1、智能溫控系統(tǒng)哈爾濱工業(yè)大學(xué) 自動化測試與控制系 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1. 設(shè)計(jì)任務(wù)和設(shè)計(jì)要求2. 總體方案論證與選擇3. 硬件電路設(shè)計(jì)4. 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)5. 智能儀器的誤差分配與分析6. 組裝與調(diào)試7. 改進(jìn)意見及未來的設(shè)計(jì)方向21. 設(shè)計(jì)任務(wù)和設(shè)計(jì)要求1.1 功能描述智能溫控系統(tǒng)一般應(yīng)用于企事業(yè)單位辦公樓、學(xué)校、商場、醫(yī)院、賓館等場所使用。其主要作用是實(shí)現(xiàn)對各個(gè)房間（區(qū)域）的溫度集中管控或網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程監(jiān)控，以在達(dá)到控制要求的前提下減少能源浪費(fèi)。本次設(shè)計(jì)的智能溫控系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)測量現(xiàn)場溫度，并根據(jù)溫度情況和手動按鍵設(shè)置或遠(yuǎn)程設(shè)置方式調(diào)節(jié)現(xiàn)場溫度，其中人為

2、設(shè)置可通過操作按鍵完成。此外，系統(tǒng)還具有溫度超限聲光報(bào)警功能。31. 設(shè)計(jì)任務(wù)和設(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. 總體方案論證與選擇2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖52. 總體方案論證與選擇2.2 控制器的選擇(1) 采用STC89C54RD+單片機(jī)。STC89C54RD+單片機(jī)是臺灣宏

3、晶公司推出的抗干擾，高速，高可靠性，低功耗的微控制器，其編程語言完全兼容傳統(tǒng)8051單片機(jī)。 (2) 采用ATmega16單片機(jī)。ATmega16單片機(jī)是基于增強(qiáng)的AVR RISC結(jié)構(gòu)的低功耗8位CMOS微控制器。片內(nèi)具有16K可編程Flash，8路10位ADC，四通道PWM，功能強(qiáng)大，開發(fā)成本較低。62. 總體方案論證與選擇2.2 控制器的選擇 (續(xù))(3) 采用基于ARM的嵌入式處理器。ARM處理器是Acorn計(jì)算機(jī)有限公司面向低預(yù)算市場設(shè)計(jì)的第一款RISC微處理器。ARM處理器本身是32位設(shè)計(jì)，但也配備16位指令集。對于一般的測控應(yīng)用，嵌入式處理器的性能過剩，成本較高；考慮到任務(wù)時(shí)間要求

4、，選用方案(1)。72. 總體方案論證與選擇2.3 溫度傳感器的選擇(1) 采用金屬熱電偶傳感器。熱電偶的測溫范圍很廣，但是靈敏度比較低，容易受到環(huán)境干擾信號的影響，因此不適合測量微小的溫度變化；同時(shí)熱電偶的價(jià)格比較昂貴，且需要冷端補(bǔ)償，不適合低成本、小規(guī)模的測溫系統(tǒng)。(2) 采用熱電阻傳感器。熱電阻測溫是基于金屬導(dǎo)體的電阻值隨溫度的增加而增加這一特性來進(jìn)行溫度測量的。在溫度檢測精度要求比較高的場合，這種傳感器比較適用。但是該傳感器需使用三線制接法的測量電路，增加了電路的復(fù)雜性。82. 總體方案論證與選擇2.3 溫度傳感器的選擇 (續(xù))(3) 采用集成溫度傳感器。集成溫度傳感器分為模擬式和數(shù)字

5、式兩種。后者與數(shù)字控制器的電路連接更簡單、應(yīng)用成本比較低。綜上分析，選擇方案(3)。數(shù)字式集成溫度傳感器選擇工業(yè)上被廣泛使用的DS18B20。它的測溫范圍為-55+125，測溫精度0.5，分辨率可選擇912位。并且它無需任何外部器件，僅需要一個(gè)端口即可進(jìn)行通訊。能夠滿足系統(tǒng)的要求。92. 總體方案論證與選擇2.4 加熱、降溫執(zhí)行機(jī)構(gòu)的選擇加熱/降溫主要是通過控制加熱器加熱/控制風(fēng)扇轉(zhuǎn)動以達(dá)到升溫/降溫的目的。溫度的上升或下降具有一定的慣性，因此要想達(dá)到精度較高的溫控效果必須要設(shè)計(jì)相應(yīng)的控制電路。傳統(tǒng)的加熱/降溫執(zhí)行機(jī)構(gòu)可能采用電磁繼電器作為開關(guān)元件，其缺點(diǎn)是壽命短、開關(guān)速度慢、溫度變化慣性大，

6、難以滿足工藝要求。本系統(tǒng)采用固態(tài)繼電器(Solid State Relay，SSR)作為加熱/降溫執(zhí)行機(jī)構(gòu)的開關(guān)元件，它具有壽命長、可靠性高、開關(guān)速度快、電磁干擾小、無噪聲、無火花等特點(diǎn)。102. 總體方案論證與選擇2.4 加熱、降溫執(zhí)行機(jī)構(gòu)的選擇 (續(xù))要達(dá)到較好的溫控效果，風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速和通過加熱器的電流大小應(yīng)能發(fā)生改變，即功率可調(diào)。采用可控硅實(shí)現(xiàn)交流調(diào)功時(shí)通常有2種方法：一種是改變負(fù)載電壓波形的導(dǎo)通角，即調(diào)相調(diào)功；另一種是負(fù)載電壓波形不變而改變其電壓波形在時(shí)間段內(nèi)的出現(xiàn)次數(shù)，即PWM脈沖調(diào)功。PWM脈沖調(diào)功采用過零觸發(fā)。由于過零觸發(fā)方式不對電網(wǎng)造成嚴(yán)重污染和干擾其它用電設(shè)備，是應(yīng)用較為廣泛的

7、一種方法，因此本系統(tǒng)采用PWM調(diào)功。112. 總體方案論證與選擇2.5 報(bào)警電路本系統(tǒng)采用蜂鳴器作為聲音報(bào)警電路，它由晶體管和蜂鳴器組成。采用發(fā)光二極管作為系統(tǒng)異常顯示，它由紅、綠發(fā)光二極管及限流電阻構(gòu)成。單片機(jī)工作在正常情況下時(shí)，綠色發(fā)光二極管點(diǎn)亮，蜂鳴器不發(fā)聲。當(dāng)溫度測量值超出給定的上、 下限或者系統(tǒng)出現(xiàn)低電壓時(shí)，控制蜂鳴器和二極管輸出而區(qū)分系統(tǒng)是否異常。122. 總體方案論證與選擇2.6 接口電路(1) 采用RS485接口進(jìn)行通訊。它是一種極為經(jīng)濟(jì)并具有相當(dāng)高的噪聲抑制、傳輸速率、傳輸距離和寬共模范圍的工作平臺。最大電纜長度100m，最大傳輸速率100Mbps。(2) 采用RS232接口

8、進(jìn)行通訊。RS232是目前最常用的串行接口標(biāo)準(zhǔn)，適用于設(shè)備之間通信距離不大于15m，速度不高于20kbps的場合中。132. 總體方案論證與選擇2.6 接口電路 (續(xù))(3) 采用CAN總線進(jìn)行通訊。CAN總線是國際上應(yīng)用最廣的現(xiàn)場總線之一，具有突出的可靠性、實(shí)時(shí)性和靈活性。通信距離最遠(yuǎn)可達(dá)10km(速率低于5Kbps)，速率可達(dá)到1Mbps(通信距離小于40m)。綜合考慮方案的成本、實(shí)現(xiàn)的難易程度和項(xiàng)目的具體要求，選擇方案(1)。142. 總體方案論證與選擇2.7 控制算法分析本控制系統(tǒng)中使用的是數(shù)字PID控制器。PID控制器是一種線性控制器，它將設(shè)定值與測量值之間偏差的比例、積分、微分通過

9、線性組合構(gòu)成控制量，對被控對象進(jìn)行控制。它可分為位置式PID算法和增量式PID算法。由于位置式算法要累加偏差，不僅要占用較多的存儲單元，而且不便于編程序；而增量式算法算式中不需要累加，控制增量u(k)的確定僅與最近若干次采樣值有關(guān)，所以較容易獲得比較好的控制效果，故選用增量式PID控制算法。經(jīng)典的數(shù)字PID增量型算式為152. 總體方案論證與選擇162. 總體方案論證與選擇2.8 電源系統(tǒng)系統(tǒng)的輸入電源是AC220V，需要供電的電路模塊有：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. 總體方案論證與選擇2.8 電源系統(tǒng) (續(xù))由上表可

10、見，系統(tǒng)的供電要求比較單一。為方便設(shè)計(jì)，直接采用220VAC-5VDC的開關(guān)穩(wěn)壓電源模塊。183. 硬件電路設(shè)計(jì)3.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)193. 硬件電路設(shè)計(jì)3.2 顯示電路203. 硬件電路設(shè)計(jì)3.3 鍵盤輸入電路21STC89C54RD+單片機(jī)P1口是三態(tài)門，內(nèi)部具有上拉電阻，但是考慮到工業(yè)應(yīng)用中儀器附近的電磁環(huán)境比較復(fù)雜，為了增強(qiáng)矩陣鍵盤的抗干擾能力，防止誤動作，行線行線通過上拉電阻接到通過上拉電阻接到+5V。使用掃描法和中斷掃描方式讀取矩陣鍵盤的輸入數(shù)據(jù)。一旦有按鍵按下，與門與門的輸出將會出現(xiàn)低電平，觸發(fā)中斷。3. 硬件電路設(shè)計(jì)3.4 報(bào)警電路22其中聲音報(bào)警發(fā)音元件可采用壓電蜂鳴器，其

11、結(jié)構(gòu)簡單、耗電少， 更適于在單片機(jī)系統(tǒng)中應(yīng)用。當(dāng)在蜂鳴器兩引腳上加315V直流工作電壓，就能產(chǎn)生3kHz左右的蜂鳴振蕩音響。P2.2接三極管基極輸入端，當(dāng)P2.2輸出高電平時(shí)，三極管導(dǎo)通，蜂鳴器的通電而發(fā)音，當(dāng)P2.2輸出低電平時(shí)，三極管截止，蜂鳴器停止發(fā)音。3.5 加熱/降溫執(zhí)行機(jī)構(gòu)電路3. 硬件電路設(shè)計(jì)23使用光耦隔離，避免輸出部分電源變化對單片機(jī)電源的影響。過零型過零型交流SSR，能防止大功率器件對電網(wǎng)的高次諧波干擾。當(dāng)加在固態(tài)繼電器交流兩端的電壓峰值超過SSR所能承受的最高電壓峰值時(shí)，固態(tài)繼電器內(nèi)的元件便會被電壓擊穿而造成SSR損壞，選取合適的電壓等級和并聯(lián)壓敏電阻可以較好地保護(hù)SSR

12、。一般220V系列SSR可選取500V-600V的壓敏電阻。由于負(fù)載為感性電路，在開關(guān)時(shí)會產(chǎn)生很高的浪涌電壓。故使用瞬態(tài)電壓二極管(TVS)進(jìn)行保護(hù)。當(dāng)TVS二極管的兩極受到反向瞬態(tài)高能量沖擊時(shí)，它能以10-12次方秒量級的速度，將其兩極間的高阻抗變?yōu)榈妥杩?，吸收高達(dá)數(shù)千瓦的浪涌功率，使兩極間的電壓箝位于一個(gè)預(yù)定值。3. 硬件電路設(shè)計(jì)3.6 通信接口電路24設(shè)計(jì)中可以考慮采用高速光耦，如6N137、6N136等芯片，也可以優(yōu)化普通光耦電路參數(shù)的設(shè)計(jì)，使之能工作在最佳狀態(tài)。例如：電阻R23、R28如果選取得較大，將會使光耦的發(fā)光管由截止進(jìn)入飽和變得較慢；如選取得過小，退出飽和也會很慢，所以這兩只

13、電阻的數(shù)值要精心選取。通?？梢杂蓪?shí)驗(yàn)來定?？紤]到未來系統(tǒng)可能擴(kuò)展到多個(gè)傳感器的情況，主機(jī)與分機(jī)相隔較遠(yuǎn)，而分機(jī)系統(tǒng)上電或復(fù)位又常常不在同一個(gè)時(shí)刻完成。如果在此時(shí)某個(gè)MAX487的DE端電位為1，那么它的485總線輸出將會處于發(fā)送狀態(tài)，也就是占用了通信總線，這樣其它的分機(jī)就無法與主機(jī)進(jìn)行通信。這種情況尤其表現(xiàn)在某個(gè)分機(jī)出現(xiàn)異常情況下，會使整個(gè)系統(tǒng)通信崩潰。因此在電路設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)保證系統(tǒng)上電復(fù)位時(shí)MAX487的DE端電位為0。由于單片機(jī)在復(fù)位后，I/O口輸出高電平，這樣就解決了復(fù)位期間分機(jī)“咬”總線的問題。輸出電路的設(shè)計(jì)要充分考慮到線路上的各種干擾及線路特性阻抗的匹配。由于工程環(huán)境 比較復(fù)雜，現(xiàn)場常

14、有各種形式的干擾源，所以485總線的傳輸端一定要加有保護(hù)措施。在電路設(shè)計(jì)中采用穩(wěn)壓管D1、D2組成的吸收回路，也可以選用能夠抗浪涌的TVS瞬態(tài)雜波抑制器件，或者直接選用能抗雷擊的485芯片。 在應(yīng)用系統(tǒng)工程的現(xiàn)場施工中，由于通信載體是雙絞線，它的特性阻抗為120左右，所以線路設(shè)計(jì)時(shí)，在RS-485網(wǎng)絡(luò)傳輸線的始端和末端各應(yīng)接1只120的匹配電阻，以減少線路上傳輸信號的反射。 3. 硬件電路設(shè)計(jì)3.6 通信接口電路25考慮到線路的特殊情況（如某一臺分機(jī)的485芯片被擊穿短路），為防止總線中其它分機(jī)的通信受到影響，在485信號輸出端串聯(lián)了兩個(gè)20的電阻R21、R22。這樣本機(jī)的硬件故障就不會使整個(gè)

15、總線的通信受到影響。 由于RS-485芯片的特性，接收器的檢測靈敏度為 200mV，即差分輸入端VA-VB +200mV，輸出邏輯1，VAVB 200mV，輸出邏輯0；而A、B端電位差的絕對值小于200mV時(shí)，輸出為不確定。如果在總線上所有發(fā)送器被禁止時(shí)，接收器輸出邏輯0，這會誤認(rèn)為通信幀的起始引起工作不正常。解決這個(gè)問題的辦法是人為地使A端電位高于B端電位，這樣RXD的電平在485總線不發(fā)送期間（總線懸浮時(shí)）呈現(xiàn)唯一的高電平，單片機(jī) 就不會被誤中斷而收到亂字符。通過在485電路的A、B輸出端加接上拉、下拉電阻R18、R20，即可很好地解決這個(gè)問題。 4. 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 4.1 軟件流程圖26

16、主程序框圖主程序框圖4. 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 4.1 軟件流程圖27按鍵處理程序框圖按鍵處理程序框圖4. 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 4.1 軟件流程圖28按鍵狀態(tài)圖按鍵狀態(tài)圖4. 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 4.1 軟件流程圖29按鍵狀態(tài)表按鍵狀態(tài)表狀態(tài)狀態(tài)鍵功能鍵功能下態(tài)下態(tài)動作（子程序）動作（子程序）011SUB122SUB238SUB810-92SUB2BACK0SUB020-93SUB3BACK0SUB030-94SUB4BACK2SUB240-95SUB5BACK2SUB250-96SUB6BACK2SUB26ENTER7SUB77BACK0SUB080-98SUB8BACK0SUB0SUB0：讀取溫度并顯示在：讀

17、取溫度并顯示在LED顯示屏上顯示屏上SUB1：屏幕自檢，所有二極管點(diǎn)亮：屏幕自檢，所有二極管點(diǎn)亮SUB2：等待輸入十位溫度值：等待輸入十位溫度值SUB3：等待輸入個(gè)位溫度值：等待輸入個(gè)位溫度值SUB4：等待輸入十分位溫度值：等待輸入十分位溫度值SUB5：等待確認(rèn)溫度值：等待確認(rèn)溫度值SUB6：提示再次確認(rèn)提示再次確認(rèn)SUB7：運(yùn)行預(yù)設(shè)：運(yùn)行預(yù)設(shè)PID程序，開始程序，開始調(diào)節(jié)溫度調(diào)節(jié)溫度SUB8：鍵盤自檢，按下任意數(shù)字鍵顯示在：鍵盤自檢，按下任意數(shù)字鍵顯示在LED上上4. 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 4.1 軟件流程圖30串口通信串口通信4. 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 4.2 上位機(jī)軟面板315. 智能儀器的誤差分配與分

18、析根據(jù)DS18B20的數(shù)據(jù)手冊，其測量精度為0.5，分辨率可達(dá)0.0625。如果PID參數(shù)設(shè)定合理，理論上可以達(dá)到設(shè)計(jì)要求中1的控制精度。326. 組裝與調(diào)試PWM波形仿真336. 組裝與調(diào)試總電路圖347. 改進(jìn)意見及未來的設(shè)計(jì)方向7.1 組成傳感器網(wǎng)絡(luò)RS485支持多點(diǎn)連接 ，允許創(chuàng)建多達(dá)32個(gè)節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò) ( 某些驅(qū)動器模塊可增加至 128個(gè) )，用于多站互連時(shí) ， 便于組建成本低廉 、 可靠性高及分布范圍較廣的總線網(wǎng)絡(luò)。357. 改進(jìn)意見及未來的設(shè)計(jì)方向7.1 組成傳感器網(wǎng)絡(luò) (續(xù))由于485總線是一種異步半雙工的通信總線 ，在某一時(shí)刻 ，總線只可能呈現(xiàn)出一種狀態(tài) ，在 PC機(jī)與多單片機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成的多機(jī)通信系統(tǒng)中 ，一般采用主從式通信 ， 主機(jī)處于主導(dǎo)和支配地位 ，定時(shí)發(fā)出監(jiān)控命令后等待從機(jī)的應(yīng)答。各從機(jī)處于偵聽狀態(tài) ，不能主動往總線發(fā)送數(shù)據(jù) ，必須等待主機(jī)的命令 ，在接收到地址幀后 ，立即判斷是否在呼叫自己 ，如果不是則不予理睬。如果是則繼續(xù)接收下面的數(shù)據(jù)。367. 改進(jìn)意見及未來的設(shè)計(jì)方向7.2 PID控制參數(shù)整定先將用戶設(shè)定溫度和實(shí)際溫度T比較，計(jì)算出偏差ei 。然后分兩種情況進(jìn)行計(jì)算控制變量：(1) ei大于等于設(shè)定的偏差e時(shí)由于積分控制器使系統(tǒng)響應(yīng)速度變慢，不采用積分控制器調(diào)節(jié)，直接使用PD調(diào)節(jié)，獲得比較快的動態(tài)響應(yīng)。(2) ei小于設(shè)定的