大学电气学院自动化测试与控制系1001101班

智能温控系统哈尔滨工业大学自动化测试与控制系1001101班2013年12月《智能仪器设计基础》课程设计报告流程1.设计任务和设计要求2.总体方案论证与选择3.硬件电路设计4.系统软件设计5.智能仪器的误差分配与分析6.组装与调试7.改进意见及未来的设计方向21.设计任务和设计要求1.1功能描述智能温控系统一般应用于企事业单位办公楼、学校、商场、医院、宾馆等场所使用。其主要作用是实现对各个房间（区域）的温度集中管控或网络远程监控，以在达到控制要求的前提下减少能源浪费。本次设计的智能温控系统可实现实时测量现场温度，并根据温度情况和手动按键设置或远程设置方式调节现场温度，其中人为设置可通过操作按键完成。此外，系统还具有温度超限声光报警功能。31.设计任务和设计要求1.2主要技术指标(1)温度控制范围5℃～30℃(2)温度调节精度1℃(3)温度设置显示方式4位LED数码管(4)实时温度显示方式4位LED数码管(5)控制方式PID(6)报警功能上限，下限声光报警(7)控制输出继电器触点控制加热与冷却电路(8)电源220V交流电源(9)远程接口RS232/RS485/其他接口42.总体方案论证与选择2.1系统结构框图控制器LED显示键盘控制温度采集加热执行机构降温执行机构报警电路通信接口52.总体方案论证与选择2.2控制器的选择(1)采用STC89C54RD+单片机。STC89C54RD+单片机是台湾宏晶公司推出的抗干扰，高速，高可靠性，低功耗的微控制器，其编程语言完全兼容传统8051单片机。(2)采用ATmega16单片机。ATmega16单片机是基于增强的AVRRISC结构的低功耗8位CMOS微控制器。片内具有16K可编程Flash，8路10位ADC，四通道PWM，功能强大，开发成本较低。62.总体方案论证与选择2.2控制器的选择(续)(3)采用基于ARM的嵌入式处理器。ARM处理器是Acorn计算机有限公司面向低预算市场设计的第一款RISC微处理器。ARM处理器本身是32位设计，但也配备16位指令集。对于一般的测控应用，嵌入式处理器的性能过剩，成本较高；考虑到任务时间要求，选用方案(1)。72.总体方案论证与选择2.3温度传感器的选择(1)采用金属热电偶传感器。热电偶的测温范围很广，但是灵敏度比较低，容易受到环境干扰信号的影响，因此不适合测量微小的温度变化；同时热电偶的价格比较昂贵，且需要冷端补偿，不适合低成本、小规模的测温系统。(2)采用热电阻传感器。热电阻测温是基于金属导体的电阻值随温度的增加而增加这一特性来进行温度测量的。在温度检测精度要求比较高的场合，这种传感器比较适用。但是该传感器需使用三线制接法的测量电路，增加了电路的复杂性。82.总体方案论证与选择2.3温度传感器的选择(续)(3)采用集成温度传感器。集成温度传感器分为模拟式和数字式两种。后者与数字控制器的电路连接更简单、应用成本比较低。综上分析，选择方案(3)。数字式集成温度传感器选择工业上被广泛使用的DS18B20。它的测温范围为-55~+125℃，测温精度0.5℃，分辨率可选择9~12位。并且它无需任何外部器件，仅需要一个端口即可进行通讯。能够满足系统的要求。92.总体方案论证与选择2.4加热、降温执行机构的选择加热/降温主要是通过控制加热器加热/控制风扇转动以达到升温/降温的目的。温度的上升或下降具有一定的惯性，因此要想达到精度较高的温控效果必须要设计相应的控制电路。传统的加热/降温执行机构可能采用电磁继电器作为开关元件，其缺点是寿命短、开关速度慢、温度变化惯性大，难以满足工艺要求。本系统采用固态继电器(SolidStateRelay，SSR)作为加热/降温执行机构的开关元件，它具有寿命长、可靠性高、开关速度快、电磁干扰小、无噪声、无火花等特点。102.总体方案论证与选择2.4加热、降温执行机构的选择(续)要达到较好的温控效果，风扇的转速和通过加热器的电流大小应能发生改变，即功率可调。采用可控硅实现交流调功时通常有2种方法：一种是改变负载电压波形的导通角，即调相调功；另一种是负载电压波形不变而改变其电压波形在时间段内的出现次数，即PWM脉冲调功。PWM脉冲调功采用过零触发。由于过零触发方式不对电网造成严重污染和干扰其它用电设备，是应用较为广泛的一种方法，因此本系统采用PWM调功。112.总体方案论证与选择2.5报警电路本系统采用蜂鸣器作为声音报警电路，它由晶体管和蜂鸣器组成。采用发光二极管作为系统异常显示，它由红、绿发光二极管及限流电阻构成。单片机工作在正常情况下时，绿色发光二极管点亮，蜂鸣器不发声。当温度测量值超出给定的上、下限或者系统出现低电压时，控制蜂鸣器和二极管输出而区分系统是否异常。122.总体方案论证与选择2.6接口电路(1)采用RS485接口进行通讯。它是一种极为经济并具有相当高的噪声抑制、传输速率、传输距离和宽共模范围的工作平台。最大电缆长度100m，最大传输速率100Mbps。(2)采用RS232接口进行通讯。RS232是目前最常用的串行接口标准，适用于设备之间通信距离不大于15m，速度不高于20kbps的场合中。132.总体方案论证与选择2.6接口电路(续)(3)采用CAN总线进行通讯。CAN总线是国际上应用最广的现场总线之一，具有突出的可靠性、实时性和灵活性。通信距离最远可达10km(速率低于5Kbps)，速率可达到1Mbps(通信距离小于40m)。综合考虑方案的成本、实现的难易程度和项目的具体要求，选择方案(1)。142.总体方案论证与选择2.7控制算法分析本控制系统中使用的是数字PID控制器。PID控制器是一种线性控制器，它将设定值与测量值之间偏差的比例、积分、微分通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制。它可分为位置式PID算法和增量式PID算法。由于位置式算法要累加偏差，不仅要占用较多的存储单元，而且不便于编程序；而增量式算法算式中不需要累加，控制增量u(k)的确定仅与最近若干次采样值有关，所以较容易获得比较好的控制效果，故选用增量式PID控制算法。经典的数字PID增量型算式为152.总体方案论证与选择2.7控制算法分析(续)∆𝑢𝑛=𝑢𝑛−𝑢𝑛−1=𝐾𝑝𝑒𝑛−𝑒𝑛−1+𝑇𝑇𝐼𝑒𝑛+𝑇𝐷𝑇𝑒𝑛−2𝑒𝑛−1+𝑒𝑛−2=𝐾𝑝𝑒𝑛−𝑒𝑛−1+𝐾𝐼𝑒𝑛+𝐾𝐷𝑒𝑛−2𝑒𝑛−1+𝑒𝑛−2其中𝐾𝑝为比例系数；𝐾𝐼为积分系数；𝐾𝐷为微分系数；𝐾𝐼=𝐾𝑝𝑇𝑇𝐼；𝐾𝐷=𝐾𝑝𝑇𝐷𝑇。上式为PID控制软件的编制依据。162.总体方案论证与选择2.8电源系统系统的输入电源是AC220V，需要供电的电路模块有：17单片机+5V，GND显示电路键盘输入电路报警电路加热/降温执行机构电路通信接口RS485电路2.总体方案论证与选择2.8电源系统(续)由上表可见，系统的供电要求比较单一。为方便设计，直接采用220VAC-5VDC的开关稳压电源模块。183.硬件电路设计3.1单片机最小系统19包括时钟电路和复位电路。该复位电路具有上电复位的功能，此功能是由C4(极性电容)实现的。当系统上电时C4有一个充电放电的过程，放电过程会产生一个高电平，放电的时间根据公式𝑡=𝑅𝐶计算。R为电阻R2的阻值，C为极性电容C1的大小。3.硬件电路设计3.2显示电路203.硬件电路设计3.3键盘输入电路21STC89C54RD+单片机P1口是三态门，内部具有上拉电阻，但是考虑到工业应用中仪器附近的电磁环境比较复杂，为了增强矩阵键盘的抗干扰能力，防止误动作，行线通过上拉电阻接到+5V。使用扫描法和中断扫描方式读取矩阵键盘的输入数据。一旦有按键按下，与门的输出将会出现低电平，触发中断。3.硬件电路设计3.4报警电路22其中声音报警发音元件可采用压电蜂鸣器，其结构简单、耗电少，更适于在单片机系统中应用。当在蜂鸣器两引脚上加3～15V直流工作电压，就能产生3kHz左右的蜂鸣振荡音响。P2.2接三极管基极输入端，当P2.2输出高电平时，三极管导通，蜂鸣器的通电而发音，当P2.2输出低电平时，三极管截止，蜂鸣器停止发音。3.5加热/降温执行机构电路3.硬件电路设计23使用光耦隔离，避免输出部分电源变化对单片机电源的影响。过零型交流SSR，能防止大功率器件对电网的高次谐波干扰。当加在固态继电器交流两端的电压峰值超过SSR所能承受的最高电压峰值时，固态继电器内的元件便会被电压击穿而造成SSR损坏，选取合适的电压等级和并联压敏电阻可以较好地保护SSR。一般220V系列SSR可选取500V-600V的压敏电阻。由于负载为感性电路，在开关时会产生很高的浪涌电压。故使用瞬态电压二极管(TVS)进行保护。当TVS二极管的两极受到反向瞬态高能量冲击时，它能以10-12次方秒量级的速度，将其两极间的高阻抗变为低阻抗，吸收高达数千瓦的浪涌功率，使两极间的电压箝位于一个预定值。3.硬件电路设计3.6通信接口电路24设计中可以考虑采用高速光耦，如6N137、6N136等芯片，也可以优化普通光耦电路参数的设计，使之能工作在最佳状态。例如：电阻R23、R28如果选取得较大，将会使光耦的发光管由截止进入饱和变得较慢；如选取得过小，退出饱和也会很慢，所以这两只电阻的数值要精心选取。通常可以由实验来定。考虑到未来系统可能扩展到多个传感器的情况，主机与分机相隔较远，而分机系统上电或复位又常常不在同一个时刻完成。如果在此时某个MAX487的DE端电位为1，那么它的485总线输出将会处于发送状态，也就是占用了通信总线，这样其它的分机就无法与主机进行通信。这种情况尤其表现在某个分机出现异常情况下，会使整个系统通信崩溃。因此在电路设计时，应保证系统上电复位时MAX487的DE端电位为0。由于单片机在复位后，I/O口输出高电平，这样就解决了复位期间分机“咬”总线的问题。输出电路的设计要充分考虑到线路上的各种干扰及线路特性阻抗的匹配。由于工程环境比较复杂，现场常有各种形式的干扰源，所以485总线的传输端一定要加有保护措施。在电路设计中采用稳压管D1、D2组成的吸收回路，也可以选用能够抗浪涌的TVS瞬态杂波抑制器件，或者直接选用能抗雷击的485芯片。在应用系统工程的现场施工中，由于通信载体是双绞线，它的特性阻抗为120Ω左右，所以线路设计时，在RS-485网络传输线的始端和末端各应接1只120Ω的匹配电阻，以减少线路上传输信号的反射。3.硬件电路设计3.6通信接口电路25考虑到线路的特殊情况（如某一台分机的485芯片被击穿短路），为防止总线中其它分机的通信受到影响，在485信号输出端串联了两个20Ω的电阻R21、R22。这样本机的硬件故障就不会使整个总线的通信受到影响。由于RS-485芯片的特性，接收器的检测灵敏度为±200mV，即差分输入端VA-VB≥+200mV，输出逻辑1，VA－VB≤－200mV，输出逻辑0；而A、B端电位差的绝对值小于200mV时，输出为不确定。如果在总线上所有发送器被禁止时，接收器输出逻辑0，这会误认为通信帧的起始引起工作不正常。解决这个问题的办法是人为地使A端电位高于B端电位，这样RXD的电平在485总线不发送期间（总线悬浮时）呈现唯一的高电平，单片机就不会被误中断而收到乱字符。通过在485电路的A、B输出端加接上拉、下拉电阻R18、R20，即可很好地解决这个问题。4.系统软件设计4.1软件流程图26主程序框图开始初始化设置仪器自检读取并显示初始温度仪器工作是否正常？N显示错误代码Y是否有按键按下？Y转入相应的按键处理程序是否确认开始进行控制？NY读取DS18B20的温度值LED显示当前温度值按照预设PID控制规律进行控制4.系统软件设计4.1软件流程图27按键处理程序框图开始有键闭合延时10ms有键闭合查询键值已闭合键释放返回NNNYYY4.系统软件设计4