基于CAN總線的紅外煙囪溫度檢測裝置設計

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，因此對工廠煙囪內的檢測顯得格外重要，通過檢測煙囪內的溫度對排放氣體進行分析，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，通過遠距離非接觸測量煙囪內壁的溫度，具有使用壽命長，測量效果好的特點。

關鍵詞：紅外；溫度檢測；CAN總線

1 概述

工業(yè)廢氣對我們的環(huán)境影響巨大，因此對工廠煙囪的一些數(shù)據(jù)的測量也顯得至關重要?；诖嗽O計了一個非接觸式的溫度檢測裝置，而且可以實現(xiàn)對環(huán)境溫度的遠程監(jiān)控。為煙囪排出的廢氣成分多了一個分析依據(jù)。

2 設計的組成

煙囪內部的物理化學環(huán)境非常惡劣，對各種檢測裝置都帶來了很大的挑戰(zhàn)，本設計主要由微控制器，傳感器以及CAN通訊線路組成。微控制器負責讀取傳感器信息并打包處理，通過CAN總線發(fā)送到遠程設備上。在遠程設備上可以隨時監(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到熱平衡后的溫度，所以響應時間長，且極易受環(huán)境溫度的影響，而且煙囪內部環(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、響應速度快、測溫范圍廣、穩(wěn)定性好等特點。這里選用MLX90614ESF-DCI遠距數(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集成了紅外感應熱電堆探測器芯片和信號處理專用集成芯片。由于集成了低噪聲放大器，17位模數(shù)轉換器和強大的數(shù)字信號處理單元，使得高精度和高分辨度的溫度計得以實現(xiàn)。

該傳感器工作在5V電壓下，工作模式下功耗2MA，可以實現(xiàn)低功耗設計，與微控制器連接可以通過串行通訊或者IIC通訊，使得設計使用變得非常簡單。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，或者采用加裝保護殼等方法使傳感器處于一個較為溫和的環(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，測量精度可以達到0.5℃。

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

2.2 微控制器選擇

控制核心采用增強型51單片機c8051f040芯片上有1個12位多通道ADC，2個12位DAC，2個電壓比較器，1個電壓基準，1個32kB的FLASH存儲器，與MCS-51指令集完全兼容的高速CIP-51內核，峰值速度可達25MIPS，并且還有硬件實現(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通訊設計

CAN總線具有高性能、高可靠性等特點。已經在很多領域都能看到它的身影。當通訊線路長度達到10km時，CAN總線的傳輸速度還可以達到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，當線路過長時就會出現(xiàn)信號衰減，使得1和0不能區(qū)分就會出現(xiàn)通訊錯誤。而CAN總線上的物理層使用的差分信號。通訊線路有兩條導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。而且通訊兩端不需要共地，僅僅使用CANH和CANL兩條線路就可以實現(xiàn)雙向通訊。因此，CAN總線已經廣泛應用到了汽車、工業(yè)控制等多個領域。

C8051f040內部的CAN控制內核是一個支持完整CAN協(xié)議的模塊，而且還支持標準格式和擴展幀，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寄存器設置為CAN0_PAGE。其次再設置相應的時鐘為CAN通訊的速率提供精準的時鐘。最后設置ID和初始化必要的中斷事件。這里特殊強調一下ID的設定，在標準幀下C8051f040內CAN的ID寄存器是一個32位寄存器，其有效位是18到28位，如將一個11位的標準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個消息對象，這些消息對象都可以作為接收或者發(fā)送，選定一個消息對象之后，將要發(fā)送的數(shù)據(jù)寫入該對象對應的緩沖區(qū)，啟動發(fā)送標志就可以完成一幀數(shù)據(jù)的發(fā)送。

可以自定ID防止ID與其他設備沖突，從而可以和工廠內其他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，并使用CAN總線將數(shù)據(jù)傳送至上位機。

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

3 設計總結

本設計采用紅外測溫傳感器來測量溫度，可以實現(xiàn)非接觸測測量，可以避免被測物體惡劣環(huán)境對檢測裝置的影響，在本地顯示測量結果的同時，可以設定與現(xiàn)有CAN總線上不沖突的ID，與工廠現(xiàn)有的CAN總線并網?？梢悦馊ピO計新的通訊線路。而且利用CAN總線自有的糾錯仲裁機制，完全不會對已有設備造成任何影響，新設備也可以穩(wěn)定運行。實現(xiàn)對現(xiàn)場更好的檢測和分析。

參考文獻

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