本科开题报告

毕业设计（论文）开题报告

题目：基于MODBUS协议的远程温度传感模块设计

院（系）

专    业   

学    生              

学    号            

班    号               

指导教师                  

开题报告日期   

20##年3月

说      明

一、开题报告应包括下列主要内容：

1．课题来源及研究的目的和意义；

2．国内外在该方向的研究现状及分析；

3．主要研究内容；

4．研究方案及进度安排，预期达到的目标；

5．为完成课题已具备和所需的条件和经费；

6．预计研究过程中可能遇到的困难和问题，以及解决的措施；

7．主要参考文献。

二、对开题报告的要求

1．开题报告的字数应在3000字以上；

2．阅读的主要参考文献应在10篇以上，其中外文资料应不少于三分之一。本学科的基础和专业课教材一般不应列为参考资料。

3．参考文献按在开题报告中出现的次序列出；

4．参考文献书写顺序：序号 作者.文章名.学术刊物名.年，卷（期）：引用起止页。

三、如学生首次开题报告未通过，需在一周内再进行一次。

四、开题报告由指导教师填写意见、签字后，统一交所在院（系）保存，以备检查。

指导教师评语：                                                             

                                                                           

                                                                            

                                                                           

                                                                           

指导教师签字：                            检查日期：                     

（论文）任务书

1.课题来源及研究的目的和意义

1.1课题背景及研究意义

温度是表征物体冷热程度的物理量，在工农业生产和日常生活中，对温度的测量及控制始终占据着重要地位[1]，物体的许多物理现象和化学性质都与温度有关，大多数生产过程均是在一定温度范围内进行的。温度过高或过低都会对产品的质量和产量造成影响，甚至还会使产品报废、设备损坏。因此，在国防、军事、科学试验及工农业生产过程中，温度的测量和控制具有十分重要的作用[2]。在钢铁、机械、石油化工、电力、工业炉窑等工业生产中，温度是极为普遍又极为重要的热工参数之一。随着工业的不断发展，对温度的测控精度要求越来越高，测温范围越来越广，因此温度测控技术的研究成为一个重要的研课题[3]。

现在，随着网络化技术的发展，人们越来越需要从远程获取温度信号，以提高系统整体上的监控能力以及全局管理水平。温度信号所需传输的距离越来越长，数据的实时性、可靠性、安全性都要有所保证。现场总线的优点表现在：可靠性高、稳定性好、抗干扰能力强、通信速率快、系统安全，符合环境保护要求、价格低、维护成本低。现场总线技术作为一种专为工作在恶劣环境的现场装置间进行数据交换的数字通信技术，亦被广泛应用于具有温度变送器/传感器的网络。

在众多现场总线中，Modbus是出现较早的现场总线标准之一，于1979年由Modicon公司发明，并公开、推向市场[4]。Modbus 总线具有协议简单、实施容易、性价比高等优点,是开放的、标准的现场总线通信协议，在工业自动化和智能仪器仪表等领域内应用较广。Modbus协议是应用于电子控制器上的一种通用语言。通过此协议，控制器相互之间、控制器经由网络（例如以太网）和其它设备之间可以通信。与其他总线标准相比，Modbus具有协议简单、实施容易、性价比高、可靠性高等优点，在工业自动化领域获得了越来越广泛的应用。它已经成为通用工业标准。不同厂商生产的控制设备可以通过Modbus标准连成工业网络，进行集中监控[5]。

现代社会是一个信息社会。信息技术的飞速发展引起了自动化系统结构的变革，逐步形成了以网络集成自动化系统为基础的信息系统。现场总线就是在这种形势下发展起来的一种新技术。现场总线的出现标志着控制技术领域进入了一个新的时代[6]。现场总线是当今3C技术，即通信、计算机、控制技术发展的结合点[7] ,也可认为是过程控制技术、自动化仪表技术、计算机网络技术三大技术发展的交汇点，是信息技术、网络技术的发展在控制领域的体现，是信息技术、网络技术发展到现场的结果[8]。

1.2课题研究目的

随着Modbus的广泛应用，相关产品的需求正不断增长。目前，支持Modbus协议的PLC、智能仪表等工控产品在市场上占有较大的市场份额[3]，带有串行通讯接口的设备通过Modbus协议可以很容易地集成在一起，大部分组态软件（如：组态王、MCGS、Citect等）都对Modbus协议提供强有力的支持。具有Modbus协议接口的温度变送器，在日益强劲的现场总线控制系统（FCS）应用中必定会成为不可或缺的一员。本课题研究的目的是将modbus协议具体地用在生产实践中，从远程获取温度信号，以提高系统整体上的监控能力以及全局管理水平，设计的温度变送器的温度测量范围在-50~100℃，对于在恶劣的自然环境中的温度测量有实际意义。通过单片机对用Modbus协议传输来的数据进行快速的数据分析和处理，使数据的实时性、可靠性、安全性都有所保证。

2.国内外在该方向的研究现状及分析

2.1国内外温度测量研究现状及分析

温度测量技术不断向着新的测量对象与测量环境发展。像超高温、超低温等极限温度的测量；温度分布的测量以及高压、强磁场等环境中的测量。新的测温技术首先有赖于新的测温材料发现或合成及其制造技术。如高温稳定性好、寿命长的Nicrosil-Nisil热电偶、高温热电动势再现性高的金一白金热电偶、低温（24K以下）特性稳定的RhFe测温电阻等。另外，光纤、荧光质，或两者的组合的应用也越来越广泛。用光纤制成的传感器可达到mK级的分辨力。使用荧光质的温度测量中，可利用荧光光谱或荧光衰减时间，其中以利用荧光衰减时间居多。衰减时间是荧光所固有的，测量与激励强度无关，不需校正[9]。目前，国际上新型温度传感器正从模拟式向数字式、由集成化向智能化、网络化的方向发展，在高新技术的推动下,正跨入真正的数字化、智能化、网络化的新时代。

在温度测量方面各国均取得了许多可喜的成果,其中前苏联的压电石英频率温度计分辨能力可达0.0001℃,理论上可达0.00001℃,而且在-40℃～230℃范围内具有温度与频率的线性特性；日本利用所谓石英温度频率转换器-80℃～200℃的温度范围,最大分辨率达0.0001℃；美国标准局研制的电阻温度计25欧标准铂电阻温度计,电桥分辨0.00002℃；我国生产的石英温度传感器分辨率达到0.0001℃,误差在0.05℃以内,中国航天工业总公司702所研制的5901(STP-1000)型粘贴式测温片,其静态测温精度为0.5%,快速响应时间小于0.013s[10]。

基于单片机的温度传感器即智能温度传感器（亦称数字温度传感器）是在20世纪90年代中期问世的。它是微电子技术、计算机技术和自动测试技术的结晶。目前，国际上已开发出多种智能温度传感器系列产品。这类仪器仪表大致可以分为两类：一类内含微处理器，称为“微机化仪表”，另一类，仪器本身与微型机在硬件结构上是分开的，但仪器本身由微型机控制进行数据采集与处理，成为智能化仪器。进入21世纪后，智能温度传感器正朝着高精度、多功能、总线标准化、高可靠性及安全性、开发虚拟传感器和网络传感器、研制单片测温系统等高科技的方向迅速发展。20世纪90年代中期最早推出的智能温度传感器，采用的是8位A/D转换器，其测温精度较低分辨力只能达到1℃。目前，国外已相继推出多种高精度、高分辨力的智能温度传感器，所用的是9～12位A/D转换器，分辨力一般可达0.5～0.0625℃。由美国DALLAS 半导体公司新研制的DS1624型高分辨力智能温度传感器，能输出13 位二进制数据，其分辨力高达0.03125℃，测温精度为±0.2℃。为了提高多通道智能温度传感器的转换速率，也有的芯片采用高速逐次逼近式A/D转换器。以AD7817型5通道智能温度传感器为例，它对本地传感器、每一路远程传感器的转换时间分别仅为27us、9us[11]。

国内现存温度传感器生产企业还处在低水平竞争形势下，技术素质、生产能力、生产规模都跟不上国际水平，价格战十分普遍，引发产品质量的下降。可见，产品质量、技术以及成本三方面的优化是国内企业在未来竞争中处于有利地位的重要因素。面对激烈的市场竞争，国内生产商应该通过各种方式降低生产成本，控制经营中的固定支出，在自主研发和技术改造上加强投入，提升综合竞争力水平。

2.2国内外MODBUS研究现状及分析

Modbus基于主站/从站方式连接智能设备，实现设备间的数据交换。Modbus通信几乎可通过任何物理介质实现，如电线、光纤、红外、射频、微波、卫星等，它还可通过不同网络进行互连，如以太网、ADSL、ISDN、PSTN、ATM、FR等，具有很强扩展能力。

为更好普及和推动Modbus在基于以太网上的分布式应用，目前施耐德公司已将Modbus协议的所有权移交给IDA（Interface for Distributed Automation，分布式自动化接口）组织，并成立了Modbus-IDA组织，为Modbus今后的发展奠定了基础。Modbus已经成为自控业界主流的通信协议。现在国际上关于Modbus的研究热点有基于Modbus通信协议与OPC服务器的研究等。国外Modbus总线技术的研究与应用已经比较健全。

20##年9月，中国国家标准化管理委员会发布了《基于Modbus协议的工业自动化网络规范》，包括Modbus应用协议、Modbus协议在串行链路上的实现指南和Modbus协议在TCP/IP上的实现指南[12]

3.系统整体目标

（1）温度测量范围：-50～100℃，测量误差：±0.5℃；

（2）自身要有温度指示；

（3）要有Modbus协议接口与网络上其它节点进行数据交换；

（4）至少支持上位机或其它节点以轮询方式获取该变送器的温度数据；

（5）微控制器等相关器件的选用要考虑经济性；

（6）系统可显示当前温度，人机界面良好；

4.主要研究内容

本系统从结构上分为上、下两级，第一级是下位机(即前端采集系统)；第二级是上位机。下位机由单片机、温度传感器等组成，其任务是完成测量点的温度测量与显示，并且通过Modbus串行通信的方式向上位机传送测量数据。整体结构如下图1所示。

 

   

系统的整体的工作过程如下：

当系统上电时，上位机发出的命令首先给下位机，下位机再根据此命令解释成相应时序信号直接控制相应设备。下位机不时读取设备状态数据（一般模拟量），转化成数字信号根据上位机的请求反馈给上位机。上位机通过modbus总线获知下位机变化后综合其它条件可发送相应的功能码给下位机，下位机接到功能码与自己进行匹配，匹配成功的下位机执行相应的操作。上位机节点发送功能代码经由Modbus总线查询各下位机从站状态，从站得到功能代码后执行相应操作。

考虑到成本、信号线的距离和电路的难易等因数，在下位机从站节点中，温度测量模块初步选定DS18B20来当温度传感器，其测温范围为-55℃～+125℃，符合要求。DS18B20采用美国DALLAS公司生产的DS18B20可组网数字温度传感器芯片封装而成。它的主要特性如下：

（1）独特的单线接口方式只需一个接口引脚即可通信；

（2）每一个DS18B20都有一个唯一的64位ROM序列码；

（3）在使用中不需要任何外围元件；

（4）可用数据线供电，电压范围:+3.0V-+5.5；

（5）测温范围:-55℃～+125℃在-10℃～+85℃范围内精度为+0.5℃分辨率为0.0625℃；

（6）通过编程可实现9-12位的数字读数方式。温度转换成12位数字信号所需时间最长为750ms，而在9位分辩模式工作时仅需93.75ms；

（7）用户可自设定非易失性的报警上下限值；

（8）用户可自设定非易失性的报警上下限值；

（9）多个DS18B20可以并联在惟一的三线上实现多点测温；

（10）电源极性接反时DS18B20不会因发热而烧毁但不能正常工作；

下位机的结构如图2所示。

本科开题报告

 图2   上位机结构

下位机的工作流程：电源模块为节点的各个组成部分供电，但是需要经过5V/3.3V的转换后才能为微处理器进行供电，DS18B20进行温度收集，通过输入端口进入数据缓冲器后进入微处理器进行数据处理。处理完的数据经过光耦（隔离节点和modbus总线防止电压不稳定或其它因素可能给节点带来的电危害）通过RS485收发器经由modbus总线传送给请求该数据的上位机。此外，还设置了液晶显示（使下位机也能够显示实时温度）、键盘（为了设定通信波特率）、程序储存器（为储存程序而设置）、复位电路（系统可能出现故障、问题，因此设置了系统复位电路）。

上位机的结构如图3所示

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图3   下位机结构

上位机的结构与下位机基本一致，不同在于将输入改为8路模拟量输入，之所以设计一个8路开模拟的输入是为了检测上位机自身的工作状况及使其能独立完成相对简单的工作。

基于系统各方面的功能，选择C8051F023单片机。它是Cygnal公司研制出的一种混合信号系统级单片机。其特点为：

（1）采用高速、流水线结构且与8051兼容的CIP-51内核（可达25 MIPS)；

（2）带有全速、非侵入式在系统调试接口(片内）；

（3）内含真正的10位C8051F023、100ksps的8通道ADC和PGA以及模拟多路开关；

（4）有两个12位DAC，并具有可编程数据更新方式；

（5）内含64 K字节可在系统编程的FLASH存储器以及4352(4096+256)字节的片内RAM ；

（6）带有可寻址64K字节地址空间的外部数据存储器接口；

（7）具有硬件实现的SPI、SMBus/I2C和两个UART串行接口；

（8）内含5个通用的16位定时器；

（9）具有5个捕捉/比较模块的可编程计数器/定时器阵列；

（10）带有片内看门狗定时器、VDD监视器等。

5.研究方案及进度安排，预期达到的目标

2012.12.17-2013.01.13：查阅文献，了解Modbus协议及了解温度测量仪器的发展现状；

2013.02.25-2013.04.21：系统分析，设计原理图及PCB；

2013.04.22-2013.05.19：硬件调试、编程；

2013.05.20-2007.06.30：整理资料、撰写论文。

6.为完成课题已具备和所需的条件和经费

具备条件：

（1）各种所需器件的中文资料；

（2）具有开发制作电路板的所有软件，如DPX、Keil uVision4、protel 99SE等；

（3）调制所需要的环境现场；

（4）制作调试基本电路板的工具、仪表；

所需经费：

（1）各种元器件的购买费用：约400元；

（2）制作出成型电路板的费用：约200元；

（3）其它费用：约400元；

共计：1000元。

7.预计研究过程中可能遇到的困难和问题，以及解决的措施

可能遇到的困难和问题：

1）绘制电路原理图的过程中可能会遇到元器件的选取和参数选定的问题；

2）在进行模拟仿真的过程中可能会遇到元器件的选取错误或连线上的错误而导致仿真失败或仿真结果不理想的问题；

3）绘制电路系统的PCB时，可能遇到排板布线不规范上的问题；

4）在制作出电路板后，可能遇到电路线路出错等问题，导致调试不出结果。

5）整体性能达不到预期的目标

解决的措施：

1）在选取元器件及设定参数之前，认真的查阅各元器件的资料，参考别人的元器件选择与参数设定；

2）将电路分为多个小模块，一个模块一个模块的认真检查，不放过每个小错误；

3）对于元器件的排板布线参照技术规范，合理地进行调整；

4）调试电路的每一个模块，看具体哪个方面出问题，找出并改正；

5）找出为什么性能达不到预期目标的原因，了解设计的不足之处；

参考文献

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