基于CAN總線的分布式鍋爐爐膛溫度監控系統設計

陳玲艷，王艷春

（蚌埠學院 機械與電子工程系，安徽 蚌埠 233030）

基于CAN總線的分布式鍋爐爐膛溫度監控系統設計

陳玲艷，王艷春

（蚌埠學院 機械與電子工程系，安徽 蚌埠 233030）

本文針對工業高溫冶煉鍋爐爐膛溫度的實時監控，設計了一種基于CAN總線的分布式溫度監控系統.系統采用微控制器STC89C52RC、CAN總線控制器MCP2515、K型熱電偶、高速CAN收發器TJA1050作為現場溫度采集的節點，通過CAN總線網絡實現各個溫度采集節點與主機的通信，并設計了各部分的硬件電路及系統軟件.系統結構簡潔、可靠性高，對高溫冶煉領域具有一定的工程實用價值.

CAN總線；STC89C52RC；熱電偶；溫度監控

在冶煉行業的工廠里，溫度是非常重要的因素，控制好溫度可提高產品的品質，如果控制鍋爐溫度的設備簡單、控制技術落后，不僅會造成燃料的浪費，還會造成空氣污染.傳統的檢測是通過機械式儀表測量和人工定時記錄，不能實現溫度的實時采集，因此，如何實時高效地對溫度進行測量和監控成為了一個重要的問題.

CAN(Controller Area Network)即控制器局域網絡，是國際上應用最廣泛的現場總線之一.CAN遵從ISO/OSI模型，采用了其中的物理層、數據鏈路層與應用層，采用雙絞線，通信速率最高達到1Mbps/40m，直接傳輸距離最遠可達10km/5kbps，最多可掛接110個設備.CAN總線是一種高性能、高可靠性、易開發和低成本的串行通信總線[1-2].隨著當今社會工業的發展，對冶煉技術的要求越來越高，針對目前對鍋爐爐膛內膛溫度難以有效監控的問題，設計了一種基于CAN總線的分布式溫度監控系統，具有超高溫采集、多點分式采集以及遠程集中監測和控制等特點.

1 系統設計方案

系統采用CAN總線多點式主從機分布電路來實現多路溫度控制，用K型熱電偶傳感器對爐膛內膛中心溫度和邊緣溫度進行采集，通過液晶顯示器觀察溫度變化，調節爐膛內膛溫度差，使爐膛內溫度均勻，從而提高溫冶煉產品的質量.

系統總體結構框圖如圖1所示，系統由CAN總線模塊，主機模塊，從機模塊，熱電偶采集模塊，液晶顯示模塊，報警模塊組成.通過兩路熱電偶傳感器對鍋爐爐膛內膛中心溫度和邊緣溫度進行采集，采集的溫度經過采集板處理后傳給從機，從機上的液晶實時顯示爐膛中心溫度、邊緣的溫度、平均溫度以及溫差，當平均溫度超過設定的溫度上限或者下限，報警器報警.從機的按鍵能夠對溫度的上限或下限進行調節，從機通過CAN總線將溫度發給主機，主機上的液晶實時顯示兩個爐膛的平均溫度和溫差，當任何一個爐膛溫度超過設定的溫度上限或者下限，蜂鳴器報警.

圖1 系統總體結構框圖

2 系統硬件設計

2.1 主機硬件設計

主機硬件部分主要包括CAN總線通信單元、單片機控制系統、液晶顯示系統、報警系統等.CAN總線通信單元主要包括微控制器STC89C52RC[3-5]，帶有SPI接口的獨立CAN控制器MCP2515和高速CAN收發器TJA1050[6-7].微控制器采用ATMEL公司的STC89C52RC單片機進行控制，其中微控制器負責完成CAN控制器的初始化，進行與CAN控制器的數據傳遞，以及實現CAN總線報文與串口數據的轉換；CAN控制器采用Microchip推出的MCP2515，是一款完全支持CAN V2.0B技術規范、具有SPI接口的獨立CAN控制器，滿足了該測試設備的控制精度、處理速度以及對外雙冗余CAN總線接口的設計要求，具有靈活的中斷性能和接收過濾及信息管理能力，另外還有幀屏蔽和過濾、幀優先級設定等特性，能減少對MCU資源的占有利用，主要負責將數據以CAN報文的形式傳遞，并進行系統的診斷、測試以及處理CAN總線上的錯誤等；CAN收發器TJA1050是控制器區域網絡（CAN）協議控制器和物理總線之間的接口，可以為總線提供不同的發送性能，為CAN控制器提供不同的接收性能，完成物理電平的轉換.CAN總線通信單元部分電路如圖2所示.

圖2 CAN總線通信單元部分電路

2.2 從機硬件設計

從機硬件設計包括熱電偶傳感器單元、CAN通信單元、本地報警單元等，其中熱電偶傳感器單元即溫度采集是從機的主要功能，溫度的控制首先是對鍋爐爐膛的中心溫度和邊緣溫度進行設定，然后用熱電偶傳感器進行溫度采集，采集的溫度經過采集板處理后傳給從機，液晶上顯示爐膛中心溫度、邊緣溫度、平均溫度以及溫差，當平均溫度超過設定的溫度上限或者下限時，報警器就會報警.從機的按鍵能夠對溫度的上限或下限進行調節.并且，從機通過CAN總線將溫度發送給主機，主機上的液晶實時顯示兩個爐膛的平均溫度和溫差，當任何一個爐膛溫度超過設定的溫度上限或者下限，報警器報警，從而完成溫度的控制.系統采用的K型熱電偶數字轉換器MAX6675具有線性校正、熱電偶斷線檢測等功能[8]，熱電偶輸出的毫伏信號經多路轉換器輸入給MAX6675，直接轉換成數字信號傳送給單片機STC89C52RC.MAX6675與單片機STC89C52RC的連接電路如圖3所示.

圖3 MAX6675與單片機STC89C52RC的連接電路

當MAX6675的CS引腳從高電平變為低電平時，MAX6675將停止任何信號的轉換并在時鐘SCK的作用下向外輸出已轉化的數據.相反，當CS從低電平變回高電平時，MAX6675將進行新的轉換.在CS引腳從高電平變成低電平時，第一個字節D15將出現在引腳SO.讀取一個完整的數據需要16個時鐘周期，數據的讀取通常在SCK的下降沿進行.由于MAX6675內部經過了激光修正，其轉換結果與對應溫度值具有較好的線性關系.

3 系統軟件設計

系統程序分為主機程序、從機1程序和從機2程序三個部分.從機1和從機2程序只有ID號不一樣，其他都類似.程序的編寫和調試在Keil uVision3軟件環境完成，先分塊完成并測試，再組合一起測試，保證各個模塊之間的協調.

3.1 主機軟件設計

主機程序流程圖如圖4所示.上電后先進行液晶初始化、CAN初始化和外部中斷初始化，CAN接收中斷就是外部中斷.CAN中斷用來判斷是否接收到數據，如果接收到數據就將CAN接收標志置1，主程序判斷如果CAN接收標志被置1，說明接收到數據，然后判斷

接收的是從機1還是從機2的數據，如果是從機1，是中心溫度還是邊緣溫度，如果是從機2，是中心溫度還是邊緣溫度，然后對溫度數據進行打包處理，求出平均溫度和溫差，然后在液晶上顯示出來.當從機1或從機2的平均溫度大于上限或低于下限，蜂鳴器就會報警.

圖4 主機程序流程圖

3.2 從機軟件設計

從機軟件設計的功能是上電后先進行液晶初始化、CAN初始化和按鍵掃描，從機的三個按鍵中第一個按鍵是解除報警，也可以進行手動報警，第二個按鍵是溫度下限減，第三個按鍵是溫度上限鍵.然后兩路熱電偶進行爐膛中心和邊緣溫度采集，并用CAN總線發送出去，求出平均溫度和溫差，顯示器顯示平均溫度和溫差，同時判斷是否大于上限或低于下限，若是，則警報器報警.

4 結束語

本文采用CAN總線分布式監控系統，將CAN通信與溫度采集結合起來，實現多點多鍋爐溫度數據采集及通信功能，將不同區域溫差減小到最低，實現了對鍋爐爐膛內部溫度的動態監控.該系統具有超高溫采集、多點分式采集以及遠程集中監測和控制等特點，可提高高溫冶煉產品的質量，減小資源浪費和環境污染，能夠對高溫冶煉領域如發電廠、煉鋼廠、煉鋁廠等部門的高溫區（1000℃左右）進行溫度監控，具有一定的工程應用價值.

〔1〕李真花,崔健.CAN總線輕松入門與實踐[M].北京:北京航空航天大學出版社,2011.

〔2〕饒云濤.現場總線CAN原理與應用技術[M].北京:北京航空航天大學出版社,2003.

〔3〕孫立紅.多點溫度測控系統的設計[J].儀表技術與傳感器,2012,12(38):116-117.

〔4〕周華茂,程小輝,王新政.基于CAN總線的嵌入式測溫系統設計[J].微計算機信息,2007,17(23): 57-58.

〔5〕牛廣文.基于CAN總線的分布式智能溫度采集系統設計[J].低壓電器,2012,7(11):43-45.

〔6〕林吉海,何為,張占龍.基于CAN總線的溫度檢測節點設計[J].重慶工商大學學報（自然科學版）,2008,25(03):262-263.

〔7〕羅文俊,趙振華.基于CAN總線的溫度監控系統[J].工業控制計算機,2011,24(5):10-11.

〔8〕祖一康.基于K型熱電偶與MAX 6675多路溫度采集系統 [J].江西理工大學學報,2007,4(28): 26-27.

TP277

A

1673-260X（2014）10-0036-03

國家級大學生創新創業訓練計劃項目(201211305002)，安徽省高等學校省級自然科學研究項目（KJ2013Z193）