温度测控系统（共9篇）
温度测控系统 篇1
0 引言
单片微型计算机是随着超大规模集成电路技术的发展而诞生的,由于它具有体积小、功能强、性价比高等特点,所以广泛应用于电子仪表、家用电器、节能装置、军事装置、机器人、工业控制等诸多领域,使产品小型化、智能化,既提高了产品的功能和质量,又降低了成本,简化了设计。本文主要介绍单片机在温度控制中的应用。
温度是工业生产中常见的工艺参数之一,任何物理变化和化学反应过程都与温度密切相关,因此温度控制是生产自动化的重要任务。采用单片机作为锅炉水温闭环控制系统的控制核心,实现人工设定温度,自动控制温度,显示水的实时温度等功能。水温测试方式采用数字温度传感器感知锅炉中水的温度,通过单片机与数字温度传感器通讯获得实时温度,并通过程序实现闭环控制。采用键盘扫描方式对目标温度(0℃~80℃或20~60℃范围内)进行人工设定,并用显示器显示水的实时温度、给定温度及温度范围。同时系统还通过继电器电路控制加热器件的导通与关闭,达到保持设定温度基本不变的目的,并起到强弱点隔离作用,安全可靠。因此,单片机对温度的控制问题是一个工业生产中经常会遇到的问题。
1 硬件电路的选择和设计
基于AT89S52单片机的锅炉温度控制系统的硬件设计和软件开发的过程。硬件部分包括温度传感器DS18B20、LED数码管显示、报警电路以及按键功能。首先由温度采集测控系统采用DS18B20满足温度测量,并将温度信号转换成电流,转换为电压信号,之后该信号经预处理后,进行A/D转换,获得的有关被监控环境温度的数字量,发送给单片机处理。它与其他形式的温度传感器相比,不需要进行冷端补偿,而且它是以高阻抗恒流源形式输出。传输线上的压降不影响输出电流值,可以进行远距离传输。单片机对经A/D转换之后的环境温度进行接收,对接收到的环境温度信号进行BCD码转换,发送给显示模块。之后,单片机将接收到的温度数据与事先设定的温度值进行对比,如果当前环境温度超出了设定的温度范围,则进行调控。同时还要实现温度报警功能,若超出了监控温度范围则发出警告。此外还有复位电路,晶振电路等。锅炉温度测控系统原理框图如图1所示。
1.1 控制器模块
采用AT89S52作为系统的控制器。单片机算术运算功能强,软件编程灵活,自由度大,可用软件编程实现各种算法,并且具有低功耗,高性能,技术成熟,成本低廉等有点,使其在各个领域应用广泛。
1.2 水温探测模块
水温探测模块用于测量器皿中水的温度。系统需要利用测温传感器检测出水的实时温度,是控制模块做出正确的反应,控制水的温度。
采用单总线可编程温度传感器DS18B20测温度。DS18B20是数字温度传感器。它把温度传感器、外围电路、A/D转换器、微控制器和接口电路集成到一个芯片中构成的具有温度测量、温度控制和与微处理器数据连接能力的温度传感器组件称为数字温度传感器。通过DS18B20数字可编程温度传感器可测温范围-55℃~+125℃,在-10~+85℃时精度为0.5℃。可编程的分辨率为9~12位,对应的可分辨温度分别为0.5℃、0.25℃、0.125℃和0.0625℃,可实现高精度测温。在9位分辨率时最多在93.75ms内把温度转换为数字,12位分辨率时最多在750ms内把温度值转换为数字,速度更快。测量结果直接输出数字温度信号,以"一线总线"串行传送给CPU,同时可传送CRC校验码,具有极强的抗干扰纠错能力。并且其所需辅助电路简单,依靠程序直接读取温度,总费用低。
1.3 显示模块
使用液晶显示屏显示水温。液晶显示屏(LED)具有轻薄短小,低耗电量,无辐射危险,平面直角显示以及影像稳定不闪烁等优势,可视面积大,画面效果好,分辨率高,抗干扰能力强等特点,且显示更为人性化,电路焊接更为简单。
1.4 水温控制模块
控制模块用来控制加热器件的导通与关闭,从而达到控制加热时间,控制水温的目的。采用继电器驱动电路控制。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、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”。
1.5 超温报警电路的设计
超温报警电路由LED灯与电阻组成。当温度超过设定的温度控制范围时,则灯亮,并且蜂鸣器鸣叫。
2 锅炉温度测控系统的软件设计
通常,锅炉温度控制都采用偏差控制法。偏差控制的原理是先求出实测炉温对所需炉温的偏差值,然后对偏差值处理获得控制信号去调节锅炉的加热功率,以实现对炉温的控制。在工业上,偏差控制又称PID控制,这是工业控制过程中应用最广泛的一种控制形式,一般都能收到令人满意的效果。不同的控制对象,所采用的算法有所不同。例如对于热惯性大、时间滞后明显、耦合强、难于建立精确数学模型的大型立式淬火炉,可以采用人工智能模糊控制算法,通过对淬火炉电热元件通断比的调节,实现对炉温的自动控制,也可以采用仿人智能控制(SHIC)算法和PID控制算法的联合控制方案,实际应用时应灵活运用。本系统采用的是Keil Elektronik Gmbh开发的KeiluVision2工具软件来进行系统软件编写和调试的。在嵌入式系统中,相对于汇编语言,C语言作为一种高级语言主要存在两个不足:1)生成的可执行代码冗长,效率不高。对于这一点,随着处理芯片运算速度的提高、集成ROM的扩大,特别编译系统的不断优化,冗长已经不再是问题。这也是C在嵌入式系统中逐渐成为主流编程语言的主要原因之一。2)C生成的可执行代码在时序上不容易控制,比如本系统中要实现的时序控制。主程序的主要功能是负责温度的实时显示、读出并处理DS18B20的测量的当前温度值,从而比较温度值的大小,去执行加热电路。这个程序在读完键盘要判断启动键是否启动,才能进行温度读取,最后通过LED显示出来。
2.1 显示程序的设计
显示子程序采用动态扫描法实现四位共阳极数码管的数值显示,测量所得的A/D转换数据放在22h内存单元中,测量数据在显示时转换为温度值十进制BCD码放在23h~25h内存单元中。
2.2 DS18B20程序
温度转换命令子程序主要是发温度转换开始命令,转换时间约为750ms。
1)初始化:初始化是DSl8B20的底层基本操作之一。通过单线总线进行的所有操作都从一个初始化序列开始。初始化序列包括一个由CPU发出的复位脉冲及其后由DS18B20发出的存在脉冲。存在脉冲让CPU知道DS18B20在总线上且已做好操作准备。
2)数据写:数据写是DSl8B20的底层基本操作之一,所有的指令、数据发送均由该操作完成。DSl8B20的写操作都是逐位进行的,因此,采用C5l中的位右移操作来实现。
3)数据读:数据读是DSl8B20的底层基本操作之一,温度值和其他状态信息的传回均由该操作完成。
2.3 键盘程序
通过键盘可以人为的控制温度,使其更为人性化;编程也简单明了。确定启动键开启后,通过控制温度上升键和下降键人为的去调节温度,再回到读键盘这样一个反复的动作。
3 模拟仿真
为了检验该系统的性能,对其进行仿真实验。首先通过KEIL C51软件仿真实现程序调试的功能,再通过软件PROTEUS进行软硬件模拟连调。设目标温度范围为20~60℃,设定温度为45℃,相应的锅炉温度调节时间结果记录如表1所示。
由表1分析可知,温差相同时,升温时间比降温时间要快,原因在于升温采用电阻丝加热,而降温采用的是12V普通风扇降温,效率较低。若采用加热致冷芯片来完成升温和降温则温度稳定时间会更少。
4 结论
本次研究借助于经典控制理论和现代控制理论的结合,PID控制算法是一种易于实现而且经济实用的方法,具有很强的灵活性,但在被控制对象具有复杂的非线性时,难以满足控制要求,而神经网络PID控制具有逼近任意非线性函数的能力,神经网络PID实现对锅炉温度的测量、控制和显示,提高了锅炉监控系统的效率。基于AT89S52单片机的温度测控系统将LED显示器件与控制、驱动集成电路装在一起,形成一个功能部件,最后通过硬件焊接实现了锅炉的温度控制系统的设计。用户只需用传统工艺即可将其装配成一个整机系统。这对于工业自动化大生产具有一定的实践使用价值。
摘要：本文介绍了基于AT89S52单片机的锅炉温度监控系统的硬件设计和软件开发的过程。系统硬件部分包括锅炉温度传感器DS18B20接口电路、LED数码管显示电路、报警电路以及按键电路。DS18B20组成的电路采集的温度信号,经过预处理后传送到单片机进行A/D转换,比较,存储,显示和报警,以达到温度监控的目的。系统软件部分包括A/D转换控制程序,显示程序和按键处理程序。系统设计的难点在于温度信号的预处理和A/D转换器控制。
关键词：单片机AT89S52,测温传感器DS18B20,LED数码管
参考文献
[1]杨恒主.ARM嵌入式系统设计及实践[M].西安电子科技大学出版社,2005.
[2]田东风.WINDOWS CE应用程序设计[M].机械工业出版社,1990.
[3]傅曦.嵌入式系统Windows CE开发技巧与实例[M].化学工业出版社,2004.
[4]叶宏材.Windows CE.NET嵌入式工业用控制器及自动控制系统设计[M].清华大学出版社,2005.
[5]杨恒主.ARM嵌入式系统设计及实践[M].西安电子科技大学出版社,2005.
[6]朱义君.ARM微控制器体系结构与开发实例[M].北京航空航天大学出版社,2005.
[7]金以慧.过程控制[M].北京:清华大学出版社,2005:118-123.
[8]俞金寿,蒋慰孙.过程控制工程第3版[M].北京:电子工业出版社,2007-07:68-80,240-250.
[9]施金良,贾碧.微机控制的热丝法物质熔点测定仪[J].检测与仪表,1998,3:36-38.
[10]孙莹.单片机在熔点测试仪中的应用[J].仪器仪表用户,2002,9(2):28-30.
温度测控系统 篇2
人类至今已先后将各种卫星、飞船、航天飞机和空间站等5000多个航天器送入太空.然而,太空并未因此变得杂乱无序,一种神奇的力量引导着这些航天器始终按照自己的.轨道飞行,偶尔偏离轨道,也能很快“迷途知返”;一旦发生了故障,还能得到及时抢救.这个神奇的力量,来自于庞大的航天测控网.
作 者： 作者单位： 刊 名：中国航天 PKU英文刊名：AEROSPACE CHINA 年，卷(期)： “”(11) 分类号： 关键词：
智能测控系统控制系统的软件设计 篇3
关键词：单片机；PID调节；温度传感器；数码管显示；越限报警
【中图分类号】 TP302 【文献标识码】 B【文章编号】 1671-1297（2012）09-0224-01
整个温控系统是在程序的控制下工作的，控制系统工作由实时检测（采样）、实时决策（PID控制运算）和实时控制（对加热丝通断的控制）三部分组成。因此，应用程序包括数据采集、PID运算以及输出控制三部分主干程序，这些工作有的安排在主程序中，有的安排在中断服务程序中完成。由LED数码管显示温度值，采用动态扫描的方式在主程序和定时采样等待时都可以插入显示子程序。
一 PID控制算法
在单片机应用系统中，可采用的控制算法很多，但是最常用的仍是数字PID（比例-积分-微分）算法。最优化理论可以证明，PID控制能满足相当多的工業对象的控制要求。PID调节是根据实际测量值与设定值的偏差， 按比例-积分-微分的函数关系进行运算，其运算结果用以输出控制。单片机数字控制器实现PID运算，是按照一定的算法编制相应的程序来完成的。
实现计算机的PID控制器的算法是先根据连续系统的设计方法，得到模拟调节PID的调节规律（这个调节规律可以是微分方程表示的，也可以是用传递函数的形式表示），然后把它离散化，变成适合于计算机的差分方程的形式。
以温度检测和控制为例，用微分方程表示的PID调节规律的、实现模拟PID调节的理想算式为：
式（1.1）
PID控制也称为比例-积分-微分控制。其中的比例项用于纠正偏差；积分项用于消除系统的稳态误差；微分项用于减小系统的超调量，增加系统的稳定性。PID控制器的性能就取决于Kp、Ti和Td这三个参数。设计和调试的任务就是决定这三个参数。
对式（1.1）两边进行拉氏变换可以得到PID调节器的传递函数为
式（1.2）
式（1.2）中U（s）和E（s）分别为u和e的拉氏变换。
式（1.1）中，e（t）=w（t）-y（t）是给定值与输出之间的差，称为误差或偏差，它是PID控制器的输入信号。u（t）为调节器的输出信号，即传给被控对象的操作量，因为计算机的控制是一种采样控制，它只能根据采样时刻的偏差值来计算控制量，因此，在计算机控制系统中，要想在计算机上实现PID调节规律，需要将连续系统的微分方程式化成离散形式，由描述离散系统的差分方程来代替。
增量型算法和位置型算法相比，具有以下优点：
（1）增量型算法不需要做累加，控制量增量的确定仅与最近几次误差采样值有关，计算误差或计算精度问题对控制量的计算影响较小。而位置型算法要用到过去的误差累加值，容易产生大的累加误差。
（2）增量型算法得出的是控制量的增量，输出误差小，必要时通过逻辑判断限制或禁止本次输出，不会严重影响系统的工作。
（3）采用增量型算法，易于实现手动到自动的无冲击切换。但是，当被控对象需要的是控制变量的绝对值，而不是其增量时，可以采用增量式算法，控制量输出采用位置式输出形式。
二 软件的总体设计
系统的操作过程和工作过程在程序的设计过程中起着很重要的指导作用，因此，在软件设计之前应首先分析系统的工作流程。
系统的工作流程
系统在上电复位后先处于停止加热状态，这时可以用8421BCD拨码盘设定预制温度，显示器显示设定温度；温度设定好后就可以启动系统正常工作了。温度检测系统即数字温度传感器DS18B20不断定时检测当前温度，并送往显示器显示，达到设定值后停止加热并且显示当前值；当温度下降到下限值（比设定温度值低5℃）时再启动加热。这样不断地重复上述过程，使温度保持在设定的温度范围之内。启动后不能再修改预制温度，必须按复位键回到停止加热状态再重新设定预制温度值。
1.功能模块
根据对上面工作流程的分析，系统软件可以分为以下几个功能模块：
①温度设定模块：进行温度设定。
②温度检测模块：利用数字温度传感器DS18B20完成温度的自动检测。
③温度显示模块：显示设定温度值和当前温度值。
④温度控制模块：根据检测到的温度，利用PID控制加热丝的工作与否。
⑤越限报警模块：当前温度值越限时报警。
2.主程序
主程序完成的功能是：控制整个系统工作，进行温度值设定、温度检测、温度显示、越限报警等，启动DS18B20测量温度，将测量值与设定值进行比较，然后进行自动控制。主程序开始时，先进行初始化（RAM及口地址分配见表1.1），然后进行自检，自检时让所有的二极管和数码管都亮，以便检查其是否正常。然后启动DS18B20检测温度，调取读温度子程序，经单片机转换后送显示。再调比较子程序。当测量值大于设定值上限时，相应的报警标志位置“1”，并关闭加热；当测量值小于设定值下限时，相应的报警标志位置“1”，并启动加热；当测量值在设定值的范围内时，相应的报警标志位置“0”，并且保持。然后，检测报警标志位，若有报警，就转相应的执行程序；若无报警，就返回继续读数、显示、控制等。
参考文献
[1] 王福瑞.单片微机测控系统设计大全.北京航空航天大学出版社，2000年
[2] 胡汉才编著.单片机原理及其接口技术.清华大学出版社，1996年
[3] 孙传友，孙晓斌等编著.测控系统原理与设计.北京航空航天大学出版社，2002年
[4] 何立民.MCS-51系列单片机应用系统设计.北京航空航天大学出版社，1990年
温室温度智能测控系统的设计 篇4
在现代农业中, 温室已经不是单纯用于为作物升温的设施, 而是根据作物的要求来调节或保障作物生长条件的设施。其中, 对温室温度的调节为主要因素之一, 无论是升温还是降温, 都需要相应的设施。冬季温室内温度过低时, 仅利用太阳能来升温明显不足, 因此温室内必须增加加热设备来升温;夏季太阳能又过分充足, 温室温度过高, 使温室的降温和植物的光合作用对阳光的需求形成矛盾, 因此必须增加制冷设备来降温。
国外温室的内部设施已经发展到比较完备的程度, 并形成了一定的标准。国内有关温室环境测控方面的研究起步较晚。目前国内的温室测控设备, 无论在智能化程度还是控制策略方面都不能和发达国家相比, 而进口的测控设备由于能耗大、价格高并不能完全适应我国农业生产的要求。因此, 开发符合我国国情的温室温度智能测控系统, 对提高我国温室产品质量、温室经济效益和生产现代化水平具有重要意义。
本文立足国情, 基于我国不同类型温室经营者的经济和技术水平, 研制开发出一种价格适中、扩展性好的多因子温室温度智能测控系统。其主要是根据外界环境的温度、湿度、光照以及风速、风向、雨量等气候因子, 基于温室专家系统和用户参数设定, 通过一些控制措施来调节温室内的温度, 创造出适合作物生长的温度, 即根据作物不同生长阶段的需求制定出检测标准, 通过对温室温度的实时检测, 将测得参数进行比较后自动调整温室各个控制设备状态, 以使温室温度符合既定要求。它能够有效地改善农业生态、生产条件, 促进农业资源的科学开发和合理利用, 提高土地产出率、劳动生产率和社会、经济效益。
1 系统整体框图
温室生态环境优良的依据, 是按不同植物生长的要求进行统筹优化后制定的。由植物生长不同阶段的需求制定出监测的标准, 对温室温度环境进行监测, 将测得参数进行比较后进行调整。
温室温度智能测控系统主要由以下几个部分组成:
(1) 温度信号采集电路:主要通过传感器DS18B20进行温室温度检测。
(2) 信号处理部分:核心元件是单片机AT89C52, 整个系统主要是通过AT89C52按照所编的程序进行相应控制的。
(3) 输出及控制部分:主要控制升、降温电路, 声光报警电路, 还有控制遮阳网、喷雾系统、水幕墙系统、窗的开关等系统的电路。
系统整体框图如图1所示。其主要的工作原理为:系统由温度设定按键来调节预设温度, 通过温度信号采集电路测得温室内的温度, 将数据输送到单片机AT89C52中, 然后按照所编程序进行实时决策, 对各参数进行实时控制、调节, 输出控制参数, 驱动执行元件, 以满足作物生长需要。
2 系统硬件组成
整个系统硬件部分主要包括核心元件AT89C52、温度信号采集电路 (主要通过传感器DS18B20进行温室温度检测) 、加热电路、降温电路、声光报警电路、温度设定按键、LED显示电路等。现对主要部分简要介绍如下:
2.1 单片机AT89C52
我们选用ATMEL公司89系列的标准型单片机AT89C52, AT89C52是一种低功耗、高性能的8位单片机, 片内带有一个4K字节的FLASH可编程可擦除只读存储器 (EPROM) , 它采用了CMOS工艺和ATMEL公司的高密度非易失性存储器 (NURAM) 技术, 而且其输出引脚和指令系统都与MCS-51兼容。AT89C52是一种功能强、灵活性高且价格合理的单片机, 它可方便地应用在各种控制领域。
2.2 温度传感器DS 18B20
DS18B20是美国DALLAS半导体公司继DS1820之后最新推出的一种数字化单总线器件, 属于新一代适配微处理器的改进型智能温度传感器。与传统的热敏电阻相比, 它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9～12位的数字值读数方式。DS18B20“一线总线”数字化温度传感器支持“一线总线”接口, 测量温度范围为-55～125℃, 在-10～85℃范围内, 精度为±0.5℃。现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输, 用符号扩展的16位数字量方式串行输出, 大大提高了系统的抗干扰性。
2.3 预设温度按键
为了能设定不同的预设温度, 所以设计了2个按键来改变预设温度。用按键UP来升高预设温度, 用按键DOWN降低预设温度。当有按键按下时指示灯就会亮起来, 从而能形象且简单地达到预定的效果。
2.4 LED显示
为了更加直观的了解系统的工作情况, 给系统添加了三位LED显示器。用来显示当前温室的温度。其中包含:十位, 个位和小数位。
LED显示屏由于亮度高, 是主动发光器材, 不受环境影响, 使用寿命长, 个别像素损坏可维护且不影响全局。虽然它的点密度不高, 不适合近距离观看。但是已经能足够达到所需目的, 而且价格便宜, 降低了成本, 所以选择LED的显示设备。
2.5 升降温设备
系统温度调节使用弱电控制强电的原理, 通过继电器来控制升降温设备。由于升降温设备在设计的时候比较麻烦, 所以在模拟时可用2个发光二极管来代替 (用红色管来代替升温设备, 用绿色管代替降温设备) 。这样也能更加形象的观察到系统的工作情况。
2.6 声光报警设备
当系统检测到温室温度到了所设定的最高值时, 声光报警设备就自动工作, 提醒工作人员必须立刻对温室进行相应的维护。声光报警设备不仅仅是专门对温度测量设计的, 当遮阳棚、喷灌设施或者是通风窗等设备出现不正常情况时也进行报警。由于单片机只是输出高低两种电平, 所以在蜂鸣器前加上一个音乐芯片, 从而达到声光报警的作用。
3 系统软件设计
用单片机对温室温度进行控制就必须要有实现对应功能的程序。本程序是通过C语言来编写的, 其中包含一个主程序和几个子程序。子程序有显示程序、键盘扫描程序、温度读取程序和延迟程序等。所有硬件及检测过程都由软件来控制, 最终能够实现温室温度的实时采集与处理。程序采用模块化设计, 将一个复杂应用程序按整体功能划分成若干相对独立的程序模块, 各模块可以单独设计、编程、调试和查错, 然后装配起来联调成完整的程序。主程序运行过程中对子程序进行对应的调用, 从而达到对温室温度的控制。
3.1 系统的功能
系统软件实现的功能主要有两部分:监测和控制。
(1) 读入各传感器的测量值, 并传送给单片机, 如需要, 将测量数据存入大容量的掉电保护存储器中, 即使停电也不会丢失数据。
(2) 按照对温室内作物选定的生长环境曲线, 并根据当时的光照、温湿度等实际情况, 对温室内的温度进行在线最优控制, 求得在保持作物生长的条件下, 使系统的能耗、水耗达到最少。
(3) 可以根据不同的需要及不同的季节改变DDC参数值, 并可在数据库中保存几组设定值, 以备使用。
(4) 根据测量值及相应生长期的各个温度的最高、最低值, 自动控制相关设备的打开和关闭, 当测量值大于最高值或者小于最低值时, 除打开相应设备外, 还应启动报警设备, 提醒工作人员注意。
3.2 系统流程图
本系统采用自上向下的结构化设计方法来表示算法, 系统启动之后通过按键对预设温度进行设定。系统启动的同时, 温度传感器也开始了对温度信号的采集。按照AT89C52中的程序进行比较控制。其程序流程图如图2所示。
系统运行后, 首先进行初始化, 包括为存放各通道检测的数据开辟缓冲区、设置环境报警和控制极限值, 并完成对中断入口、有关芯片和定时器的初始化操作等。转入循环体后, 完成各路信号的巡回检测, 经分析处理后转向相应控制与报警。在程序执行过程中, 系统随时检测外部中断和定时器中断发出的中断请求信号, 一旦有中断申请则转入相应服务程序, 否则返回显示时钟状态。
4 结语
该温室温度智能测控系统集传感器技术、测控技术及单片机技术于一体, 除了具有参数显示、控制及报警功能外, 用户还可以根据不同作物在不同生长期对环境的不同要求, 灵活方便地利用功能键对目标控制及报警参数进行重新设定或现场修改。该系统具有控制智能化、成本低、扩展性及抗干扰性强等特点, 投入使用将会带来较好的经济效益和社会效益。
参考文献
[1]齐文新, 周学文.分布式智能型温室计算机控制系统的一种设计与实现[J].农业工程报, 2004, 20 (1) :246-254.
[2]颜全生.温室的自动控制设计及实现[J].电力系统及其自动化学报, 2001, 13 (4) :65.
[3]徐立鸿, 任雪玲.工控系统在设施农业中的应用[J].基础自动化, 2001, 8 (3) :40.
一种荧光式光纤温度测控系统研制 篇5
本文提出了一种荧光式光纤温度测控系统, 将光纤传感头直接粘贴在测量部位, 能准确测量各个测量点的温度, 并通过光纤传到变送器, 设计上位机监控程序, 进而由上位机监控系统进行监控。
1 荧光式光纤温度测控系统总体设计
荧光式光纤温度测控系统由3路荧光式光纤传感头, 荧光式光纤测温变送器和上位机MCGS触摸屏构成。
光纤测温变送器发射激光, 不同温度下传感头反馈回来的光强不同, 通过检测反射回来光强大小来计算被测对象的温度。所测量的三路温度可以通过变送器内置Modbus-RTU协议, 通过上位机编程实现对温度的读取, 并在上位机进行显示和存储等。
1.1 荧光式光纤传感头
荧光式光纤传感头采用荧光材料制作。荧光材料受到激励光照射后, 内部电子吸收光子能量, 从基态低能级跃迁到激发态高能级, 而当电子从高能级跃迁回到低能级时, 将会辐射出荧光。当激励光消失之后, 将持续发射荧光, 以指数的形式的方式衰落, 衰减曲线如图2所示。
设能级E2上的离子数为N2, 由于自发辐射N2将随着时间减少。设时间dt内N2的改变量为d N2, 则[2]:
积分后:
N20为t=0时候的N2值。上式表明N2减少的快慢与几率系数A21的大小有关, A21越大, 则N2减少越快。A21具有时间倒数的量纲, 它的倒数为:
所以上式可以改写为:
荧光寿命τ为荧光材料的内在固有特性, 与温度的关系唯一确定, 不同温度条件下荧光寿命不同。大多数的荧光材料其荧光寿命随温度升高而单调下降[3,4]。通过测量荧光以指数形式衰落的时间就可以得到荧光寿命, 从而得出温度。
1.2 荧光式光纤测温变送器
荧光寿命式光纤温度变送器由激励、传光、传感头、运算电路和信号分析5个部分组成, 其基本结构如图3所示。
变送器中的驱动电路驱动激励光源发出周期性脉冲激励光, 经过耦合到光纤后传输到传感头激励荧光材料;荧光材料受到激励后发出的荧光由光纤传回, 通过滤光片滤光, 取出所要波长的荧光信号, 然后进行光电转换成电信号, 经过信号处理分析后依据温度和荧光寿命的关系得到温度, 最后加以显示输出。整个系统由微处理器控制激励、采样、计算和控制。
此外, 本变送器还具备设计了RS485通信电路, 结合Modbus-RTU协议, 可以用于与上位机通信。
1.3 上位机选型
MCGS (Monitor and Control Generated System) 是一套基于Windows平台的, 用于快速构造和生成上位机监控系统的组态软件系统, 可运行于Microsoft Windows 95/98/Me/NT/2000等操作系统。
MCGS为用户提供了解决实际工程问题的完整方案和开发平台, 能够完成现场数据采集、实时和历史数据处理、报警和安全机制、流程控制、动画显示、趋势曲线和报表输出以及企业监控网络等功能。
MCGS具有操作简便、可视性好、可维护性强、高性能、高可靠性等突出特点, 已成功应用于石油化工、钢铁行业、电力系统、水处理、环境监测、机械制造、交通运输、能源原材料、农业自动化、航空航天等领域, 经过各种现场的长期实际运行, 系统稳定可靠。
本文采用了MCGS TPC7062作为上位机监控机, 具有成本低, 功能丰富等优点。
2 荧光式光纤温度监控软件设计
2.1 荧光式光纤温度变送器通信协议
荧光式光纤温度变送器内置Modbus-RTU通信协议, 表1和表2为上位机和下位机通信协议。
2.2 荧光式光纤温度测量组态设计
荧光式光纤温度测量系统组态监控软件设计采用MCGS进行设计, 可以实现三路温度的实时数值显示和实时曲线, 三路温度采集的历史查询和历史曲线显示, 界面如图4所示。
3 结束语
本系统在高压开光柜在荧光式光纤测温系统中进行了实际应用, 同时采用原来的手持式红外测温仪测量热点温度, 两者测温误差值小于1℃。说明这种新型的测温方式是行之有效的。这些为开关柜的预防性检修提供了依据, 还可以对事故隐患及时提醒和报警、定位。对延长高压开关柜使用寿命, 提高运行可靠性具有重要意义, 因此具有很好的实际应用价值。
摘要：荧光式光纤温度测控系统可以广泛应用于高压等强电磁场环境。本文提出一种荧光式光纤温度测控系统, 包括了荧光式光纤传感器及其变送器, 上位机MCGS监控组态软件设计, 实现了对温度的测量、曲线显示、存储和查询。
关键词：荧光式光纤,温度测量,MCGS
参考文献
[1]Parson J, Dickens J, Waiter J.Energy Deposition and Electromagnetic Compatibility Assessment of Electroexplosive Devices[C].IEEE International Power Modulators and High Voltage Conference, Las Vegas, N E, USA, May 27-31, 2008.USA:IEEE, 2008:439-442.
[2]程亮等.稀土荧光高分子材料[J].江苏:合成技术及应用, 2006 (6) :356-359.
[3]廖延彪等.光纤传感技术与应用[M].北京:清华大学出版社, 2010.121-133.
温度测控系统 篇6
GPRS(通用分组无线电业务) 是一种基于第二代移动通信系统GSM(全球移动通信系统)的无线分组交换技术,特别适用于间断、突发性或频繁、少量的数据传输, 也适用于偶尔的大量数据传输。现有的中国移动BSS(基站子系统)提供全面的GPRS网络覆盖,GPRS允许用户在端到端分组转移模式下发送和接收数据,而不需要利用电路交换模式的网络资源,从而提供了一种高效、低成本的无线分组数据业务。将 GPRS与嵌入系统、Internet 网络结合,组建无线数字测控网络。它充分利用已有公共网络资源,节省了网络建设及维护成本。而且GPRS按流量收费,适合于智能终端的数据传输,降低了系统运营成本,使系统在具有一定实时性前提下可以保证系统可靠、经济运行。
本系统采用以AT89C52单片机的数据测控中心和GPRS无线模块相结合,实现多路温度的测量与控制,采集的数据通过GPRS发送到Internet上的数据中心服务器上,利用Internet实现客户机与数据中心服务器通信,最终实现对被测对象的控制。只要有手机信号和Internet的地方就可实现温度的测量与控制。
1 系统总体方案
本系统主要功能的实现如图1所示。利用AT89C52单片机系统进行模拟温度采集与控制,通过GPRS无线模块实现与远程数据中心通信,最后通过客户机与Internet的数据中心进行数据交换,实现对终端的远程测量与控制。此外,为方便管理人员在现场实时检查被测对象的工作状态,在终端采用LCD(液晶显示器)和键盘,实现本地温度的测量与设定。
2 单片机设计
单片机设计主要包括温度的A/D转换、LCD显示、RS-232串口、D/A转换、功率放大和相应软件设计。硬件框图如图2所示。
单片机采用ATMEL的AT89C52,内含8 kB的程序存储器和256 B的RAM,程序存储器容量和RAM已够用,不扩展片外的程序存储器和RAM。A/D转换采用12位高速低功耗采样芯片ADS7818,可得到较好的测量精度。显示采用KS0108控制器的128×64彩色LCD,能较高质量地显示文字和图形。串口使用MAX232芯片,转换成标准的RS-232电平,与GPRS模块进行通信。GPRS模块使用宏电公司的H7118 GPRS DTU(数据终端单元),它的功能是将数据或命令通过天线发射出去,通过移动BSS发送到数据中心
服务器,也能接收数据中心的数据或命令。
软件主要包含以下功能模块:温度的采集和A/D转换、温度的处理与控制、LCD显示、通过RS-232与GPRS DTU的通信。
3 数据中心设计
数据中心的作用是管理相应的DTU,同时处理GPRS模块发来的数据。数据中心要求非常稳定,否则将直接影响整个系统的稳定、GPRS流量和运营成本。温度测控系统本身规模不大,被测对象只有温度测量值、温度设定值和风扇转速,数据量不是很大,虽然本单位现有固定的公共网络IP,其服务器运行比较可靠,但是考虑到服务器的稳定运行通常不允许在服务器上安装其他应用软件,所以GPRS数据中心系统也不允许安装在该服务器上。如果采用端口映射,把来自GPRS-Internet网络某一指定端口(系统采用5002端口的UDP协议)的数据,通过映射功能将此端口的数据转发到局域网内一台安装有GPRS数据中心的计算机上。然后由Internet上的客户端通过数据中心服务器进行通信,从而实现与GPRS模块进行通信。这种温度测控方法在实现过程中发现数据中心不很稳定,而中国移动的信号还是比较稳定的,所以准备采用中国移动提供的EDGE无线上网服务,类似于ADSL,每一次服务器联网后其IP地址是固定的,可以利用它作为本系统的服务器。但是,每次服务器重新登录网络后,其IP会改变,这要求对所有的DTU进行重新设置,实现比较麻烦,而在部分省,中国移动提供具有固定IP的SIM卡,采用这样的SIM卡,数据中心就有了固定IP。通过一段时间的运行,发现这种方法实现较为方便,同时运行也比较稳定,且运行成本不高。数据中心程序的主界面如图3所示。
数据中心主要实现以下几个功能:
a)对DTU的服务控制。用来启动和停止数据中心的服务。启动时,要对多个DTU进行统一管理,包括相应DTU的注册与注销,一旦有DTU要在本数据中心注册时,要及时读取包括DTU的ID在内的相关信息,当DTU完成与数据中心的注册任务后,能与DTU进行通信,包括以不同的方式进行数据交换。当有DTU申请注销或掉线时,数据中心要及时对其完成注销的任务,并且数据中心能主动使相应的DTU注销。
系统的运营成本主要由GPRS流量决定。由于温度值是一个相对缓慢变化的量,考虑到费用问题,尽量减少流量,因此在设计中,单片机系统不会主动向数据中心发送数据,只有当客户端或数据中心发出测量请求时,单片机才会向数据中心发送数据,再由数据中心转发至客户端。数据中心向单片机系统发送的数据有2种类型:一是读取单片机端的温度测量值、温度测定值和控制系统电机的转速的测量命令;二是对单片机的设定温度进行设定的命令。当要读取单片机系统的温度测量等值时,由数据中心首先向单片机系统发送字符特定字符,当单片机收到此字符后,马上把温度测量值、温度测定值和控制系统电机的转速通过GPRS发送到数据中心,再由数据中心进行相关的数据处理。当进行温度设定时,数据中心首先向单片机端发送另一特定字符,再发送温度设定值,当单片机收到此特定字符后,就把后面收到的数据作为温度设定值进行相应的处理。单片机系统向数据中心发送的数据格式固定,共9位十进制数据,分别为3位温度测量值、3位温度设定值和3位控制电机转速,不包含小数点,对小数据点的处理在数据中心完成,无停止位和校验位。
b)数据中心通信参数的设置。用来完成对数据中心相关参数和通信方式的设置。这些参数主要有:数据中心IP、数据中心用于与DTU进行通信的端口、通信模式(阻塞模式、非阻塞模式或消息模式)、服务类型(TCP或UDP)、等待时间等。
c)对DTU的管理。用来完成对DTU参数的远程设置。如DTU串口的波特率、数据位数、校验方式、停止位数、DTU的数据中心IP和端口、中国移动的接入代码等。
d)与客户端的通信。为了增强温度测控系统的可用性,采用C/S模式,数据中心也作为服务器,一方面对DTU进行操作与管理,另一方面也实现与客户机通过Internet进行通信,这样,只要有Internet的地方,就能利用客户端程序实现对参数的测量与控制。
与客户端进行通信时,使用winsock控件,在数据中心服务器端专门分配5003端口,采用TCP方式与客户端通信。由客户端主动与服务器进行通信,平时,服务器处于侦听状态,当有客户机的连接申请时,完成与客户机的通信连接。
4 客户端程序的设计
客户端主要实现与数据中心(服务器)的通信功能,间接实现对单片机系统的测量与控制。客户端程序的主界面如图4所示。
客户端首先与数据中心进行连接,点击“连接”按钮时,向数据中心发出连接请求,当请求同意后,由数据中心向客户端发出完成连接信息,客户机收到此信息时在连接按钮上显示“Connect with server OK”,此时客户机与数据中心已连接正确。温度测控主要显示被测温度、设定温度和转速3个值,所以做了显示这3个值的文本框,平时被测控对象的值不会主动传至客户机,当用户想测量时,点击“刷新数据”按钮,客户机向数据中心发送“发送数据”请求,数据中心收到此请求时,将其转发至DTU,单片机收到此请求后,把被测温度、设定温度和转速发至数据中心,数据中心收到后转发至客户端,客户端收到后在相应的文本框内显示出来,完成一次刷新数据申请。当要对被控对象进行温度设定时,直接在客户端的温度设定文本框内输入设定温度,然后点击“确定”按钮,客户端会把此温度设定值发送至数据中心,由数据中心按一定格式转发至单片机端,完成对被测对象的温度设定操作。
5 结束语
通过在Internet上的测试,本系统能正确可靠地工作,但在应用过程中也发现一些不足,如果数据中心通过端口映射方式建立的话,数据中心的稳定运行与主服务器的关系非常大,有时会出现数据中心无法连接到公共网络的情况,影响系统的稳定运行;如果采用通过中国移动EDGE无线上网方式建立数据中心时,由于江苏省的SIM无法取得固定的IP,所以每次数据中心联网后,需要改数据中心的IP和DTU的IP地址,但采用外省具有固定IP的SIM卡,此SIM卡在江苏处于漫游状态下,发现数据的传输延时比较长,要达到10 s以上。所以,在工程应用中,数据中心建议建立在具有固定IP的服务器上,会大大提高系统的稳定性和节约GPRS流量,系统的其他性能也会大大提高。
参考文献
[1]求是科技.单片机典型模块设计实例导航[M].北京:人民邮电出版社,2004.
[2]杨将新,李华军,刘东骏.单片机程序设计及应用从基础到实践[M].北京:电子工业出版社,2006.
[3]H7118 GPRS DTU使用说明书[M].深圳市宏电技术开发有限公司,2007.
[4]多中心DTU配置参数说明[M].深圳市宏电技术开发有限公司,2007.
[5]DTU用户调试入门[M].深圳市宏电技术开发有限公司,2007.
温度测控系统 篇7
1 系统硬件设计
该系统的硬件设计是采用温度传感器获取养鸡场的饲养室内的温度信号,再通过信号调理,把它送给单片机再进一步进行采集、调理和转换,然后通过串行接口电路发送给计算机并通过计算机运行Lab VIEW的程序来分析处理数据,最终显示结果,同时,通过计算机串口采样输入信号,利用Lab VIEW中的PID控制算法,求出系统输出信号的大小,再由串口将输出信号传输至外部温度控制电路,以实现温度控制。系统的硬件由温度传感器及信号调理电路、单片机、接口电路计算机、温度控制电路及空调组成。图1所示为硬件组成框图。
1.1 温度采集电路
温度采集电路由温度传感器及信号调理部分组成,它的主要作用是将养鸡场的饲养室内温度通过AMC6821型温度传感器和K型热电偶,将温度信号转换成电压信号,热电偶能用来测量点的温度和壁面温度,也能用来进行动态温度测量。AMC6821是德州仪器公司推出的一款风扇控制的温度传感器,测温范围为-40℃~+125℃,精度可达0.125℃,而且价格低廉,非常适合养鸡场使用。调理电路主要用于滤波和放大来自模拟量输入通道的信号,以满足A/D转换器输入端电气参数的要求[1]。
1.2 温度控制电路
温度控制电路的工作原理是由温度传感输出的电信号,经过放大、滤波等一系列变化后进入计算机。由于通风扇或电加热设备工作在220VAC电压下,所以温度控制电路可由图2所示温度控制电路完成。
温度控制电路的工作原理是:当单片机(采用C8051F410)发出脉宽调制(PWM)控制信号,经驱动器后控制光电耦合器U1的状态。当U1工作后,使双向晶闸管V1的控制极(G极)处于高电平,V1处于正向导通状态,进而控制负载RL工作。使用U1可有效地降低外界对系统影响,提高控制的精度,增强系统的稳定性。
1.3 通信接口电路
计算机与单片机之间通信采用RS-232与RS-485转换接口装置,把485信号变成计算机能够识别的232电平。通信接口电路采用RS485标准。RS485采用平衡发送和差分接收方式实现通信,具有极强的抗共模干扰的能力。系统选用MAX485作为RS485收发器,其最高传输速率为2.5Mb Ps,完全可以满足通信要求。
2 系统软件设计
本测控系统的软件部分设计是通过Lab VIEW的图形化语言即G语言来实现的,主要完成数据采集、控制、显示及存取功能。图3给出了温度监控界面,以模块的编程思想将系统分成采集、报警、存取、控制模块。每个模块作为一个子VI,单独编写,然后通过主程序调用每一个子VI。
2.1 数据采集模块
数据采集模块的作用是将温度信号转换成数字信号,储存到计算机中,以备后续使用,数据采集是该系统软件的主要功能。Lab VIEW可通过数据采集模块显示实际的信号波形。当数据采集模块采集实测信号时,得到一组离散的信号值,通过图形显示控件在计算机显示器上逐点显示并连线,即可实时显示被测信号。
2.2 数据报警模块
数据报警模块的程序如图4所示,系统用In Range and Coerce.vi来判定所采集数据的范围,使用Select.vi对判定结果作出选择[2]。当采集到得实际温度大于给定的温度上限值或小于温度下限值时,则指示灯变红,显示“报警”;当采集到得数据在规定的上下限范围内时,则指示灯为绿色,显示“正常”。采集数据与状态可同时显示到前面板上,且温度的上限值和下限值可以根据实际要求自己设定。
2.3 数据存储模块
该模块调用Lab V IEW中Write Characters To File。VI将经过处理的温湿度值存入指定的文件中,便于以后分析研究。
2.4 PID控制模块
PID控制模块的设计思路是:PID控制器是PID控制系统设计的关键与核心,PID是当前工业控制中应用最广泛的算法。我们将被控制的系统参数叫做过程变量PV(Process variable),将被控制的过程变量指定的理想值叫做给定点SP(set point),PID控制器确定一个对被控系统的输出量U(out Put),驱动过程变量逼近设定点[3]。
由于基于Lab VIEW的控制是一种采样控制,它是根据采样时刻的偏差值计算控制量,只能用数值计算的方法逼近。在采样时刻,PID控制器可以通过计算比例、微分、积分三者作用之和来求得PID控制器的输出值。该模块采用增量式PID控制器,其表达式为:
其中:Kp,Ki,Kd分别为:比例系数、积分系数,积分系数,Δe(k T)=e(k T)-e(k T-T),
Δe(k T-T)=e(k T-T)-e(k T-2T)误差的误差。
3 结束语
本系统是基于Lab VIEW7.1功能软件计算的温度测控系统,它在计算机上可以实时显示并实时控制,从而提高了养鸡场的温度测控精度,减轻了劳动强度,而且Lab VIEW的图形化语言编程方式减少了用其他软件编程的麻烦,值得我们在生产中广泛应用。
摘要：针对传统养鸡场温度较难控制的缺点,设计了一种基于LabVIEW的温度远程控制系统。该系统提高养鸡场的生产率,减轻了工人劳动强度。
关键词：温度,LabVIEW,比例积分微分控制,测控系统
参考文献
[1]张伟,刘红丽.基于LabVIEW的温度测控系统设计[J].国外电子元器件,2008(12):19-21.
[2]侯国屏,王坤,叶齐鑫,等.LabVIEW7.1编程与虚拟仪器设计[M].北京:清华大学出版社,2005.
温度测控系统 篇8
关键词：MACSV系统,真空钎焊炉,测控系统,温度,高精度
真空钎焊炉是现代工业生产中常用的高精度工艺设备,温度是影响其工艺和产品质量的主要因素,其升温段和恒温段均要求实际工作温度与工艺生产理想温度的偏差控制在合理的范围内,如果实际工作温度与理想温度给定值偏差过大,将直接影响生产工艺与产品质量。因此,真空钎焊炉计算机控制及监测系统的设计重点和难点就是温度的控制,使温度在偏差允许的范围内严格跟随工艺的理想值。
MACSV系统是北京和利时系统工程股份有限公司,集计算机技术、网络技术、应用软件技术及信号处理技术等为一体,采用成熟的先进控制算法,而开发的综合自动化控制系统。MACSV系统性能稳定可靠、功能强大且操作方便,已广泛应用于化工、电力及建材等自控领域。在此,笔者以MACSV系统为平台,设计真空钎焊炉自动控制及监测系统。
1 MACSV系统简介
MACSV系统是由以太网和现场总线控制网络连接的各工程师站、操作员站、现场控制站、通信控制站和数据服务器组成的综合自动化系统,能实现大/中型分布式控制系统(DCS)和大型数据采集监控系统(SCADA)功能。MACSV系统包括硬件和软件系统,硬件系统(图1)由工程师站、操作站、现场控制站(包括主控单元设备和I/O单元设备)、通信控制站、系统服务器、系统网络、监控网络及控制网络等组成;系统软件由工程师站组态软件、操作员站在线软件、现场控制器运行软件及服务器软件等组成。
该系统体系结构以”站”为分级结构,包括现场控制站、服务器站、通信站、工程师和操作员站。现场控制站运行工程师站所下装的实时控制程序,对现场进行控制和管理,并进行工程单位变换、数据采集和控制输出及控制运算等;服务器站运行相应的管理程序,对系统的实时和历史数据进行管理;工程师站运行相应的组态管理程序,对系统进行集中控制和管理;操作员站运行相应的实时监控程序,对整个系统进行监视和控制。
2 温控系统的软件设计与实现
根据用户和控制系统通用性的要求,该真空钎焊炉控制系统的软件设计实现了组态化,软件系统包括画面组态软件和控制站软件。控制站软件主要完成实时数据采集、通信及控制算法等功能,其难点是温度控制,因此控制算法的难点是升温曲线的生成和相关算法的实现。
2.1 升温曲线的生成
理想升温曲线也就是真空钎焊炉工作过程中的工艺温度给定值在连续时间的变化趋势所构成的曲线,系统在工作过程中所调节的温度的给定值即为该曲线在连续时间上的温度值。该曲线的稳定性直接影响系统的稳定性乃至整个工艺的运行情况。
在真空钎焊炉自控及监测系统中,理想升温曲线的生成选用控制站软件所提供的折线运算函数HSCHARC1,它是具有二维多输入端、单输出端的折线运算函数,二维输入端(即X、Y端)分别输入升温过程每段所需的时间和所升温度值,输出端输出当前时刻的曲线输出值。该功能块依据输入端的值即可计算出升温速率,依据输入的标准时间和升温速率计算出当前时刻的理想温度值,即温度曲线的给定值。调节器将依据计算出的当前时刻的理想温度对炉内的实际温度做相应的调节。具体算法如下:
如果(((I1(K)>X(I))&&(I1(K)<=X(I+1))){
K(I)=(Y(I+1)-Y(I))/(X(I+1)-X(I));
AV(K)=Y(I)+K(I)*(I1(K)-X(I));
}
其中I=0,1,2,…,10;K(I)为各段的斜率;I1为输入端;AV为输出端。
2.2 升温曲线的运行
升温曲线启动运行后,系统将当前热电偶实际温度的均值作为曲线的初始值(即调节器的初始给定值),该初始值的生成也选用折线函数HSCHARC1。与理想曲线的生成类似,该折线运算函数也是具有二维多输入端、单输出端的折线运算函数。二维输入端(即X、Y端)分别输入升温过程每段所升温度值和所需的时间,即在理想升温曲线的基础上将时间和温度的输入端反接,同时按照当前的均值输出一个与该值对应的时间,此时间即可作为升温曲线的初始时间。
每条升温曲线能够依据工艺的需要设定不同的参数,用户根据曲线的不同将有不同的升温段数。曲线在运行过程中要确定当前段的段号。该系统段号的确定也采用折线函数HSCHARC1,在该折线函数的X输入端输入曲线的升温时间参数,Y输入端输入每一升温段对应的段号。曲线在运行时,输出端将依据当前标准时间和曲线的设定升温时间计算出相应的段号。
2.3 监控操作画面
操作站和人机界面以Windows XP为平台,采用画面组态软件进行设计,通过图文并茂的彩色画面、动画图形和音响提示,提供良好的人机界面功能。操作画面共有十幅供选择,通过在某一画面下用鼠标单击相关的画面切换按钮即可实现各画面之间的切换。真空钎焊炉自控及监测系统的主画面如图2所示,其他画面均可在此画面下切换进入。图3为设备工艺流程显示画面,实时显示设备的运行状态和参数。
3 温控系统的调节
该系统所采集的温度为真空炉内温度,一方面炉内为负压真空状态,工件主要是靠辐射加热,根据炉子的结构分析,将热偶温度采集与控温分为6个独立的区域(6个区域易耦合);另一方面温度本身就是滞后较大的参数,在升温过程滞后更为突出,容易引起系统振荡。因此,PID运算方式与参数调节就成为该系统的重点和难点之一。在设计和调节过程中采取以下措施予以解决。
3.1 解耦
为消除6个控温区的耦合现象,采取和差补偿解耦法。和差补偿解耦法不需要补偿装置,而是利用对象各通道传递函数的特点,对各通道的传递函数W11、W12、W21和W22进行加、减运算,使等效对象的传递矩阵成为或接近为对角矩阵,从而消除耦合。解耦前、后的原理框图如图4、5所示,其中X1和X2为系统输入量,Y1和Y2为系统解耦前的输出量,K1和K2为通道间的等效传递函数,Y1′和Y2′为系统解耦之后的输出量。
3.2 滞后补偿
为消除温度滞后导致的超调过大和系统振荡,在设计过程中加入了前馈调节(图6),以实现对温度滞后的补偿。前馈控制使温度滞后的扰动量在未影响被控变量之前,直接改变控制变量,以使被控变量不受或少受温度滞后扰动量的影响,从而实现对温度滞后的补偿调节。
d(t)——温度滞后的扰动量;
GFF(s) ——前馈控制器的动态特性;
GYD(s)、GYC(s) ——干扰通道与控制通道的动态特性;
u(t) ——输出加热功率(控制变量);
y(t) ——真空炉炉区温度(被控变量)
3.3 拐点温度过冲抑制
由于热量在炉内呈辐射扩散,加热功率为零之后,温度还会持续上升一段时间才能稳定,致使过冲较大。为抑制过冲,设计中采用PID参数自整定算法,笔者根据Astrom K J提出的继电器振荡法设计的自整定系统如图7所示。
在自整定模式下,采用描述函数法推导出产生振荡的条件为:
undefined
式中 A——系统产生稳定等幅输出的幅度;
Ku ——系统的等效比例增益。
实际测量时,根据输出产生的峰-谷-峰值,求出A与系统产生稳定等幅输出的周期Tu。测量公式为:
undefined
在测得A与Tu之后,按照Z-N法计算PID参数,并将结果列于表1。
为了更好地克服温度滞后对系统调节产生的不利因素,笔者对PID算法进行改进,采用增量式算法代替位置式算法,其中位置算式和增量算式分别为:
u(k)=u(k-1)+Kp[e(k)-e(k-1)]+Kie(k)+
Kd[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)]
Δu(k)=Kp[e(k)-e(k-1)]+Kie(k)+
Kd[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)]
可以看出,增量式算法必须具有保持历史位置功能的执行机构,其优点是从手动切换到自动时不需要初始值,因此在工作点有较大突变或系统启动时有较好的响应特性,而且增量式对积分饱和有很好的抑制作用,即当输出作用受限时自动停止积分,避免了积分饱和。其原因是,系统采用位置式算法时,如果执行机构受限,控制器没有获得相关信息而继续积分,积分作用就会变得很大,一旦发生这种情况,需要一段时间才能恢复正常控制。
在积分之前乘上一个系数L,并设置积分分离值a。分段变速积分:使积分项的累加速度与偏差大小相对应,偏差越大积分越慢;反之越快。
4 系统的其他功能
除上述功能,该系统还完成了以下功能:定时或随时打印各种参数报表;系统故障与设备越限(超温及真空偏低等)报警,并采取安全保护措施;手动与自动无扰切换;由键盘输入给定值或修改参数。
5 投运效果
笔者设计的真空钎焊炉自动控制及监测系统已通过用户兰州真空设备有限公司现场验收并于2011年11月投入使用,系统运行良好、稳定、功能齐备且操作方便。在室温至800℃的温度范围内,以30℃/min的速率升温时,升温过程控制精度达到了±1℃;在恒温时控制精度达到了±0.3℃,均达到了工艺产品生产的精度要求。图8所示为现场获得的一段升温曲线。
6 结束语
温度测控系统 篇9
现代工业生产中, 温度、压力、流量、流速等过程检测参数是工业过程控制中主要的被控参数, 这些参数的稳定直接关系到产品质量的好坏。温度是极为普遍又极为重要的热工参数之一, 温度控制一般指对某一特定空间的温度进行控制调节, 使其达到并满足工艺过程的要求。但是由于温度控制对象通常都存在较大的纯滞后, 高精度的温度控制仍然是比较困难的。
SOC技术是一种高度集成化、固件化的系统集成技术, 使用SOC技术设计控制系统的核心思想, 就是要把整个应用电子系统全部集成在一个芯片中, 即通过一个核心控制芯片完成对现场数据的采集、处理和相应控制算法的实现, 与通用的MCU控制系统相比, SOC控制系统不仅能减少系统的体积、降低系统功耗, 而且还可以显著提高控制系统的可靠性。
MSP430系列单片机是美国TI公司推出的一款超低功耗、功能强大的16位Flash单片机, 采用了精简指令集 (RISC) 结构, 有较高的处理速度, 具有五种低功耗模式 (LPM 0～LPM 4) , 在等待方式下, MSP430单片机的耗电仅为0.7μA;集成了高性能的10/12位ADC、16位定时器, 可以满足各种控制要求的PWM接口和I/O模块, 从而为控制系统的SOC解决方案提供了极大的方便[1,2]。
2 系统总体结构
SOC模糊温度网络控制系统主要是由上位管理计算机和若干工业现场温度控制节点等组成, 温度控制系统的通讯总线采用RS-485总线, 总线的拓扑结构采用总线式结构, 物理介质采用双绕线, 以实现对生产现场的数据采集、设备控制、参数调节以及各类信号报警等功能。同时为了便于系统的扩展, 在现场温度控制节点地址分配上预留了一定空间, 系统总体结构如图1所示。
现场温度控制节点的核心芯片选用TI公司的MSP430F149, 这是一款具有较高性价比的SOC型单片机, 其工作电压范围是1.8～3.6 V;为具有两个16位定时器、八通道12位A/D转换器 (ADC) 、两个通用同步/异步触发控制器、48个I/O口 (均可独立控制) 的微处理器结构, 同时具有60 KB的FLASH和2 KB的RAM, 这为控制系统的开发、设计提供了较大的便利性[2]。
PC机与现场温度控制节点的通信采用RS-485总线, 由于RS-485总线是主从通讯方式, 现场温度控制节点在接到PC机的数据发送指令时, 才把相关数据信息发送到PC机, 以提高温度控制系统的实时性和快速性。
3 现场控制节点的功能模块设计
现场温度控制节点由温度数据采集模块、输出控制模块、LCD显示模块以及RS-485通讯模块组成, 可实现温度数据的采集、在线处理及数据远传。
3.1 数据采集模块
Pt100是利用其电阻和温度成一定函数关系而制成的温度传感器, 在-200～850 ℃的测温范围内, Pt100是精度最高的温度元件之一, 同时Pt100还具有耐氧化能力强、离散性小、稳定性和复现性好、响应快速等特点, 这些特征使得Pt100在工业控制领域得到广泛的应用[3]。
在具体应用中, Pt100常用的接线方式有两线制、三线制和四线制, 其中三 (四) 线制的接法通过将Pt100两侧的引线电阻分别加在平衡电桥的两侧桥臂上, 消除引线电阻对温度检测的影响[3]。在本系统中Pt100的检测电路采用一种简化的三线制接法, 具体检测电路如图2所示。Pt100检测电路中采用TL431设计电压基准源, 同时为了避免Pt100上电流过大, 产生新的附加误差, 在电压基准源的输出电压采用输出可调设计, 其输出电压可以根据实际进行调整。在0 ℃时, Pt100两端的压降为Vout1, 而随着温度升高, Pt100的阻值增大, 其两端的压降为Vout2, 则Pt100因温度变化引起的电压变化为:
undefined
式中:ΔR——Pt100的变化值;Vref——电压基准源的输出电压。
由于工业现场存在较强的干扰源, 为保证温度测量精度, 本控制系统的信号调理放大器选用ADI公司生产的AD8552放大器芯片, AD8552是一款低噪声、零漂移、轨到轨的放大器芯片, 具有输入电阻大、低噪声等特点, 以提高微弱信号的检测范围和精度。
3.2 通讯模块
由于MSP430F149是3.3 V电源供电, RS-485总线驱动芯片选用Sipex公司生产的SP3485, SP3485是一款3.3 V供电、低功耗、半双工RS-485总线驱动芯片, 完全满足RS-485和RS-422串行协议的要求, 数据传输速率可高达10 Mbps (带负载) [4]。
为了提高RS-485网络的可靠性、稳定性, SP3485与MSP430F149采用光电隔离接口设计, 以实现RS-485总线上各控制节点的电气隔离, 并采用双电源隔离供电设计。连接至A引脚的上拉电阻R7和连接至B引脚的下拉电阻R9用于保证SP485R芯片处于空闲状态时, 提供RS-485网络的失效保护, 以提高现场控制节点与通讯网络的可靠性[5], 其接口电路设计如图3所示。
4 控制软件设计
4.1 通讯软件设计
RS-485是美国电气工业联合会 (EIA) 制定的利用平衡双绞线作传输线的多点通讯标准, 由于RS-485标准只对接口的电气特性做出规定, 因此用户可以根据实际需要建立自己的高层通信协议。
RS-485标准是基于PC的UART芯片上的处理方式, 其串行数据单元的格式为:1位起始位, 6/7/8位数据位, 1位可选择的奇/偶校验位, 1/2位的停止位[5]。
PC机和现场控制节点的通讯是通过RS-485总线进行的, 为了提高控制网络中数据通讯的可靠性、实时性, 同时考虑到现场控制系统采用主-从通讯模式, 现场控制节点在接到PC机的数据发送指令时, 才把相关数据信息发送到PC机, 因此对现场控制节点的通讯软件设计采用状态机设计模式。将现场控制节点的通讯状态分为:接收状态、数据分析状态、处理数据状态、应答状态、抛弃状态以及初始化状态, 其中初始化完成通讯接口复位操作;数据分析状态根据接收到的RS-485数据判断是否是本控制节点的数据, 并采取相应的操作;数据处理则完成RS-485数据的存储、相应标志位的置位操作, 具体的现场控制节点的通讯状态机如图4所示。
4.2 模糊控制算法实现
由于工业现场的温度控制对象一般均具有滞后性, 且控制对象的数学模型也不易建立。常规的控制不能满足温度控制的精度要求。为了提高现场控制节点的控制精度和鲁棒性, 本文采用模糊控制算法设计了现场温度控制器, 以提高SOC温度控制系统对控制对象的适应性, 常用的二维模糊控制器的设计步骤分为[6,7,8,9]:
(1) 变量模糊化。
本文选取温度偏差e和温度偏差的变化量Δe作为模糊控制器的输入, u为模糊控制器的输出, 为了简化模糊控制器的设计, 选取e、Δe和u的模糊集合为:{NB, NM, NS, O, PS, PM, PB}, 并将e、Δe和u的基本论域归一化为[-5, 5], 其隶属函数均选用三角函数, e、Δe的模糊论域为{-3, -2, -1, 0, 1, 2, 3}, u的模糊论域为{-9, -6, -3, 0, 3, 6, 9}。
(2) 模糊控制规则设计。
模糊控制器的主要任务是建立模糊控制规则, 依据实际温度控制对象的控制规律, 本文总结出49条MAMDANI模糊控制规则如表1所示。表1中每一条模糊控制规则都可以推理出相应的模糊控制器的输出量Ui (i表示是第i条模糊控制规则) , 其模糊推理采用MAX-MIN法。
(3) 反模糊化。
在温度控制系统中, 用于对象控制的驱动量只能是一个精确量, 因此经模糊推理后得到的是模糊输出量Ui, 根据其隶属度的大小对模糊控制器的输出产生作用, 为简化模糊控制器的计算过程, 采用重心法计算模糊控制器的精确输出值:
undefined
5 结 论
本文设计的控制系统现场调试, 其温度控制精度达到设计要求, 网络通讯的可靠性、安全性均满足控制系统的要求, 同时该系统可以通过增加RS-485中继器的方法, 将该温度控制网络并入工厂内部控制网络, 实时监控并反馈生产现场的工作状况。
但由于RS-485协议仅定义了RS-485物理层的实现, 在实际应用中还需要编制应用层的通讯协议, 在实际调试过程中在数据读写时会出现误码现象, 因此在今后的研究中应对如何提高RS-485通讯应用层协议的可靠性和改进通讯软件的实时性等方面作进一步的研究。
参考文献
[1]AMOLD K.Embedded Controller Hardware Design[M].LLHTechnology Publishing, 2000.
[2]魏小龙.MSP430系列单片机接口技术及系统设计实例[M].北京:航空航天大学出版社, 2002.
[3]王俊杰.检测技术与仪表[M].武汉:武汉理工大学出版社, 2002.
[4]SP3485数据手册[DB/OL].http://www.zlgmcu.com/Sipex/RS485/SP3481/sp3481_85_en.pdf.
[5]RS-485选型及应用指南[DB/OL].http://www.zlgmcu.com/Sipex/guide/RS-485_guide.pdf.
[6]李士勇.模糊控制、神经控制和智能控制论[M].哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社, 1998.
[7]GOLEA N, GOLEA A, BARRA K, et al.Observer-based Adap-tive Control of Robot Manipulators:Fuzzy Systems Approach[J].Applied Soft Computing, 2008, 8 (1) :778-787.
[8]GOLEA N, GOLEA A, BENMAHAMMED K.Stable IndirectFuzzy Adaptive Control[J].Fuzzy Sets and System, 2003, 127:353?366.