2022年多点温度控制系统—课设报告 .pdf
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1、电气工程系自动化专业课程设计 V 报告题目:多点温度采集控制系统院系:电气工程系名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页,共 48 页 - - - - - - - - - 陕西理工学院电气工程系课程设计 V 自控 078 班共 47 页第 1 页目录任务书 . 2一、设计目的及要求. 2二设计内容 . 2一方案论证 . 31.1 方案一 . 31.2 方案二 . 3二. 硬件设计 . 52.1 主机模块 . 52.2 通信网络模块 . 62.3 人机交互模块 . 72.
2、4 传感器模块 . 92.5 继电器控制模块. 10 三. 软件设计 . 12 3.1 主体程序部分设计. 12 3.2 通信程序设计 . 13 3.3 人机接口程序 . 14 3.4 控制算法软件设计. 15 四.系统调试 . 16 4.1 硬件调试 . 16 4.2 软件调试 . 17 五总结与体会 . 18 附录 A.元器件清单 . 20 附录 B.硬件图 . 21 附录 C 源程序 . 21 主机程序 . 21 从机程序 . 42 参考文献 . 47 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - -
3、- - - - - 第 2 页,共 48 页 - - - - - - - - - 陕西理工学院电气工程系课程设计 V 自控 078 班共 47 页第 2 页任务书一、设计目的及要求设计目的:利用所学的专业知识自行设计搭建控制系统在实践中学习专业技能。本题目利用单片机组成多机温度测控系统,主机对各从机温度实施实时监控与控制。主要模拟了控制网络中的实时通信。设计要求:1.综合所学的专业知识设计方案、并论证方案。2.结合设计方案设计软硬件,编写软件并实行硬件仿真。3.搭建实物电路制作实物电路, 测试软硬件能否较好的实现设计功能。4.结合实物对方案实施改进探讨。二设计内容1. 利用单片机搭建RS-48
4、5通信网络。2. 利用温度传感器实施温度实时监测3. 利用通信网络实现主机向从机下达控制任务4. 实现温度控制,在控制中结合具体的控制算法进行。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页,共 48 页 - - - - - - - - - 陕西理工学院电气工程系课程设计 V 自控 078 班共 47 页第 3 页一方案论证1.1 方案一利用单一单片机同时挂载多个温度传感器实行多点温度采集控制。可最大限度的节约成本。方案具体框图如下:图 1-1 方案一设计框图本方案看似节约成
5、本且简单可行,其实在工业现场这个充满干扰的环境中如果只是用传感器单一的将信号与主机进行长距离传送得到的信号常常是失真的信号,无法实现精确控制、所以方案一不可行。1.2 方案二利用单片机串口通信组成测控网络,各从机与主机进行通信交换信息,主机将采集到的温度统一实时显示,管理者可根据实时温度发出控制命令,由主机向从机通过串口通信网络传达决策,再由各从机对温度实施控制。具体设计分以下几个方面实施:1.本系统最核心就是实现主机与从机间的通信,通信使用串口实现控制器单片机二号传感器一号传感器三号传感器人机交互设备各分机加热设备名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - -
6、- - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页,共 48 页 - - - - - - - - - 陕西理工学院电气工程系课程设计 V 自控 078 班共 47 页第 4 页主机“一对多的控制”。2.本机要实现操作者对其的控制就必须建立良好的人机交互界面,故本机将采用12864 液晶实施信息显示,采用键盘读入控制信息,确保本机具有良好的人机交互界面。3温度的采集使用 DS18B20,优点:单总线,降低系统成本,输出是数字量,易于单片机接口。4.由于本系统要实现多机通信, 应尽量使用同型号单片机, 考虑成本采用 AT89S52单片机5.其他事项我们将在实施
7、中改动,努力使系统具有较高的实用性,丰富的功能和低廉的成本。图 1-2 方案二设计框图因方案一通信距离过短,抗干扰性较差,经过各方面比较论证我们最终采用方案二。主机一号从机二号从机RS_485 RS-485 12864液 晶显示实时温度键 盘 输入温控设备温控设备名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页,共 48 页 - - - - - - - - - 陕西理工学院电气工程系课程设计 V 自控 078 班共 47 页第 5 页二. 硬件设计硬件设计共分以下几个模块实施:
8、主机模块、通信网络模块、人机交互模块、传感器模块、继电器控制模块。各部分的设计和器件选型介绍如下:2.1 主机模块主机作为整个系统的核心单元,将决定整个系统的基本性能,考虑到本系统单片机用量大,为了节约成本,并便于系统维护,并缩短开发周期主机模块采用AT89S52 单片机。其主要的性能参数如下:为了便于实施串行通信我们统一采用11.0592MHZ 的晶振,图 2-1 主机模块的电路图名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 6 页,共 48 页 - - - - - - - -
9、- 陕西理工学院电气工程系课程设计 V 自控 078 班共 47 页第 6 页并为单片机外围设立了上拉电路和复位电路。具体电路如图2-1所示。2.2 通信网络模块通信是本系统的核心,在本系统中从多点采集温度和像个分机发出温度控制指令都是通过通信网络来实现的。为了实现远距离的信号传输,我们采用RS-485串行通信。因为 RS485 串行通信利用差分信号传输数据,故其传输距离可以达到千米级,具体硬件电路的实现如下图所示:图 2-2 通信模块电路图TTL 电平与 RS-485电平的转换采用 MAX485 芯片,芯片的具体介绍如下:表 2-1 MAX485 芯片使用说明名师资料总结 - - -精品资料
10、欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 7 页,共 48 页 - - - - - - - - - 陕西理工学院电气工程系课程设计 V 自控 078 班共 47 页第 7 页图 2-3 MAX485 管脚图2.3 人机交互模块人机交互模块主要用于控制者向系统输入控制命令,监测系统实时运行情况, 在输出部分我们采用12864液晶制作了良好的显示界面,在输入部分我们使用4*4 键盘。图 2-4 人机接口设备实物图具体实物图如图 2-4 所示。开机时我们使用12864 的绘图功能显示待机画面,进入工作状态后屏幕显示
11、三个温度采集点的实时温度,进入设置状态后屏幕显示设置画面和设置提示。 液晶显示模块是 128 64 点阵的汉字图形型液晶显示模块,可显示汉字及图形, 内置 8192 个中文汉字(16X16点阵) 、128名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 8 页,共 48 页 - - - - - - - - - 陕西理工学院电气工程系课程设计 V 自控 078 班共 47 页第 8 页个字符( 8X16点阵)及 64X256点阵显示 RAM (GDRAM) 。可与 CPU 直接接口,提供
12、两种界面来连接微处理机:8-位并行及串行两种连接方式。具有多种功能:光标显示、画面移位、睡眠模式等。图 2-5 12864液晶外形图表 2-2 12864 液晶引脚功能说明引脚名称方向 说明引脚 名称方向说明1 VSS - GND (0V)11 DB4 I 数据 4 2 VDD - Supply Voltage For Logic (+5v) 12 DB5 I 数据 5 3 VO - Supply Voltage For LCD (悬空)13 DB6 I 数据 6 4 RS (CS) O H: Data L: Instruction Code 14 DB7 I 数据 7 5 R/W (SID)
13、 O H: Read L: Write 15 PSB O H: Parallel Mode L: Serial Mode 6 E (SCLK) O Enable Signal 16 NC - 空脚7 DB0 I 数据 0 17 /RST O Reset Signal 低电平有效8 DB1 I 数据 1 18 NC - 空脚9 DB2 I 数据 2 19 LEDA - 背光源正极( LED+5V )10 DB3 I 数据 3 20 LEDK - 背光源负极( LED-OV )名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心
14、整理 - - - - - - - 第 9 页,共 48 页 - - - - - - - - - 陕西理工学院电气工程系课程设计 V 自控 078 班共 47 页第 9 页2.4 传感器模块温度传感器我们采用DS18B20 单总线温度传感器,其具有接口简单、直接输出数字量等优点。图 2-6 DS18B20 外形及管脚图DS18B20 是美国 DALLAS 半导体公司继DS1820 之后最新推出的一种改进型智能温度传感器。与传统的热敏电阻相比,他能够直接读出被测温度并且可根据实际要求通过简单的编程实现912位的数字值读数方式。可以分别在93.75 ms和 750 ms内完成 9 位和 12 位的数
15、字量,并且从 DS18B20读出的信息或写入 DS18B20的信息仅需要一根口线(单线接口)读写,温度变换功率来源于数据总线,总线本身也可以向所挂接的 DS18B20 供电,而无需额外电源。因而使用DS18B20可使系统结构更趋简单,可靠性更高。DS18B20输出的数据格式如下所示:名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 10 页,共 48 页 - - - - - - - - - 陕西理工学院电气工程系课程设计 V 自控 078 班共 47 页第 10 页2.5 继电器控制模
16、块图 2-7 继电器控制模块实物图为了实现温度控制我们须将控制信号施加在驱动设备上这就需要使用控制元件继电器。继电器是一种电子控制器件,它具有控制系统(又称输入回路)和被控制系统(又称输出回路),通常应用于自动控制电路中,它实际上是用较小的电流去控制较大电流的一种“自动开关” 。故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。电磁式继电器一般由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等组成的。只要在线圈两端加上一定的电压,线圈中就会流过一定的电流,从而产生电磁效应,衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯,从而带动衔铁的动触点与静触点(常开触点)吸合。当线圈断电后,电磁的吸力也随之消失,衔铁
17、就会在弹簧的反作用力返回原来的位置,使动触点与原来的静触点(常闭触点)吸合。这样吸合、名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 11 页,共 48 页 - - - - - - - - - 陕西理工学院电气工程系课程设计 V 自控 078 班共 47 页第 11页释放,从而达到了在电路中的导通、切断的目的。对于继电器的“常开、常闭”触点,可以这样来区分:继电器线圈未通电时处于断开状态的静触点,称为“常开触点” ;处于接通状态的静触点称为“常闭触点” 。但是单片机端口的驱动能力是非
18、常小的为了实现对继电器的控制我们还需要使用三极管对单片机输出的电流进行放大,经测试我们使用三极管 9012 放大电流,确保继电器能够可靠地吸合与断开。经过详细设计,我们的硬件设计达到了系统要求,经过仿真,我们搭建了实物电路, 系统各部分硬件电路组合后达到了预期设计目标。整个系统搭建完成后的硬件电路实物如下图所示:图 2-8 系统硬件实物图名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 12 页,共 48 页 - - - - - - - - - 陕西理工学院电气工程系课程设计 V 自控
19、 078 班共 47 页第 12 页三. 软件设计软件的设计是本系统设计的关键,我们采用自上到下逐步细化的思路实施。程序主要分为主程序、通信程序、人机接口程序、控制算法三部分。3.1 主体程序部分设计主程序主要完成系统初始化、显示刷新、串口通信、键盘监控等任务,主程序流程图如图3-1 所示,开机后我们首先实现数据、 液晶及图 3-1 主机主程序流程图初始化初始化显示初始化数据初始化串口轮 流 与 各 从 机 进行通信是 否 通 信成功更新显示数据扫描键盘更新温控设置否是名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理
20、 - - - - - - - 第 13 页,共 48 页 - - - - - - - - - 陕西理工学院电气工程系课程设计 V 自控 078 班共 47 页第 13 页串口的初始化, 接下来我们进入主循环让主机与各分机轮流进行通信,更新实时温度,刷新显示,并监控键盘是否有按键设置动作,如有进入设置状态,进行设置提示,采集设置数据,对数据进行保存,对控制信息进行编码,并通过通信网络向从机发出温度控制命令。控制信息编码格式是:第一位为机号,第二位至第八位为目标温度。各从机根据编码格式解码。3.2 通信程序设计通信中我们使用RS485 串行通信,为了延长传输距离,我们使用较低的波特率,降低误码率。
21、在主机及分机初始化完成后,分机处于接收状态,主机发送分机号辨别数据,分机接收到后立即与自身编码对比正确发送数据供主机监控决策。图 3-2 通信过程程序流程图主机发送从机编号从机接受比对是 本 机 编号否接受信息是否名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 14 页,共 48 页 - - - - - - - - - 陕西理工学院电气工程系课程设计 V 自控 078 班共 47 页第 14 页3.3 人机接口程序人机接口部分主要采用键盘输入指令,液晶显示输出供操作者决策,键盘扫描采
22、用典型的4 乘 4 键盘扫描模式,逐列进行扫描,延时确认按键动作,查取键码,并进行松手检测。图 3-3 键盘扫描程序流程图显示采用 12864 液晶程序严格按照其时序编写,在设置状态设定VVIH1IL1R SR /WED B 0 -D B 7ASAHAHPWDSWHRCTTTTTTTTValiddata图 3-4 12864液晶写数据时序图否是否是开始送列扫描码判断是否有键按下延时消抖确定有键按下查找键码, 松手检测返回键值名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 15 页,共
23、 48 页 - - - - - - - - - 陕西理工学院电气工程系课程设计 V 自控 078 班共 47 页第 15 页光标闪烁,开机时利用绘图模式,显示开机画面。3.4 控制算法软件设计由于我们设计的控制系统需要对广泛的控制对象在不需要精密建模分析的情况下,具有较好的控制效果,同时为了提高系统的实时性,减少单片机的计算任务, 经考虑我们采用模糊控制作为控制器的算法。根据偏差大小决定输出控制量的大小。图 3-5 模糊控制算法软件流程图开 始读取温度数据计算目标值与当前值偏差根据偏差对照隶属度函数确定论域查 找 对 应 输 出 值输出控制量结束名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - -
24、 - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 16 页,共 48 页 - - - - - - - - - 陕西理工学院电气工程系课程设计 V 自控 078 班共 47 页第 16 页四.系统调试系统组件完成后为了确保系统的正确性与可靠性我们对系统的软硬件都进行了细致的调试和测试4.1 硬件调试由于我们在设计中严格按照计划进行,对部分程序及硬件进行了周密的设计,并对可测试的部分在电脑上进行了仿真,确认方案可行后我们开始对硬件进行了实物测试,但是实际情况并不是像我们想象的那样好,由于天气寒冷我们大家穿的衣物较多,不同成分的衣服面料摩
25、擦后产生了大量的静电,是我们的液晶工作的不是很正常,最终经过反复调试我们发现了这个问题。在接下来的调试中我们在每次操作前都让手触摸接地金属放去静电以免损坏芯片。在硬件调试中我们设置了各种温度观察实时温度的准确性,对继电器的驱动我们试用了9013 和 9012及 8050 三种二极管,经测试,我们发现 9012 的效果较好,最终我们采用9012 驱动。在硬件电路搭建完成后我们让其连续运行一中午测试其能否正常工作。在通信网络搭建后我们测试了正确性,并为电源加上了滤波电容,防止干扰窜入干扰通信的正常进行。在使用MAX485 搭建通信网络时,我们的系统经常莫名其妙的出现异常,经过查找我们降低了通信的波
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