大學(xué)電氣學(xué)院自動(dòng)化測試與控制系1001101班

1、智能溫控系統(tǒng)哈爾濱工業(yè)大學(xué) 自動(dòng)化測試與控制系 1001101班2013年12月智能儀器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)報(bào)告流程程1.設(shè)計(jì)任務(wù)和設(shè)設(shè)計(jì)要求2.總體方案論證證與選擇3.硬件電路設(shè)計(jì)4.系統(tǒng)軟件件設(shè)計(jì)5.智能儀器器的誤差分分配與分析6.組裝與調(diào)試7.改進(jìn)意見見及未來來的設(shè)計(jì)計(jì)方向21.設(shè)計(jì)任務(wù)和設(shè)設(shè)計(jì)要求1.1功能描述述智能溫控控系統(tǒng)一一般應(yīng)用用于企事事業(yè)單位位辦公樓樓、學(xué)校校、商場場、醫(yī)院院、賓館等場所使用用。其主要作作用是實(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)房房間（區(qū)區(qū)域）的的溫度集集中管控控或網(wǎng)絡(luò)絡(luò)遠(yuǎn)程監(jiān)監(jiān)控，以在達(dá)達(dá)到控制制要求的的前提下下減少能能源浪費(fèi)費(fèi)。本次設(shè)計(jì)的智智能溫控系統(tǒng)統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)實(shí)時(shí)測測量現(xiàn)場溫度度，

2、并根據(jù)溫度度情況和和手動(dòng)按按鍵設(shè)置置或遠(yuǎn)程程設(shè)置方式式調(diào)節(jié)現(xiàn)場溫度度，其中中人為設(shè)置置可通過過操作按按鍵完成成。此外，系統(tǒng)還具有溫溫度超限限聲光報(bào)警功能。31.設(shè)計(jì)任務(wù)和設(shè)設(shè)計(jì)要求1.2主要技術(shù)指標(biāo)(1) 溫度控制范圍530(2) 溫度調(diào)節(jié)精度1(3) 溫度設(shè)置顯示方式4 位 LED 數(shù)碼管(4) 實(shí)時(shí)溫度顯示方式4 位 LED 數(shù)碼管(5) 控制方式PID(6) 報(bào)警功能上限，下限聲光報(bào)警(7) 控制輸出繼電器觸點(diǎn)控制加熱與冷卻電路(8) 電源220V 交流電源(9) 遠(yuǎn)程接口RS232 / RS485/其他接口42.總體方案論證證與選擇擇2.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)構(gòu)框圖52.總體方案論證證與選擇擇2.

3、2控制器的的選擇(1)采用STC89C54RD+單片機(jī)。STC89C54RD+單片機(jī)是是臺(tái)灣宏宏晶公司司推出的的抗干擾擾，高速速，高可可靠性，低功耗耗的微控控制器，其編程程語言完完全兼容容傳統(tǒng)8051單片機(jī)。(2)采用ATmega16單片機(jī)。ATmega16單片機(jī)是是基于增增強(qiáng)的AVRRISC結(jié)構(gòu)的低低功耗8位CMOS微控制器器。片內(nèi)內(nèi)具有16K可編程Flash，8路10位ADC，四通道道PWM，功能強(qiáng)強(qiáng)大，開開發(fā)成本較低。62.總體方案論證證與選擇擇2.2控制器的的選擇(續(xù))(3)采用基于于ARM的嵌入式式處理器器。ARM處理器是是Acorn計(jì)算機(jī)有有限公司司面向低低預(yù)算市市場設(shè)計(jì)計(jì)的第一一

4、款RISC微處理器器。ARM處理器本本身是32位設(shè)計(jì)，但也配配備16位指令集集。對(duì)于一般般的測控控應(yīng)用，嵌入式式處理器器的性能能過剩，成本較較高；考考慮到任任務(wù)時(shí)間間要求，選用方案案(1)。72.總體方案論證證與選擇擇2.3溫度傳感感器的選選擇(1)采用金屬屬熱電偶偶傳感器。熱電偶偶的測溫溫范圍很很廣，但但是靈敏敏度比較低，容易受到到環(huán)境干干擾信號(hào)號(hào)的影響響，因此不適合測測量微小小的溫度度變化；同同時(shí)熱電電偶的價(jià)價(jià)格比較較昂貴，且需要要冷端補(bǔ)補(bǔ)償，不不適合低低成本、小規(guī)模模的測溫溫系統(tǒng)。(2)采用熱電電阻傳感感器。熱熱電阻測測溫是基基于金屬屬導(dǎo)體的的電阻值值隨溫度度的增加加而增加加這一特特性來

5、進(jìn)進(jìn)行溫度度測量的的。在溫溫度檢測測精度要要求比較較高的場場合，這這種傳感感器比較較適用。但是該該傳感器器需使用用三線制制接法的的測量電電路，增增加了電電路的復(fù)復(fù)雜性。82.總體方案論證證與選擇擇2.3溫度傳感感器的選選擇(續(xù))(3)采用集成成溫度傳傳感器。集成溫溫度傳感感器分為為模擬式式和數(shù)字字式兩種種。后者者與數(shù)字字控制器器的電路路連接更更簡單、應(yīng)用成成本比較較低。綜上分析析，選擇擇方案(3)。數(shù)字式集集成溫度度傳感器器選擇工工業(yè)上被被廣泛使使用的DS18B20。它的測測溫范圍圍為-55+125，測溫溫精度0.5，分辨辨率可選選擇912位。并且且它無需需任何外外部器件件，僅需需要一個(gè)個(gè)端口

6、即即可進(jìn)行行通訊。能夠滿滿足系統(tǒng)統(tǒng)的要求求。92.總體方案論證證與選擇擇2.4加熱、降降溫執(zhí)行行機(jī)構(gòu)的的選擇加熱/降溫主要要是通過過控制加加熱器加加熱/控制風(fēng)扇扇轉(zhuǎn)動(dòng)以以達(dá)到升升溫/降溫的目目的。溫溫度的上上升或下下降具有有一定的的慣性，因此要要想達(dá)到到精度較較高的溫溫控效果果必須要要設(shè)計(jì)相相應(yīng)的控控制電路路。傳統(tǒng)統(tǒng)的加熱熱/降溫執(zhí)行行機(jī)構(gòu)可可能采用用電磁繼繼電器作作為開關(guān)關(guān)元件，其缺點(diǎn)點(diǎn)是壽命命短、開開關(guān)速度度慢、溫溫度變化化慣性大大，難以以滿足工工藝要求求。本系系統(tǒng)采用用固態(tài)繼繼電器(SolidStateRelay，SSR)作為加熱熱/降溫執(zhí)行行機(jī)構(gòu)的的開關(guān)元元件，它它具有壽壽命長、可靠性

7、性高、開開關(guān)速度度快、電電磁干擾擾小、無無噪聲、無火花花等特點(diǎn)點(diǎn)。102.總體方案論證證與選擇擇2.4加熱、降降溫執(zhí)行行機(jī)構(gòu)的的選擇(續(xù))要達(dá)到較較好的溫溫控效果，風(fēng)風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速和和通過加加熱器的的電流大大小應(yīng)能能發(fā)生改變，即即功率可調(diào)調(diào)。采用用可控硅硅實(shí)現(xiàn)交交流調(diào)功功時(shí)通常常有2種方法：一一種是改變變負(fù)載電電壓波形形的導(dǎo)通通角，即調(diào)調(diào)相調(diào)功功；另一種是是負(fù)載電電壓波形形不變而而改變其其電壓波波形在時(shí)時(shí)間段內(nèi)內(nèi)的出現(xiàn)現(xiàn)次數(shù)，即即PWM脈沖調(diào)功功。PWM脈沖調(diào)功功采用過過零觸發(fā)發(fā)。由于于過零觸觸發(fā)方式式不對(duì)電電網(wǎng)造成成嚴(yán)重污污染和干干擾其它它用電設(shè)備，是是應(yīng)用較為為廣泛的的一種方法，因因此本系統(tǒng)采

8、采用PWM調(diào)功。112.總體方案論證證與選擇擇2.5報(bào)警電路路本系統(tǒng)采采用蜂鳴鳴器作為為聲音報(bào)報(bào)警電路，它由晶體管管和蜂鳴鳴器組成成。采用用發(fā)光二二極管作作為系統(tǒng)統(tǒng)異常顯示，它它由紅、綠綠發(fā)光二二極管及及限流電電阻構(gòu)成成。單片片機(jī)工作作在正常常情況下下時(shí)，綠色發(fā)光光二極管管點(diǎn)亮，蜂鳴器不發(fā)聲。當(dāng)溫度度測量值值超出給給定的上上、下下限或者者系統(tǒng)出出現(xiàn)低電電壓時(shí)，控制制蜂鳴器器和二極極管輸出出而區(qū)分系統(tǒng)統(tǒng)是否異常常。122.總體方案論證證與選擇擇2.6接口電路(1)采用RS485接口進(jìn)行行通訊。它是一一種極為為經(jīng)濟(jì)并并具有相相當(dāng)高的的噪聲抑抑制、傳傳輸速率率、傳輸輸距離和和寬共模模范圍的的工作平平

9、臺(tái)。最最大電纜纜長度100m，最大傳傳輸速率率100Mbps。(2)采用RS232接口進(jìn)行行通訊。RS232是目前最最常用的的串行接接口標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)，適用用于設(shè)備備之間通通信距離離不大于于15m，速度不不高于20kbps的場合中中。132.總體方案論證證與選擇擇2.6接口電路(續(xù))(3)采用CAN總線進(jìn)行行通訊。CAN總線是國國際上應(yīng)應(yīng)用最廣廣的現(xiàn)場場總線之之一，具具有突出出的可靠靠性、實(shí)實(shí)時(shí)性和和靈活性性。通信信距離最遠(yuǎn)遠(yuǎn)可達(dá)10km(速率低于于5Kbps)，速率可達(dá)到1Mbps(通信距離離小于40m)。綜合考慮方案案的成本本、實(shí)現(xiàn)現(xiàn)的難易易程度和和項(xiàng)目的的具體要要求，選選擇方案案(1)。142.

10、總體方案論證證與選擇擇2.7控制算法分析析本控制系系統(tǒng)中使用的是數(shù)字PID控制器。PID控制器是一種線線性控制器，它將設(shè)定值值與測量量值之間間偏差的的比例、積積分、微微分通過過線性組合合構(gòu)成控控制量，對(duì)被控對(duì)象象進(jìn)行控制。它它可分為位置置式PID算法和增量式PID算法。由由于位置式算法要要累加偏偏差，不不僅要占占用較多多的存儲(chǔ)儲(chǔ)單元，而且不不便于編編程序；而增量式算法算算式中不不需要累加，控控制增量量u(k)的確定僅與與最近若干次采樣值值有關(guān)，所以較較容易獲獲得比較好的的控制效果果，故選選用增量式PID控制算法法。經(jīng)典典的數(shù)字PID增量型算式為為152.總體方案論證證與選擇擇162.總體方案論

11、證證與選擇擇2.8電源系統(tǒng)統(tǒng)系統(tǒng)的輸輸入電源源是AC220V，需要供供電的電電路模塊塊有：17單片機(jī)+5V，GND顯示電路鍵盤輸入電路報(bào)警電路加熱/降溫執(zhí)行機(jī)構(gòu)電路通信接口 RS485 電路2.總體方案論證證與選擇擇2.8電源系統(tǒng)統(tǒng)(續(xù))由上表可可見，系系統(tǒng)的供供電要求求比較單單一。為為方便設(shè)設(shè)計(jì)，直直接采用用220VAC-5VDC的開關(guān)穩(wěn)穩(wěn)壓電源源模塊。183.硬件電路設(shè)計(jì)3.1單片機(jī)最最小系統(tǒng)統(tǒng)193.硬件電路設(shè)計(jì)3.2顯示電路路203.硬件電路設(shè)計(jì)3.3鍵盤輸入入電路21STC89C54RD+單片機(jī)P1口是三態(tài)態(tài)門，內(nèi)內(nèi)部具有有上拉電電阻，但但是考慮慮到工業(yè)業(yè)應(yīng)用中中儀器附附近的電電磁環(huán)

12、境境比較復(fù)復(fù)雜，為為了增強(qiáng)強(qiáng)矩陣鍵鍵盤的抗抗干擾能能力，防防止誤動(dòng)動(dòng)作，行線通過過上拉電電阻接到到+5V。使用掃描描法和中斷掃描描方式讀取取矩陣鍵鍵盤的輸輸入數(shù)據(jù)據(jù)。一旦旦有按鍵鍵按下，與門的輸出將將會(huì)出現(xiàn)現(xiàn)低電平平，觸發(fā)發(fā)中斷。3.硬件電路設(shè)計(jì)3.4報(bào)警電路路22其中聲音音報(bào)警發(fā)發(fā)音元件件可采用壓電電蜂鳴器，其結(jié)構(gòu)構(gòu)簡單、耗耗電少，更適于在在單片機(jī)機(jī)系統(tǒng)中中應(yīng)用。當(dāng)在蜂鳴器器兩引腳上加315V直流工作電壓壓，就能產(chǎn)生3kHz左右的蜂鳴振蕩音響響。P2.2接三極管基基極輸入入端，當(dāng)P2.2輸出高電平時(shí)，三極管導(dǎo)通，蜂鳴器的通電而而發(fā)音，當(dāng)當(dāng)P2.2輸出低電平時(shí)，三極管截截止，蜂鳴器停止發(fā)音音。

13、3.5加熱/降溫執(zhí)行行機(jī)構(gòu)電電路3.硬件電路設(shè)計(jì)23使用光耦隔離，避免輸輸出部分分電源變變化對(duì)單單片機(jī)電電源的影影響。過零型交流SSR，能防止止大功率率器件對(duì)對(duì)電網(wǎng)的的高次諧諧波干擾擾。當(dāng)加在固固態(tài)繼電電器交流流兩端的的電壓峰峰值超過過SSR所能承受受的最高高電壓峰峰值時(shí)，固態(tài)繼繼電器內(nèi)內(nèi)的元件件便會(huì)被被電壓擊擊穿而造造成SSR損壞，選選取合適適的電壓壓等級(jí)和和并聯(lián)壓壓敏電阻阻可以較較好地保保護(hù)SSR。一般220V系列SSR可選取500V-600V的壓敏電阻。由于負(fù)載載為感性性電路，在開關(guān)關(guān)時(shí)會(huì)產(chǎn)產(chǎn)生很高高的浪涌涌電壓。故使用用瞬態(tài)電電壓二極極管(TVS)進(jìn)行保護(hù)護(hù)。當(dāng)TVS二極管的的兩極受受

14、到反向向瞬態(tài)高高能量沖沖擊時(shí)，它能以以10-12次方秒量級(jí)級(jí)的速度度，將其其兩極間間的高阻阻抗變?yōu)闉榈妥杩箍梗帐崭哌_(dá)數(shù)數(shù)千瓦的的浪涌功功率，使使兩極間間的電壓壓箝位于于一個(gè)預(yù)預(yù)定值。3.硬件電路設(shè)計(jì)3.6通信接口口電路24設(shè)計(jì)中可以考考慮采用用高速光光耦，如如6N137、6N136等芯片，也可以以優(yōu)化普通光耦電路路參數(shù)的的設(shè)計(jì)，使之能能工作在在最佳狀狀態(tài)。例例如：電電阻R23、R28如果選取得較較大，將將會(huì)使光耦的發(fā)發(fā)光管由由截止進(jìn)進(jìn)入飽和和變得較較慢；如選取得過小，退出飽飽和也會(huì)會(huì)很慢，所以這這兩只電阻的數(shù)數(shù)值要精精心選取。通通?？梢杂蓪?shí)實(shí)驗(yàn)來定定?？紤]到未未來系統(tǒng)統(tǒng)可能擴(kuò)擴(kuò)展到多多個(gè)傳

15、感感器的情情況，主主機(jī)與分機(jī)相相隔較遠(yuǎn)遠(yuǎn)，而分機(jī)系統(tǒng)上電或復(fù)復(fù)位又常常常不在在同一個(gè)個(gè)時(shí)刻完完成。如如果在此此時(shí)某個(gè)MAX487的DE端電位為1，那么它的485總線輸出出將會(huì)處處于發(fā)送送狀態(tài)，也就是是占用了了通信總總線，這這樣其它它的分機(jī)機(jī)就無法法與主機(jī)進(jìn)行通信信。這種種情況尤尤其表現(xiàn)現(xiàn)在某個(gè)個(gè)分機(jī)出出現(xiàn)異常常情況下，會(huì)使整個(gè)系系統(tǒng)通信崩潰潰。因此此在電路設(shè)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)保證證系統(tǒng)上上電復(fù)位位時(shí)MAX487的DE端電位為0。由于單單片機(jī)在在復(fù)位后，I/O口輸出高高電平，這樣就就解決了了復(fù)位期期間分機(jī)機(jī)“咬”總線的的問題。輸出電路路的設(shè)計(jì)計(jì)要充分分考慮到到線路上上的各種種干擾及及線路特特性阻抗抗的匹

16、配配。由于于工程環(huán)環(huán)境比較復(fù)雜，現(xiàn)現(xiàn)場常有有各種形形式的干干擾源，所以485總線的傳傳輸端一一定要加加有保護(hù)護(hù)措施。在電路設(shè)計(jì)中采采用穩(wěn)壓壓管D1、D2組成的吸吸收回路路，也可可以選用用能夠抗抗浪涌的的TVS瞬態(tài)雜波波抑制器件，或者直直接選用用能抗雷雷擊的485芯片。在應(yīng)用系系統(tǒng)工程程的現(xiàn)場場施工中中，由于于通信載載體是雙絞線，它的特性阻阻抗為120左右，所以線路設(shè)計(jì)計(jì)時(shí)，在在RS-485網(wǎng)絡(luò)傳輸輸線的始始端和末末端各應(yīng)應(yīng)接1只120的匹配電阻，以以減少線路路上傳輸輸信號(hào)的的反射。3.硬件電路設(shè)計(jì)3.6通信接口口電路25考慮到線線路的特特殊情況況（如某某一臺(tái)分分機(jī)的485芯片被擊擊穿短路路），

17、為為防止總總線中其其它分機(jī)的通信受受到影響響，在485信號(hào)輸出出端串聯(lián)聯(lián)了兩個(gè)個(gè)20的電阻R21、R22。這樣本機(jī)機(jī)的硬件故障就不不會(huì)使整整個(gè)總線線的通信信受到影影響。由于RS-485芯片的特特性，接接收器的的檢測靈靈敏度為為200mV，即差分分輸入端端VA-VB+200mV，輸出邏邏輯1，VAVB200mV，輸出邏邏輯0；而A、B端電位差差的絕對(duì)對(duì)值小于于200mV時(shí)，輸出為為不確定定。如果果在總線線上所有有發(fā)送器器被禁止止時(shí)，接接收器輸輸出邏輯輯0，這會(huì)誤誤認(rèn)為通信幀的起始始引起工工作不正正常。解解決這個(gè)個(gè)問題的的辦法是是人為地地使A端電位高高于B端電位，這樣RXD的電平在在485總線不發(fā)

18、發(fā)送期間間（總線線懸浮時(shí)時(shí)）呈現(xiàn)現(xiàn)唯一的的高電平，單片機(jī)就不會(huì)被被誤中斷而收到亂亂字符。通過在在485電路的A、B輸出端加加接上拉拉、下拉電阻阻R18、R20，即可很好好地解決這個(gè)問題題。4.系統(tǒng)軟件件設(shè)計(jì)4.1軟件流程程圖26主程序框框圖4.系統(tǒng)軟件件設(shè)計(jì)4.1軟件流程程圖27按鍵處理理程序框框圖4.系統(tǒng)軟件件設(shè)計(jì)4.1軟件流程程圖28按鍵狀態(tài)態(tài)圖4.系統(tǒng)軟件件設(shè)計(jì)4.1軟件流程程圖29按鍵狀態(tài)態(tài)表狀態(tài)鍵功能下態(tài)動(dòng)作（子程序）011SUB122SUB238SUB810-92SUB2BACK0SUB020-93SUB3BACK0SUB030-94SUB4BACK2SUB240-95SUB5BA

19、CK2SUB250-96SUB6BACK2SUB26ENTER7SUB77BACK0SUB080-98SUB8BACK0SUB0SUB0：讀取溫度并顯示在LED顯示屏上SUB1：屏幕自檢，所有二極管點(diǎn)亮SUB2：等待輸入十位溫度值SUB3：等待輸入個(gè)位溫度值SUB4：等待輸入十分位溫度值SUB5：等待確認(rèn)溫度值SUB6：提示再次確認(rèn)SUB7：運(yùn)行預(yù)設(shè)PID程序，開始調(diào)節(jié)溫度SUB8：鍵盤自檢，按下任意數(shù)字鍵顯示在LED上4.系統(tǒng)軟件件設(shè)計(jì)4.1軟件流程程圖30串口通信信4.系統(tǒng)軟件件設(shè)計(jì)4.2上位機(jī)軟軟面板315.智能儀器器的誤差分分配與分分析根據(jù)DS18B20的數(shù)據(jù)手手冊(cè)，其其測量精精度為0.5，分辨辨率可達(dá)達(dá)0.0625。如果果PID參數(shù)設(shè)定定合理，理論上上可以達(dá)達(dá)到設(shè)計(jì)計(jì)要求中中1的控制制精度。326.組裝與調(diào)試PWM波形仿真真336.組裝與調(diào)試總電路圖圖347.改進(jìn)意見見及未來來的設(shè)計(jì)計(jì)方向7.1組成傳感感器網(wǎng)絡(luò)RS485支持多點(diǎn)連接接，允許創(chuàng)創(chuàng)建多達(dá)達(dá)32個(gè)節(jié)點(diǎn)的的網(wǎng)絡(luò)(某些驅(qū)動(dòng)動(dòng)器模塊塊可增加加至128個(gè))，用于多站互連連時(shí)，便于組建建成本低低廉、 可靠靠性高及及分布范范圍較廣廣的總線網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)。357.改進(jìn)意見見及未來來的設(shè)計(jì)計(jì)方向7.1組成傳感感器網(wǎng)絡(luò)(續(xù))由于485總線是一一種