【正文】 溫控系統(tǒng)設計 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)在當今的許多生產(chǎn)自動化領域已得到廣泛應用， 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)。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)境復雜化。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。 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。當管理級發(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。 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。 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)測以及國防技術均有相當重要的借鑒價值。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域中廣泛應用的器件，在工業(yè)生產(chǎn)中稱為必不可少的器件。 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)絡技術、單片機技術、傳感器技術和控制技術很好地融合一起，實現(xiàn)了智能、方便、安全的電烤箱爐溫控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用了 熱電阻溫度傳感器 來對溫 度數(shù)據(jù)進行采集，并把采集的信號直接送入單片機進行處理，實時顯示溫度值，根據(jù)設定的參數(shù)來完成相應的智能控制。 通過 nRF905 無線發(fā)射模塊來進行短距離在線控制。 本 設計的系統(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，而且能夠直接進行現(xiàn)場 和遠程 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。 采用 熱電阻 對溫度進行采集，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。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。 通過對對各部分電路的設計，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。 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 、 子站采樣頻率的設定調(diào)節(jié)以及相關數(shù)據(jù)信息的顯示與設定等功能 。 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 口進入計算機 ， 交由軟件處理系統(tǒng)處理 。 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 10萬次以上，寫 組 數(shù)據(jù)有效保存時間可達 100年 ， 高速、低功耗、新增在系統(tǒng) 中 應用可編程 (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 。 單片機的串行口同時接兩設置的串行口 ， 注意在使用時合理選用端口。無線通訊技術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)絡作為面向工業(yè)和家庭自動化的網(wǎng)絡技術也正在向著智能，標準和節(jié)能方向發(fā)展。 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域。系統(tǒng)原理框架圖如 上圖 圖 1所示。 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，不需另行設計 A/D 轉(zhuǎn)換電路。 基于無線網(wǎng)絡的分布式電烤箱溫控系統(tǒng)設計 6 3. 基于無線網(wǎng)絡的分布式電烤箱溫控 系統(tǒng) 子站 的硬件設計 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 的可反復寫的 FlashROM 和 128bytes 的 RAM， 2 個 16 位定時計數(shù)器。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。STC89C52 單片機中除 P0 口以外其它的 I/O 端口內(nèi)部都設有 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。復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。當系統(tǒng)進入死機或其他無法正常工作的狀態(tài)，可以通過復位鹽城工學院本科畢業(yè)設計說明書 （ 2021） 7 按鈕使系統(tǒng)復位。 測溫電路 的設計 PT100是一種廣泛應用的測溫元件，在 50~600℃℃ 范圍內(nèi)具有其他任何溫度傳感器無可比擬的優(yōu)勢，包括高精度、穩(wěn)定性好、抗干擾能力強等。校正分為模擬電路校正和微處理器數(shù)字化校正，模擬校正有很多現(xiàn)成的電路，其精度不高且易受溫漂等干擾因素影響，數(shù)字化校正則需要在微處理系統(tǒng)中使用，將 Pt電阻的電阻值和溫度對應起來后存入 EEPROM中，根據(jù)電路中實測的 AD值以查表方式計算相應溫度值。 常用的 Pt電阻接法有三線制和兩線制，其中三線制接法的優(yōu)點是將 PT100的兩側(cè)相等的的導線長度分別加在兩側(cè)的橋臂上，使得導線電阻得以消除。 本系統(tǒng)采用橋式測溫電路。差動放大電路中 R3＝ R R5＝ R放大倍數(shù)＝ R5/R3。由于傳感器的靈敏度為 3mV／ V，供橋電壓為 5V 那么在額定載荷 20t 的作用下單個傳感器的輸出電壓為：Uo=5Vx3mV／ V=15mV， 此 5mV代表 20210 kg 的重量，則每 kg表示的電壓為： K1=15mV／ 20210kg=／ kg， 而 A／ D轉(zhuǎn)換器 AD7705是 16位的，最大輸出數(shù)值為 FFFFH，代表著 65535kg 的重量值，這是四個傳感器感應重量的平均值。則每 kg 表示的電壓為： K2=5V／ 65535=／ kg， 由此可以算出放大倍數(shù)： X=K2/K1=，故不需要外加放大電路。輸出端 一同接 STC89C52 的串行數(shù)據(jù)輸入 ,輸出端 RXD。 5V 工作電壓經(jīng)分壓后為 AD7705 提供基準電壓，因此工作電壓的變化不會產(chǎn)生系統(tǒng)誤差。 基于無線網(wǎng)絡的分布式電烤箱溫控系統(tǒng)設計 8 圖 32 AD7705與 STC89C52單片機連接的電路圖 確定 AD7705 的相應參數(shù)?。狠敵鰯?shù)據(jù)更新速率： 50Hz。有效分辨率： 16 位。缺點 是 ： 。共陽所有正端接 +5V,負極接 P口 ， 沒有以上缺點。 數(shù)碼管顯示原理： 數(shù)碼管動態(tài)掃描顯示，是將所用數(shù)碼管的相同段（ a～ g 和 p）并聯(lián)在一起，通過選位通信號分時控制各個數(shù)碼管的公共端，循環(huán)依次點亮各個數(shù)碼管。 圖 33 位選信號時序波形圖 鹽城工學院本科畢業(yè)設計說明書 （ 2021） 9 圖 34 數(shù)碼管動態(tài)掃描 數(shù)碼管選通控制信號分別對應 4 個數(shù)碼管的公共端，當某一位選通控制信號為高電平時，其對應的數(shù)碼管被點亮，因此通過控制選通信號就可以控制數(shù)碼管循環(huán)依次點亮。 用三極管控制共陽極數(shù)碼管是利用三極管的開關特性，用 PNP三極管，集電極接地，然后通過基極控制三極管的通斷，當通過單片機給基極一 個低電平時，發(fā)射極導通，集電極與發(fā)射極也之間也導通了，一般都是用三極管控制數(shù)碼管的位選引腳。 如圖 35數(shù)碼管顯示電路所示，采用 4位共陽極數(shù)碼管 COM1COM4為 4個位選端，Q1Q4為 PNP型三極管，型號為 9012，發(fā)射極接 +5V電源，基極接 1K的限流電阻，集電極接數(shù)碼管。 nRF905片內(nèi)集成了電源管理、晶體振蕩器、低噪聲放大器、頻率合成器以及功率放大器等模塊，曼徹斯特編碼／解碼由片內(nèi)硬件完成，無需用戶對數(shù)據(jù)進行曼徹斯特編碼，因此使用非常方便。 表 31 nRF905管腳的定義與功能表 引腳 名稱 方向 說明 1 TRX CE I／ 0 2 PWR UP I 3 uPCLK 0 輸出時鐘 6 CD 0 載波檢測 7 AM 0 地址匹配 8 DR 0 數(shù)據(jù)準備就緒 10 MIS0 0 SPI數(shù)據(jù)輸出 11 M0SI I SPI數(shù)據(jù)輸入 12 SCK I SPI時鐘 13 CSN I SPI片選，低有效 14 XC1 I 晶振輸入引腳 15 XC2 0 晶振輸出引腳 19 VDD_ PA 0 電源輸出，給功放提供 1． 8V電壓 20,21 ANT1／ 2 天線接口 1／ 2 23 IREF I 參考輸入 31 DVDD_1V2 低電壓正數(shù)字輸出 32 TX_EN I =1：發(fā)送模式； =0：接收模式 4， 17， 25 VDD 電源正端 5,9,16,18， 22， 24， 26～ 30 VSS 電源地 nRF905有兩種工作模式和兩種節(jié)能模式。兩種節(jié)能模式分別是掉電 Power Down)模式和待機(Standby)模式。 nRF905的工作模式由 TRX_CE、TX_ EN和 PWR_UP三個引腳決定，如表 2所示。數(shù)據(jù)在微控制器中低速處理，但在 nRF905中高速發(fā)送。由于 nRF905工作于 Shock Burst模式，因此使用低速的微控制器也能得到很高的射頻數(shù)據(jù)發(fā)射速率。在 Shock Burst發(fā)送模式下， nRF905自動產(chǎn) 生字頭和 CRC校驗碼。 nRF905傳輸數(shù)據(jù)時為非實時方式，即發(fā)送端發(fā)出數(shù)據(jù)，接收端收到后先暫存于芯片存儲器內(nèi)， MCU可以在需要時再到芯片中去取用。 b、 節(jié)能模式 nRF905的節(jié)能模式包括掉電模式和待機模式。進入掉電模式后， nRF905保持配置字中的內(nèi)容，但不會接收或發(fā)送任何數(shù)據(jù)。在待機模式下， nRF905內(nèi)部的部分晶體振蕩器處于工作狀態(tài)。 電烤箱溫度控制 電路 對電烤箱的溫度控制主要靠繼電器，單片機通過 P25端口輸出 PWM信號，通過控制高電平的時間來控制繼電器開通時間，從而控制電烤箱的溫度。 10%) 25 69 100 225 400 900 1600 6400 額定電流 (mA) 120 60 40 30 20 15 最大吸合電壓 (VDC) 9 18 36 最小釋放電壓 (VDC) 最大過載電壓 70℃時額定電壓的 130%， 23℃時額定電壓的 170% NPN 晶體管驅(qū)動時 ， 當晶體管 T基極被輸入高電平時，晶體管飽和導通，集電極變?yōu)榈碗娖剑虼死^電器線圈通電，觸點 RL1 吸合。晶體管可視為控制開關，一般選取VCBO≈VCEO≥24V ，放大倍數(shù) β 一般選擇在 120～ 240 之間 ，本電路采用 NPN 型三極管 8550。電阻 R 使晶體管可靠截止，阻值為 。 繼電器開關電路如圖 37 所示。本模塊主要采用的 ，配用 1K電阻、二極管 581 10uF和 ，將輸入的 +5V電壓轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的 +，供給 NRF905無線模塊。在最大輸出電流時， AMS1117器件的壓差保證最大不超過 ，并隨負載電流的減小而逐漸降低。 AMS1117器件引腳上兼容其他三端 SCSI 穩(wěn)壓器，提供適用貼片安裝的 SOT223，8引腳 SOIC，和 TO252(DPAK)塑料封裝。 圖 38 電源轉(zhuǎn)換 鹽城工學院本科畢業(yè)設計說明書 （ 2021） 13 4. 基于無線網(wǎng)絡的分布式電烤箱溫控系統(tǒng) 的軟件設計 系統(tǒng) 軟件 的 框圖 系統(tǒng)上電復位 首先完成對各端口和模塊初始化 ， 主站可以實現(xiàn)與子站之間的無線通信 ， 也可以通過有線的方式與計算機軟件處理系統(tǒng)進行通信 ， 作為整個采集系統(tǒng)的主站 ， 與子微控制器定時向各子站發(fā)出喚醒信息 ! 然后轉(zhuǎn)入接收狀態(tài) !， 等待應答 。 主站通過掃描的方式與各子站進行單臺通信 ， 這樣系統(tǒng)中的主站與子站的通信方式就成為點對點的通信方式 ， 整個點對多點系統(tǒng)的通信就成為若干個點對點通信的組合 。 接收完最后一幀數(shù)據(jù)后 ， 返回檢查是否為最后一個子站 ， 如果是 ， 則結(jié)束本次數(shù)據(jù)采集工作 ； 如果不是 ， 則修改握手協(xié)議中子站地址識別信息 ， 采集下一子站的數(shù)據(jù) 。 主站將采集到的數(shù)據(jù)傳送給計算機 ， 交由數(shù)據(jù)處理軟件分析與處理 ， 實現(xiàn)輸油管道的檢測等任務 ， 主站程序流程框圖如圖 41所示 。 程序流程圖如圖 42溫度采集程序流程圖 、 圖 43溫度控制程序流程圖 所示。通信寄存器用于通道選擇和