基于无线网络的分布式电烤箱温控系统设计.docx
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基于无线网络的分布式电烤箱温控系统设计
毕业设计说明书
基于无线网络的分布式电烤箱
温控系统设计
专业
学生姓名
班级
学号
指导教师
完成日期
2010年6月5日
基于无线网络的分布式电烤箱温控系统设计
摘要：
随着无线通信技术飞速发展，越来越多的数据采集和控制系统采用了无线数据传送技术，与有线网络数据传输相比，无线通信有布线成本低、安装简便、便于移动的优点，目前被广泛应用工业自动化、环境监测等领域。
在研究和分析无线数据原理和实现方法基础上，设计了一种基于无线网络的单片机电烤箱温控系统。
系统主要由数据采集模块、温度控制、无线数据传输与接收模块、监控计算机等部分组成。
该系统可实现温度数据采集、数据无线传输、远程温度监控等功能。
系统设计过程中，采用模块化设计思想，使系统结构清晰、可靠性高、易于调试。
完成了电烤箱温控系统硬件电路的设计与制作，采用结构化设计思路，完成上位机和下位机的软件设计，程序可移植性好、代码优化合理运行效率高。
所设计的系统功能完备，具有数据采集无线传输和显示功能，系统具有操作简单、工作可靠、人机交互界面友好、自动化程度高。
温控系统实验测试表明，温控数据采集精度高、数据传输准确、控制效果好，实现了电烤箱无线监控的功能，达到了设计预期效果。
关键词：
无线通信；温控系统；分布式系统；单片机
DesignofDistributedOvenTemperatureControlSystemBasedonWirelessNetwork
Abstract:
Withtherapiddevelopmentofmobilecommunicationtechnology,anincreasingnumberofinformationcollectionandremotecontrolsystemadoptswirelessdatatransmissiontechnology,ithastheadvantagesoflowcost,easyinstallation,easymovementcomparedwiththewiringdata-transmission,nowitiswidelyusedinautomationfieldandenvironmentalmonitoring.
Researchedandanalysedtheprincipleofwirelessdatatransmissionandtherealizationofthemethod,anddesignedamicrocontroller-basedembeddedwirelessdataacquisitionandcontrolsystem.Thesystemiscomposedofdataacquisition,monitoringthetemperature,wirelesslytransmittingthedataandwirelesstransmissionmodule,computerinterfacemodule.Thesystemhasthefunctionsofdataacquisition,monitoringthetemperature,wirelesslytransmittingthedata.
Duringthedesigningprocess,itadoptedthemodulardesignconcept,soitmakethedesignstructureclarity,highdependability,easydebugging.Finishtheoventemperaturecontrolsystemhardwarecircuitdesignandproduction,anditadoptedthedesignopinionofstructuring,completedthesoftwareoftheuppercomputerandsubordinatecomputeratthesametime,soithastheadvantageofwellprogramtransplanted,codereasonableoptimizedandrunefficiently.Thefunctionofthesystemisequipped,ithasthefunctionofwirelessdataacquisitionanddisplaythedata.Thesystemissimple,reliable,man-machineconversationfriendly,highautomation..
Bythetemperaturecontrolsystemexperiment,temperaturedataacquisitionshowshighprecision,datatransmissionaccuracy,goodcontroleffect,achievetheoven,wirelesssurveillancetodesigntheexpectedeffect.
Keywords:
Wirelesscommunications;Temperaturecontrolsystem;Distributedsystem;MCU
基于无线网络的分布式电烤箱温控系统设计
1.课题研究的意义和内容
1.1本课题的意义
目前采用PC机与多台以单片机系统为核心的智能仪表组成分布式测控系统在当今的许多生产自动化领域已得到广泛应用，分布式控制系统是在计算机监督控制系统、直接数字控制系统和计算机多级控制系统的基础上发展起来的，是生产过程的一种比较完善的控制与管理系统。
传统的测试系统是在工控机或PC机上安装相应的数据采集设备，就地进行数据采集及测试分析，是一种单机小型本地化的测试系统。
随着现代科技及工业的发展，测试系统的发展趋势是地域分散化、数据海量化、采集环境复杂化。
在越来越多的场合下，单机本地化的测试系统已不能满足用户的要求，由此发展出了分布式远程测试系统，其中心思想是"分布式的采集，集中化的分析管理，共享的数据资源"。
测控市场需求也从以产品为中心转向以客户为中心，用户需求从单纯的测控产品转向全面的测控系统集成解决方案。
实现计算机技术、传感器技术、网络技术、数据库技术与测控技术的有机结合，组建网络化、集成化、分布式的测控系统，满足测控系统集成项目的市场需求，已成为现代测控领域极其重要的业务内容。
在分布式控制系统中，按地区把微处理机安装在测量装置与控制执行机构附近，将控制功能尽可能分散，管理功能相对集中。
这种分散化的控制方式能改善控制的可靠性，不会由于计算机的故障而使整个系统失去控制。
当管理级发生故障时，过程控制级（控制回路）仍具有独立控制能力，个别控制回路发生故障时也不致影响全局。
与计算机多级控制系统相比，分布式控制系统在结构上更加灵活、布局更为合理和成本更低。
在工控数据采集业，环境条件恶劣、布线困难已经成了一个普遍的问题。
而采用无线传输技术当然是一个不错的选择，有利地解决了这些问题，并且还有高网络容量、高实时性、低功耗等优点。
无线数据采集系统的实现,彻底摆脱了有线的困扰,其数据传输通道具有较强的通用性,对交通运输管理、安全监控,工业测控、环境监测以及国防技术均有相当重要的借鉴价值。
随着集成电路技术的发展，单片微型计算机的功能也不断增强，许多高性能的新型机种不断涌现出来。
单片机以其功能强、体积小、可靠性高、造价低和开发周期短等优点，称为自动化和各个测控领域中广泛应用的器件，在工业生产中称为必不可少的器件。
在温度控制系统中，单片机更是起到了不可替代的核心作用。
基于单片机的无线分布式电烤箱温控系统,可对电烤箱温度进行测量、与高温报警与控制，并具有键盘控制和无线通讯显示功能，克服了现场环境恶劣、干扰强、功耗高等系列问题，真正将无线网络技术、单片机技术、传感器技术和控制技术很好地融合一起，实现了智能、方便、安全的电烤箱炉温控制系统。
1.2课题的基本内容
课题设计了一种基于STC89C52单片机的分布式无线智能精密温控系统，可对多个电烤箱温度进行测量、误差修正、判定，传感器故障与高温报警，并具有键盘控制和无线通讯显示功能。
该系统采用了热电阻温度传感器来对温度数据进行采集，并把采集的信号直接送入单片机进行处理，实时显示温度值，根据设定的参数来完成相应的智能控制。
上位机发出控制信号，通过下载线传输给接收的单片机，再通过NRF905无线模块传送至现场，完成上位机的监控和远程控制，同时上位机还可以记录下温度变化的历史曲线和实时曲线。
通过nRF905无线发射模块来进行短距离在线控制。
NRF905无线发射模块在数据采集和传输过程中有低功耗，强抗于扰能力等优点。
本设计的系统功能完备，不但具有温度数据采集无线传输和显示功能，而且能够直接进行现场和远程控制，系统具有操作简单、工作可靠、人机交互界面友好、自动化程度高。
经实验测试表明，该系统数据采集精度高、数据传输准确、很好地实现了电烤箱温度的数据采集和控制功能。
采用热电阻对温度进行采集，并将数据通过A/D转换传给单片机，单片机带有显示模块，可在现场显示温度，便于现场和终端的操作。
用NRF905无线通信模块将温度数据无线传输到另一控制终端，完成单片机和PC机的通信可实现对上位机的信号采集、实时监控、历史数据等操作，具有抗干扰性强等优点。
上位机软件采用VB软件编程，生成可视化友好界面，方便操作，易于控制和维护。
设计系统主要完成以下工作：
A、设计温度测量和A/D转换电路；
B、设计数码管显示电路；
C、完成NRF905无线模块的编程和应用；
D、设计电器开关电路，用于控制电烤箱的开关来控制电烤箱的温度；
E、设计高温报警电路；
F、设计电源转换电路，将+5V电源转换为+3.3V电源供NRF905无线传输模块使用；
G、设计上位机界面，并完成上位机的编程；
H、设计主程序，对单片机STC89C52进行编程，完成最终控制功能。
通过对对各部分电路的设计，完成了系统对电烤箱温度的采集和控制，同时记录了温度的变化曲线，并且实现了系统操作控制的人性化。
2.基于无线网络的分布式电烤箱温控系统的总体设计
2.1基于无线网络的分布式电烤箱温控系统的组成
2.1.1系统的组成框图
本系统主要包括三个部分：
子站、主站和计算机数据处理软件系统。
子站以微控制器为核心，主要完成信号调理,A/D转换、数据的存储和传输等功能；主站采用作为主控制器，实现数据通信与存储、子站采样频率的设定调节以及相关数据信息的显示与设定等功能。
现场温度传感器输出的信号经信号调理电路后，经放大电路和模数转化，送入单片机，并在其控制下完成存储等工作。
主站与子站通过无线数传模块完成通信握手协议以及数据传输等工作；主站采集到的数据由USB接口进入计算机，交由软件处理系统处理。
系统原理如图2-1所示。
图2-1系统构成框架图
主站以STC89C52单片机作为主控制器，包括无线数传模块$存储模块、显示及数据设定模块和电平转换模块，单片机选用STC89C52,该单片机一种低电压、高性能CMOS8位单片机，片内含8kbytes的可反复写的FlashROM和128bytes的RAM，2个16位定时计数器在STC89C52单片机中有2kB的E2PROM存储器，分8个扇区，每个扇区512B，擦写次数可达10万次以上，写组数据有效保存时间可达100年，高速、低功耗、新增在系统中应用可编程（ISP，IAP）功能，使不具有E2PROM的单片机具有了E2PROM的功能，可以在线对现场历史数据的存储功能。
单片机通过串行接口引脚外接无线数传模块的发送和接收单元，通过MAX232电平转换芯片接计算机的USB接口。
单片机的串行口同时接两设置的串行口，注意在使用时合理选用端口。
2.1.2无线网络
现在的许多通用单片机（MCU）已经把USB、CAN和以太网作为标准外设集成在芯片内部一样，越来越多的无线网络芯片和无线网络解决方案也在向集成方向发展。
无线通讯技术给智能装置的互连互通提供了便捷的途径，工业无线网络作为面向工业和家庭自动化的网络技术也正在向着智能，标准和节能方向发展。
本系统选用的是nRF905，三频段收发合一，工作频率为国际通用的ISM频段433/868/915MHzGMSK调制，抗干扰能力强，特别适合工业控制场合采用DSS+PLL频率合成技术，频率稳定性极好灵敏度高，达到-100dBm低工作电压（2.7V），功耗小，待机状态仅为1uA，可满足低功耗设备的要求最大发射功率达+10dBm具有多个频道（最多170个以上），特别满足需要多信道工作的特殊场合工作速率最高可达76.8Kbps外围元件最少（仅10个），基本无需调试由于采用了低发射功率、高接收灵敏度的设计，使用无需申请许可证，开阔地的使用距离与具体使用环境及元件参数有关,最远可达1000米。
其适用于无线数据通信、无线报警及安全系统、无线开锁、无线监测、家庭自动化和玩具等诸多领域。
2.2子站的组成及工作原理
本文所设计的无线智能精密温控系统的设计主要由STC89C52，温度传感器DS18B20，LED显示器，无线nRF905模块，高温报警和ISP串口通讯电路组成。
系统原理框架图如上图图1所示。
图为系统的总体设计结构，用温度传感器DS18B20直接采集电烤箱温度，采集到的数据传送给单片机STC89C52，后用nRF905无线发射模块发送出去，控制端同样采用nRF905模块接收数据同时传给单片机，单片机用控制继电器的开关来实现对电烤箱温度的PID控制和高温报警等功能，采用VB进行分布式电烤箱温度控制系统监控软件设计，从而达到设计目标。
温度传感器DS18B20不需外围电路，内部可直接编程，采集到的即为数字量，不需另行设计A/D转换电路。
上位机软件采用VB6.0编程，可完成数据在下位机和上位机之间的传输，和上位机的监控和数据曲线分析等功能。
3.基于无线网络的分布式电烤箱温控系统子站的硬件设计
3.1单片机最小系统
本系统主控芯片选用的是由深圳宏晶公司代理销售的STC89C52单片机，、是由美国设计生产的一种低电压、高性能CMOS8位单片机，片内含8kbytes的可反复写的FlashROM和128bytes的RAM，2个16位定时计数器。
图3-1STC89C52单片机部分电路结构图
STC89C52单片机内部主要包括累加器ACC（有时也简称为A）、程序状态字PSW、地址指示器DPTR、只读存储器ROM、随机存取存储器RAM、寄存器、并行I/O接口P0~P3、定时器/计数器、串行I/O接口以及定时控制逻辑电路等。
这些部件通过内部总线联接起来，构成一个完整的微型计算机。
其管脚图如图3-1所示。
STC89C52单片机中除P0口以外其它的I/O端口内部都设有上拉电阻，上拉电阻的作用一是提高端口驱动能力，二是防止端口悬空，提高系统稳定性，PZ2即为P0口的上拉电阻。
对于微型计算机而言，复位RESET是一项很重要的归零调整操作。
复位操作就是将高电平加到RESET引脚（第9脚）上，并保持时间超过两个机器周期以上，也就是2us。
如图3-1，RESET脚通过SW按钮开关接到高电平上，用手按SW开关，不管手多快都会超过2us，换言之，只要按下SW开关，使RESET管脚成高电平，就一定会使系统复位。
当系统进入死机或其他无法正常工作的状态，可以通过复位按钮使系统复位。
当系统复位时，CPU内部寄存器将回归初始状态。
3.2测温电路的设计
PT100是一种广泛应用的测温元件，在-50~600℃℃范围内具有其他任何温度传感器无可比拟的优势，包括高精度、稳定性好、抗干扰能力强等。
由于铂电阻的电阻值与温度成非线性关系，所以需要进行非线性校正。
校正分为模拟电路校正和微处理器数字化校正，模拟校正有很多现成的电路，其精度不高且易受温漂等干扰因素影响，数字化校正则需要在微处理系统中使用，将Pt电阻的电阻值和温度对应起来后存入EEPROM中，根据电路中实测的AD值以查表方式计算相应温度值。
本系统设计的测温电路主要由桥式测温电路和A/D转换器组成，桥式测温电路主要由热电阻PT100构成，而A/D转换器则由内置运算放大器的AD7705为主要器件构成。
常用的Pt电阻接法有三线制和两线制，其中三线制接法的优点是将PT100的两侧相等的的导线长度分别加在两侧的桥臂上，使得导线电阻得以消除。
常用的采样电路有两种：
一为桥式测温电路，一为恒流源式测温电路。
本系统采用桥式测温电路。
测温原理：
电路采用TL431和电位器VR1调节产生4.096V的参考电源；采用R1、R2、VR2、Pt100构成测量电桥（其中R1＝R2，VR2为100Ω精密电阻），当Pt100的电阻值和VR2的电阻值不相等时，电桥输出一个mV级的压差信号，这个压差信号经过运放LM324放大后输出期望大小的电压信号，该信号可直接连AD转换芯片。
差动放大电路中R3＝R4、R5＝R6、放大倍数＝R5/R3。
放大器的放大倍数应与传感器及A／D转换器相匹配。
由于传感器的灵敏度为3mV／V，供桥电压为5V那么在额定载荷20t的作用下单个传感器的输出电压为：
Uo=5Vx3mV／V=15mV，此5mV代表20000kg的重量，则每kg表示的电压为：
K1=15mV／20000kg=0.00075mV／kg，而A／D转换器AD7705是16位的，最大输出数值为FFFFH，代表着65535kg的重量值，这是四个传感器感应重量的平均值。
由于A／D转换器的满量程输出电压为5V，转换数字为FFFFH，对应为65535kg的重量。
则每kg表示的电压为：
K2=5V／65535=0.0763mV／kg，由此可以算出放大倍数：
X=K2/K1=0.0763/0.00075=101.7因为AD7705的可编程增益最高达128，故不需要外加放大电路。
在本设计中SCLK接AT89C51的同步脉冲输出端TXD,AD7705的数据输入。
输出端DIN.DOUT一同接STC89C52的串行数据输入,输出端RXD。
在该种连接方式下，对AD7705的数据的读取可按51系列单片机串行口的工作方式0完成设计。
5V工作电压经分压后为AD7705提供基准电压，因此工作电压的变化不会产生系统误差。
分压电阻为24kΩ和15kΩ，产生的基准电压为1.92V。
图3-2AD7705与STC89C52单片机连接的电路图
确定AD7705的相应参数取：
输出数据更新速率：
50Hz;系统增益：
128;有效分辨率：
16位。
3.3显示电路的设计
本设计下位机温度显示采用4位共阳极数码管，共阴极即负端接地，正端接P口。
缺点是：
1.需上拉电阻。
2.系统上电或复位后P口全为1,LED全亮，要编程控制。
共阳所有正端接+5V,负极接P口，没有以上缺点。
故采用共阳极。
数码管显示原理：
数码管动态扫描显示，是将所用数码管的相同段（a～g和p）并联在一起，通过选位通信号分时控制各个数码管的公共端，循环依次点亮各个数码管。
当切换速度足够快时，由于人眼的“视觉暂留”现象，视觉效果将是六个数码管同时显示，选通信号的时序关系如图所示。
图3-3位选信号时序波形图
图3-4数码管动态扫描
数码管选通控制信号分别对应4个数码管的公共端，当某一位选通控制信号为高电平时，其对应的数码管被点亮，因此通过控制选通信号就可以控制数码管循环依次点亮。
一个数码管稳定显示要求的切换频率要大于50Hz，那么4个数码管则需要50×4＝200Hz以上的切换频率才能看到不闪烁并且持续稳定显示的字符。
用三极管控制共阳极数码管是利用三极管的开关特性，用PNP三极管，集电极接地，然后通过基极控制三极管的通断，当通过单片机给基极一个低电平时，发射极导通，集电极与发射极也之间也导通了，一般都是用三极管控制数码管的位选引脚。
简单地说就集电极和发射极相当于一个开关，基极是控制端，基极给高电平是，开关是断开基极给低电平时，开关合上。
如图3-5数码管显示电路所示，采用4位共阳极数码管COM1-COM4为4个位选端，Q1-Q4为PNP型三极管，型号为9012，发射极接+5V电源，基极接1K的限流电阻，集电极接数码管。
图3-5数码管显示电路
3.4收发电路的设计
收发电路采用nRF905芯片，直接和单片机的I/O口连接。
nRF905片内集成了电源管理、晶体振荡器、低噪声放大器、频率合成器以及功率放大器等模块，曼彻斯特编码／解码由片内硬件完成，无需用户对数据进行曼彻斯特编码，因此使用非常方便。
nRF905为32脚QFN封装，其管脚的定义与功能如表3-1所示。
表3-1nRF905管脚的定义与功能表
引脚
名称
方向
说明
1
TRX
CE
I／0
2
PWR
UP
I
3
uPCLK
0
输出时钟
6
CD
0
载波检测
7
AM
0
地址匹配
8
DR
0
数据准备就绪
10
MIS0
0
SPI数据输出
11
M0SI
I
SPI数据输入
12
SCK
I
SPI时钟
13
CSN
I
SPI片选，低有效
14
XC1
I
晶振输入引脚
15
XC2
0
晶振输出引脚
19
VDD_PA
0
电源输出，给功放提供1．8V电压
20,21
ANT1／2
天线接口1／2
23
IREF
I
参考输入
31
DVDD_1V2
低电压正数字输出
32
TX_EN
I
=1：
发送模式；=0：
接收模式
4，17，25
VDD
电源正端
5,9,16,18，22，24，26～30
VSS
电源地
nRF905有两种工作模式和两种节能模式。
两种工作模式分别是ShoekBumt接收模式和ShoekBurst发送模式。
两种节能模式分别是掉电PowerDown）模式和待机（Standby）模式。
在节能模式下，可以进行SPI编程。
nRF905的工作模式由TRX_CE、TX_EN和PWR_UP三个引脚决定，如表2所示。
表3-2nRF905的工作模式表
PWR
UP
TRX_
CE
O
×
×
掉电和SPI编程
1
0
×
待机和SPI编程
1
1
O
ShockBurst接收模式
a、ShockBurst模式
与射频数据包有关的高速信号处理都在nRF905片内进行，数据速率由微控制器配置的SPI接口决定。
数据在微控制器中低速处理，但在nRF905中高速发送。
因此中间有很长的时间空闲，这很有利于节能。
由于nRF905工作于ShockBurst模式，因此使用低速的微控制器也能得到很高的射频数据发射速率。
在ShockBurst接收模式下，当一个包含正确地址和数据的数据包被接收到后，地址匹配（A和数据准备好（DR）两引脚通知微控制器（MCU）。
在ShockBurst发送模式下，nRF905自动产生字头和CRC校验码。
当发送过
升级会员 