温度测控系统(03-29).ppt

,烘烤箱温度测控系统的设计,,,1系统总体方案设计,,,,,,,,,,,,,,,,,红外测温,热电阻测温,热电偶测温,通过比较和分析几种常见的测温系统方案，并选择一种作为本系统的执行方案,1系统总体方案设计,,,,本方案选择Atmel公司的AT89C51单片机作为下位机的控制器。温度传感器选择热电偶。输出信号是缓变微弱的低频信号，需要进行放大和滤除高频干扰，因此需要进行信号调理。信号调理电路包括放大和滤波两部分。放大部分采用三运放构成仪用放大器；滤波部分采用阻容低通滤波电路。信号经过调理之后，需要将模拟信号转换为数字信号，在本系统中ADC0809芯片，ADC0809是采样分辨率为8位的、以逐次逼近原理进行模数转换的器件。数据显示部分选用LCD液晶显示器来实现。利用该模块，可以现场实时显示温度值。,温度测量对象是武汉理工大学自动化学院传感与检测实验室的电烤箱，加热温度范围是0～255℃,温度测量系统总体方案设计,,,,单片机与上位机的通信方式采用串口RS-232C协议，通过电平转换芯片MAX232C实现全双工串口通信。将采集的温度值，通过串口送到上位机，通过Labview软件设计的操作界面实现数据的可视化、报警处理、存储等功能。,温度控制电路主要由光电耦合器MOC3041和双向可控硅BTA12组成。采用脉宽调制输出控制烘烤箱与电源的接通和断开比例，以通断控制调压法控制烘烤箱的输入功率。,当在现场操作时，可采用键盘选择本地操作模式。键盘选用矩阵式键盘，并选用周立功的ZLG7290芯片来实现键盘驱动和实现与单片机总线通信。,,显示屏,A/D,单片机,键盘,DS18B20,热电偶,2温度测量系统的硬件设计框图,,热电偶,信号调理电路,DS18B20,,温度测量系统硬件电路,,AD转换,单片机,LCD显示,键盘,,,,,串口通信,,,2.1系统的设计方框图,系统的设计方框图,实验室电烤箱,热电偶测量电路,模拟信号调理电路,ADC0809,AT89C51,DAC0832,控制电路,LED显示,按键输入,上位机,,2.2系统工作原理,,,,本系统由热电偶、AT89C51单片机及其最小系统模块、模拟信号调理电路、A/D转换模块、D/A转换模块、键盘模块、LCD液晶显示、RS-232C串口通信等部分组成，可以实现对温度的实时测量和显示，具有结构简单、测量精度高等优点。,系统工作时，由铂热电阻测量烘烤箱温度，所得模拟信号经过调理电路放大滤波后，传给ADC0809，经过模-数转换变为数字信号输入AT89C51单片机芯片，由此芯片进行处理，由LCD液晶显示模块显示。芯片还与按键相连接。当需要动作时，由按键输入信息或者上位机直接输入信息，再由芯片发出控制信号。此信号经DAC0832数-模转换，经控制电路作用于对象烘烤箱,3.烘烤箱的对象特性分析,被控对象为电烤箱，将电烤箱箱内的温度作为唯一变量。通过机理法建模，我们可以知道电烤箱为纯滞后的一阶对象，而且可以求得被控对象的传递函数的形式为,,,K对象放大系数；T对象时间常数；τ对象纯滞后。,被控对象的机理法建模,下表是通过实验得到的电烤箱温度数据,图2电烤箱温度数据的仿真,根据图2和前面介绍的各参数求解方法求得τ60s，t0.632160s，Tt0.632-τ100s,,电烤箱的传递函数为,,实验法建模,4传感器的选型及工作原理,热电阻测温,缺点需要电源来激励不能够瞬时测量温度的变化,优点测量精度高,性能稳定最常用在中低温测量,,,4传感器的选型及工作原理,红外测温,缺点环境对系统性能指标影响较大价格高，不能测量内部温度,优点非接触测量不破坏被测温度场的均衡,,,4传感器的选型及工作原理,热电偶测温,缺点长期使用中，容易受到腐蚀需要进行冷端温度补偿,优点测量精度高，测温范围广构造简单，使用方便,,,4.1热电阻工作原理,,,,在工业中应用最广的铂和铜，并已制作成标准测温热电阻。铂电阻与温度之间的关系接近于线性，在0～630.74℃范围内可用下式表示Rt＝R01AtBt2，在-190～0℃范围内为Rt＝R01AtBt2十Ct3式中，RO、Rt为温度0及t时铂电阻的电阻值，t为任意温度，A、B、C为温度系数，由实验确定，A＝3.968410-3/℃，B＝-5.84710-7／℃2，C＝-4.2210-l2/℃3。由公式得出，当R0值不同时，在同样温度下，其Rt值也不同。,导体的电阻值随温度变化而改变，通过测量其阻值推算出被测物体的温度，利用此原理构成的传感器就是电阻温度传感器。这种传感器主要用于-200500℃温度范围内的温度测量。,铜电阻在测温精度要求不高，且测温范围比较小的情况下，可采用铜电阻做成热电阻材料代替铂电阻。在-50～150℃的温度范围内，铜电阻与温度成线性关系，其电阻与温度关系的表达式为Rt＝R01At式中，A＝4.2510-3～4.2810-3℃为铜电阻的温度系数。,4.2热电偶的工作原理,,,,热电偶工作原理两种不同成份的导体（称为热电偶丝材或热电极）两端接合成回路，当接合点的温度不同时，在回路中就会产生电动势，这种现象称为热电效应，而这种电动势称为热电势。热电偶就是利用这种原理进行温度测量的，其中，直接用作测量介质温度的一端叫做工作端（也称为测量端），另一端叫做冷端（也称为补偿端）；冷端与显示仪表或配套仪表连接，显示仪表会指出热电偶所产生的热电势。,,种类目前，国际电工委员会（IEC）推选了8种类型的热电偶作为标准化热电偶，即为T型、E型、J型、K型、N型、B型、R型和S型。,5.模拟信号调理电路设计,放大电路,滤波电路,,信号调理电路,5.1放大电路,热电偶信号的放大单元由低温漂、低偏置电流、高共模抑制比、低噪的精密仪用放大器AD620为核心，加上激励电源电路、零位调整电阻、增益调整电阻、输出限幅保护电路等组成。,5.2滤波电路,滤波电路是信号调理电路的第二级主要作用是对放大之后的热电偶信号进行滤波。热电偶信号变化非常缓慢，在本系统中采用二阶有源低通滤波来滤除信号中的高频干扰。,滤波电路,,滤波系统的传递函数为,,,由式1，可得式2和式3,,,,令R1R210K，由式2和式3可求得C11.408uF实际中取4.7uFC20.707uF实际中取1uF,将参数代入式1，,得到实际的转折频率,5.3ADC,系统将热电偶检测到模拟信号送入A/D转换器转换为数字量信号，再送入单片机中。,本系统选择MAXIM公司的多量程、8通道的12位并行A/D转换器MAX197MAX197是并行总线A/D芯片，采用逐次逼近工作方式，内部的输入跟踪/保持电路把模拟信号转换为12位数字量输出。,ADC电路,,图4-12DS18B20管脚排列图,数字温度传感器DS18B20是美国DALLAS半导体公司生产的。它具备DALLAS公司特有的专利单总线技术，即与微控制器的接口只占用一个I/O端口，无须任何外部元件，在单总线可同时挂接最多达248片DS18XXX系列测温芯片，实际应用中受驱动能力限制一般可以挂接16片。DS18B20封装方式及管脚如图4-12所示。,5.4DS18B20,DS18B20的测温精度是可编程的，可以设置为9、10、11、12位精度，但是转换时间随精度增加而增加，最大分辨率为0.0625度。测温范围为-55℃～125℃。最大温度转换时间9、10、11、12位分别为93.75ms，187.5ms，375ms，750ms。本温度测量系统选用了TO-92封装的DS18B20。,DS18B20都可以设置成两种供电方式，即数据总线供电方式和外部供电方式。采取数据总线供电方式可以节省一根导线，但完成温度测量的时间较长；采取外部供电方式则多用一根导线，但测量速度较快。在本系统中，由于I/O口满足系统需求，同时为提高温度转换速度，所以DS18B20采用外部供电方式。,工作于寄生电源方式时，VDD和GND均接地，它在需要远程温度探测和空间受限的场合特别有用，原理是当1-Wire总线的信号线DQ为高电平时，窃取信号能量给DS18B20供电，同时一部分能量给内部电容充电，当DQ为低电平时释放能量为DS18B20供电。但寄生电源方式需要强上拉电路，软件控制变得复杂特别是在完成温度转换和拷贝数据到E2PROM时，同时芯片的性能也有所降低。因此，在条件允许的场合，尽量采用外供电方式。,5.4DS18B20,利用一片DS18B20单线式数字温度传感器测量热电偶冷端温度，利用软件即可实现对不同型号热电偶的冷端温度补偿，这种方法补偿准确度高，所需补偿电路简单。,6.单片机及外围电路,本设计选用了Atmel的8位单片机AT89S52作为本系统下位机的控制器，AT89S52一种低功耗、高性能CMOS的8位微控制器。,8K字节在系统可编程Flash存储器,与MCS-51单片机产品兼容,AT89S52的主要特性,三个16位定时器/计数器,6.1看门狗电路,为了提高单片机系统的可靠性，采用专门的看门狗芯片MAX813L。,MAX813L在单片机系统中的典型应用线路图。此电路可以实现上电、瞬时掉电以及程序运行出现“死机”时的自动复位和随时的手动复位；并且可以实时地*电源故障，以便及时地保存数据。,1--手动复位输入端2--工作电源端（VCC）接5V电源。3--电源接地端（GND）接0V参考电平。4--电源故障输入端（PFI5--电源故障输出端6--看门狗信号输入7--复位信号输出端（RST）上电时，自动产生200ms的复位脉冲；手动复位端输入低电平时，该端也产生复位信号输出。8--看门狗信号输出端,看门狗的基本工作原理,工业环境中的干扰大多是以窄脉冲的形式出现，而最终造成微机系统故障的多数现象为“死机”。究其原因是CPU在执行某条指令时，受干扰的冲击，使它的操作码或地址码发生改变，致使该条指令出错。这时，CPU执行随机拼写的指令，甚至将操作数作为操作码执行，导致程序“跑飞”或进入“死循环”。为使这种“跑飞”或进入“死循环”的程序自动恢复，重新正常工作，一种有效的办法是采用硬件“看门狗”技术。用看门狗程序的运行。若程序发生“死机”，则看门狗产生复位信号，引导单片机程序重新进入正常运行。,本电路巧妙地利用了MAX813L的手动复位输入端。只要程序一旦跑飞引起程序“死机”，端电平由高到低，当变低超过140ms，将引起MAX813L产生一个200ms的复位脉冲。同时使看门狗定时器清0和使引脚变成高电平。也可以随时使用手动复位按钮使MAX813L产生复位脉冲，由于为产生复位脉冲端要求低电平至少保持140ms以上，故可以有效地消除开关抖动。,该电路可以实时地电源故障（掉电、电压降低等）。图R1的一端接未经稳压的直流电源。电源正常时，确保R2上的电压高于1．26V，即保证MAX813L的PFI输入端电平高于1.26V。当电源发生故障，PFI输入端的电平低于1．25V时，电源故障输出端电平由高变低，引起单片机中断，CPU响应中断，执行相应的中断服务程序，保护数据，断开外部用电电路等。,6.2LCD显示,为方便实时观察热电偶冷端温度变化和热电偶测量环境温度值的大小，选用LCD液晶显示器来实现显示功能。在实际使用中选用金鹏电子的LCD12232液晶显示模块作测量结果输出部分。,内置汉字库可完成图形显示可以显示7.52个1616点阵汉字,LCD12232电路,6.3人机接口---键盘,为节约控制芯片的I/O口资源，以I2C总线替代并行总线设计矩阵键盘扫描电路。,输入键盘采用44矩阵键盘，4条行数据线和4条列数据线考虑到I2C总线通信方式，选择周立功公司的ZLG7290芯片作为键盘硬件接口,ZLG7290具有如下基本功能,键盘去抖动处理,双键互锁处理,连击键处理,ZLG7290电路,6.4串口通信,单片机将经过处理的数字信号通过全双工串行通信方式送至上位机。,选用MAX232作为串口通信电平转换芯片，该芯片是由MAXIM公司推出的一款RS232标准的芯片。,MAX232电路,7.下位机软件设计,,,下位机软件设计,上位机软件设计,串口通信,单片机为核心Keilc51,LabVIEW,,,软件设计,KeilC51是美国KeilSoftware公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统，μVision2IDE是KeilC51基于Windows的开发平台，是用户开发和调试单片机C语言源代码的最理想的工具之一。其内嵌多种符合当前工业标准的开发工具，可以完成从工程建立到管理、编译、链接、目标代码的生成、软件仿真、硬件仿真等完整的开发流程，尤其是C编译工具在产生代码的准确性和效率方面达到了较高的水平，而且可以附加灵活的控制选项，在开发大型项目时非常理想。,KeilC51集成开发环境简介,（1）Vision2forWindows是一个集成开发环境，它将项目管理、源代码编辑和程序调试等组合在一个功能强大的环境中；（2）C51国际际准化C交叉编译器从C源代码产生可重定位的目标模块；（3）A51宏汇编器从80C51汇编源代码产生可重定位的目标模块；（4）BL51链接器/定位器组合由C51和A51产生的可重定位的目标模块，生成绝对目标模块；（5）LIB51库管理器从目标模块生成连接器可以使用的库文件；（6）OH51目标文件至HEX格式的转换器，从绝对目标模块生成IntelHex文件；（7）RTX-51实时操作系统简化了复杂的实时应用软件项目的设计。,KeilC51集成开发环境的主要功能有以下几点,软件设计下位机,基于KeilC51的开发环境用C语言编程对温度测量系统的软件进行了设计。本系统的软件采用模块化的设计思想，将数字控制单元中需要的一系列功能编成相应的子程序，供主程序调用。,主程序首先对系统进行初始化，包括地址和数据以及系统变量的初始化。而后进入键盘处理子程序。采用中断的方式查询功能按键的状态，并调用显示子程序，实时温度值，并将数据采用串口送至上位机。,下位机程序原理框图,见附件文档,8.软件设计上位机,上位机的主控程序采用模块化的设计方法，将系统划分成几个相互独立的功能模块，各模块内部分别完成确定的任务，模块之间相对独立而又通过系统的框架协议相互联系。为了使各模块之间按照系统的框架协议协调动作和相互通信，以及实现人机交互，设计了提供用户接口的主控程序,8.1基于LabVIEW的温度测控仪表设计,8.2LabVIEW串行通讯模块,上图为串行通讯模块程序框图，其中串行通信的主要参数设置如下串口号COM1，波特率为9600bit/s，数据位为8，校验位为none。如果初始化没有问题，就可以使用这个串口进行数据收发。发送数据使用VISAWrite，接收数据使用VISARead。,串行通讯模块程序框图,8.3信号分析处理模块,信号处理是指对信号进行某种加工变换或运算，来获取信息或变换为人们希望的另一类信号形式。在测试领域中，信号处理主要指滤波，即把信号中有效信号提取出来，抑制干扰或噪声的一种处理。由于本系统不用考虑温度信号的相频特性，并且要求滤波器在通带内没有波纹，巴特沃斯滤波器具有最大平坦幅度特性，故采用巴特沃斯滤波器滤波器。本系统数字滤波器模块的框图程序下图所示。,数字滤波程序框图,,下图为LabVIEW中实现二阶低通数字滤波仿真的的前面板,LabVIEW中数字滤波的实现,8.4越限报警模块,当温度超过了环境或系统所允许的最大最小值时，程序应能实现声光报警，这也是控制系统中所必需的一部分。为此设置了越限报警模块。其工作原理很简单通过对所测量的实时温度和所设置的温度上下限的比较，产生一个True或者False信号来驱动报警灯以及产生报警声。,8.5统计直方图显示模块,首先通过ADOConnectionCreate.vi与ADO建立连接，然后通过ADOConnectionOpen.vi打开数据源，数据源由字符串“dsndsn_tmp”指定。接着打开数据源，通过SQLcute.vi执行SQL语句“select实际温度fromtmp；”，实际温度从数据库的tmp表中读出，然后将数据经过相应的运算传给创建直方图控件，最后传给波形图控件。,8.6数据存储模块,数据存储模块主要是将测得的温度数据、测量时间，以及设定温度值、高限值、低限值写入数据库中,数据存储模块程序框图,下图为通过本温度测控系统采集并存储到Access数据库中的温度数据。,8.7数据读取模块,数据读取模块主要是将时间、设定温度、实际温度、高限值、低限值等数据从数据库中读出，供相关人员查看,8.8温度数据打印模块,数据打印模块程序框图如上图所示。首先通过ADOConnectionCreate.vi与ADO建立连接，然后通过ADOConnectionOpen.vi打开数据源，数据源由dsndsn_tmp指定。打开数据源后，通过SQLcute.vi执行SQL语句。从数据库中读出所有数据，然后为这些数据加上对应的表头（时间、设定温度、实际温度、高限值、低限值），然后将数据传给打印控件进行打印。,8.9LabVIEW中增量式PID控制的实现,LabVIEW提供了MATLABScript节点，可以在MATLABScript节点中编辑MATLAB程序，并在LabVIEW环境下运行，也可直接调入己经存在的MATLAB程序。程序运行时将自动调用MATLAB，所以要使用MATLABScript节点，系统中必须装有MATLAB5.0以上版本。,采用MATLABScript节点实现增量式PID控制器的程序,LabVIEW中实现增量式PID控制仿真,基于遗传算法的PID控制器,虚拟仪器的主要开发平台LabVIEW是一个高效的图形化程序设计环境，结合G编程语言，大大简化了过程控制和测试软件的开发。MATLAB是高性能的数值计算分析软件，为遗传算法的设计和仿真提供了方便。本文通过应用MATLABScript节点在LabVIEW中调用和操作MATLAB的方法，实现了基于遗传算法的PID控制器。,基于遗传算法的PID控制器在LabVIEW中的实现程序,9.温度控制电路设计,此部分电路主要由光电耦合器MOC3041和双向可控硅BTA12组成。采用脉宽调制输出控制烘烤箱与电源的接通和断开比例，以通断控制调压法控制烘烤箱的输入功率。MOC3041光电耦合器的耐压值为400v，它的输出级由过零触发的双向可控硅构成，它控制着主电路双向可控硅的导通和关闭。100Ω电阻与0.01uF电容组成双向可控硅保护电路。电路原理图如下图所示，,图5-10控制电路原理图,,继电器控制电路原理图如图5-10所示，由于AT89S52单片机I/O端口的驱动能力只有十几mA，达不到固态继电器的驱动要求，故需增加一个三极管来提高驱动电流。该电路采用周波控制法，调节负载功率而达到调节温度的目的。调功原理为设电网连接N个完整的正弦波周期为一个控制周期T，则,可见，只要控制在设定周期T内的周波数n，就可调节负载的功率。或者反过来说，可根据不同的功率要求，导算出n，将n转换成时间，通过单片机的P2.2口来控制固态继电器的导通和截止，就可在设定的周期T内控制加载到电烤箱上的定额周期的正弦波，达到调控温度的目的。,式中U电网电压有效值；RS负载有效电阻。,