基于CAN總線的紅外煙囪溫度檢測裝置設(shè)計(jì)

摘 要：近年來全國城市不斷出現(xiàn)霧霾現(xiàn)象，環(huán)境問題再次給我們敲響了警鐘。霧霾的根源在汽車尾氣和工廠排放的廢氣，因此對(duì)工廠煙囪內(nèi)的檢測顯得格外重要，通過檢測煙囪內(nèi)的溫度對(duì)排放氣體進(jìn)行分析，溫度過高或者過低能夠反映出燃料是否完全燃燒，有害氣體含量的多少。煙囪內(nèi)環(huán)境非常惡劣，一般傳感器很容易損壞。因此采用非接觸的紅外傳感器?？梢詫⒓t外溫度傳感器安裝在較好的環(huán)境中，通過遠(yuǎn)距離非接觸測量煙囪內(nèi)壁的溫度，具有使用壽命長，測量效果好的特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：紅外；溫度檢測；CAN總線

1 概述

工業(yè)廢氣對(duì)我們的環(huán)境影響巨大，因此對(duì)工廠煙囪的一些數(shù)據(jù)的測量也顯得至關(guān)重要?；诖嗽O(shè)計(jì)了一個(gè)非接觸式的溫度檢測裝置，而且可以實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境溫度的遠(yuǎn)程監(jiān)控。為煙囪排出的廢氣成分多了一個(gè)分析依據(jù)。

2 設(shè)計(jì)的組成

煙囪內(nèi)部的物理化學(xué)環(huán)境非常惡劣，對(duì)各種檢測裝置都帶來了很大的挑戰(zhàn)，本設(shè)計(jì)主要由微控制器，傳感器以及CAN通訊線路組成。微控制器負(fù)責(zé)讀取傳感器信息并打包處理，通過CAN總線發(fā)送到遠(yuǎn)程設(shè)備上。在遠(yuǎn)程設(shè)備上可以隨時(shí)監(jiān)控和記錄傳感器采集到的數(shù)據(jù)信息。

2.1 傳感器的選擇

常用的溫度傳感器都必須是接觸被測物體，接觸式測溫只能測量被測物體與測溫傳感器達(dá)到熱平衡后的溫度，所以響應(yīng)時(shí)間長，且極易受環(huán)境溫度的影響，而且煙囪內(nèi)部環(huán)境十分惡劣，普通的接觸式的傳感器很容易損壞。因此不能夠選用常規(guī)的傳感器。而紅外測溫是根據(jù)被測物體的紅外輻射能量來確定物體的溫度，不與被測物體接觸，卻可以影響到被測物體溫度分布場，溫度分辨率高、響應(yīng)速度快、測溫范圍廣、穩(wěn)定性好等特點(diǎn)。這里選用MLX90614ESF-DCI遠(yuǎn)距數(shù)字非接觸紅外測溫傳感器。

這款紅外非接觸溫度傳感器金屬封裝里同時(shí)集成了紅外感應(yīng)熱電堆探測器芯片和信號(hào)處理專用集成芯片。由于集成了低噪聲放大器，17位模數(shù)轉(zhuǎn)換器和強(qiáng)大的數(shù)字信號(hào)處理單元，使得高精度和高分辨度的溫度計(jì)得以實(shí)現(xiàn)。

該傳感器工作在5V電壓下，工作模式下功耗2MA，可以實(shí)現(xiàn)低功耗設(shè)計(jì)，與微控制器連接可以通過串行通訊或者IIC通訊，使得設(shè)計(jì)使用變得非常簡單。傳感器工作的溫度范圍在-40～+125℃，雖然這個(gè)溫度范圍不夠大，但是該傳感器使用的是非接觸式測量，可以不必放置在惡劣環(huán)境中，或者采用加裝保護(hù)殼等方法使傳感器處于一個(gè)較為溫和的環(huán)境中。測量物體的溫度范圍-70～+380℃，如果工作在0到50℃范圍內(nèi)，測量精度可以達(dá)到0.5℃。

此模塊測量物體距離比為19：1，即當(dāng)發(fā)熱物體為半徑1CM大小時(shí)，測量最遠(yuǎn)距離為19CM。超過這個(gè)距離就會(huì)使得檢測平面會(huì)有其他物體紅外輻射的影響，從而影響測量準(zhǔn)確度。

2.2 微控制器選擇

控制核心采用增強(qiáng)型51單片機(jī)c8051f040芯片上有1個(gè)12位多通道ADC，2個(gè)12位DAC，2個(gè)電壓比較器，1個(gè)電壓基準(zhǔn)，1個(gè)32kB的FLASH存儲(chǔ)器，與MCS-51指令集完全兼容的高速CIP-51內(nèi)核，峰值速度可達(dá)25MIPS，并且還有硬件實(shí)現(xiàn)的UART串行接口和完全支持CAN2.0A和CAN2.0B的CAN控制器。

2.3 CAN通訊設(shè)計(jì)

CAN總線具有高性能、高可靠性等特點(diǎn)。已經(jīng)在很多領(lǐng)域都能看到它的身影。當(dāng)通訊線路長度達(dá)到10km時(shí)，CAN總線的傳輸速度還可以達(dá)到50kbit/s。CAN通訊線路的物理層不同于普通數(shù)字電路，數(shù)字電路傳輸?shù)氖?和0的信號(hào)，當(dāng)線路過長時(shí)就會(huì)出現(xiàn)信號(hào)衰減，使得1和0不能區(qū)分就會(huì)出現(xiàn)通訊錯(cuò)誤。而CAN總線上的物理層使用的差分信號(hào)。通訊線路有兩條導(dǎo)線它們的名字命名是CANH和CANL，而且還要使用雙絞線。通過兩條線路上信號(hào)的差值區(qū)分傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，這樣使得通訊更加穩(wěn)定，不易出錯(cuò)。而且通訊兩端不需要共地，僅僅使用CANH和CANL兩條線路就可以實(shí)現(xiàn)雙向通訊。因此，CAN總線已經(jīng)廣泛應(yīng)用到了汽車、工業(yè)控制等多個(gè)領(lǐng)域。

C8051f040內(nèi)部的CAN控制內(nèi)核是一個(gè)支持完整CAN協(xié)議的模塊，而且還支持標(biāo)準(zhǔn)格式和擴(kuò)展幀，這里只需要利用CAN通訊中的數(shù)據(jù)幀。發(fā)送一幀數(shù)據(jù)也不是那么簡單的事情，要先初始化C8051f040內(nèi)部的CAN模塊，然后才能發(fā)送數(shù)據(jù)。CAN初始化一般步驟是：首先將SFRPAGE寄存器設(shè)置為CAN0_PAGE。其次再設(shè)置相應(yīng)的時(shí)鐘為CAN通訊的速率提供精準(zhǔn)的時(shí)鐘。最后設(shè)置ID和初始化必要的中斷事件。這里特殊強(qiáng)調(diào)一下ID的設(shè)定，在標(biāo)準(zhǔn)幀下C8051f040內(nèi)CAN的ID寄存器是一個(gè)32位寄存器，其有效位是18到28位，如將一個(gè)11位的標(biāo)準(zhǔn)ID放入寄存器就要先將數(shù)據(jù)左移18位，并且將無效位全置1才可以放入ID寄存器。C8051f040的CAN通訊有32個(gè)消息對(duì)象，這些消息對(duì)象都可以作為接收或者發(fā)送，選定一個(gè)消息對(duì)象之后，將要發(fā)送的數(shù)據(jù)寫入該對(duì)象對(duì)應(yīng)的緩沖區(qū)，啟動(dòng)發(fā)送標(biāo)志就可以完成一幀數(shù)據(jù)的發(fā)送。

可以自定ID防止ID與其他設(shè)備沖突，從而可以和工廠內(nèi)其他CAN總線共用一條數(shù)據(jù)線。使用UART串行口將溫度數(shù)據(jù)讀出，在本地顯示的同時(shí)，并使用CAN總線將數(shù)據(jù)傳送至上位機(jī)。

C8051f040集成了CAN總線的控制器但是沒有集成電平轉(zhuǎn)換模塊，需要外加電平芯片將輸出的TTL電平信號(hào)轉(zhuǎn)化成CAN總線的電平。轉(zhuǎn)化電路如圖1所示。

3 設(shè)計(jì)總結(jié)

本設(shè)計(jì)采用紅外測溫傳感器來測量溫度，可以實(shí)現(xiàn)非接觸測測量，可以避免被測物體惡劣環(huán)境對(duì)檢測裝置的影響，在本地顯示測量結(jié)果的同時(shí)，可以設(shè)定與現(xiàn)有CAN總線上不沖突的ID，與工廠現(xiàn)有的CAN總線并網(wǎng)?？梢悦馊ピO(shè)計(jì)新的通訊線路。而且利用CAN總線自有的糾錯(cuò)仲裁機(jī)制，完全不會(huì)對(duì)已有設(shè)備造成任何影響，新設(shè)備也可以穩(wěn)定運(yùn)行。實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場更好的檢測和分析。

參考文獻(xiàn)

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