【正文】 ........................... 35 致 謝 ............................................................................................................................ 36 附 錄 ..................................................................................................................... 37 附錄 1：基于無線網(wǎng)絡(luò)的分布式電烤箱溫控系統(tǒng) 程序 清單 .................................. 38 附錄 2：基于無線網(wǎng)絡(luò)的分布式電烤箱溫控系統(tǒng)原理圖 ...................................... 46 附錄 3：基于無線網(wǎng)絡(luò)的分布式電烤箱溫控系統(tǒng) PCB圖 ...................................... 47 附錄 4： 基于無線網(wǎng)絡(luò)的分布式電烤箱溫 控系統(tǒng) 元器件清單 .............................. 48 鹽城工學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計說明書 （ 2021） 1 基于無線網(wǎng)絡(luò)的分布式電烤箱溫控系統(tǒng)設(shè)計 1. 課題研究的意義和內(nèi)容 本課題的意義 目前采用 PC 機與多臺以單片機系統(tǒng)為核心的智能儀表組成分布式測控系統(tǒng)在當(dāng)今的許多生產(chǎn)自動化領(lǐng)域已得到廣泛應(yīng)用， 分布式控制系統(tǒng)是在計算機監(jiān)督控制系統(tǒng)、直接數(shù)字控制系統(tǒng)和計算機多級控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，是生產(chǎn)過程的一種比較完善的控制與管理系統(tǒng)。 傳統(tǒng)的測試 系 統(tǒng)是在工控機或 PC 機上安裝相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集設(shè)備，就地進(jìn)行數(shù)據(jù)采集及測試分析 ，是一種單機小型本地化的測試系統(tǒng)。隨著現(xiàn)代科技及工業(yè)的發(fā)展，測試系統(tǒng)的發(fā)展趨勢是地域分散化、數(shù)據(jù)海量化、采集環(huán)境復(fù)雜化。 在越來越多的場合下，單機本地化的測試系統(tǒng)已不能滿足用戶的要求，由此發(fā)展出了分布式遠(yuǎn)程測試系統(tǒng)，其中心思想是 分布式的采集，集中化的分析管理，共享的數(shù)據(jù)資源 。測控市場需求也從以產(chǎn)品為中心轉(zhuǎn)向以客戶為中心，用戶需求從單純的測控產(chǎn)品轉(zhuǎn)向全面的測控系統(tǒng)集成解決方案。實現(xiàn)計算機技術(shù)、傳感器技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)與測控技術(shù)的有機結(jié)合，組建網(wǎng)絡(luò)化、集成化、分布式的測控系統(tǒng)，滿足測控系統(tǒng)集成項目的 市場需求，已成為現(xiàn)代測控領(lǐng)域極其重要的業(yè)務(wù)內(nèi)容。 在分布式控制系統(tǒng)中，按地區(qū)把微處理機安裝在測量裝置與控制執(zhí)行機構(gòu)附近，將控制功能盡可能分散，管理功能相對集中。這種分散化的控制方式能改善控制的可靠性，不會由于計算機的故障而使整個系統(tǒng)失去控制。當(dāng)管理級發(fā)生故障時，過程控制級（控制回路）仍具有獨立控制能力，個別控制回路發(fā)生故障時也不致影響全局。與計算機多級控制系統(tǒng)相比，分布式控制系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上更加靈活、布局更為合理和成本更低。 在工控數(shù)據(jù)采集業(yè)，環(huán)境條件惡劣、布線困難已經(jīng)成了一個普遍的問題。而采用無線傳輸技術(shù)當(dāng)然是 一個不錯的選擇，有利地解決了這些問題，并且還有高網(wǎng)絡(luò)容量、高實時性、低功耗等優(yōu)點 。 無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的實現(xiàn) ,徹底擺脫了有線的困擾 ,其數(shù)據(jù)傳輸通道具有較強的通用性 ,對交通運輸管理、安全監(jiān)控 ,工業(yè)測控、環(huán)境監(jiān)測以及國防技術(shù)均有相當(dāng)重要的借鑒價值。 隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展，單片微型計算機的功能也不斷增強，許多高性能的新型機種不斷涌現(xiàn)出來。單片機以其功能強、體積小、可靠性高、造價低和開發(fā)周期短等優(yōu)點，稱為自動化和各個測控領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用的器件，在工業(yè)生產(chǎn)中稱為必不可少的器件。在溫度控制系統(tǒng)中，單片機更是起到了不可替代的 核心作用。 基于單片機的無線分布式電烤箱溫控系統(tǒng) ,可對電烤箱溫度進(jìn)行測量、與高溫報警與控制，并具有鍵盤控制和無線通訊顯示功能，克服了現(xiàn)場環(huán)境惡劣、干擾強、功耗高等系列問題，真正將無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、單片機技術(shù)、傳感器技術(shù)和控制技術(shù)很好地融合一起，實現(xiàn)了智能、方便、安全的電烤箱爐溫控制系統(tǒng)。 基于無線網(wǎng)絡(luò)的分布式電烤箱溫控系統(tǒng)設(shè)計 2 課題的基本內(nèi)容 課題 設(shè)計了一種基于 STC89C52 單片機的 分布式 無線智能精密溫控系統(tǒng)，可對 多個 電烤箱溫度進(jìn)行測量、誤差修正、判定，傳感器故障與高溫報警，并具有鍵盤控制和無線通訊顯示功能。該系統(tǒng)采用了 熱電阻溫度傳感器 來對溫 度數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并把采集的信號直接送入單片機進(jìn)行處理，實時顯示溫度值，根據(jù)設(shè)定的參數(shù)來完成相應(yīng)的智能控制。 上位機發(fā)出控制信號，通過下載線傳輸給接收的單片機，再通過 NRF905 無線模塊傳送至現(xiàn)場，完成上位機的監(jiān)控和遠(yuǎn)程控制，同時上位機還可以記錄下溫度變化的歷史曲線和實時曲線。 通過 nRF905 無線發(fā)射模塊來進(jìn)行短距離在線控制。 NRF905 無線發(fā)射模塊在數(shù)據(jù)采集和傳輸過程中有低功耗，強抗于擾能力等優(yōu)點。 本 設(shè)計的系統(tǒng)功能完備，不但具有 溫度 數(shù)據(jù)采集無線傳輸和顯示功能，而且能夠直接進(jìn)行現(xiàn)場 和遠(yuǎn)程 控制，系統(tǒng)具有操作簡單 、工作可靠、人機交互界面友好、自動化程度高。經(jīng)實驗測試表明，該系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集精度高、數(shù)據(jù)傳輸準(zhǔn)確、很好地實現(xiàn)了 電烤箱溫度的 數(shù)據(jù)采集和控制 功能。 采用 熱電阻 對溫度進(jìn)行采集，并 將數(shù)據(jù)通過 A/D 轉(zhuǎn)換 傳給單片機，單片機帶有顯示模塊，可在現(xiàn)場顯示溫度，便于現(xiàn)場和終端的操作。用 NRF905 無線通信模塊將溫度數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)搅硪豢刂平K端，完成單片機和 PC 機的通信可實現(xiàn)對上位機的信號采集、實時監(jiān)控、歷史數(shù)據(jù)等操作，具有抗干擾性強等優(yōu)點。上位機軟件采用 VB軟件編程，生成可視化友好界面，方便操作，易于控制和維護(hù)。 設(shè)計 系統(tǒng) 主要 完成 以下工作 ： A、 設(shè)計 溫度測量和 A/D轉(zhuǎn)換電路 ； B、 設(shè)計數(shù)碼管顯示電路； C、 完成 NRF905 無線模塊的編程和應(yīng)用； D、 設(shè)計電器開關(guān)電路，用于控制電烤箱的開關(guān)來控制電烤箱的溫度； E、 設(shè)計高溫報警電路； F、 設(shè)計電源轉(zhuǎn)換電路，將 +5V 電源轉(zhuǎn)換為 + 電源供 NRF905 無線傳輸模塊使用； G、 設(shè)計上位機界面，并完成上位機的編程； H、 設(shè)計主程序，對單片機 STC89C52 進(jìn)行編程，完成最終控制功能。 通過對對各部分電路的設(shè)計，完成了系統(tǒng)對電烤箱溫度的采集和控制，同時記錄了溫度的變化曲線， 并且實現(xiàn)了系統(tǒng)操作 控制的人性化。 鹽城工學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計說明書 （ 2021） 3 2. 基于無線網(wǎng)絡(luò)的分布式電烤箱溫控 系統(tǒng)的總體設(shè)計 基于無線網(wǎng)絡(luò)的分布式電烤箱溫控 系統(tǒng)的組成 系統(tǒng)的組成框圖 本系統(tǒng)主要包括三個部分 ： 子站 、 主站和計算機數(shù)據(jù)處理軟件系統(tǒng) 。 子站以微控制器為核心 ， 主要完成信號調(diào)理 , A/D轉(zhuǎn)換 、 數(shù)據(jù)的存儲和傳輸?shù)裙δ?； 主站采用作為主控制器 ， 實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信與存儲 、 子站采樣頻率的設(shè)定調(diào)節(jié)以及相關(guān)數(shù)據(jù)信息的顯示與設(shè)定等功能 。 現(xiàn)場溫度傳感器輸出的信號經(jīng)信號調(diào)理電路后 ，經(jīng)放大電路和模數(shù)轉(zhuǎn)化， 送入單片機，并在其控制下完成存儲等工作 。 主站與子站通過無 線數(shù)傳模塊完成通信握手協(xié)議以及數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙ぷ?； 主站采集到的數(shù)據(jù)由 USB接 口進(jìn)入計算機 ， 交由軟件處理系統(tǒng)處理 。 系統(tǒng)原理如圖 21所示。 圖 21 系統(tǒng) 構(gòu)成 框架圖 主站以 STC89C52單片機作為主控制器 ， 包括無線數(shù)傳模塊 $存儲模塊 、 顯示及數(shù)據(jù)設(shè)定模塊和電平轉(zhuǎn)換模塊 ， 單片機選用 STC89C52,該單片機 一種低電壓、高性能CMOS 8位單片機，片內(nèi)含 8kbytes的可反復(fù)寫的 FlashROM和 128bytes的 RAM， 2個 16位定時計數(shù)器 在 STC89C52單片機中有 2 kB的 E2PROM存儲器，分 8個扇區(qū)，每 個扇區(qū) 512 B，擦寫次數(shù)可達(dá) 10萬次以上，寫 組 數(shù)據(jù)有效保存時間可達(dá) 100年 ， 高速、低功耗、新增在系統(tǒng) 中 應(yīng)用可編程 (ISP， IAP)功能，使不具有 E2PROM的單片機具有了 E2PROM的功能，可以在線對現(xiàn)場歷史數(shù)據(jù)的存儲功能 。 單片機通過串行接口引腳外接無線數(shù)傳溫度傳感器1信號調(diào)理電路單片機STC 89 C 52無線數(shù)據(jù)傳送模塊單片機STC 89 C 52顯示模塊無線數(shù)據(jù)傳送模塊計算機電烤箱 1溫度傳感器2信號調(diào)理電路單片機STC 89 C 52無線數(shù)據(jù)傳送模塊顯示模塊電烤箱 2溫度傳感器N信號調(diào)理電路單片機STC 89 C 52無線數(shù)據(jù)傳送模塊顯示模塊電烤箱 3基于無線網(wǎng)絡(luò)的分布式電烤箱溫控系統(tǒng)設(shè)計 4 模塊的發(fā)送和接收單元 ， 通過 MAX232電平轉(zhuǎn)換芯片接計算機的 USB接口 。 單片機的串行口同時接兩設(shè)置的串行口 ， 注意在使用時合理選用端口。 無線網(wǎng)絡(luò) 現(xiàn)在的許多通用單片機 (MCU)已經(jīng)把 USB、 CAN和以太網(wǎng)作為標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)集成在芯片內(nèi)部一樣，越 來越多的無線網(wǎng)絡(luò)芯片和無線網(wǎng)絡(luò)解決方案也在向集成方向發(fā)展。無線通訊技術(shù)給智能裝置的互連互通提供了便捷的途徑，工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)作為面向工業(yè)和家庭自動化的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)也正在向著智能，標(biāo)準(zhǔn)和節(jié)能方向發(fā)展。 本系統(tǒng)選用的是nRF905， 三頻段收發(fā)合一，工作頻率為國際通用的 ISM頻段 433/868/915MHz GMSK調(diào)制，抗干擾能力強，特別適合工業(yè)控制場合采用 DSS+PLL頻率合成技術(shù)，頻率穩(wěn)定性極好靈敏度高，達(dá)到 100dBm低工作電壓（ ），功耗小，待機狀態(tài)僅為 1uA，可滿足低功耗設(shè)備的要求最大發(fā)射功率達(dá) +10dBm具有多個頻道 (最多 170個以上 )，特別滿足需要多信道工作的特殊場合工作速率最高可達(dá) （僅 10個），基本無需調(diào)試由于采用了低發(fā)射功率、高接收靈敏度的設(shè)計，使用無需申請許可證，開闊地的使用距離與具體使用環(huán)境及元件參數(shù)有關(guān) ,最遠(yuǎn)可達(dá) 1000米。 其 適用于無線數(shù)據(jù)通信、無線報警及安全系統(tǒng)、無線開鎖、無線監(jiān)測、家庭自動化和玩具等諸多領(lǐng)域。 子站 的組成及工作原理 本文所設(shè)計的無線智能精密溫控系統(tǒng)的設(shè)計主要由 STC89C52，溫度傳感器DS18B20， LED顯示器 ，無線 nRF905模塊， 高溫報警 和 ISP串口通訊電路組成。系統(tǒng)原理框架圖如 上圖 圖 1所示。 溫度采集 單片機溫度轉(zhuǎn)換 STC89C52 nRF905 發(fā)送 /接收數(shù)據(jù) 溫度控制 參數(shù)調(diào)節(jié) 高溫報警 圖 22子站總體框架圖 電烤箱 溫度顯示 鹽城工學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計說明書 （ 2021） 5 圖為系統(tǒng)的總體設(shè)計結(jié)構(gòu)，用 溫度傳感器 DS18B20 直接 采集電烤箱溫度， 采集到的數(shù)據(jù)傳送給 單片機 STC89C52，后用 nRF905 無線發(fā)射模塊發(fā)送出去，控制端同樣采用 nRF905 模塊接收數(shù)據(jù)同時傳給單片機，單片機用控制繼電器的開關(guān)來實現(xiàn)對電烤箱溫度的 PID 控制和高溫報警等功能，采用 VB 進(jìn)行分布式電烤箱溫度控制系統(tǒng)監(jiān)控軟件設(shè)計 ， 從而達(dá)到設(shè)計目標(biāo)。 溫度傳感器 DS18B20 不 需外圍電路，內(nèi)部可直接編程，采集到的即為數(shù)字量，不需另行設(shè)計 A/D 轉(zhuǎn)換電路。 上位機軟件采用 編程，可完成數(shù)據(jù)在下位機和上位機之間的傳輸，和上位機的監(jiān)控和數(shù)據(jù)曲線分析等功能。 基于無線網(wǎng)絡(luò)的分布式電烤箱溫控系統(tǒng)設(shè)計 6 3. 基于無線網(wǎng)絡(luò)的分布式電烤箱溫控 系統(tǒng) 子站 的硬件設(shè)計 單片機最小系統(tǒng) 本系統(tǒng)主控芯片選用的是 由深圳宏晶公司代理銷售的 STC89C52 單片機 ， 、 是 由美國設(shè)計生產(chǎn)的 一種低電壓、高性能 CMOS 8 位單片機，片內(nèi)含 8kbytes 的可反復(fù)寫的 FlashROM 和 128bytes 的 RAM， 2 個 16 位定時計數(shù)器。 圖 31 STC89C52單片機部分電路結(jié)構(gòu)圖 STC89C52 單片機內(nèi)部主要包括累加器 ACC(有時也簡稱為 A)、程序狀態(tài)字PSW、地址指示器 DPTR、只讀存儲器 ROM、隨機存取存儲器 RAM、寄存器、并行 I/O 接口 P0~P定時器 /計數(shù)器、串行 I/O 接口以及定時控制邏輯電路等。這些部件通過內(nèi)部總線聯(lián)接起來，構(gòu)成一個完整的微型計算機。其管腳圖如圖 31 所示。STC89C52 單片機中除 P0 口以外其它的 I/O 端口內(nèi)部都設(shè)有 上拉電阻，上拉電阻的作用一是提高端口驅(qū)動能力，二是防止端口懸空 ， 提高系統(tǒng)穩(wěn)定性， PZ2 即為 P0 口的上拉電阻。 對于微型計算機而言，復(fù)位 RESET 是一項很重要的歸零調(diào)整操作。復(fù)位操作就是將高電平加到 RESET 引腳（第 9 腳）上，并保持時間超過兩個機器周期以上，也就是 2us。如圖 31， RESET 腳通過 SW 按鈕開關(guān)接到高電平上，用手按 SW開關(guān)，不管手多快都會超過 2us，換言之，只要按下 SW 開關(guān)，使 RESET 管腳成高電平，就一定會使系統(tǒng)復(fù)位。當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)入