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基于CAN的能源微藻培养监控系统的研制

作　者: 郭威
导　师: 蔡强
学　校: 杭州电子科技大学
专　业: 电路与系统
关键词: 生物柴油 能源微藻 协议转换器 CAN STM32F107 Kingview 6.53
分类号: TP277
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要


随着国民经济的飞速发展，人类也将面临石油资源的日益枯竭和环境保护两个重大问题，因此生物能源的开发日益受到人们的重视。微藻合成的油脂是一种极有前景的生物柴油原料，生物柴油产业化技术开发也成为目前国内外生物能源领域和CO2减排领域的研究热点。本课题研制了基于CAN总线的能源微藻培养监控系统，实现能源微藻培养这一生物过程中参数的在线检测和控制功能。该系统主要用于能源微藻培养过程的优化放大研究。针对能源微藻培养监控系统的具体要求，选用CAN总线构建主从式总线网络，研制了一种基于STM32F107来构建从节点的硬件设计方法。系统硬件主要由采集从节点、控制从节点、仪器从节点、协议转换器、监控主机和远程计算机等六大部分组成，采用了组态软件Kingview6.53开发主机监控软件功能。本论文的主要工作分成4个部分：监控系统总体方案设计、监控系统硬件设计、监控系统软件设计和系统调试。监控系统总体方案设计主要包括系统集成方案设计和监控系统中所使用的传感器和执行器的选型。选用了STM32F107作为采集从节点和控制从节点的控制核心，选用了组态软件Kingview 6.53来开发主机监控软件。针对采集从节点和控制从节点需要实现的功能要求，完成了采集从节点和控制从节点硬件电路的设计，主要包括STM32F107最小系统电路、电源电路、传感器信号调理电路、模拟通道切换电路、AD转换电路、光耦隔离控制电路、功率驱动电路、DA转换电路、0-5V电压采集电路和带隔离的CAN通信电路。在硬件架构的基础上，给出了监控系统软件总体结构。参考莫迪康公司的Modbus RTU协议规约，定义了监控系统通讯协议，能满足监控系统通信可靠性和扩展性的要求。从节点软件采用了模块化程序设计方法，采集从节点软件包括通道切换与AD转换程序、分段处理程序和CAN接收中断服务程序等，控制从节点包括CAN接收中断服务程序、DA输出刷新程序和开关量输出程序等。介绍了Kingview 6.53平台下监控软件开发流程，实现了系统概况显示、传感器标定、参数设置、实时曲线显示、数据库存储和Web发布功能。经调试结果表明：本监控系统可在波特率为9600bit/s下正常运行，有较高的稳定性和功能可扩展性，在生物能源领域中有较好的应用前景。

全文目录


摘要  5-6
ABSTRACT  6-11
第1章 绪论  11-17
  1.1 引言  11
  1.2 微藻生物柴油  11-13
    1.2.1 微藻生物柴油的优势  11-12
    1.2.2 微藻生物柴油的技术进展  12
    1.2.3 微藻生物柴油产业化存在的问题  12-13
  1.3 能源微藻培养监控系统研究现状  13-15
    1.3.1 基于 PLC 的发酵过程监控系统  13
    1.3.2 基于微控制器的发酵过程监控系统  13-14
    1.3.3 基于虚拟仪器的发酵过程监控系统  14
    1.3.4 基于工控机的发酵过程监控系统  14
    1.3.5 基于 DCS 的发酵过程监控系统  14-15
    1.3.6 基于现场总线技术的发酵过程监控系统  15
  1.4 课题研究意义与主要研究内容  15-17
    1.4.1 课题研究意义  15
    1.4.2 课题主要研究内容  15-17
第2章 监控系统总体设计  17-31
  2.1 引言  17
  2.2 能源微藻培养过程现场装置及参数控制指标  17-18
  2.3 监控系统总体设计  18-30
    2.3.1 系统集成方案设计  18-21
    2.3.2 系统总体结构设计  21-22
    2.3.3 采集从节点开发方案  22-25
    2.3.4 控制从节点开发方案  25-27
    2.3.5 仪器从节点开发方案  27
    2.3.6 协议转换器应用方案  27-28
    2.3.7 主机监控软件开发方案  28-30
  2.4 本章小结  30-31
第3章 监控系统硬件设计  31-44
  3.1 系统硬件平台总体结构设计  31-32
  3.2 采集从节点硬件设计  32-40
    3.2.1 STM32F107VB 最小系统  32-33
    3.2.2 供电电源电路  33-35
    3.2.3 传感器信号调理电路  35-39
    3.2.4 模拟通道切换电路  39
    3.2.5 AD 转换电路  39-40
    3.2.6 带隔离的 CAN 通信电路  40
  3.3 控制从节点硬件设计  40-43
    3.3.1 光耦隔离控制电路  41
    3.3.2 功率驱动电路  41-42
    3.3.3 D/A 转换电路  42-43
    3.3.4 0-5V 反馈信号调理电路设计  43
  3.4 本章小结  43-44
第4章 监控系统软件设计  44-66
  4.1 监控系统软件总体设计  44
  4.2 通讯协议的定义  44-47
  4.3 采集从节点软件设计  47-53
    4.3.1 采集从节点系统初始化  47
    4.3.2 采集从节点主程序  47-48
    4.3.3 通道切换与 AD 转换程序  48-50
    4.3.4 分段处理程序  50-52
    4.3.5 CAN 接收中断服务程序  52-53
  4.4 控制从节点软件设计  53-58
    4.4.1 控制从节点系统初始化  53-54
    4.4.2 控制从节点主程序  54-55
    4.4.3 CAN 接收中断服务程序  55
    4.4.4 DA 输出刷新程序  55-56
    4.4.5 开关量输出程序  56-57
    4.4.6 片内 AD 转换程序  57-58
  4.5 监控主机软件设计  58-65
    4.5. 1 Kingview6.53 平台下的软件开发流程  58-60
    4.5.2 系统概况界面  60-61
    4.5.3 传感器标定界面  61-62
    4.5.4 参数设置界面  62
    4.5.5 实时曲线显示界面  62-63
    4.5.6 过程参数数据库功能  63
    4.5.7 Web 发布功能  63-65
  4.6 本章小结  65-66
第5章 系统调试  66-69
  5.1 系统实验平台搭建  66
  5.2 基本调试步骤  66-67
  5.3 实验室调试  67-69
    5.3.1 硬件调试  67
    5.3.2 软件调试  67-68
    5.3.3 整体调试  68-69
第6章 总结与展望  69-70
  6.1 总结  69
  6.2 展望  69-70
致谢  70-71
参考文献  71-74
附录  74-75
详细摘要  75-81

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 自动化技术及设备 > 自动化系统 > 监视、报警、故障诊断系统
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