【正文】 ................... 30 通訊程序 ........................................................... 30 組態(tài)王監(jiān)控界面設(shè)計 ................................................. 34 5 系統(tǒng)調(diào)試 ......................................................... 36 硬件部分調(diào)試 ....................................................... 36 軟件部分調(diào)試 ....................................................... 37 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 3 6 總結(jié) ............................................................ 38 參考文獻(xiàn) ........................................................... 40 致謝 .............................................................. 41 附錄 A 電氣原理圖 ................................................... 42 附錄 B 主要程序 ..................................................... 42 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 1 1 緒 論 溫度在現(xiàn)代社會中成為一個很重要的物理量，人們可以根據(jù)溫度來調(diào)節(jié)個人的生活行為，氣象工作者可以根據(jù)溫度變化范圍來提供可靠的天氣預(yù)報。在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，人們根據(jù)溫度值來調(diào)節(jié)生產(chǎn)過程。因此，準(zhǔn)確的溫度測量和控制在現(xiàn)代化的社會生產(chǎn)中具有重要的研究意義。 課題背景及現(xiàn)狀 溫度測量方面 溫度是與人們的生產(chǎn)生活密切相關(guān)的一個物理 ,因此產(chǎn)生了各種各樣的溫度測方法，在工業(yè)領(lǐng)域內(nèi) ,對溫度的測控十分廣泛。在很多工業(yè)應(yīng)用的 場合下，環(huán)境非常惡劣，人工直接操作儀表很不現(xiàn)實 ,采用有線數(shù)據(jù)通信的方式也有限制，在數(shù)據(jù)記錄上也需要人工抄寫，因此需要一種無線隔離的操作方式。溫度作為在生產(chǎn)、科研、生活中需要測量和控制的重要物理量，其測量控制一般采用各式各樣形態(tài)的溫度傳感器。根據(jù)它們在訊號輸出方式的不同，可以把它們分為模擬溫度傳感器、數(shù)字溫度傳感器和智能溫度傳感器。 （ 1）模擬溫度傳感器 模擬溫度傳感器有多種輸出方式（絕對溫度、攝氏溫度和華氏溫度）以及電壓偏移值。后者讓組件在使用單電源的情形下就能對負(fù)溫度值進(jìn)行檢測。模擬溫度傳感器的輸出還可 以送到比較器來產(chǎn)生超溫指示信號，或直接送到模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器的輸入，用來顯示實時溫度數(shù)據(jù)。模擬溫度傳感器適合需要低成本、小體積和低功耗的應(yīng)用。另一種是溫度開關(guān)或邏輯輸出傳感器，這種傳感器會在溫度超過某個默認(rèn)值時輸出特定的邏輯訊號。而這個觸發(fā)點（限制值）可以預(yù)設(shè)，因此，這類組件讓設(shè)計更加簡單，成本也更低。它的典型應(yīng)用如關(guān)閉系統(tǒng)電源，啟動風(fēng)扇、空調(diào)、加熱器等。 （ 2）數(shù)字溫度傳感器 對于更緊密控制能力、更高精度和更大分辨率的需求帶動了數(shù)字溫度傳感器的發(fā)展。被測溫度信號從敏感元件接收的非電量到轉(zhuǎn)換為微處理器可處理的數(shù) 字信號，環(huán)節(jié)較多，而且模擬信號在長距離傳輸?shù)倪^程中，受到干擾較多、誤差較大。因此，從非電量轉(zhuǎn)換到數(shù)字信號，一般將其處理過程集成在單片 IC 器件體內(nèi)部，這樣就形成了功能強(qiáng)大、精確的數(shù)字溫度傳感器。數(shù)字溫度傳感器能夠直接讀取被測物體的溫度值，而且體積小，電壓適用范圍寬 3V～ 5V,用戶還可以通過編程實現(xiàn) 9～ 12位的溫度讀數(shù)，即具有可調(diào)的溫度分辨率。 （ 3）智能溫度傳感器 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 2 其特點是能輸出溫度數(shù)據(jù)及相關(guān)溫度控制量，匹配相應(yīng)的微控制器（ MCU） ，并且它是在硬件的基礎(chǔ)上通過軟件實現(xiàn)測試功能的，其智能化程度也取決于軟件的開發(fā) 水平。 在 20世紀(jì) 90 年代最早推出的智能溫度傳感器，采用的是 8 為 A/D 轉(zhuǎn)換器，其測溫精度較低，分辨率只能達(dá)到 1℃。目前，國外已相繼推出多種高精度、高分辨率的智能溫度傳感器，所用的是 9～ 12位的 A/D 轉(zhuǎn)換器，分辨率一般可達(dá) ～ ℃。智能溫度傳感器的總線技術(shù)也實現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化，所采用的總線主要有單線（ 1Wire）總線、 I2C 總線、 SMBUS 總線和 SPI 總線。溫度傳感器作為從機(jī)可通過專用總線接口和主機(jī)進(jìn)行通信。 溫度 控制 方面 現(xiàn)代社會中，人們對控制的要求更加嚴(yán)格，需要控制系統(tǒng)朝著快、 準(zhǔn)、穩(wěn)的方向發(fā)展。溫度測量方法的發(fā)展和技術(shù)的創(chuàng)新，使得人們對溫度的測量更加準(zhǔn)確和方便。在社會生產(chǎn)許多場合，只有對溫度的精確的測量，才能保證精確的控制。多點溫度測控系統(tǒng)未來的發(fā)展前景也將十分廣闊， 溫 度 測控技術(shù)的發(fā)展趨勢隨著傳感技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)和自動控制技術(shù)的不斷發(fā)展，計算機(jī)的應(yīng)用將由簡單的以數(shù)據(jù)采集處理和監(jiān)測，逐步轉(zhuǎn)向以知識處理和應(yīng)用為主。除了硬件控制設(shè)備 的 不斷完善，軟件系統(tǒng)的研制開發(fā) 也 將不斷深入完善，其中主要以專家系統(tǒng)為代表的智能管理系統(tǒng)已取得了不少研究成果。近 些 年來神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法、模糊推理等人工智能技 術(shù)在 溫度測控領(lǐng)域 得到了不同程度的應(yīng)用。 此外， 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 方法 采用黑箱方法能把復(fù)雜的系統(tǒng)通過有限的參數(shù)進(jìn)行表達(dá) ， 但神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法也存在著明顯的缺陷，即需要大量的歷史資料，否則在進(jìn)行外推和演繹時可靠性明顯降低。 隨著網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)的發(fā)展，地區(qū)之間甚至跨國之間可以通過互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制和管理。我國土地遼闊，氣候復(fù)雜， 工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)達(dá) ， 但是整體 水平較低，利用現(xiàn)代化網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)行在線和離線 溫度測控服務(wù) ，從長遠(yuǎn)看是未來的發(fā)展趨勢所在 。 研究意義 溫度控制系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于社會生活的各個領(lǐng)域 ,如家電、汽車、材料、電力電子等 ,常 用的控制電路根據(jù)應(yīng)用場合和所要求的性能指標(biāo)有所不同 , 在工業(yè)企業(yè)中 ,如何提高溫度控制對象的運(yùn)行性能一直以來都是控制人員和現(xiàn)場技術(shù)人員努力解決的問題。這類控制對象慣性大 ,滯后現(xiàn)象嚴(yán)重 ,存在很多不確定的因素 ,難以建立精確的數(shù)學(xué)模型 ,從而導(dǎo)致控制系統(tǒng)性能不佳 ,甚至出現(xiàn)控制不穩(wěn)定、失控現(xiàn)象。傳統(tǒng)的繼電器調(diào)溫電路簡單實用 ,但由于繼電器動作頻繁 ,可能會因觸點不良而影響正常工作?？刂祁I(lǐng)域還大量采用傳統(tǒng)的 PID控制方式 ,但 PID控制對象的模型難以建立 ,并且當(dāng)擾動因素不明確時 ,河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 3 參數(shù)調(diào)整不便仍是普遍存在的問題。而采用數(shù)字 溫度傳感器 DS18B20，因其內(nèi)部集成了A/D 轉(zhuǎn)換器，使得電路結(jié)構(gòu)更加簡單，而且減少了溫度測量轉(zhuǎn)換時的精度損失，使得測量溫度更加精確。數(shù)字溫度傳感器 DS18B20 只用一個引腳即可與單片機(jī)進(jìn)行通信，大大減少了接線的麻煩，使得單片機(jī)更加具有擴(kuò)展性。由于 DS18B20 芯片的小型化，更加可以通過單跳數(shù)據(jù)線就可以和主電路連接，故可以把數(shù)字溫度傳感器 DS18B20 做成探頭，探入到狹小的地方，增加了實用性。 更能串接多個數(shù)字溫度傳感器 DS18B20 進(jìn)行范圍的溫度檢測。 此外，采用單片機(jī)作為核心器件，它有體積小、重量輕、價格 便宜、功耗低，控制功能強(qiáng)及運(yùn)算速度快等特點，在國家經(jīng)濟(jì)建設(shè)、軍事及家用電器等各個領(lǐng)域均得到廣泛的應(yīng)用。 組態(tài)王開發(fā)監(jiān)控系統(tǒng) 軟件 ，是新型的工業(yè) 自動控制系統(tǒng) ，它以標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)計算機(jī)軟、硬件平臺構(gòu)成的集成系統(tǒng)取代傳統(tǒng)的封閉式系統(tǒng) ，為實施數(shù)據(jù)采集、過程監(jiān)控、生產(chǎn)控制 提供了基礎(chǔ)平臺，它可以和檢測、控制設(shè)備構(gòu)成任意復(fù)雜的監(jiān)控系統(tǒng)，在過程監(jiān)控中發(fā)揮核心作用，可以幫助企業(yè)降低運(yùn)作成本，提高生產(chǎn)效率。故基于單片機(jī)和組態(tài)王的溫度控制系統(tǒng)，相對于傳統(tǒng)單片機(jī)溫控裝置，勢必將減輕設(shè)備操作人員的工作量和工作環(huán)境，使得企業(yè)生產(chǎn)管理更加規(guī)范化，提高了效率。 課題要求 設(shè)計的任務(wù)是采用單片機(jī)為核心器件，配合單總線數(shù)字溫度傳感 DS18B20 實現(xiàn)多點溫度采集與控制，數(shù)碼管實時顯示溫度，通過 RS232 協(xié)議實現(xiàn)與上位機(jī)的通信，上位機(jī)通過組態(tài)王軟件對下位機(jī)的工作進(jìn)行實時監(jiān)控并能設(shè)定下位機(jī)的工作參數(shù) 。系統(tǒng)能有良好的實時性、準(zhǔn)確性和可靠性。 本控制系統(tǒng)具有以下功能： （ 1）能實時顯示當(dāng)前溫度值和設(shè)定溫度； （ 2）控制溫度范圍 室溫至 120℃； （ 3）溫度波動177。 ， 溫度調(diào)節(jié)均勻度177。 ； （ 4）按鍵控制：設(shè)置加 鍵、減 鍵 、通道切換鍵和設(shè)定返回鍵 ； （ 5）組態(tài)軟件實時監(jiān)控， 可顯示實時溫度曲線和歷史溫度曲線等； （ 6）系統(tǒng)過熱保護(hù)并且報警。 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 4 2 方案論證與主要器件選型 方案比較與選擇 溫度測量方案選擇 溫度測量的方案有很多種，可以采用傳統(tǒng)的分立式傳感器、模擬集成傳感器以及 新興的智能型溫度傳感器。對于控制系統(tǒng)可以采用計算機(jī)、單片機(jī)等。 方案一 : 采用模擬分立元件，如電容、電感或晶體管等非線性元件，實現(xiàn)多點溫度測量及顯示，該方案設(shè)計電路簡單易懂，操作簡單，且價格便宜，但采用分立元件分散性大，不便于集成數(shù)字化，而且測量誤差大。 方案二： 本方案采用單片機(jī)為核心，通過溫度傳感器 AD590 采集溫度信號，經(jīng)信號放大器放大后，送到 A/D 轉(zhuǎn)換芯片，最終經(jīng)單片機(jī)檢測處理溫度信號。該方案技術(shù)已經(jīng)成熟， A/D轉(zhuǎn)換電路較繁瑣，而且使用 AD590 進(jìn)行溫度檢測必須對冷端進(jìn)行補(bǔ)償，以減小誤差。該方案系統(tǒng) 框圖如下： 溫度傳感器變送器單片機(jī)A / D轉(zhuǎn)換L E D顯示多路開關(guān) 圖 21 方案二系統(tǒng)框圖 方案三： 本方案采用單片機(jī)為核心，溫度傳感器采用 DS18B20。 DS18B20 利用單總線特點可以方便的實現(xiàn)多點溫度測量，輕松的組建傳感器網(wǎng)絡(luò)。系統(tǒng)中還可 有 鍵盤電路、數(shù)碼管顯示電路和超溫報警電路等，也可以利用 RS232 協(xié)議實現(xiàn)單片機(jī)與 PC機(jī)的串口通信，實現(xiàn)計算機(jī)對溫度的實時監(jiān)控。其系統(tǒng)框圖如下： 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 5 P C 機(jī)M A X 2 3 2 電平 轉(zhuǎn) 換 芯 片A T 8 9 S 5 1單 片 機(jī)鍵 盤 電 路 L E D 顯 示報 警 電 路控 制 電 路電 源 電 路D S 1 8 B 2 0 溫度 傳 感 器 圖 22 方案三系統(tǒng)框圖 基于數(shù)字式溫度計 DS18B20的溫度測量儀的軟硬件開發(fā)過程是將 DS18B20的溫度信號直接轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，實現(xiàn)了與單片機(jī)的直接接口，從而省去了信號調(diào)理電路。該儀器電路簡單、功能可靠、測量效率高，很好的彌補(bǔ)了傳統(tǒng)溫度測量的不足。相對于方案一，在功能、性能、可操作性等方面都有較大的提升。相對于方案二，硬件電路簡單，易于操作，具有更高的性價比，更大的市場。所以我們采用方案三完成設(shè)計。 溫度控制方案的選擇 家用 220V 交流電有如下三種常 見控制電路： （ 1）電磁繼電器 電磁繼電器是自動控制電路中常用的一種元件，它是用較小電流控制較大電流的一種自動開關(guān)，廣泛應(yīng)用于電子設(shè)備中，價格便宜，但開關(guān)速度較慢。 （ 2）固態(tài)繼電器 固態(tài)繼電器與電磁繼電器相比，是一種沒有機(jī)械運(yùn)動，不含運(yùn)動零件繼電器，但它具有與機(jī)電繼電器本質(zhì)上相同的功能。 SSR 是一種全部 由固態(tài)電子元件組成的新型無觸點開關(guān)器件，它利用電子元件 (如開關(guān)三極管、雙向可控硅等半導(dǎo)體器件 )的開關(guān)特性，可達(dá)到無觸點無火花地接通和斷開電路的目的，因此又被稱為 “ 無觸點開關(guān) ” 。 由于固體繼電器具有高穩(wěn)定、高 可靠、無觸點及壽命長等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用在電動機(jī)調(diào)速、正反轉(zhuǎn)控制、調(diào)光、家用電器、烘箱烘道加溫控溫、送變電電網(wǎng)的建設(shè)與改造、電力拖動、印染、塑科加工、煤礦、鋼鐵、化工和軍用等方面。 固態(tài)繼電器按負(fù)載電源類型可分為交流型和直流型，按開關(guān)形式分為常開型和常閉型，按隔離形式分為混合型、變壓器隔離型和光電隔離型，以光電隔離型為最多。 SSR河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 6 以觸發(fā)方式，可分為零壓型（ Z）和調(diào)相型（ P）兩種。在輸入端施加合適的控制信號 VIN時， P型 SSR 立即導(dǎo)通；當(dāng) VIN 撤銷后，負(fù)載電流低于雙向可控硅維持電流時（交流換向）， SSR 關(guān)斷。 Z 型 SSR 內(nèi)部包括過零檢測電路，在施加輸入信號時，只有當(dāng)負(fù)載電源電壓達(dá)到過零區(qū)時， SSR 才能導(dǎo)通，并有可能造成電源半個周期的最大延遲。 Z 型 SSR關(guān)斷條件同 P型，但由于負(fù)載工作電流近似正弦波，高次諧波干擾小，所以應(yīng)用廣泛。 （ 3）雙向可控硅 雙向可控硅串在交流電源加熱電路中，在給定周期里改變可控硅開關(guān)的接通時間，就能改變加熱功率而實現(xiàn)溫度控制。故單片機(jī)只要用一個 I/O 口，通過程序輸出控制脈沖控制可控硅通電時間，就能實現(xiàn) PID 調(diào)節(jié)。 本設(shè)計采用固態(tài)繼電器，具體采用 PID 控制算法，并由該算法計算出相應(yīng)的控制輸出量，控 制固態(tài)繼電器在控制周期內(nèi)的通斷占空比的目的，進(jìn)而控制加熱器工作，最終達(dá)到對溫度進(jìn)行控制