综合测控系统

2024-11-06

综合测控系统（共10篇）

综合测控系统篇1

0引言

近年来,工科专业对实验教学的要求越来越高,教学仪器也趋向多功能化、智能化发展。但由于目前工业生产中使用的控制系统的功能都是事先设定,购买后对其软件和程序等无法修改,也无法对其功能进行调节,所以无法适用于综合性、设计性和创新性实验教学的要求。本系统是对实验水箱热工量参数测量与控制装置的设计。设计的实验水箱含有液位、温度测量和相应的控制。主测控系统采用西门子PLC进行控制,动力供水采用三相交流水泵,交流变频器驱动,组成可调节供水系统。加热采用SCR晶闸管,电加热丝组成加热系统。上位机则由计算机和组态王构成,通过组态软件完成上位机的测控界面设计,实现上下位机之间的通信,参数的输入输出传送、显示及控制曲线的监视。

1系统整体构成

本系统主要由各类硬件、上位机和下位机组成。下位机采用PLC作为主控系统,通过温度传感器和液位传感器分别对温度信号和液位信号进行采集,应用PID算法实现调节控制,通过模拟量的扩展模块实现输入测量信号的模-数转换及输出控制信号的数-模转换。上位机主要由计算机和组态王软件构成。通过组态软件完成上位机的测控界面设计,实现上下位机之间的通信,参数的输入输出传送、显示及控制曲线的监视。其余单元模块主要由温度传感器、液位传感器、晶闸管和变频器等组成。它们用来实现信号的传感变送、信号的比较、执行器的驱动及执行操作。系统总体框图如图1所示。

2主要硬件配置

本系统中选取德国西门子公司推出的整体式小型可编程控制器S7-200系列PLC,中央处理单元为新推出的CPU 224XP AC/DC/Relay,该CPU在本机体中集成了2个RS-485通讯口,2个模拟量输人口,1个模拟量输出口,14个数字输人和10个继电器输出。由于其可靠性高、指令集丰富、实时性好、通信模块强、扩展模块丰富,并且具有很高的性价比,因而广泛应用于各种场合中的检测、监控和控制的自动化。此外,西门子S7-200 PLC自带PID调节,故可以采用PID算法对采集过来的信号进行处理[1,2]。系统中PLC的I/O端子分配及接线如图2所示。

变频器是用来控制水泵电动机,因而变频器应当与水泵电动机相匹配。根据设计,选用西门子全新一代标准变频器MicroMaster420,其简单灵活,采用模块化标准设计。它适用于大多数普通用途的电动机变频调速控制场合,具有完善的控制功能,在设置相关参数后可用于较高的电动机控制系统,一般情况下利用缺省的工厂设置参数就可以满足控制要求[3]。

本系统的注水对象是实验水箱,因而选用小扬程水泵较佳[4]。水泵扬程大约为提水高度的1.15～1.20倍。考虑到实验时提水高度大约在3m左右,故实际所需的水泵扬程在5m时即可满足系统要求。如果选取的水泵扬程过大,将使得富裕的扬程换取流量的增加,流量增加使得水泵噪声加大。特别的流量增加还使得水泵电动机负荷加大,电流加大,发热加大,很可能烧坏电动机。因此,选择水泵时应使水泵铭牌上的扬程最好与所需扬程接近,这样的情况下,水泵的效率最高,使用会更经济。综合各方面因素,本系统选用CQ型系列不锈钢磁力泵14CQ-5F。

系统采用WCY-UB插入式液位传感器。WCY-UB电流型插入式液位计是在WCY-UR的基础上通过变送模块,将电阻信号转换成相应的二线制4～20mA DC电流信号输出。再配接WCY-503型数显仪,或DCS或PLC系统,可实现液位的远距离检测、控制和报警。

目前,可用的温度传感器有热电偶、热电阻等。通常情况下,随着温度的升高,金属的电阻值具有正的温度系数,其大小约为(3～7)×10-3℃。因此通过测量金属电阻值得变化,可以测量出其对应的温度。作为能够测量温度的电阻体,除了铂之外,还有铜和镍等。但是铂的纯度高达99.999%,有着与众不同的优点,诸如电阻值温度特性稳定,电阻的温度系数较大等,因而铂成了本设计中较为理想的温度传感器。本设计中选用铂电阻TRRA102B。

3软件设计

软件设计部分主要分为PLC主控程序和组态王监控程序两部分。在下位机系统中,液位传感器和温度传感器分别采集到液位信号和温度信号,经过转换后与设定参数值比较作差,再将偏差信号输入PLC,利用PID算法进行运算处理,以实现对相应信号的调节控制。PLC控制程序采用SIMATIC STEP7-MCRO/WIN 32编程软件编写,它具有STL,LAD,FBD等编程方式,能够解决复杂的自动化任务。本设计中控制程序使用梯形图指令编写,主要由以下程序块组成:主程序、子程序SBR_0和中断程序INT_0。这样可以优化程序结构,减少系统周期扫描的时间,提高运行效率。上位机采用组态王软件对监控系统进行设计,不仅提供了可视化监控画面,有利于实时现场监控;而且它能充分利用Windows的图形编辑功能,方便地构成监控画面,并以动画方式显示控制设备的状态,且具有报警窗口、实时趋势曲线等功能,可便利的生成各种报表[5]。

3.1主程序设计

主程序负责对整个控制程序进行组织与管理,如通电时进行系统初始化,调用各个功能子程序等。

3.2子程序设计

在子程序中,先进行组态编程的初始化工作,将5个固定值参数(SPn,KC,TS,TI,TD)填入回路表。然后再设置定时中断,以便周期性地执行PID指令。子程序的设计流程如图3所示。

3.3中断程序设计

传感器采集的模拟量信号送入PLC模拟量输入口,经A/D转换送入CPU处理。从AIW0中获取输入值,为了增加稳定性,在中断程序中,首先连续采样10次,找出最大值和最小值,进行滤波处理,再将模拟量输入模块提供的过程变量PVn转换成标准化的实数并填入回路表;然后设置PID指令的无扰动切换,并执行PID指令,使系统由手动方式无扰动地切换到自动方式,将参数Mn,SPn,PVn-1先后填入回路表,完成回路表的组态编程,从而实现周期地执行PID指令;最后将PID运算输出的标准化值Mn转换为按工程量标定的整数值,最后送至模拟量输出模块,以实现对外部设备的PID控制[6]。中断子程序的设计流程如图4所示。

3.4组态王监控程序设计

“组态王6.0x”是运行于Microsoft Windows 98/2000/NT中文平台的中文界面的人机界面软件,采用了多线程、COM组件等新技术,实现了实时多任务,软件运行稳定可靠。软件包主要由工程浏览器(TouchExplorer)、工程管理器(ProjManager)和画面运行系统(TouchVew)三部分组成。在工程浏览器中可以查看工程的各个组成部分,也可以完成数据库的构造、定义外部设备等工作;工程管理器内嵌画面管理系统,用于新工程的创建和已有工程的管理。画面的开发和运行由工程浏览器调用画面制作系统TOUCHMAK和工程运行系统TOUCHVEW来完成的[7]。

“组态王”把每一台与之通讯的设备看作是外部设备,为实现组态王和外部设备的通讯,组态王内置了大量设备的驱动作为组态王和外部设备的通讯接口,在开发过程中只需根据工程浏览器提供的“设备配置向导”一步步完成连接过程即可实现组态王和相应外部设备驱动的连接。在运行期间,组态王就可通过驱动接口和外部设备交换数据,包括采集数据和发送数据/指令。每一个驱动都是一个COM对象,这种方式使驱动和组态王构成一个完整的系统,既保证了运行系统的高效率,也使系统有很强的扩展性。建立应用工程大致可分为以下4个步骤:1)设计图形界面;2)构造数据库变量;3)建立动画连接;4)运行和调试。本设计中应用组态软件开发的主界面如图5所示。

4调试结果分析

当上位机组态王应用软件和和主控系统的PLC程序编译完成后,对整个系统进行预定功能调试。闭合变频器的手动开关,水泵开始向水箱注水;当达到一定的水位后手动停止。通过组态王曲线画面来监视被测量是否达到预设值。在调试过程中,通过调整比例系数KP,积分时间常数TI和微分时间常数TD来使被控量尽快达到稳态值,以取得较为满意的控制效果。

总之,整个系统具备了进水功能、液位检测功能和温度检测功能。对水箱加热时,通过PLC处理后能将温度控制在0℃～80℃范围内,其精度能够达到±3%。对液位控制时,当液位达不到指定值时水泵会对水箱进行送水;当液位达到指定值后水泵会停止送水,也基本达到预定要求。

当然,调试过程中也发现不尽如人意的方面。在PLC程序算法中,由于是连续采样10次后再进行中值滤波,使得输出曲线波动较大,有待进一步改进优化算法。

参考文献

[1]吴作明.工控组态软件与PLC应用技术[M].北京:北京航空航天大学出版社,2007.

[2]夏小斌.西门子S7_200系列可编程控制器[J].设计与研究,1998,(3):97-99.

[3]王殿睿.西门子PLC与变频器通讯的应用[J].电工技术,2008,(13):112-119.

[4]吴登昊,王洋.基于PLC的水泵测试控制系统设计[J].流体机械工程,2008,(4):195-201.

[5]彭继慎,孟庆铸,张静,等.基于PLC和组态王的油库收发油控制系统[J].制造业自动化,2008,2(32):55-61.

[6]祁鸿芳,王淑红.PID算法在西门子PLC模拟量闭环控制中的实现[J].机床电机,2005,(9):33-37.

[7]严盈富.监控组态软件与PLC应用[M].北京:人民邮电出版社,2006.

基于构件的测控系统设计篇2

关键词：FPGA；PCI；构件；计算机测控系统；通用性；可维护性

中图分类号：TP302.1 文献标识码：A文章编号：1007-9599 (2011) 11-0000-01

Measurement and Control System Design Based on Component

Song Changquan

(School of Computer Science&Technology,Soochow University,Suzhou215006,China)

Abstract:Computer control system using(FPGA,Field Programmable Gate Array)and the PCI card.In the analysis of the FPGA and PCI interface card is proposed,based on the characteristics of the measure and control component in a general ideas,measurement and control system for example has been designed versatility and high maintenance computer measurement and control system.

Keywords:The FPGA;PCI;Structures;Computer measurement and control system;General;Maintainability

FPGA[1]器件及PCI卡都是目前数据采集[2]控制领域主要流行的技术之一，FPGA器件广泛应用于通信、自动控制、信息处理等诸多领域，PCI卡是用于数据采集应用的理想采集卡产品。本文针对FPGA及PCI卡的技术特点，将其按控件组合应用在计算机测控系统中。

一、计算机测控系统硬件体系结构

根据计算机测控系统[3]的要求，在硬件设计时考虑将该系统分成工业控制计算机系统、信号调理系统、控制机箱三部分进行设计。使用计算机调试系统软件进行各输入输出信号的控制和测试。

图1.计算机测控系统硬件体系结构原理框图

（一）工业控制计算机系统

工业控制计算机系统由主流计算机系统构成，可根据实际需求选择配置，在工业控制计算机中可迅速插入多个I/O卡和FPGA卡，从而提高了系统的可扩展性，并减少了维护周期。本文选用的系统硬件配置为凌华科技的计算机平台。

（二）信号调理系统

测控系统中信号调理板采用PCI接口形式，主要用于对输出故障模拟及复位信号，输入故障状态信号进行调理数字I/O板卡选用AD-LINK的PCI-7296，32位PCI总线，即插即用96路TTL兼容数字量I/O通道，端口可编程设定为输入或输出，数字量输入可用外部锁存，输出端口状态回读，板上带有8254定时器/计数器芯片，16位外部信号事件计数器，32位定时器用来产生定时器中断，状态变换中断，中断源可编程的双中断系统。

（三）控制机箱

控制机箱内部为物理电路连接，其实现的功能即为控制机箱面板所需要观测的数据指示灯和显示屏及开关控制等搭建电路连接。控制机箱外表面即为物理主控面板，通过对其安装的控制开关，控制流量或通断量；通过机箱上的电流电压表即时显示电路中控制部分的电流值和电压值，通过LED指示灯亮灭或红绿颜色变化区分显示信号的变化。

二、计算机测控系统软件体系设计

计算机调试台测试软件选用Visual Basic开发[4]，它可以进行测控系统各级故障信号的模拟控制，并能显示出操作过程，各信号的状态，检测结果和检测时间，检测可以通过自动或手动完成，可将检测结果保存至计算机中。FPGA部分由VHDL[5]实现FPGA软件部分编制控制，I/O卡及其他由VB统一编程实现。

三、测控构件通用性

通过将FPGA卡及PCI卡组合构成测控构件，使得测控构件能迅速的接入到工业控制计算机中，完成信号调理和数字量控制。其特点是可针对于不同测试功能需求，将测控构件移植，在新系统中只需完成FPGA的可编程部分，配合其他板卡使用即可快速完成新的计算机测控系统设计。

四、结束语

采用FPGA器件可以将原来的电路板级产品集成为芯片级产品，从而降低了功耗，提高了可靠性，同时还可以很方便地对设计进行在线修改。PCI其自身具有快速、正确、有效、可靠性好、操作方便及连续高吞吐率（即使是大量数据）地传输等特点；将两者有效组合构成一个独立的测控构件，让计算机测控系统平台的搭建变的更加快捷方便，使其具有更高的通用性和可维护性。

参考文献：

[1]诸振勇,翁木云.FPGA设计及应用[J].陕西:西安电子科技大学出版社,2003

[2]周林.数据采集与分析技术[J].陕西:西安电子科技大学出版社,2005

[3]李江全.计算机测控系统设计与编程实现[J].北京:电子工业出版社,2008

[4]李江全.Visual Basic串口通讯与测控应用技术实战详解[J].北京:人民邮电出版社,2007

[5]勇峰,庄新敏.VHDL与硬件实现速成[J].北京:国防工业出版社,2005

综合测控系统篇3

测控系统综合训练是江苏理工学院测控技术与仪器专业为适应应用型人才培养而开设的集中实践教学环节。课程的目的是通过综合训练将大学4年所学相关专业知识和专业技能进行综合应用, 它有别于课程设计与毕业设计, 是学生在完成除毕业设计外的全部理论和实践课程后的一次综合性实践教学环节, 具有综合性、设计性和开放性等特点, 使专业实践课程教学更贴近实际应用, 实现为社会培养既懂理论又有实践经验的应用型人才目标。为更好地实现应用型人才培养目标, 本文对我校测控技术与仪器专业几年来开设测控系统综合训练实践教学的探索与实践进行较为全面的总结。

1 测控系统综合训练课程介绍

测控系统综合训练课程是我校测控技术与仪器专业本科教学中的一项集中实践环节, 安排在学生大部分课程已基本结束, 进入毕业设计之前的大型综合实践教学环节, 时间为4周。值得注意的是, 测控系统综合训练课程是在规范的流程指导下完成一项本专业具有代表性的工程设计问题, 也就是说该综合训练课程必须在有样本参照和教师指导下完成, 否则在如此短的教学时间内是难以完成训练任务, 也难以达到预期效果。

1.1 课程目的

测控系统综合训练课程的教学目的是:通过这门课程的学习与实践, 培养学生能够根据实际需求提出相应的测控系统的设计思路、方案设计与论证;熟悉测控系统完整的开发、研制的流程, 软、硬件设计方法和设计步骤;能够处理实践过程中出现的问题并提出解决办法, 提高理论付诸实践的应用能力。

总之, 通过这种综合性的理论联系实际的训练课程, 培养学生的工程思维方法和实践经验, 训练中学生需要独立面对问题并提出相应的解决方法, 这有利于学生主观能动性的发挥, 有利于学生动手能力与创新能力培养。另外, 通过这样综合性、实践性都很强的课程训练, 也让学生对所学测控技术与仪器专业的基本理论和知识进行了一次强化, 进一步加深对专业知识的理解, 对设计与开发中所用到各种开发工具有了进一步的熟悉。

1.2 课程内容及选题原则

测控技术与仪器专业涉及学科领域较多, 一个单一的测控系统就可能涵盖光、机、电与计算机等多个学科领域。现今, 随着电子信息技术、计算机技术、通信技术和网络技术的发展, 测控与仪器仪表技术呈现出智能化、微型化、网络化和虚拟化的发展趋势, 从而使测控技术与仪器的多学科综合及多系统集成的属性越发明显[4], 所以这种在短时间内完成的课题的选择是需要遵从一些原则的。

首先, 要立足本专业人才的培养目标我校测控技术与仪器专业着眼于服务于中小企业, 特别是长三角地区的中小企业[2]。中小企业的技术要求层次一般为中低端, 通常为较成熟且应用广泛技术, 考虑单片机、PLC这些技术是目前中小企业解决测控问题的主要技术手段, 因此, 在选题上偏重于智能化测量与控制仪表方面内容。在项目的设置上, 采用根据不同物理量为测控对象的训练项目设置方法, 即依据物理量类别进行训练项目设置。之所以这样安排, 一方面, 因测控技术与仪器专业所涉及的相关系统或仪器仪表, 虽功能不同, 其结构差别可能很大, 但系统设计的方法和步骤基本上是相同的;另一方面也为了便于指导教师能够及时地将测控技术领域中的一些新技术应用到训练中。测控技术已经深入到人们生产和生活的各个方面, 因此项目设置必须考虑以测控系统的一些典型应用为训练内容。鉴于这几方面的考虑, 本训练确定的训练项目如表1所示。

2 测控系统综合训练任务安排及实施

2.1 具体任务

根据测控系统综合训练课程的目的及选题原则, 为了达到综合训练的目的, 并有利于教学的顺利实施, 测控系统综合训练课程所选择的训练课题是一些反映测控技术特点的、典型的、成熟的课题 (见表1) 。另外, 为了使训练贴近实际应用, 适应测控技术发展的要求, 指导教师也可根据自己的研究课题或所掌握的测控技术最新应用成果, 安排一些反映测控技术最新发展成果的课题。当然, 这些训练项目都是一些小型设计课题, 每一个课题任务基本都包括设计目标分析、方案设计、电路设计与安装调试、程序编制调试及设计说明书的撰写等。

2.2 实施方式

综合训练课程是在其他课程基本结束的基础上实施的, 因此, 该课程的教学安排一般在第七学期的最后4周。在综合训练过程中, 每名学生可按照自己的偏爱任选一个训练项目, 但为了防止学生都集中到个别训练项目上, 每个项目上设置了最高的人选数, 采用报名形式, 一旦该项目名额报满, 即不能再报, 只能选择其他没有满员的项目。另外, 考虑有些学生平时参加一些创新团队的科研项目, 为了培养学生的创新意识和能力, 允许这些学生以其正在从事的创新项目中某一具体任务作为综合训练内容。在训练中, 对每一个项目, 一般给出设计任务的技术指标和系统的基本组成框图, 但对于系统的具体实现方法和电路等需要学生根据所学知识自行选择与设计, 这也有利于学生自主性与创新能力的培养。

2.3 工作计划表

由于测控系统综合训练课程工作量相对较大且时间较短, 为了确保训练的顺利进行, 综合训练制定了详细的工作计划表, 指导教师可以按照计划表指导和验收。根据计划, 指导教师在训练开始时要对学生进行集中讲解和辅导, 帮助学生明白训练任务及要求, 同时对学生掌握程度不够的设计工具的使用方法进行集中辅导。考虑综合训练在学生能力培养方面的目标以及课程时间的限制, 综合训练的主要内容和环节及具体进度安排如表2所示。

在开始阶段安排一定时间的讲课, 主要介绍一些典型的测控系统的组成及各系统的主要实现方法等。同时, 讲课时还需向学生交代:综合训练课程教学环节的性质、目的以及实践教学课程与毕业设计的关系与区别;综合训练报告的写法与要求, 最后考核的办法与评分依据。值得说明的是, 最后验收阶段的口试, 是指学生演示其作品时指导教师提出一些针对性的问题, 让学生当场回答, 以防学生抄袭等。另外, 伴随着课程的具体进展, 教师还可进行针对性地辅导与答疑。

2.4 注意事项

为保证顺利完成测控系统综合训练, 达到课程教学目标, 应注意如下要求。

(1) 在总体方案确定过程中, 要求学生多查资料, 多比较, 多思考, 少问。

(2) 硬件电路图的绘制, 必须符合国家有关标准的规定, 要符合规范。

(3) 程序设计时, 先画程序流程图再编程, 无论是自上而下, 还是自下而上, 必须一步一步调试, 做到可读性好, 主要语句一定要写注释。

(4) 设计完成的测控系统, 必须根据设计任务规定指标要求, 进行现场演示验收。

2.5 专业综合训练报告撰写要求

测控系统综合训练报告是对整个训练过程的总结和提升, 对报告的撰写有着较为严格的要求。综合训练报告除需要独立完成外, 还需要按照规定的格式书写, 包括报告的整体结构、专业术语使用、报告中的图、表及公式的编号规范、参考文献的引用等均要按照指导书中的规定要求。通过这样的一个报告撰写的训练, 为学生们即将开始的毕业设计论文撰写提供了一次预演, 也为学生毕业后工作中撰写出合格的工程技术文献提供了一次练习。

2.6 成绩评定

成绩评定包括平时表现、作品验收 (含验收口试) 、报告, 三者的比例为3:4:3。综合训练中的平时表现包括实训表现、出勤、完成任务的进度、设计能力等方面, 占总成绩的30%;设计成果验收即所完成的训练课题达到训练任务指标要求情况占总成绩的40%, 其中, 验收口试为演示所设计作品时, 对教师所提问题的现场回答, 因最终的设计结果反映出学生的能力和投入程度, 因此在总分中所占比例较高;综合训练报告, 主要考核设计方案的合理性、论文格式的规范性以及内容的完整性等, 占总成绩30%。

3 结束语

自2010年以来, 我校测控技术与仪器专业教学中就开设测控系统综合训练课程, 通过实践发现该课程在本专业应用型人才培养方面发挥着积极的作用。因为, 每一个训练项目, 基本都涉及了传感器的选择、检测电路设计、信号处理、系统控制电路、人机接口电路设计及系统软件设计等多方面的知识和内容, 通过这些电路的设计、器件的选型、软件的设计和系统调试等, 让学生将所学过的传感器与检测技术、模拟电子技术基础、单片机技术、控制原理以及测控电路等课程所涉及知识进行了一次较全面的回顾、梳理和应用, 也就是我们常说的把所学的知识系统化, 使4年大学的知识“串接”成一个有机整体, 这也解答了学生心中之问“大学四年学了什么?”。另外, 综合训练项目设置从工程实际出发, 贴近实际应用, 对学生应用能力的提高也发挥着积极作用。

摘要：结合测控技术与仪器专业开设的测控系统综合训练的教学实践, 就教学中的课程目的、选题原则、设计任务、实施方式以及成绩评定等进行了较详细的介绍。通过几年的教学实践表明, 测控系统综合训练可以帮助学生将大学阶段所学的知识“串”起来, 形成有机的整体, 而且还有助于学生动手能力的提高, 增强知识的应用能力。

关键词：综合训练,测控技术与仪器专业,实践教学

参考文献

[1]凌振宝, 程德福, 林君.测控技术与仪器专业实践教学体系建设[J].实验室研究与探索, 2012, 31 (5) :34-35.

[2]周小勇.测控技术与仪器专业应用型人才培养体系的构建与实施[J].高教论坛, 2009 (5) :52-54.

[3]曹小燕, 杜海艳.测控专业综合设计训练教学模式初探[J].黑龙江教育, 2011 (7) :91-92.

[4]陈如清, 钱苏翔, 顾小军.测控技术与仪器专业课程体系改革实践与整体优化研究[J].嘉兴学院学报, 2013, 25 (3) :137-141.

农村配电网智能测控管理系统方案篇4

关键词：配电网智能；测控管理；系统

中图分类号：TM76 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2013）15-0116-02

我局农村电网覆盖地域较广、用户众多、供区半径较大、用电负荷季节性、时段性强。尤其是台区低压电网，更是点多面广，情况复杂，现有的技术手段和人员数量无法及时准确地掌握配电网的运行状况，随着农村经济社会快速发展，近年农村售电量持续高位增长，居民对供电质量、供电可靠性的要求也越来越高，部分地区农村电网的运行维护水平与人民群众的要求已不相适应，农村配电网的运行维护水平已经不能满足当地经济和社会发展的需要。

1 农村配网主要存的问题

①运行维护人员的数量不足与运行维护的工作量较大的矛盾较为突出。如我局的XX供电所配网组5人要负责71 km10 kV线路，266 km低压线路，68台配电变压器的运行维护工作，工作量可想而知，加之现有的自动化系统与实际结合较差，也增加了工作难度。

②供电可靠性低，供电安全性较差。线路柱上开关和台区总路漏电保护器跳闸后，由于不能远方监控其状态，运维人员不知道用户失电，往往是用户打电话才清楚情况，增加了故障查找时间，降低了供电可靠性。由于10 kV柱上开关不能实现远方操作，在10 kV线路发生接地故障时，确知某处10 kV线路接地的情况下，也需要拉开变电站的总路开关来切断故障，而且在变电站开关无法断开时，需抢修人员到现场断开柱上开关，即降低了供电可靠性，又增加了安全运行的风险。另外，由于台区总路漏保无法在远方监视其运行状态和定值设置，部分运维人员为了减少麻烦，而人为的将定值设置得较大，也增加了安全运行的风险。

③自动化程度低，数据收集原始、落后，不便于有效开展运行分析。由于10 kV柱上开关、总路漏电保护器未实现远方监控，其一定时期内的跳闸信息、运行参数无法有效收集，不便于开展进行分析，直接影响了农网工程的规划和建设。

因此，为了在有效利用现有人员的基础上进一步拓展农村供电所的业务，提高劳动生产率，通过信息技术手段，整合、完善，建设一套能采集配电网管理所需数据的智能系统，真正能够为农村电网实际管理需要提供所需数据，减少运行维护的工作量，进而提高农村电网精细化管理水平就成了当务之急。

2 解决问题的思路和方法

农村配电网智能系统基本需求为实现对10 kV线路柱上开关站、配电变压器、总路漏电保护器和用户在内的集中监视，优化运行控制与管理，达到提高可靠性、提高供电质量、降低线损、减少经营风险、减少运行维护工作量、降低供电成本和为客户提供优质服务的目的。

①为降低建设难度、建设成本，提高实用化水平，根据简阳供电局农网的现状，提出三个点改进需求。

②分步实施。鉴于农网自动化系统涉及面广，资金需求量大，简阳供电局提出分步实施的需求。系统应建成一个开放的、结构化的模式，首先建设系统框架，以后逐步在框架内建设不同的应用。首期工程的主要目标是系统框架建设和改进需求的实现。

③集成现有资源。涉及农配网的信息系统已建成两套，为降低建设成本，提高实用化水平，简阳供电局提出集成现有资源的需求。

调度自动化系统已建成并应用，变电站（含开关站）10 kV馈线、开关站已能实现“四遥”功能，配网自动化系统应能实现与调度自动化系统的数据共享和信息交换。

电能信息采集系统（负荷控制终端）已建成并应用，公用配电变压器、客户专用变压器电量、电压、电流等信息已实现上传，配网自动化系统应能实现与电能信息采集系统进行数据共享，实现对公用配电变压器、客户专用变压器的监视。

④强化对10 kV柱上开关、配电变压器、台区总路漏电保护器的监控。一是通过新装负荷控制终端对10 kV柱上开关进行运行监视，实现遥控、遥信和遥测功能；二是通过台区负荷控制终端对总路漏电保护器的运行状态实现远方监控；三是在实现远方监控的基础上实现开关、漏保跳闸自动报警和变压器过负荷报警功能。

3 解决问题的实践过程描述

①《农村配电网智能测控管理系统》采用“10 kV线路开关状态监测终端”、“10 kV线路故障定位终端”、“智能配变监控终端”实时采集监测点的各种参数，通过GPRS无线网络把采集的数据、信息通过移动公司专线接入的省电力公司前置机服务器上，然后主站服务器快速进行数据分析生成监测统计数据、示意图等。整个系统包括“10kV线路开关状态监测终端”、“10 kV线路故障定位终端”、“智能配变监控终端”、数据专线、前置机服务器、主站服务器、应用服务器几部分组成。同时根据实际应用业务需求，主站系统提供大量分析报表及排序功能。

②整个《农村配电网智能测控管理系统》的主站建设是在农电企业运营功能规范的统一规划下，遵循SG186的统一编码规范的基础上进行建设；主站系统登录可由农电企业门户网站进行统一登录；系统提供接口服务，可与SG186《农电生产管理系统》进行接口，进行数据共享；系统主站，可与现有农村电网电压合格率系统无缝集成，数据共享，统一进行应用分析；系统的基础内容，如线路、台区信息可以与SG186《农电生产管理系统》进行接口，自动调取基本信息，保证系统资料的准确性，同时减少系统操作人员重复录入资料的工作量。

4 主站系统选用条件

主站系统如能满足以下几点要求，可以考虑选用：主站系统的建设必须是在农电企业运营功能规范的统一规划下，遵循SG186的统一编码规范的基础上进行建设；主站系统必须能够与SG186中的《农电生产管理系统》进行接口，进行数据共享；主站系统能够与现有农村电网电压合格率系统进行数据共享，统一进行应用分析；主站系统的基础内容，可以从SG186《农电生产管理系统》调取基本信息。

5 终端选用条件

终端作为实时采集监测点参数的重要设备，在选用终端时，要充分考虑终端的采集容量和传输功能。同时，根据我局农村电网特点，需要的终端必须具有以下功能：可以根据10 kV线路停电情况及线路开关状态统计分析农村中压用户供电可率；能够反应线路故障定位信息，方便及时查找隔离故障，恢复非故障区域供电，最大限度减少供电损失，提高供电可靠率；可以根据采集到的10 kV线路关口及台区总表电能量数据，进行10 kV线损计算和分析，为降低线损提供数据依据；具有自动投切配变负荷开关功能，能够根据台区变压器负荷率、负荷峰值及持续时间、工作温度及时进行操作；能够根据台区功率因数及无功需求，合理自动进行无功补偿；能监测到防盗传感器数据，发出配变防盗警示信息。

6 网络选用条件

考虑到信息安全问题，后台软件的网络连接采用公司内网连接。现场监测设备和后台软件之间的连接可以采用多种方式连接，如GPRS专线连接，短信连接等。

参考文献：

[1] 余贻鑫，栾文鹏.智能电网[J].电网与清洁能源，2009，（1）.

综合测控系统篇5

1.1 以计算机作为处理各类变电设备信号的基础平台, 取代了常规变电站大量的中央控制屏柜, 使主控制室的面积大大减少。

1.2 以微机监控系统为主、人工为辅的方式, 对变电站内的日常、操作、事故及异常信息进行监视、控制, 信息处理的正确性和可靠性提高。

1.3 通过光缆及站内局域网将一、二次变电设备信息以数字信号的

形式传送并共享至主控制室各功能计算机上, 提高资源利用, 使信息处理的准确性得到提高。

1.4 将变电站实时数据 (电流、电压、功率等) 存储于计算机数据库内, 方便查找及管理站内变电信息。

1.5 使用如综合信息管理系统、仿真培训系统及运行、操作、事故处理指导系统等一系列应用程序, 增强变电站的综合运行水平。

2 监控系统网络结构

监控系统按站控级与间隔级两个控制层构成。站级控制层布置在变电所主控制楼, 站级控制层的各设备之间通过100MBPS光纤以太网进行通讯。间隔级控制层采取相对集中方式, 500k V配电装置和220k V配电装置分别设置小室。间隔级控制层之间通过冗余的100MBPS光纤网进行通讯。

3 计算机监控系统的配置

3.1 按安装地点和其功能, 计算机监控系统包括两个部分:

主控制楼内的站级控制层和继电器小室的间隔控制层, 网络结构按分布式开放系统工程配置。

3.2 站级控制层

站级控制层包括2台主计算机和2台操作员工作站、1台工程师工作站、2台远动工作站、2台前置机、1台公共接口装置、1台五防工作站及1套卫星时钟接收和时钟同步系统、UPS电源等。

3.3 间隔控制层

在继电器小室的间隔控制层主站包括若干套I/O测控单元、LCD模拟图显示及手动操作控制开关和按钮, 相应的输入和输出继电器等。每一小室一台继电器保护管理机并具有与保护及自动装置的接口。

3.4 切换

在正常情况下, 2台主计算机、2台操作员工作站、2台前置机及两台远动工作站同时工作, 互为备用, 软故障的冗余结构将确保数据可靠、程序安全、且不影响系统工作的实时性。

4 各工作站功能

4.1 主计算机及操作员工作站

4.1.1 由两套完全相同的计算机构成, 每一套包括一台计算机、一台CRT、一个键盘、一个鼠标器、高分辨率图象卡等, 其中操作员站配双屏。

4.1.2 主要功能

主机具有主处理器及服务器功能, 为站控层数据收集、处理、存储及发送的中心。

操作员站是站内计算机监控系统的主要人机界面, 用于图形及报表显示、事件记录及报警状态显示和查询, 设备状态和参数的查询、操作指导, 操作控制命令的解释和下达, 时钟校正等。

4.2 远动工作站

4.2.1 双机切换装置, 互为热备用。

4.2.2 主要功能

a) 对各继电器室中的I/O单元进行管理, 并能对I/O单元的工作状态进行实时监测, 发现I/O单元故障及时发送报警信息。b) 负责各I/O单元故障信息的集中, 并对部分信息进行处理、归类。c) 提供网络接口与系统管理层进行信息交换d) 负责其所控对象的电气防误操作闭锁。e) 负责站控及远控命令的下达

4.3 工程师工作站

主要供计算机系统管理员进行系统维护用, 可完成数据库的定义, 修改、系统参数的定义、修改、以及网络维护、系统诊断、保护定值管理等方面的工作。

4.4 继电保护管理机

应具有保护信息传送功能, 以实现对保护的信息查询, 采用卫星全球定位系统作为同步时钟。

4.5 前置机

主要用作实现当地单元控制设备的数据采集, 控制信息的处理调节功能, 减轻了站控层服务器的负担。

4.6 电源

系统站级控制层由在线式UPS供电, 各继电器室的现场控制单元和I/O由变电所提供的110V直流电源供电。

5 运行中的规定

5.1 操作员工作站的操作

5.1.1 操作内容:一次设备的倒闸操作;投退保护及自动装置的功能压板;五防系统操作及其他特殊操作。

5.1.2 操作员工作站上的倒闸操作

(1) 根据调度员命令在五防机上进行倒闸操作模拟预演, 并手动开出倒闸操作票, 操作时根据操作票的顺序进行操作。 (2) 接地刀闸的操作应在现场进行验电后才能进行就地操作, 其他的操作应在操作员工作站上进行远方控制。 (3) 操作断路器或隔离开关, 应在相应间隔的保护屏将操作选择开关打在“远方”位置;就地操作断路器或隔离开关, 应将操作选择开关打在“就地”位置。 (4) 遥控操作开关、刀闸:在主接线图或间隔分图上点击所要遥控的开关输入操作员姓名、密码和监护人姓名、密码, 点击确认按钮, 弹出操作对话框, 输入开关编号, 选择要进行的操作, 点击确认按钮, 此时需通过五防校验。如校验不成功, 在操作员工作站上将报出五防校验不成功及遥控失败告警消息;如校验成功, 会弹出返校对话框, 值班人员确认是否为所要遥控的开关, 点击确认按钮后, 遥控开关过程结束。当开关、刀闸发生变位后, 操作员工作站上将报出遥控成功消息。 (5) 压板投退:投、退压板, 到保护小室现场进行。

5.2 事故及异常处理

5.2.1 事故监控, 指在变电站发生事故跳闸或其他异常情况时, 运行

人员通过操作员工作站对事故或异常情况前后某一特定时间段内的信息进行监视、分析及控制, 以达到迅速、正确地判断、处理各类突发情况, 尽快恢复事故或异常情况前的运行状态, 保证本站设备 (特别是主变电设备) 的安全可靠运行, 确保整个系统的稳定。

5.2.2 事故及异常监控的内容:

对线路断路器保护动作跳闸后的事故监控;对主变压器过负荷的异常情况的监视;对主变压器保护动作跳闸后的监控及处理;对各曲线图中超出上、下限限值线的曲线的监视及处理;音响试验失灵后的监控;系统发生冲击后的监控;光字牌信号与事故、异常监控的关系。

5.2.3 音响试验失灵的处理:

点击“事故音响试验”按钮, 若电笛不能发出声响, 或点击“预告音响试验”按钮, 若电铃不能发出声响, 则说明音响回路有异常, 此时只可查找是否音箱故障。

若故障尚未排除, 汇报上级。 (处理音响失灵, 应保证微机监控系统及本站网络的正常运行。)

5.2.4 监控机黑屏无显示如何处理

a) 一台监控机黑屏。检查故障的监控机电源是否正常, 如有电源, 可能是监控机硬件损坏, 汇报工区立即处理, 此时, 运行人员可在另一台监控机上对设备进行监控。b) 两台监控机黑屏。检查故障的监控机电源是否正常, 如有电源, 可能是监控机硬件损坏, 汇报工区立即处理, 此时, 运行人员可在“计算机小室”的主机上对设备进行监控。c) 如果是由于电源消失引起, 应检查UPS上的电源小开关是否跳开, 如跳开, 可试送一次, 再跳开, 不可再送, 等待专业人员处理。

5.2.5 站控层故障的处理 (包括微机无电源或网络中断)

加强对设备的巡视。如有操作, 可在间隔层的各保护小室进行。操作方法如下:a) 将单元测控装置上的“远控”打至“近控”位置。b) 按“主菜单”键进入菜单画面。c) 进入“自定义画面”。d) 通过数字键盘输入设备编号, 对相应设备进行操作。

参考文献

新型变电站综合测控装置优化设计篇6

随着1 000 kV特高压输电技术的推广应用[1],需要研究适应将来以特高压为基础的电力系统对测控装置新的技术需求。首先,要优化测控装置的信息采集。目前,各种电力自动化应用系统采集的信息分散、重复且缺少统一的时标,如果在测控装置上实现信息的统一采集和标准化,可以简化变电站自动化系统结构,并为调度中心提供标准化的信息。而要赋予采集信息统一的时标,需要采用高可靠、高精度的对时方式。另外,测控技术需要考虑支持IEC 61850标准和智能一次设备接入,从而实现标准化综合信息的传输和共享[2]。为此,本文对测控装置功能进行了综合优化设计,对硬件进行灵活配置,使其可应用于各种电压等级的变电站自动化系统。

1 变电站综合测控优化设计需求

目前变电站自动化系统中数据采集与监控(SCADA)系统的稳态数据、保护及故障录波的暂态数据、相量测量单元(PMU)的动态数据分别由3套不同的系统采集,并且SCADA系统的稳态数据、PMU的动态数据均由电压互感器、电流互感器采集,现场接线非常复杂。如果在信息采集源头集中采集并进行标准化,不仅可以解决以往多套系统的多数据源不统一问题,而且可以减少变电站的设备配置,简化变电站的二次接线及二次系统设计。另外,信息集中采集和整合,有利于提高事故分析能力,并为智能电网调度技术支持系统提供归一化的信息源。

1.1 变电站采集信息的整合

电网相量数据随时间快速变化,而现在广泛使用的SCADA系统只能提供稳态、低采样率、不同步的电网时间断面信息,调度中心难以根据这些信息跟踪系统的发展轨迹,准确掌握系统运行的动态[3]。电网故障时的暂态数据主要由故障录波装置和继电保护装置采集记录。故障录波数据的采样频率一般在几千赫以上,并带有时标信息,但只是在故障时间点附近数秒内的数据,只能记录扰动前后局部的动态信息,难以用于对全系统动态行为监视和分析。

目前PMU的测量通道与电厂和变电站中使用的测控装置相同。在数据共享原则下,在变电站中采用具有同步相量测量功能的新型测控装置是变电站自动化系统的发展方向。新型测控装置具有传统的远动功能,并具有同步相量采集计算功能和故障数据记录功能,将提升变电站自动化系统的动态监测能力,为电力系统的实时分析和控制奠定基础。

随着电力电子技术、电弧炉以及轨道交通等技术的广泛应用,电网的谐波污染问题日益严重,对变电站测控装置的交流采样计算产生影响。新型测控装置的设计和算法都需要有较大改进才能在电网受到谐波等干扰情况下保证测量精度,并进行电网电能质量的监测,保障电网安全运行。

1.2 统一时标的变电站采集信息

在整合变电站信息的同时,还需统一信息时标,以便于广域范围内在主站将稳态、动态和暂态信息集成。利用统一时标综合管理不仅可以实现功角、频率、电压在线分析和事故处理决策,还可以实现预防和紧急控制在线决策以及电网模型参数校核。不同应用的同源数据(如调度、运方、保护等数据)时标不一致,不利于集约式管理。目前利用SCADA系统数据进行状态估计,稳态数据的时间断面不同步是其不收敛原因之一;另外,跨区域事故分析的数据时间断面不一致问题加大了事故分析难度。

2 IEC61850标准数字化功能的开发

IEC 61850标准是方便变电站中各种智能电子设备(IED)的管理以及设备间互联的一个通用的通信标准体系。随着数字化变电站的技术发展,通用面向对象的变电站事件(GOOSE)机制、采样值等技术使变电站信号采集控制模式发生了变化,为变电站信息共享、数据综合提供了良好的基础。

基于IEC 61850标准的数字化变电站中,电子式电流互感器、电压互感器和合并单元(MU)等过程层设备取代了传统测控装置中的模拟量采集部件,开关设备状态信号和控制信号先接入智能终端,然后通过GOOSE网络接入测控装置,一次侧采样值和状态信号不再是由电缆传送的模拟量,而是由通信网络传送的数字量。

过程层网络化信息传输有以下优势:

1)使用光缆代替电缆,简化了屏柜设计,减少了控制小室面积,大大降低了变电站的建造成本。

2)解决了电缆带来的伴生问题,降低了一次设备产生的干扰被引入到控制小室的概率,提高了系统运行的可靠性。

3)所有配置好的信息(如跳闸、互锁、断路器状态)能在一个简单的网络上传输;IDE之间通信数据的增加或更改变得更加容易实现。

过程层GOOSE网络采用双网配置,在二次设备双重化的情况下,冗余的二次设备可以采用单网接入其中一个GOOSE网,在提高可靠性的同时降低系统成本。同时,通过对GOOSE报文优先级的设置,来提高保护跳闸等重要报文的传输速度[4]。

电子式互感器的应用改变了保护测控装置直接模拟采样并进行数据运算的方式[5],并对装置数据运算处理有了新的要求。由于电子式互感器分散采样并采用数字输出,为了保证测量精度及保护动作的可靠性,各个电子式互感器必须同步采样,即在电力系统的不同采样点同时开始等间隔采样,使不同互感器采样点的采样值在时间上同步,同步采样对故障判断和系统稳定分析与控制等都具有重要意义。

交流电气信号是一种特殊的周期信号,其频谱是分布在基波及其整数倍频率上的线谱,为了保证测量精度,需要保证采样信号与原信号严格同步,否则将出现频谱泄漏,造成信号频谱中各谱线之间相互影响,同时在谱线两侧其他频率点上出现一些幅值较小的假谱,使测量结果偏离实际值。可以采用基于频率跟踪的软件重采样方法提高计算精度。

3 对时网络的优化设计

为了保证测控装置采集的交流量信息、状态量信息有统一的时标,以便进行更好的广域调度决策,测控装置的对时功能尤为重要。

目前,变电站自动化系统对时方式主要有:方式1为串行时间报文+脉冲对时;方式2为IRIG-B码总线对时方式。方式1的对时精度能达到1 μs,但由于受负载限制,对时网络需要采用多分支的架构,增加了自动化系统的复杂性和工程成本。方式2的对时精度能达到几微秒,难以满足功角测量、线路行波故障测距、广域保护等高精度对时要求。

基于IEEE 1588[6]的对时方式可以与自动化系统通信网复用,不需配置独立的对时网络,结构简单,时间精度最高可达10 ns~100 ns,可满足自动化系统所有对时功能要求。现在基于IEEE 1588的全球定位系统(GPS)主时钟单元、采用边界时钟或透明时钟的交换机等网络技术设备已接近成熟。测控装置实现IEEE 1588对时有以下几种方式:

1)基于应用层解释机制:

在应用层中实现IEEE 1588报文解释,此时IEEE 1588时间戳由于受操作系统、应用任务等多种因素影响,精度约为1 ms~500 ms。

2)网络中断驱动层解释机制:

在中断程序中实现IEEE 1588报文解释,响应快。此时,IEEE 1588时间戳通常受中断响应方式、中断优先级等因素影响,精度约为1 μs~500 μs。

3)硬件实现:

采用具有IEEE 1588功能的网络收发器或CPU平台,精度可以高达10 ns~100 ns。特高压变电站测控装置的对时最好采用硬件实现,以提高IEEE 1588对时精度。

4 综合测控装置实现

基于以上功能优化的考虑,新型变电站综合测控装置采用了性能先进的微处理器(MPC)、现场可编程门阵列(FPGA)、数字信号处理器(DSP)多CPU硬件平台。装置包含高速通信模块、高精度对时模块、高性能信号处理和测控模块、采样值和GOOSE接口与处理模块,实现电参量数据同步采集,完成监控、故障录波、相角测量、电能质量分析等功能,提高了数据处理能力和采样精度。新型测控装置结构如图1所示。

MPC模块提供多个百兆以太网接口和千兆以太网接口,实现与站控层以IEC 61850等协议高速通信。另外,它还在硬件上实现 IEEE 1588时钟对时功能,通过通用输入输出(GPIO)模块产生时间脉冲信号输出到FPGA模块产生中断。该模块还实现故障信号、动态信号等录波功能,包括长期实时数据记录,以及系统发生扰动时完整记录系统扰动发生后暂态及动态过程各阶段的电参量变化过程。录波文件以Comtrade文件格式存放在大容量USB接口的Nand Flash存储器中。

FPGA模块采用Xilinx公司基于90 nm 技术的Spartan-3A 器件,它不仅集成了专用 DSP 模块,与逻辑门加乘法器的实现方案相比,逻辑资源使用效率平均提高70%,而且无需额外的协处理器芯片,即可达到与专用集成电路(ASIC)相当的性能。FPGA模块实现装置精确对时和守时、交流量信息的同步采集和运算、MPC与DSP的信息交互等,接收IEEE 1588的秒脉冲、GPS IRIG-B码差分或秒脉冲对时信号,输出5 kHz 和10 kHz高速同步采样脉冲以及GPS对时时标,时钟误差不大于1 μs,采样脉冲与秒脉冲之间的时间误差只有20 ns~30 ns。该模块给整合的采集信息加上统一时标。

高性能信号处理和测控模块采用32位主频为150 MHz高速DSP,实现直流模拟量、开入量信号高精度信号采集和处理,以及断路器、刀闸等对象的控制输出和闭锁控制输出。采样值和GOOSE模块实现电子式互感器数字采样及断路器、母线设备智能终端的GOOSE信息采集与控制。

5 结语

随着特高压电网建设的加快和智能电网研究的深入,优化设计的新型综合测控装置将在变电站信息源头对基础数据标准化,保证未来智能电网数据的可用性,同时极大地减少变电站的设备配置,简化变电站二次系统接线。

参考文献

[1]刘振亚.特高压电网.北京:中国经济出版社,2006.

[2]赵希才,曹冬明.2008年国际大电网会议系列报道——电力系统保护与自动化.电力系统自动化,2008,32(23):1-3.ZHAO Xicai,CAO Dongming.A review of CIGRE’2008 onprotection and automation.Automation of Electric PowerSystems,2008,32(23):1-3.

[3]薛禹胜,徐伟,DONG Zhaoyang,等.关于广域测量系统及广域控制保护系统的评述.电力系统自动化,2007,31(15):1-5.XUE Yusheng,XU Wei,DONG Zhaoyang,et al.Areview ofwide area measurement system and wide area control system.Automation of Electric Power Systems,2007,31(15):1-5.

[4]王松,陆承宇.数字化变电站继电保护的GOOSE网络方案.电力系统自动化,2009,33(3):51-54.WANG Song,LU Chengyu.A GOOSE network scheme forrelay protectionin digitized substations.Automation of ElectricPower Systems,2009,33(3):51-54.

[5]陈文升,唐宏德.数字化变电站关键技术研究与工程实现.华东电力,2009,37(1):124-128.CHEN Wenshen,TANG Hongde.Key technologies of digitalsubstations and related engineering i mplementation.East ChinaElectric Power,2009,37(1):124-128.

智能测控系统篇7

关键词：pt100温度传感器,插值算法校正,PID控制,BP神经网络,系统仿真

1智能测控系统图

1.1 pt100温度传感器工作原理

电阻式温度检测器是一种物质材料做成的电阻, 它会随温度的上升而改变电阻值, 如果它随温度的上升而电阻值也随着上升就称为正电阻系数, 如果它随温度的上升而电阻值反而下降就称为负电阻系数。铂热电阻是应用广泛的温度传感器, 它具有体积小、准确度高、稳定性好测、温范围宽、正的温度系数等特点。

传感器的接入非常简单, 从系统的5V供电端仅仅通过一支3K92的电阻就连接到PT100了, 这种接法通常会引起严重的非线性问题。但是由于有了单片机的软件校正作为后盾, 因此就简化了传感器的接入方式。

1.2 Pt100的特性

按铂热电阻技术标准, 铂电阻Pt100在0~650℃范围内的符合国际分度表函数Rt可用下式表示:

Rt=R0 (1+At-Bt2)

其中:Rt, R0分别是t℃和0℃时的铂电阻阻值, R0=100Ω, A=3.90802×10-3℃-1, B=5.80195×10-7℃-2。该函数的特点是精度高、覆盖温度范围宽。以经常使用的分度值 (10℃为间隔) 作比较, 可以看出在0~650℃范围内拟合值与实际阻值的最大绝对误差为0.0049Ω, 平均绝对误差为0.0026Ω, 这时的最大相对误差仅为1.487×10-5, 因此该函数满足高测量精度的要求.但由于函数中存在非线性项Bt2, 要消除铂电阻非线性对输出的影响, 就需要想法补偿在不同温度点时由于电阻的变化率降低而导致测量输出信号减少或增大的那部分。

一般使用单片机来进行温度等的计算, 由于该表达式比较复杂, 用单片机处理这样的计算过程, 将会占用大量的资源, 程序的编写上相当复杂, 所以一般采用先查表, 再插值的方法换算处温度。

1.3 pt100测温原理

Pt100式温度传感器, 测温的本质其实是测量传感器的电阻, 是将电阻的变化转换为电流或电压等信号, 再将模拟量转换成数字量, 再经处理器算出相应温度值。采用pt100测量温度, 一个用pt100热电阻, 当pt100阻值变化时, 测量端将产生电势差, 再由电势差换算出对应的温度值。

1.4提高pt100测温精度的方案

1.4.1通过改善pt100接线方式对误差进行补偿

铂热电阻的使用, 一般有三种解法, 分别是二线制接法、三线直接法和四线制接法, 不同的接法是应用于不同的精度要求。

1.4.2通过插值算法校正pt100的非线性度

由pt100的特性可知, 虽然pt100的线性较好, 但是由于电阻—温度函数是非线性的, 单片机运算则占用时间和资源较多。常用线性插值算法和查表进行标度变换计算温度, 运算快占用单片机资源少, 并且可以对pt100进行线性校正, 达到相当精确地温度测量结果。

查表要在单片机的ROM区建立电阻与温度分度表, 在检测值内均匀地选择几个标定点, 标定的点越多则表格越大。在0-100度之间每隔5度标定一个pt100的电阻值, 共20个点, 分别记作R[i], 对应的温度记作T[i], i取0-2, 采用线性差值算法进行标度变换时, 将检测值Rx通过顺序查表, 与标定点R[i]比较, 确定区间R[i]<Rx<R[i+1], 然后进行线性插值算法球的温度值Tx;

因为是每隔5℃标定一个电阻值, 所以T[i+1]-T[i]=5, 即:

1.5程序设计

1.5.1程序流程图

1.5.2程序设计

2控制器设计

2.1 PID原理

2.1.1 PID控制的原理和特点

当今的自动控制技术都是基于反馈的概念。反馈理论的要素包括三个部分:测量、比较和执行。把测量关心的变量与期望值相比较得到系统误差, 再用这个误差来纠正调节系统的响应。这个理论应用自动控制的关键是, 做出正确的测量和比较后, 如何才能更好地纠正系统。

PID控制算法的基本原理:简单地说, 就是运用比例、积分、微分算法, 来对回路中的偏差进行修正, 通过执行器调节参数, 使测量值稳定在设定值附近, 达到控制某一参数的目的。

2.1.2闭环控制系统

闭环控制的特点是系统被控对象的输出值会反馈影响控制器的输出值。闭环控制系统有正、负反馈, 若反馈信号与系统给定值相反, 则称为负反馈, 若相同, 则称为正反馈, 一般闭环控制均采用负反馈控制系统。

PID控制器由比例单元、微分单元、和积分单元组成。 (1) 比例调节按比例反应系统的偏差的大小来进行调节的, 系统出现偏差, 比例调节产生调节作用减少偏差。比例作用大能加快调节速度, 减少误差, 但比例作用过大, 会造成系统不稳定。 (2) 积分调节可以使消除或降低系统的稳态误差, 积分调节常与微分比例规律相结合。 (3) 微分调节能够反映系统偏差信号的变化率, 能够预见偏差变化的趋势, 能产生超前的控制作用, 在偏差形成之前, 就被消除。

2.2 PID控制器的参数整定

PID控制器参数整定的方法很多, 概括起来有两大类:一是理论计算整定法。它主要是依据系统的数学模型, 经过理论计算确定控制器参数。这种方法所得到的计算数据未必可以直接用, 还必须通过工程实际进行调整和修改。二是工程整定方法, 它主要依赖工程经验, 直接在控制系统的试验中进行, 且方法简单、易于掌握, 在工程实际中被广泛采用。PID控制器参数的工程整定方法, 主要有临界比例法、反应曲线法和衰减法。三种方法各有其特点, 其共同点都是通过试验, 然后按照工程经验公式对控制器参数进行整定。但无论采用哪一种方法所得到的控制器参数, 都需要在实际运行中进行最后调整与完善。现在一般采用的是临界比例法。

PID控制器参数的整定步骤:

(1) 首先预选择一个足够短的采样周期让系统工作;

(2) 仅加入比例控制环节, 直到系统对输入的阶跃响应出现临界振荡, 记下这时的比例放大系数和临界振荡周期;

(3) 在一定的控制度下通过公式计算得到PID控制器的参数。

2.3 BP神经网络控制器设计

2.3.1简介

BP网络是多层前馈神经网络, BP网络能学习和存贮大量的输入-输出模式映射关系, 而无需事前揭示描述这种映射关系的数学方程。它的学习规则是使用最速下降法, 通过反向传播来调整网络的阈值和权值, 使网络的误差平方和最小。

2.3.2 BP算法基本原理

其中BP网络应用中隐含层神经元个数的确定问题尚没有固定算法, 也没有理论支持, 通常是靠经验来确定。

3控制系统仿真

3.1常规PID控制器设计仿真

3.1.1软件程序仿真

校正后如图4所示

4结束语

在测控系统中, 如何减少测量误差, 实现精确测控一直是被关注的但尚未解决的问题。本文介绍了一个简单而有效的基于单片机实现测温与显示功能, 利用PID算法、PB神经网络进行矫正, 实现智能稳快准的预期效果。

参考文献

[1]张陪仁, 张志坚, 高修峰.十六位单片微处理器原理及应用[M].2005-05-01.

[2]韩峻峰.测控仪器设计[J].2009-7-1.

[3]周征.传感器原理与检测技术[M].2007-2-1.

卫星测控系统设计篇8

自1968年2月20日中国空间技术研究院成立以来,中国的卫星技术也取得了飞速的发展,研制成功了实验卫星、返回式遥感卫星、地球静止轨道通信卫星和气象卫星、同步轨道气象卫星、地球资源卫星等,其中有很多项目已经跨入世界先进行列。通过卫星传输回来的信息被广泛的运用于我国的如地质、海洋、农林、考古、环保、铁道、公路和军事等各部门,创造出巨大的收益[1]。

卫星和飞船在国民经济和国防建设中有着重要的作用,对于他们的发射和运行过程进行跟踪测控是航天系统的重要组成部分,理想状态是对卫星或飞船进行全程跟踪测控。然而测控设备只能观测到所在点切平面以上的空域,且在与地面夹角为3°的范围内测控效果不好,实际上每个测控站只考虑与地平面夹角3°以上的空域[2]。在一个卫星或者飞船的发射与运行过程中,往往有多个测控站联合小组完成测控任务。

2 卫星测控站设计

2.1 理想模型设计

假设卫星在赤道上空的轨道是一个近似的圆,如图1所示,是卫星的发射轨迹。

由于卫星的运行轨道是圆形,因而可以得出一个站点对卫星的测控情况,如图2所示。外圆为卫星运行轨道,内圆为地球表面,D点为站点所在的地球表面位置,则为站点测控的范围角。

由图2所示建立模型,利用正弦公式得:

则一个测控站检测的范围角为:

由于总的弧长为2π,则建立方程

方程(1)、(2)、(3)得

由(4)式可知,随着卫星或飞船到地球表面距离的增加,所需要的测控站数目不断减少,因此只需讨论卫星或飞船在最低轨道运行时所应建的测控站数目。即只需考虑卫星或飞船距地球表面200Km时所需的测控站数目。

则当H=200Km时,由(4)式可得

即需要建立16个测控站,才能实现全程跟踪测控,因此,也就是在赤道上空,相隔22.5°等间距地布置16个测控站。

根据卫星在中低轨道、卫星轨道高度集中在200km~1200km之间的不同运行高度,根据(4)式,用MATLAB软件[3]计算得出结果,建立如表1所示表格。

2.2 实际模型设计

如图3所示,根据空间几何[4,5],以地球的中心为坐标原点,分别建立x、y、z轴,设卫星轨道所在平面与赤道平面夹角为。

建立坐标,那么地球表面坐标为:

我们设卫星所在的平面方程为:

那么联合(5)、(6)、(7)、(9),即卫星轨道平面与地球表面的交线方程为

进行求解得:

因为经线面方程是过z轴的,所以得经线面方程为

因而卫星赤道平面和经线面的法向量分别为

设过y,z轴坐标的平面为0度经线面,那么0度经线面的法向量为

地球自转角速度为,所以经度角为:

所以纬度角:

当,卫星轨道平面与地球交线圆周上的运动速度,用MATLAB作得卫星在地球表面上的经纬线轨迹如图4。

卫星运行三个周期时,卫星在地球上投影经过的经纬线轨迹如图5。

对其中一条纬线进行卫星在该纬线上的投影情况分析如图6所示,设地球上北纬度的纬线圈在t=0时刻卫星的正投影刚好在A点,卫星的周期为:

如果k为整数,那么卫星在北纬度的纬线圈正投影点数为k个,当卫星再次运行到A点正上方时,卫星在地球表面上的投影,将会重复上一次经过A点时的轨迹。

如果k不是整数,那么卫星在北纬度的纬线圈正投影点数不是有限点,卫星的投影能到达该纬线圈上的任一点,这种情况下,是卫星轨迹平面与赤道平面的夹角,那么卫星能扫过纬度是范围内的地球区域,如图7所示,因此在这种情况,所需要监测点数最多。

为了方便对卫星的测控,设计卫星轨道时,设计合适的高度,使k为整数,即

当k=1时,卫星在地球上的投影只有一条轨迹线,所需要布设的监测站最少。

又因为:

解得:

那么监测站的监测范围在地球经纬坐标平面中是一个直径为156.7478的圆,那么在当卫星周期与地球周期一样时,卫星在地球经纬坐标平面的投影,以及监测站的布点情况如图8所示。

从图8中可以很容易看到,在,则需要5个监测站。

结束语

本文通过利用空间坐标,建立地球与卫星的空间运行模型。再利用MATLAB软件进行求解。设计出卫星的运行轨道,以及地面最少的测控站点,从而建立卫星测控网,实现对卫星运行全程的跟踪测控。本设计还存不足,因没有考虑到地球地面的情况,在需要设置测控点的地方可能不适合设置测控点,从而影响测控站点的布置。接着下来的研究将会结合地球的地理位置特点,以及地区的安全政策的影响下进行测控点的优化设计,进一步符合实际应用要求。

参考文献

[1]葛榜军.中国卫星应用进展[J].卫星应用,2006,14(4):43-50.

[2]刘基余.GPS卫星导航定位原理与方法[M].北京:北京科学出版社,2008.

[3]宋兆基.MATLAB 6.5在科学计算中的应用[M].北京:清华大学出版社,2005.

[4]吴良大.高等数学教程[M].北京:清华大学出版社,2007.

综合测控系统篇9

关键词：物联网；蝴蝶兰；环境控制；测控系统

中图分类号： S126文献标志码： A文章编号：1002-1302（2014）01-0369-02

收稿日期：2013-05-27

基金项目：江苏省农业三新工程（编号：SXGC[2012]167）。

作者简介：范郁尔（1975—），男，江苏灌云人，高级农艺师，从事农业信息化研究。Tel：（0518）86090572；E-mail：lygfye@163.com。

通信作者：郑金生，农艺师，从事设施花卉研究。Tel：（0518）86090572。物联网（internet of things）被称为继计算机、互联网之后，信息产业的第3次浪潮。物联网技术主要应用红外感受器、射频识别技术、全球定位系统等，将物品与互联网连接，完成信息交换与通信过程，支持智能化识别、跟踪、定位、管理等。企业利用传感器在田间地头设置检测网络系统，对环境、动植物生长状况等进行实时监测，使得动植物生产过程始终处于可控状态，保证生产过程、产品的稳定性。物联网能够降低劳动力成本[1]。花卉产业是极具发展活力的产业之一[2]。蝴蝶兰因独具特色、科技含量高、经济效益高而被称为“农业中的IT产业”。大力发展蝴蝶兰产业，对于促进地方经济快速发展、提高人们物质生活水平具有重要意义。蝴蝶兰生产具有高投入、高产出特征，与其他花卉相比，受到自然条件的制约更多，对设施栽培技术的依赖性更大[3]。蝴蝶兰生产测控系统建立在蝴蝶兰生产标准化、信息化基础上。利用现代信息技术和先进的传感器、电子摄像仪、显示控制仪等电子仪器，将蝴蝶兰生长状态、环境、工艺参数以数据、图像形式通过数据线集成汇总到监控中心，使管理人员能随时了解生产全过程，当现场出现异常或工艺参数出现偏离时能及时予以排除、解决，达到控制生产全过程、提高生产效率的目的。研究并推广应用生产测控系统将成为我国未来蝴蝶兰生产发展的重要方向。本研究以物联网技术为基础，以在线实时管理为目标，研究蝴蝶兰生产测控系统，分析蝴蝶兰最佳生长环境参数，做到实时测控、可视化操作，减少人为影响，提高蝴蝶兰生产的品质、效益。

1系统设计与构建

1.1目标定位

基于物联网技术的蝴蝶兰生产测控系统由视频监控系统、环境数据采集系统、网络数据传输系统、中央控制系统、专家数据系统、执行系统等组成。该系统的最终目标是提供蝴蝶兰生长的最佳环境因子，合理精确地调控生长条件，减少人为调控的误差，科学、经济、高效地利用培养仓，达到最佳调控效果，以更低的成本生产出更优质的产品（图1）。

1.2功能定位

该系统的主要功能是在物联网数据快速传输基础上，依据蝴蝶兰生长习性，模拟蝴蝶兰生长所需的最佳环境，并能根据蝴蝶兰不同生长阶段所需环境因子的不同进行实时测控，为蝴蝶兰规模化生产提供准确、便捷、即时的信息[4]。该系统具有如下功能：

1.2.1数据支持功能目前我国蝴蝶兰生产处于起步阶段[5]。加快构建并完善蝴蝶兰环境因子数据库已成为蝴蝶兰标准化生产的重要支撑，数据库包括蝴蝶兰生长习性数据、培养仓最佳环境数据、外界环境数据等。

1.2.2决策支持功能系统通过物联网实现实时监测，对比培养仓的环境，协助技术人员确定最佳环境。同时实时调节蝴蝶兰生长环境，对单个培养仓进行监测、支持多个培养仓的控制决策。

1.2.3数据获取功能系统具有数据输入接口，获取的数据主要包括蝴蝶兰生长习性数据，温度、湿度、CO2浓度等培养仓环境数据，气温、风向、相对湿度等外界环境数据。

1.2.4数据存储、分析功能系统在获取蝴蝶兰不同生长阶段所需要的环境参数的同时，对这些参数进行存储汇总，并总结规律，进而实现决策支持系统相应知识库动态更新。在采集海量数据的基础上，重点对比、研究、归纳最佳环境状态特征，为进一步完善专家系统提供参考。

1.2.5辅助支持模块该模块主要负责对系统设备进行经济性、安全性、效果评价，提供专家咨询，数据查询，打印图表、文档等。

1.3系统构建

基于物联网技术的蝴蝶兰生产测控系统包括系统登录模块、中央控制系统、数据库系统、人机交互系统等[6]（图2）。

1.3.1系统登录模块普通用户直接登录系统。管理员及专家设置登录权限，若用户名与密码一致，则允许进入系统，否则弹出警告对话框并提示信息错误。

1.3.2数据库系统数据库系统包括蝴蝶兰生长习性数据、培养仓最佳环境数据、外界环境数据等。考虑到各个不同功能模块间数据的相对独立性及所有功能模块间的数据共享性，将各模块通过数据交换器汇总到监控主机上，实现了系统联机控制、多频显示（图3）。

1.3.3基于物联网技术的测控系统工作原理单个或多个温室中各种传感器实时、精确监测环境，且将监测数据通过移动通信网络、互联网等远程传输到中央控制系统。中央控制系统将对现场环境进行分析，根据专家决策系统中的理想环境指标对现场的环境参数进行决策，并通过执行机构进行调控，实现环境调控自动化、智能化。

2测控系统诊断与决策

根据蝴蝶兰不同生长阶段特性以及温室内外环境参数如温度、湿度、CO2浓度等通过传感器实时监测培养仓环境，将监测数据通过网络上传至控制中心，计算蝴蝶兰不同生长所需的最佳环境参数，依据蝴蝶兰不同生长阶段允许环境参数上下限，实现自动监控环境，同时快速纠正偏离参数，并利用事例库模型确定相应设备及工作时间，纠偏相应数值，自动作出诊断、决策（图4）[7]。

3应用

在江苏省连云港市振兴花卉有限公司1 hm2连栋智能温室中采用基于物联网技术的蝴蝶兰生产测控系统进行试验，

该系统为蝴蝶兰生产提供精准的生长环境，并按蝴蝶兰不同生长阶段所需的环境参数提供智能决策支持，保证产品质量。由表1可知，蝴蝶兰生产测控系统数据采集、传输、分析可靠，可根据苗株规格控制温室温度，能自动执行纠偏功能、减少人工成本、降低病虫害发生率、增加经济效益。

4结论

基于物联网信息技术的中央测控平台推进了蝴蝶兰生产信息化、智能化，是实现农业规模化、集约化生产的重要一环，对于我国实现农业转型升级具有重要意义。

参考文献：

[1]李圣华，柯华. 智能农业管理软件系统设计[J]. 科技广场，2012（4）：75-78.

[2]鄭楚明，李冠伟，郑树周. 我国蝴蝶兰产业发展中存在的问题及对策[J]. 安徽农学通报，2007，13（17）：75-76，43.

[3]王风云，封文杰，赵一民. 蝴蝶兰设施栽培测控系统的研发[J]. 山东农业科学，2007（1）：33-36.

[4]陈一飞. 农业复杂大系统的智能控制与农业物联网关系探讨[J]. 农业网络信息，2012（2）：8-12.

[5]王俊，杨书才，杨录军，等. 郑州市蝴蝶兰产业现状、存在问题及发展建议[J]. 河南农业科学，2011，40（12）：17-19.

[6]李志宇. 物联网技术研究进展[J]. 计算机测量与控制，2012，20（6）：1445-1448，1451.

[7]柳平增，毕树生，薛新宇，等. 基于物联网的农业生产过程智能控制系统研究[J]. 计算机测量与控制，2011，19（9）：2154-2156.赵辉，刘文明，岳有军，等. 一种新的去噪算法在农作物图像处理中的应用[J]. 江苏农业科学，2014，42（1）：371-373.

粮仓温、湿度测控系统篇10

关键词：单片机,测控系统,粮仓,AT89S51,LED

粮仓环境是关系着粮食安全的重要方面。随着科技的进步, 粮仓环境的测控系统开始广泛应用到实际中, 在保证粮食的安全方面发挥着积极重要的作用。当前随着农业生产技术的不断进步, 先进的设施被广泛应用于农业的各方面。传统的粮仓环境管理采用模拟控制仪表和人工管理方式, 其落后的管理方式已不能适应当前农业技术的发展。为此, 采用单片机对粮仓的温度、湿度、虫害等进行控制和管理, 实现粮仓环境测量控制及管理的自动化和科学化。

1 粮仓环境测控系统总体设计

整个测控系统由单片机AT89S51为核心, 配以温度、湿度检测和传送电路、温度传送电路、时钟电路、键盘和LED显示电路及电源电路等组成。系统框架如图1所示。

系统分为两大部分, 包含输入、输出电路。其中输入电路为采样粮仓环境数据, 包括温度、湿度的测量, 同时有必要的数据转换电路;键盘作为最基本的输入电路用于输入单片机的执行参数, 用于控制通风设备的电机。输出电路包括LED显示和通风设备。LED数目较少, 受制于传感器本身的测量精度以及单片机的处理精度, 显示当前测得的温度和湿度。在用键盘输入系统参数时, 显示输入的参数值;通风设备的主控对象是电机, 辅助与必要的数控电路, 用于改善粮仓环境。这两个属于不同的模块, 组合在一起与单片机相连, 共同完成粮仓的整体测控系统。

测控系统首先需要一定的支持系统来运行系统、保证系统的正确执行以及稳定性, 这些电路模块包括复位电路、电源电路和时钟控制电路。系统参数可以由人手动设定, 因此需要键盘电路接口供输入系统的运行参数。为完成粮仓环境测量任务, 需要传感器将温度输入到单片机, 其中包括温度检测和湿度检测电路。系统环境的测量结果、调节系统参数, 均需要显示出来供用户交互, 这部分属于显示电路。最后改变粮仓环境需要通风机与外界环境交换气体, 产生空气对流, 这部分为鼓风机及排气扇控制。这两个设备的控制机制是相同的, 因此改变系统环境时可以采用任意一个。

2 具体模块设计

2.1 温湿度检测电路

温度检测和湿度检测电路均属于单片机处理的主要输入数据。其中温度检测使用DS18B20。该原件只有一根信号线, 可处于寄生电源供电的工作方式, 所以接线简单, 只用占用一个端口。湿度检测使用HS1101。由于HS1101是基于电容的湿度传感器, 因此对其的取值需要通过A/D转换。但在具体的实现上, 考虑到技术问题, 如精度、采样时间、反映时间, 以及经济问题, 本系统采用的是将模拟值转化为频率进行测量。

2.2 温度检测电路

采用DS18B20可以直接获得温度的转换数据值而不需要添加而外的A/D转换电路。DS18B20可以采用两种方式供电, 一种是采用电源供电方式, 此时DS18B20的1脚接地, 2脚作为信号线, 3脚接电源。另一种是寄生电源供电方式, 如图2所示单片机端口接单线总线, 为保证在有效的DS18B20时钟周期内提供足够的电流, 可用一个MOSFET管来完成对总线的上拉。

当DS18B20处于写存储器操作和温度A/D转换操作时, 总线上必须有强的上拉, 上拉开启时间最大为10μs。采用寄生电源供电方式时VDD端接地。由于单线制只有一根线, 因此发送接口必须是三态的。

2.3 湿度检测电路

传统的湿度检测电路是通过检测电压随湿度的变化, 并把这种关系通过A/D转换送入单片机来处理。这种处理是先把阻抗变成电压, 再把电压经过A/D转换从而得到想要的数据, 这个过程必然会降低检测的精度, 同时体积和检测成本也会大大增加, 并且远距离的传输有会引起信号的衰减和干扰。

总结以上特点, 本文提出了通过测频的技术来进行湿度检测。根据传感器阻抗的阻性和容性, 电阻电容元件混合的二端网络就与湿度传感器等效, 图3中的S11XX所示的就是该等效电路。因此该技术就是把传感器随湿度的变化转换成频率随湿度的变化, 这种变化就是通过一个555时基电路构成的振荡电路来完成的。电路如图3所示。

连接引脚2和引脚6的是HS1101, 它的作用是变化的电容器, R4的短路引脚是引脚7。HS1101通过R2和R4充电, 通过R2放电, 充电达到上限电压, 放电到触发界线。这个HS1101等效的变化电容器就是通过R2和R4这两个电阻对传感器的充放电。功率的计算公式如下:

根据上面的公式我们可以看到, R4必须远远小于R2并且不低于最小值时才可能提供50%的循环功率。其中R3电阻起保护电路的作用。

本系统采用的湿度传感器是电容式湿敏传感器HS1101, 它的机理是:当基于电极间的感湿材料吸附环境中的水分时, 其介电常数也会改变。其中电容容量大小与水蒸气相对压力之间的关系可以用下面这个公式表示:

其中ε0表示真空中的介电常数;εμ感湿材料的介电常数, S表示传感器的有效面积。d表示感湿膜的厚度。

2.4 鼓风机及排风扇控制

本系统采用鼓风机或排气扇改变粮仓环境的温湿度。鼓风机及排气扇可以向粮仓内部通入外界空气借此改变内部的空气的温湿度。由于这样的系统没有精确地改良粮仓内部的环境, 可以在鼓风机及排气扇的附近加入加湿器、冷却器, 可以有效而快速地改变粮仓环境。

鼓风机或排气扇不属于单片机电路的一部分, 但其控制电路是接入单片机控制电路控制的。此处不使用单片机的原因是因为单片机的输出信号电压太低, 并且驱动器的功率很小, 像鼓风机和排风扇这样的大功率、高电压的设备, 单片的是驱动不起来的, 所以我们使用固态继电器来驱动我们的鼓风机和排风扇。虽然我们没有使用单片机来驱动鼓风机和排风扇, 此处给出单片机来驱动鼓风机和排风扇电路如图4所示。

2.5 键盘电路接口设计

在单片机的应用中键盘电路是最常用的人机接口电路, 使用键盘电路来实现湿度值的清零、上一页、下一页、增1、减1以及移位等操作功能。本系统利用一个按键做开始, 并使用一种新颖的键盘电路, 这种新颖的键盘电路可以大大减少键盘电路占用的I/O端口, 提高了I/O端口利用率。

该电路设计可使得按键的次数增加, 并且使用了端口访问和扫描检测技术, 采用组合逻辑直接读取端口, 大大简化了程序处理过程。键盘控制电路如图5所示。

2.6 显示电路设计

本系统使用LED显示电路实时显示温度变化、显示系统参数供用户设置。该显示电路由LM317稳压器、电阻、NPN晶体管、74LS164移位寄存器以及LED显示器组成。电路原理图如图6所示。

本系统在某些使用场合, 应该把可控的缓冲级 (如三态缓冲器74LS244) 加在74LS164与输出装置之间, 以使串行输出过程在输入结束后进行。该电路控制LED显示器共阳极电位是通过控制LM317以及通过控制NPN的导通来完成的, 以此来控制LED显示器的明亮程度。另外通过RP2电位器调整脚2的输出电压来调控LED显示亮度的均匀。

2.7 系统总体电路

综合以上各个电路模块, 整个系统的电路图如图7所示。其中在每个自模块电路的基础上组合而成。

测控系统的引脚定义与以上各个分电路的分配有所差别。主要原因是最终将不同电路组合成系统时需要考虑多种因素, 包括硬件设计上的:方便布线, 解决电磁干扰, 协调各个元件的物理关系、考虑每个元件的电气特性;软件方面的:程序的设计、调试。这些因素会影响到电路的设计。从实际应用出发, 最后的系统布线、端口分配等会更改。

整个系统的原理图通过了Protel的电路图编译, 进一步需要进行模拟实现, 判断是否需要更改必要部分来完成最终系统的实现。通过实验板的仿真并运行单片机的程序来测试系统的正确性、可靠性和稳定性。

3 结束语

本文主要介绍了粮仓环境的温度和湿度监控系统的整体设计方法, 并具体针对每个功能模块也做了详细的设计说明。简要介绍了整个电路的实现过程、温度传感器和湿度传感器的工作原理和工作工程。

参考文献

[1]刘丽.多路温度与湿度检测系统的研究[D].辽宁:沈阳工业大学, 2007.

[2]陈涛.嵌入式系统在粮情监控中的应用与研究[J].湖北:华中科技大学, 2004.

[3]唐美斌, 孙传友.传感器在粮仓温湿度监控系统中的应用[J].电子与电脑, 2007 (1) .

[4]沙占友, 王严朋, 孟志勇, 等.单片机外围电路设计[M].北京:电子工业出版社, 2003.

[5]张天凡, 51单片机完全手册[M].北京:电子工业出版社, 2008.

[6]樊尚春.传感器技术及应用[M].北京:北京航空航天大学出版社, 2004.

[7] John M, Richardson, Kenneth A.March Fusion of MutlisensorData[J].The International Journal of Robotics Research, 1988, 7 (6) :78-96.

[8]郭小定.PLC在大型粮食中转仓库中的应用[J].自动化技术与应用, 2004 (3) :39-41.