L能自动产生复位脉冲信号,使系统复位,也可通过手动使系统复位。电路如图2.2所示。

2.2看门狗复位电路

2.3执行机构电路

执行机构是下位机控制实际控制车间内各具体设施运行的,有空调开关、风扇开关、通风开关等。单片机在相应引脚输出低电平信号,经同向驱动加到光藕输入引脚,此时光藕上加载的电压超过3V,开始产生光信号,而输出引脚将光信号转为电信号, 再经三极管放大后控制继电 器打开执行机构,系统开始工作。同时,同相驱动器的低电平使得LED两端产生电压差,能够点亮,表明该执行机构正在工作。单片机发出高电平信号时则执行机构停止。

2.3执行机构电路

2.4手动输入模块

由于印刷环境受干扰大,时滞性强,可能造成系统工作滞后于实际工作需求,此外,若下位机在与上位机失去联系,会造成系统工作不稳定。并且,在现场调试出现故障时,也需要能够及时准确找出症状所在。所以,在下位机上安排手动输入开关。操作人员可手动控制系统工作,保持系统参数维持正常状态。电路如图2.4所示。

2.4 手动输入模块

三、数据采集模块电路设计

3.1温度检测电路

DSl8B20是美国Dallas半导体公司利用单总线协议生产的一款数字温度传感器。单总线技术是美国Dallas半导体公司近年来推出的新技术。其测温范围为-55+125℃,测量温度值可由用户选择设定用912位表示,DSl8B20的转换分辨率均可由用户设定。温度转换所需时间较短,最大转换时间为750ms,可设定温度超标报警上、下限值,当温度超限时发送报警信号。在硬件上,DS18B20与单片机的连接有两种方法,一种是VCC接外部电源,GND接地,I/O与单片机的I/O线相连;另一种是用寄生电源供电,此时UDD, GND接地,I/O接单片机I/O。无论是内部寄生电源还是外部供电,I/O口线要接5KΩ左右的上拉电阻。如图3.1所示。

 

3.1温度检测电路

AT89S52P1.0控制采集一组DSl8B20的数值。也可通过其它P1口实现多组数据的采该系统设计利用DSl8B20进行温度采集,单总线的特点大大提高了系统的抗干扰性,可以在恶劣的工作环境中进行温度测量。另外,为减小总线分布电容的影响,单总线电缆选用带屏蔽双绞线电缆。

3.2湿度检测电路

湿度测量要比温度测量过程复杂得多,因为温度只是一个独立的被测量,而湿度却容易受到其他诸如大气压强、温度等因素的影响。本文选用一种设计工艺独特、价格低廉、高精度、线性输出特性好的的HSll00传感器进行湿度测量,较好的实现了对空气湿度的测量。HSll00湿度传感器是法国HUMIREL公司生产的一种电容式相对湿度传感器,相对湿度的变化和电容值呈线性规律。本系统用集成电路组成振荡电路,湿度传感器充当振荡电容,从而完成湿度到频率的转换。其测温范围在0%~100RH,电容量范围为162-200pF,其误差不大于士2RH,响应时间小于5s,温度系数为0.04pF/℃。工作温度范围为-40100℃,且湿度输出受温度影响极小,常温下使用无需温度补偿,测量精度较高。

单点湿度检测电路原理图如图2.2所示,利用一片CMOS定时器TLC555。配上HSll01和电阻构成单稳态电路,将相对湿度值变化转换成频率信号输出。输出频率范围是7351-6033Hz,所对应的相对湿度为0100%。当RH=55%时,f=6660Hz。输出的频率信号可送至下位机进行处理。根据555工作时输出的频率特性,其输出脉冲频率及输出测量脉冲宽度为 。式中: 为从3端口输出的脉冲频率; 为输出待测脉冲的宽度; 为电阻器输出电阻; 为精密可调电阻。

3.2 湿度检测电路

HSll01作为电容变量,湿度的变化将引起电容的变化,电容的变化又引起振荡频率的变化,1-wire器件DS2423对振荡频率进行测量,单片机通过1-wire网络测量出振荡频率,再换算成湿度的值。BAT54S中的一个肖特基二极管和输入电容提供本地电源,另一个肖特基二极管跨接在DATAGND之间,限制数据端偏移在约-0.4 V以内,提供电路反向保护。单DS2423有一个内部上拉电阻,以免输人处于浮置状态,高电阻值不易收到噪声的干扰。

 

四、CAN总线接口电路

硬件电路主要由AT89S52PHILIPS公司生产的CAN总线控制器SJAl000CAN总线收发器PCA82C2506N137型高速光电耦合器组成。SJAl000是一种独立的CAN总线控制器,同时支持CAN2.0ACAN2.0B协议,通信速率可达1Mbs,能够完成通讯协议的所有要求。PCA82C250CAN控制器与物力总线间的接口。AT89S52负责SJAl000的初始化,控制SJAl000实现数据的接收和发送等通信任务。考虑为增强CAN总线节点抗干扰能力,在SJAl000PCA82C250之间通过光电隔离芯片6N137连接。很好地实现了总线上各节点间的电气隔离。使各终端设备检测节点的稳定性和安全性得到充分提高。

 

4.1 CAN总线接口电路

CAN总线节点接口电路如图4.1所示。SJAl000RDWRALE分别与AT89C51的相应引脚相连,SJAl000INTAT89C51INTlAT89C51也可通过中断方式访问SJA1000PCA82C250CANHCANL引脚各自通过5 电阻与CAN总线相连,保护PCA82C250免受过流的冲击。CANHCANL与地之间并联30pF电容,起到滤除总线高频干扰和防电磁辐射的作用。在总线接人端与地之间分别反接了保护二极管,当总线有较高的负电压时,通过二极管短路起到保护PCA82C250瞬间高压情况下受损的危险。

五、USB接口驱动电路

USB总线接口电路USBCAN总线适配器是USB总线与CAN总线之间起桥梁作用的模块,模块的一端接监控计算机的USB接口,另一端接CAN总线网络。由于USB协议较复杂,用USB控制器芯片可避免上述麻烦,整个USBCAN模块由USB控制器、单片机、CAN控制器、光电隔离、CAN总线收发器等组成。CAN总线模块与检测终端装置相似,这里不做更多介绍。仅对USB总线接口电路进行设计分析。PDIUSBDl2PHILIPS公司生产的一款性价比很高的USB器件,在微控制器系统中,可实现高速并行数据通信,并且支持本地DMA传输。

PDIUSBDl2AT89C52接口有两种方式:多路地址/数据总线和单地址/数据总线方式。本系统采用第一种方式,使用AT89C52INT0ALEWRRDP0口,PDIUSBDl2ALE下降沿时对单片机控制器输出地址进行锁存。在这种方式中AT89S52使用MOVX指令就可对PDIUSBDl2进行数据操作,若输出地址为奇数,则表示对PDIUSBDl2发送指令;输出地址为偶数,则表示对PDIUSBDl2进行数据传输。USB总线接口电路如图5.1所示。

5.1 USB接口驱动电路

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