毕业设计（论文）基于以太网的电热炉温度远程控制系统

1、毕毕 业业 设设 计计 论论 文文题 目 基于以太网的电热炉温远程控制系统设计 （院）系 电气与信息工程系 专业 自动化 班级 0103 学号 学生姓名 导师姓名 完成日期 2005 年 6 月 18 日 湖南工程学院毕毕业业设设计计（论论文文）任任务务书书 设计（论文）题目： 基于以太网的电热炉温度远程控制系统 姓名 阳春美 系别 电气与信息工程系 专业 自 动 化 班级 0103 学号 02 指导老师 刘 国 繁 教研室主任 唐 勇 奇 一、基本任务及要求：本课题的基本任务是研究基于以太网的炉温远程控制系统设计。 ，能远距离对电热炉的温度实施有效控制。主要技术要求：温控器以单片机为核心；恒

2、温值设定范围：6001000；精度等级：0.5 级；显示位数：4 位；能与以太网直接连接，能远程设置控制参数和上传控制参数和实际温度等数据；控制策略采用 pid 控制、模糊控制或二者结合。主要设计内容：总体方案设计；硬件设计；控制算法设计；软件设计。侧重于控制算法和软件设计。 二、进度安排及完成时间：查阅资料，确定总体方案，完成选题报告及文献综述初稿。3 周。 总体方案设计。2 周。 确定硬件、软件的结构，拟定关键算法。1 周。 控制算法详细设计。2 周。 设计软件程序，调试。4 周。 撰写毕业设计说明书，整理文档资料，答辩。3 周。 目目 录录摘要摘要abstract第第 1 章章 绪论绪论

3、1 1.1 选题的背景与意义1 1.2 相关知识简介2 1.2.1 bl2ooo 简介2 1.2.2 dynamic c 概述2 1.3 课题发展现状与前景展望4第第 2 章章 系统总体方案的确定系统总体方案的确定5 2.1 系统设计的要求5 2.2 总体方案的确定5 2.3 嵌入式 webserver 讨论 7第第 3 3 章章 系统硬件电路设计系统硬件电路设计10 3.1 系统硬件的总体结构设计10 3.2 系统硬件子模块的设计10 3.2.1 bl2000 的硬件结构11 3.2.2 温度检测元件和变送器设计12 3.2.3 温度控制电路设计13第第 4 章章 温度控制算法设计温度控制算

4、法设计154.1 pid 计算程序154.2 pid 参数的整定18 4.2.1 pid 参数与系统控制性能18 4.2.2 采样周期 t 的确定19第第 5 章章 基于基于 dynamic c 的系统软件设的系统软件设计计21 5.1 温度控制程序设计21 5.2 web 服务程序设计23 5.3 html 页面设计29 5.3.1 温度显示页30 5.3.2 参数配置页30结束语结束语33参考文献参考文献34致谢致谢35附录附录 a a bl2000bl2000 程序程序36附录附录 b 网页源程序网页源程序40 b.1 温度显示页面程序40 b.2 参数配置页面程序40基于以太网的电热炉

5、温度远程控制系统基于以太网的电热炉温度远程控制系统摘要摘要：本课题的基本任务是研究基于以太网的电热炉温远程控制系统设计。能远距离对电热炉的温度实施有效控制。系统主要由被控对象（电热炉） 、温度控制器和客户浏览器三部分组成。在被控对象和温度控制器之间设置过程控制接口，过程控制接口包括温度检测装置和调功器，温控器由单板机 bl2010 构成，完成接收客户端的请求和温度控制的功能。温度控制采用 pid 控制策略。bl2010 通过自身的以太网接口与网络连接。客户浏览器完成温度显示和参数设置的功能，通过以太网，将设置参数（恒温值、pid 参数）传送给 bl2010，实现远程监控。关键字关键字：以太网

6、；远程控制 ；电热炉the design of electric stove temperature long-distance control system based on ethernetabstract: the fundamental task of this project is studying the electric stove longdistance control system design based on ethernet ,which can implement effective control to electric stove in a long-dista

7、nce way .the system is mainly make up of the passive object (electric stove)、temperature controller and visitor browser .between passive object and temperature controller, there have set up a process interface, which embrace temperature examine installation and power regulator. the temperature contr

8、oller is make up of single-board computer bl2000, finishing the function of receiving the request from the end of visitor browser and controlling temperature. pid tactics is adopted in temperature control .by means of the ethernet interface of itself, bl2000 join together with network .visitor brows

9、er fulfill the function of temperature display and setting up parameter ,by means of ethernet, which convey the set parameter(constant temperature value and pid parameter)to bl2000,accomplishing long-distance control .keywords: ethernet, long-distance control, electric stove第 1 章 绪论1.1 选题的背景与意义在工业生产

10、过程中，加热炉温度的控制是十分常见的。一般的温度控制器大都功能简单、固定；只能修改一般的参数，不能根据实际环境修改控制程序，控制效果不甚理想。单片机采用互连网进行通讯与控制具有很好的应用价值，可开拓单片机和互连网应用的新领域。它可以很容易地实现远程的监视控制。同时单片机采用浏览起进行监控也将给软件的编程带来极大的便利。互连网的技术大多应用在商业领域的信息传递，但目前也开始越来越多的向工业控制领域发展。单片机以其以及小、功能强、灵活可靠而广泛应用于工业控制和电器产品中，远程控制是其重要的内容之一。现在单片机也开始向互连网方向发展，以求实现远程控制。传统的实现单片机远程控制的方法一般是采用串行口

11、rs232、rs485、和 can 总线等。如果将单片机与调制解调器连接，这样便可以与远程计算机进行通讯联系，形成一种新的远程控制方案。因而，根据现场实际，开发一种既照顾现场情况又考虑远程通讯的新的单片机控制方案将具有重大的意义2。 wildcat 为 oem 设计者提供了低成本、高性能的单板计算机以实现以太网接入。这些紧凑式板卡具有许多嵌入式控制和监视应用优点。所有的 bl2000 系列模块可以使用恰当的辅助硬件通过以太网/互连网进行编程和调试。带有 10base以太网口的系统可以直接通过网络或互连网进行控制和监视，能够对远端设备开发接口，能够提供网页服务，还能够发送 e-mail.bl20

12、00 系列对于大系统来说作为一个具有网络功能的服务处理器也是非常理想的。bl2000 系列的编程使用工业级的 z-word 的 dynamic c 软件开发系统。动态 c 语言是基于 windows95/98/nt 及 linux 平台的 rabbit 应用软件的完整开发系统，它作为应用程序运行于 ibm-pc 兼容机上，是 z-world 公司为基于 rabbit 微处理器的嵌入式系统而专门设计的 c 编译系统。动态 c 包含了所有低层的 i/o 驱动函数库，大大减轻了软件开发的工作量。它具有实时多任务内核，提供 socket 级tcp/ip 编程，支持各种网络协议（如 http、ftp、s

13、mip、ppp 等） 。应用动态 c 进行软件开发，无需仿真器和编程器，开发成本大大降低。另外，动态 c 直接对存储器进行编译，函数和库都是被动态的编译和连接的，因此具有极大的速度优势。本课题来源于工业发展的现实需要，可用于学生的综合实验、课程设计、毕业设计以及工程实践能力培养训练等实践性环节教学中，其学习和训练项目可选择多种，在学生学习有关计算机技术及计算机控制系统的基础上，通过参加系统的一部分硬件、软件设计，以及系统的调试工作，培养学生综合运用计算机技术组成系统的调试设计能力，并给学生提供了运用所学控制理论知识，解决控制系统调试中出现的实际问题的机会。本课题所需课程很多，包括：单片机原理与

14、接口技术、电子线路 cad、计算机控制技术、计算机网络、因特网技术、自动控制技术等。因此，对于本课题的研究可以更深刻全面的把所学知识融会贯通，对于自动化专业的学生是一个难得的实践。1.2 相关知识简介1.2.1 bl2000 简介wildcat 为 oem 设计者提供了低成本、高性能的单板计算机以实现以太网接入。这些紧凑式板卡具有许多嵌入式控制和监视应用优点，电路板尺寸为 3.43x4.15 英寸，非常适合系统集成。bl2000 具有 4 种版本其中两种具有以太网接口，另外两种没有以太网接口所有 bl2000 都具有 28 个数字 i/o(包含 5 或 7 个双功能模拟、数字输入)， 3 个

15、rs-232/485 串行口， rabbit2000 cpu（22.1mhz，128k 的 sram 及 256k 的 flash(可扩展)，在板的单刀双掷继电器输出，led 显示，7 个定时器，备用电池的时间/日期时钟。对于最常见的应用，bl2000 和 bl2020 模块包含 4 通道 12-位 a/d 输入，5 通道双功能输入，以及 2 通道 12-位 d/a 输出。对于不需要高精度模拟数据采集的情况可以选用 bl2010 及 bl2030 ，具有 4 通道 10-位 a/d 输入，7 通道双功能输入，没有 d/a 输出。双功能输入是由软件设置的，可配置成模拟输入或带域值的开关量输入。

16、所有的 bl2000 系列模块可以使用恰当的附助硬件通过以太网/互联网进行编程和调试。带有 10base以太网口的系统可以直接通过网络或互联网进行控制和监视，能够对远端设备开放接口，能够提供网页服务，还能够发送 e-mail。bl2000 系列对于大系统来说作为一个具有网络功能的服务处理器也是非常理想的。bl2000 系列的编程使用已工业级的 z-world 的 dynamic c&reg, premier 软件开发系统。1.2.2 dynamic c 概述dynamic c 是一个专门为 z-world 产品创建的集成的 c 编译器、编辑器、链接器、装载器和调试器。它的设计是用来替代

17、昂贵的电路仿真器，dynamic c 允许您快速开发您的应用，加快产品投放到市场的时间。 对于标准 c 来说，dynamic c 的改进和差异在于使得在功能强大的嵌入式系统上进行实时编程变得非常容易。 语言的扩展包括多任务和优先多任务的的构造，当供电失败时，能够保护写入变量， 能够写入到中断程序中去。标准 c 函数库，特定板的外围驱动，芯片外围设备，以及其他的性能以源代码的形式包含在 dynamic c 中。完全支持汇编语言，在对时间要求较高的应用中，汇编代码可以方便的与 c 代码混用7。产品性能：(1)带单步编译、链接和目标下装的快速编译；(2)全功能的源代码和/或 汇编级的调；(3)源代码

18、库中的数百个函数和例题程序；对浮点运算和先验函数的快速支持；rs-232 和 rs-485 串行通信；模拟和数字 i/o 驱动；i2c,spi, gps, 加密, 文件系统 (在以前的版本中 )；(4)包括多任务和优先多任务的强大的语言扩展能力；在没有 dynamic c 的时候可以利用装载应用程序将二进制映像装载到 z-world 目标板中；通过使用库函数特殊形式创建“函数描述”块内容来创建自己的源代码库和扩展在线帮助；(5)生成程序使用最多 512k 的 sram 存储数据，使用 512k 的闪存或 eprom 存储代码。dynamic c 新特性：(1)堆栈语法跟踪-在单步或断点程序停止

19、时，能显示程序中函数调用路径。同时支持显示堆栈自动变量和参数的名称和值；(2)增强表达式监视-在键入结构体名字后，其值能够以树形结构显示。不在需要单独添加结构体各个成员；(3)执行跟踪-支持跟踪代码执行并且保存跟踪信息在宿主 pc 中。跟踪点可以是任何函数调用，任何一行 c 代码或用户设置的跟踪点。结果也可显示在跟踪窗口；持久的断点-当编辑模式和调试模式切换及文件被关闭并重打开，断点信息被保留。支持编译模式下设置断点；(4)运行目标锁定-如果程序没有被改变，允许不经编译和下载，重进编译模式。有助于当与目标通讯失效或目标程序崩溃恢复调试;(5)增强内存下传-程序单步 在每一行 c 或汇编语句执行

20、时，被改变的数据在 memory dump 窗口被以高亮或用户定义的颜色显示；(6)tcp/ip 提高-减少 tcp/ip 对 root 内存的使用并提高 tcp/ip 速度；(7)smtp 认证-支持 e-mail 服务器认证。1.3 课题发展现状与前景展望随着超大规模集成电路的发展及计算机软件技术和应用技术的日益成熟和完善，其正朝着以下方向发展：提高集成度；提高处理速度；增强功能；加强软件支持能力，提高性能价格比。温度控制电路广泛应用干社会生活的各个领域，如家电、汽车、材料、电力电子等，常用的控制电路根据应用场合和所要求的性能指标有所不同。随着电子器件的发展，控制电路的形式也多种多样，无论

21、是神经网络，还是模糊控制，都属干人工智能领域，同 pid 结合以调节 pid 参数，适应温控系统非线性，干扰多，大时延，时变和分布变化的特点。神经网络采用自适应的方法，具有很强的鲁棒性，动态响应快。缺点是容易陷入局部最优。模糊控制适应大惯性和纯延滞后系统，不需要知道系统的精确信息，与神经网络结合，能向自适应的方向发展。实现温控系统的参数自调整，将线性控制与非线性相结合，使温度能满足用户的需要是温控系统的最终目的。在实际应用中，应该根据具体的应用场合、不同的加热对象和所要求的控制曲线和控制精度，选择不同的系统方法。单片机采用互连网进行通讯与控制具有很好的应用价值，可开拓单片机和互连网应用的新领域

22、。它可以很容易地实现远程的监视控制。同时单片机采用浏览器进行监控也将给软件的编程带来极大的便利。其应用于家电行业，实现对家电的智能控制和远程控制，是信息家电要实现的主要目标，也是“三网”（电话网、电视网、互连网）合一的重要组成部分，是当今信息技术研究的热点之一，具有重要的经济效益和社会效益，且具有良好的应用前景，如可以通过远程更改程序及远程单片机诊断实现新的控制功能，还可以与无连接，实现单片机的移动控制以及构成信息家电等5。企业需求的人才由理论型向实用型的转变，学生的动手能力培养就是一个很重要的环节，虽然市场上有各种各样的温度控制器买，但是缺少学生实践的功能，价格也很昂贵，此系统的开发将会有很

23、好的市场，不仅能用于教学，还可以用于工业生产中，可谓一举两得。第 2 章 系统总体方案的确定2.1 系统设计的要求本课题研究基于以太网的炉温远程控制系统设计。要求该控制系统能与以太网直接连接，作为一个网络节点与其他节点通信，能远距离对电热炉的温度实施有效控制。主要设计内容为：控制系统的结构设计、控制系统的硬件原理设计、通信方案的设计与实现、控制系统软件设计。主要技术要求：（1）温控器以单片机为核心；（2）恒温值设定范围：600-1000；（3）精度等级：0.5 级；（4）显示位数：4 位；（5）能与以太网直接连接，能远程设置控制参数和实际温度等数据；（6）控制策略采用 pid 控制、模糊控制或

24、二者结合。2.2 总体方案的确定本次课题的基本任务是研究基于以太网的炉温远程控制系统设计，能远距离对电热炉的温度实施有效控制。即控制现场与以太网连接，远程设置控制参数和上传控制参数和实际温度等数据。于是有以下图 2.1 的客户机/服务器模型。图 2.1 客户机/服务器模型客户机/服务器的程序设计模式在网络程序中被大量的应用，本系统也采用这种设计方法。这种设计模式整个系统分为两大部分服务器部分和客户机部分。客户机向服务器提出请求，服务器对请求做相应的处理，将结果返回给客户机。web 服务器一方作为主机，客户机一方作为从机16。在系统中，当用户在远程客户机上打开浏览器程序（microsoft in

25、ternet explorer），并在浏览器中输入指定 ip 地址（如00）,浏览器便向该地址指向的 web 服务器发出请求，通过网络传输，送到与控制现场连接的 web 服务器，也即 ip 地址指向的 web 服务器。web 服务器接到浏览器的请求后，把 url 转换成页面所在服务器上的文件路径名，把指向的 html文档及用户编写的一些小应用程序（applet）、如 cgi 或 asp 等程序送到浏览器，在浏览器所在机器上显示和执行。涉及到本课题，采用bl2010单板机实现，正如前面所述，bl2010是一嵌入式控制器，自身带有 rj-45的10base-t

26、以太网接口，可以直接与以太网相连，非常方便。整个系统的工作流程如图2.2 所示。而web服务器程序用dynamic c语言编写，利用其内嵌的tcp/ip 协议栈，实现了网络通信的系统设计。系统以嵌入式 webserver 技术为基础，结合rabbit 2000 的网络通信功能，利用现有的以太网技术(如http、cgi 等)，将采集到的现场数据通过网页的形式，提供给远程用户使用。该系统的设计难点之一在于如何利用 rabbit mpu 有限的资源信息，使用其内嵌的tcp/ip协议栈，进行 http、tcp、udp、ip 等协议的处理，使之可以变成可在互联网上传输的ip 数据包以及可在内置 web

27、页上浏览的数据。难点之二在于实现通过网页进行远程访问的能力，解决这个问题要通过对 rabbit mpu 进行tcp/ip 编程，将其配置成一个简单的web 服务器，就可以以网页服务的形式将现场数据传递给远程用户。浏览器与web 服务器的交互是通过rabbit web程序来完成的。rabbit web程序是一段运行在web 服务器上的程序，可以是可执行文件，也可以是脚本文件。rabbit web程序可以动态地产生html 网页，因此可将实时采集到的数据通过网页发回给客户机。rabbit web通常是客户机与服务器中其它程序进行信息传递与沟通的桥梁。在以前dynamic c语言版本中，浏览器与we

28、b服务器的交互都是通过cgi程序来完成的，但dynamic c发展8.5版本后，一种非常简单与方便的增强版本（rabbitweb http enhancements）出现了，用它来编写浏览器与web服务器的交互更方便，并且非常容易理解。与它配套的是扩展的zhtml脚本语言，用zhmtl脚本语言编写动态网页，也非常容易，这将在后面的程序设计中详细介绍。注意，增强版只是以前版本的提高版本，因此以前版本的程序（cgi）仍然有用，用户亦然可以用cgi程序来编程实现浏览器与web服务器的交互。浏览器与web 服务器的交互是通过rabbit web程序来完成的。rabbit web程序是一段运行在web

29、服务器上的程序，可以是可执行文件，也可以是脚本文件。rabbit web程序可以动态地产生html 网页，因此可将实时采集到的数据通过网页发回给客户机rabbit web通常是客户机与服务器中其它程序进行信息传递与沟通的桥梁。ip 打包开始初始化接受发送tcp 打包传送数据结束接受 ip 包解 ip 包送 tcp 层解 tcp 包送应用层websever 处理信息图 2.2 系统工作流程图2.3 嵌入式 webserver 讨论 利用 8 位微控制器通过 isp（internet 服务供应商），在不需要使用 pc 机或高档单片机的情况下接入互联网。随着嵌入式系统的迅猛发展和 ia（信息电器）的

30、出现，该应用系统正逐步取代传统的以 pc 为中心的应用，成为未来 internet 发展中的主力军；将会广泛应用于智能家居系统、工业智能化从站系统、led 网络控制显示屏系统、网络安全加密系统等各个方面。利用单片机实现嵌入式 webserver 方案的主要技术难点是：如何利用单片机本身有限的资源对信息进行 http、smtp、pop3、tcp、udp、icmp、ip 及 ppp 等协议的处理，使之变成可以在互联网上传输的 ip 数据包以及可以在内置 web 页上浏览的数据。利用单片机实现嵌入式 webserver,大体可有以下三种形式: mcu+专用网络芯片，如 e1552、webchip p

31、s2000 等。此种方案的主要优点是：应用系统设计工程师完全不必考虑任何网络协议，只需要解释并执行网络芯片传送过来的指令和数据就可以实现与 internet 网络连接。 emit 技术。emit 采用桌面计算机或高性能的嵌入式处理器作为网关，称为emgateway，上面支持 tcp/ip 协议并运行 http 服务程序，形成一个用户可以通过网络浏览器进行远程访问的服务器。emgateway 通过 rs232、rs485、can 等轻量级总线与外设联系起来，每个外设的应用程序中包含一个独立的通信任务，称为emmicro，监测嵌入式设备中预先定义的各个变量，并将结果反馈到 emgateway 中；

32、同时 emmicro 还可以解释 emgateway 的命令，修改设备中的变量或进行某种控制。该方案中复杂的网络协议是通过 emgateway 在 pc 机上实现的，应用系统 mcu 只处理较简单的 emnet 协议，进行网际连接。 mcu 直接实现形式。实现这个形式的 web server，可选用多种型号的 mcu 来实现网络协议，如 at89c8252、sx52bd100 等，并可根据具体要求选用不同速度的mcu 作为核心芯片，但是基本硬件结构大致相同1。显然以上方案中，以“mcu 直接实现形式”的硬件结构最为简洁，不失为首选方案。通常，所谓的 tcp/ip 协议是一个四层协议系统，包括数

33、据链路层、网络层(含 ip 协议)、传输层（含 tcp 协议）和应用层，每一层负责不同的功能。基于 tcp/ip 协议可以实现多种功能应用，如：http（超文本传输控制协议）、telnet（远程登录）、 ftp（文件传输协议）、smtp（简单邮件传送协议）、snmp（简单网络管理协议）等。本文主要讨论 http， 也就是 webserver 在应用层的主要构成协议。当然，用户也可以根据需要附加其它的协议功能。ip 包含编址方案，并提供寻址功能；tcp 则是在不同主机的对等进程之间提供可靠的进程间通信。与 tcp 两端口所连接的实体中，一端为应用程序进程或用户，另一端则为底层协议，如 ip 协议

34、。tcp 在建立连接过程中采用三向握手机制，以保证数据的可靠性。用户只需对应添加相关芯片及辅助设施（如电源、用户所需外设等）即可；而软件的实现，由于 bl2000 系列芯片得到 dynamic c 编译器的支持以及实现 tcp/ip 所需的库文件 dcrtcp.lib，因此只要会用 c 语言就可以进行开发。用户关注的重点也变为网络通信实现以后的代码编制及优化，可以极大提高开发进度。以下是 dynamic c 实现 tcp/ip 协议通信的程序主体框架。程序中起始宏定义为默认 ip 配置信息；“memmap”句可使程序在芯片里面运行时，如同在扩展代码窗口下被编译；“use”句使编译器按照库文件配

35、置编译代码。#define tcpconfig 1#memmap xmem#use dcrtcp.libmain( )sock_init( );for(;)tcp_tick(null); sock_init( )和 tcp_tick( )都是 tcp/ip 函数库的基本函数，前者为初始化 tcp/ip 协议栈函数，使协议栈开始处理入栈数据报；后者主要有两个用途： 支持后台处理的最新信息； 测试 tcp 套接字的状态。可以看到利用 dynamic c 提供的 tcp/ip 协议包，用户可以轻松建立起 tcp/ip 通信。当通信建立以后，就可以在此基础上进行后续的进一步功能扩展，开展例如http、

36、ppp 等应用层的协议实现。http(超文本传输协议)服务器可使 html (超文本链接标示语言)页面，如 web 页等和其它文件为客户端所使用。在 dynamic c 中，http 由 http.lib 来负责实现。http 服务器实现的程序主体框架如下：#define tcpconfig 1#memmap xmem#use dcrtcp.lib#use http.libmain( )sock_init( );http_init( );tcp_reserveport(80);while(1)http_handler( ); 第 3 章 系统硬件电路设计3.1 系统硬件的总体结构设计图 3.1

37、 为一种采用热电偶为温度检测元件的单板机温度控制系统原理图。bl2000定时对炉温进行检测，得到应有的控制量，去控制加热功率，从而实现对温度的控制。为实现对温度的控制，在设计系统时应明确以下几点：控制指标主要是控制精度、显示位数。温度控制范围为 6001000，这涉及到测温元件，电炉功率的选择。炉温变化规律控制，即确定温度-时间变化关系的控制算法。着主要在控制程序设计中考虑。然后通过硬件电路和程序软件的设计，实现 bl2000 对工艺过程中的数据进行处理和控制。02-01-0402-01-0402-01-0402-01-0402-01-0402-01-0402-01-0402-01-0402-

38、01-0402-01-0402-01-0402-01-0402-01-0402-01-0402-01-0402-01-0402-01-0402-01-0402-01-0402-01-0402-01-0402-01-0402-01-0402-01-0402-01-0402-01-0402-01-0402-01-0402-01-0402-01-0402-01-0402-01-0402-01-0402-01-0402-01-0402-01-0402-01-0402-01-0402-01-0402-01-0402-01-0402-01-0402-01-0402-01-0402-01-0402-01-0

39、402-01-0402-01-04in2in3in4in5in6in7in8in9in10out8out9gndout0out1out2out3out4out5out6out7noco mncgnd/vccbatterybadout3 out2 out1 out0 actlnkpw rd s1d s2d s3d s4d s5d s6d s7d s8gndvbat-ext gndj9j8j7j6j2j4j12+rawgnd+k/resetin1in0485-485+rx d 2txd 2rx d 1txd 1agndd ac1d ac0ad c8ad c7ad c6ad c5ad c4ad c3

40、ad c2ad c1ad c0serial port nomenclature加加热热丝丝m c14528光光 耦耦驱驱 动动 器器220vtil117lm311变变 送送 器器uuuugnd图 3.1 单板机温度控制系统原理图3.2 系统硬件子模块的设计3.2.1 bl2000 的硬件结构bl2000 具有 4 种版本，其中两种具有以太网接口，另外两种没有以太网接口，所有 bl2000 都具有 28 个数字 i/o（包含 5 或 7 个双功能模拟、数字输入） ，3 个 rs-232/485 串行口，rabbit2000cpu（22.1mhz，128k 的 sram 及 256k 的 flas

41、h（可扩展） ，在板的单刀双掷继电器输出，led 显示，7 个定时器，备用电池的时间/日期时钟。对于最常见的应用，bl2000 和 bl2020 模块包含 4 通道 12 位 a/d 输入，5 通道双功能输入，以及 2 通道 12 位 d/a 输出。对于不需要高精度模拟数据采集的情况可以选用 bl2010 及 bl2030，具有 4 通道 10 位 a/d 输入，7 通道双功能输入，没有 d/a 输出。双功能输入是由软件设置的，可配置成模拟输入或带域值的开关量输入。性能：带有 rj-45 插口的 10base-t 以太网接口简便的连通性快速 22mhz 时钟高达 28 个数字 i/oa/d 和

42、 d/a 4 个串口128k 的 sarm/256k 的 flash（可扩展的）在板继电器有后备电池的时间/日期时钟图 3.2 是 bl2000 的内部硬件框图。图 3.2 bl2000 内部硬件框图所有的 bl2000 系列模块可以使用恰当的辅助硬件通过以太网/互连网进行编程和调试。带有 10base以太网口的系统可以直接通过网络或互连网进行控制和监视，能够对远端设备开发接口，能够提供网页服务，还能够发送 e-mail。bl2000 系列对于大系统来说作为一个具有网络功能的服务处理器也是非常理想的。bl2000 系列的编程使用已工业级的 z-word 的 dynamic c 软件开发系统。图

43、 3.3 bl2000 外部端子图3.2.2 温度检测元件和变送器设计温度检测和变送器的类型选择与被控温度及精度等级有关。镍漯/镍 热电偶适用于 01000的温度测量范围，相应输出电压伪 041.32mv。变送器由毫伏变送器和电流/电压变送器组成；毫伏变送器用于把热电偶输出的041.32mv 变换成 010ma 范围内的电流；电流/电压变送器用于把毫伏变送器输出的 010mv 电流变换成 05v 范围内的电压。为了提高测量精度，变送器可以进行零点迁移。例如，若温度测量范围为4001000，则热电偶输出为 16.441.32mv，毫伏变送器零点迁移后输出 010ma范围的电流。这样，就可使量化温

44、度误差达到+2.34以内。 3.2.3 温度控制电路设计温度控制是通过对加热丝的电源通断来实现的。本系统采用晶闸管调功方式。晶闸管开关控制方式有两种：相位控制和过零控制。相位控制会使负载上的电压波形发生畸变，产生高次谐波，对电网造成公害。过零控制则能使负载上的产生较完善的正弦电压波形，同时由于过零时通断，防止了过大电流冲击。vcc&alm311+5v1m c14528411q1q2单单稳稳态态触触发发器器74ls00j9-ou t0til117+5v+12v加加热热丝丝 2 22 20 0v v图 3.4 过零触发电路图系统采用 mc14528 光耦触发驱动器实现对功率晶闸管的触发导通

45、。过零触发过程信号关系如图所示17。工工频频电电压压过过零零脉脉冲冲控控制制电电平平回回路路输输出出晶晶闸闸管管主主t过过零零脉脉冲冲ttt工工频频电电压压过过零零脉脉冲冲控控制制电电平平回回路路输输出出晶晶闸闸管管主主t过过零零脉脉冲冲ttt图 3.5 晶闸管过零控制信号关系图晶闸管串接在 50hz 交流电源和加热丝中，只要在给定周期内改变晶闸管的接通时间，就能达到加热功率改变的目的，从而实现温度调节。如图所示。bl2000out0输出能控制晶闸管通断时间的脉冲信号。out0=1 时关断晶闸管，out0=0 时开启晶闸管。工工频频电电压压过过零零脉脉冲冲控控制制电电平平回回路路输输出出晶晶闸

46、闸管管主主t过过零零脉脉冲冲tttut12.5%25%50%100%uuuttt图 3.6 晶闸管通/断时间第 4 章 温度控制算法设计4.1 pid 计算程序电阻炉温控制是一个反馈调节过程：首先比较实际炉温和给定炉温得到偏差；然后对偏差进行控制算法处理，得到一个输出量；然后用输出量调节炉子的加热功率，从而实现对炉温的控制。通过对偏差的比例、积分和微分运算而产生控制信号（称pid 调节器） ，是过程控制中应用最广泛的一种控制形式。这种控制规律在相当多的工业生产过程中能得到比较满意的结果。pid 调节是 proportional（比例） 、integral（积分） 、 differential（

47、微分） 三者的缩写，是连续系统中最成熟、行之有效、应用最广泛的一种调节方式。pid 调节的实质就是根据输入的偏差值，按比例、积分、微分的函数关系进行运算，起运算结果用以输出控制。在实际应用中，根据被控对象的特性和要求，可灵活的改变 pid 的结构，取其中的一部分环节构成控制规律，如比例（p）调节、比例积分（积分）调节、比例积分微分调节（pid）调节等。尽管凭借单片微机的优势，计算机数字控制系统取代了模拟控制系统，但是，在长期生产实践中，模拟 pid 控制算法所积累的经验并未被人民们遗忘，而是被广泛地应用到计算机控制系统中来，形成了一种新型 pid 控制方式，称之为数字 pid 控制3。pid

48、调节规律的基本输入输出关系可用微分方程表示为tdpdttdetdttettektu01)()(1)()(式中 e(t)为调节器的输入偏差信号，且e(t)=r(t)-c(t)其中：r(t)是给定值，c(t)是被控变量； u(t)为调节器的输出控制信号； kp为比例系数； ti为积分时间常数； td为微分时间常数。计算机只能处理数字信号，若采样周期为 t，第 n 次采样输入偏差为 en,且 en=r(n)=c(n),输出为 un, pid 算法用的微分 由差分 代替，积分由dtdeteenn1tdtte0)(代替，于是得到tekteettetekunnnidiinpn101写成递推形式为21100

49、121nnndniiniiinnnpeeetteetteeknunuu=eeettetteeknnndninnp2112=eeettkettkeeknnndpnipnnp2112=eeekekeeknnndninnp2112=pppdip其中，pp=kp（en-en-1） ekettkpininip eeekeeetkpnnndnnndpdt212122显然，pid 计算un只需要保留现时刻 en以及以前的两个偏差值 en-1和 en-2 =0。初始化程序置初值 en-1 =en-2=0，通过采样，并根据参数 kp，kd，ki以及 en ,en-1,en-2计算un。根据输出控制增量un ,可

50、求出本次控制输出为 un = un-1 +un =un-1 + pp + pi +pd由于电阻炉一般都属于一阶对象和带滞后的一阶对象，所以式中 kp ，ki 和 kd 的选择取决于电阻炉的阶跃响应特性和实际经验，工程上已经积累了不少行之有效的参数整定方法。例如按 ziegler-nichols 提出的方法调整，令t=0.1tut1=0.5tutd=0.125tu 式中 tu称为临界周期。在单纯比例作用下（比例增益由小到大） ，使系统产生等幅震荡的比例增益，称为临界比例增益 ku ,这是的工作周期为临界周期 tu ,则可得 un =kp (en en-1) +0.2en +1.25(en 2en

51、-1 +en-2)=kp(en-en-1)+0.2kpen+1.25kp(en-2en-1+en-2)=kp(en-en-1)+kien+kd(en-2en-1+en-2)式中 ki =0.2kpkd =1.25kp从而可调整的参数只有一个 kp 。可设计一个调整子程序，通过客户浏览器输入改变kp值，改变运行参数，使整个系统满足要求。下面对 pid 运算加以说明： 所有的数都变成定点纯小数进行处理。 算式中的各项有正哟负，以最高为作为符号位，最高位为 0 表示正数，为 1 表示负数。正负数都是补码表示，最后的运算结果以原码输出。 双精度运算，为了保证运算精度，把单字节 8 位输入的采样值 cn

52、 和给顶值 rn都变成双字节 16 位进行运算，最后将运算结果取成高 8 位有效值输出。 输出控制量 un的限幅处理。为了便于对晶闸管的通断处理，pid 的输出限制在 0-250 之间。大于 250 或小于 0 的控制量 un都是没有意义的。因此，在算法上对 un进行限幅，即uuuuuuuuuuunnnnnmaxmaxmaxminminminpid 计算采用位置式算法，计算公式为pppuenenenkekeekuudipnninnpnn11121程序流程图如下图 4.1 pid 算法程序流程图4.2 pid 参数的整定4.2.1 pid 参数与系统控制性能pid 调节器的参数整定是一项十分重要

53、而又细致的工作，它直接影响到控制系统的调节品质和性能。对于模拟 pid 调节器来说，参数整定就是根据加工工艺对控制性能的要求，对系统的比例系数 kp、积分时间 ti和微分时间 td的选择和确定。而对数字 pid 调节器来说，除了选定 kp、ti和 td之外，还需要选定采样周期 t。理论分析和实践都表明，pid 调节器的 kp、ti、和 td参数与系统的动态和稳态特性密切相关，且都起着重要作用。(1)比例系数 kp计算 en=rn -cn计算 pi=ki*en计算 pp=kp(en-en-1)计算 pi+pp计算 pd=kd（en-2en-1+en-2）计算 un=un-1+pp+pi+pdun

54、un-1 ,en-1en-2 ,enen-1un输出限幅处理返回输入 cn ,rn 对动态特性的影响，比例控制 kp太小，系统动作缓慢。增加 kp，可提高系统动作的灵敏度，加快调节速度。但是，若 kp取值偏大，容易引起系统震荡，反而使调节时间加长，且当 kp太大时，系统将趋于不稳定状态。 对静态特性的影响，在系统稳定的情况下，随着比例控制 kp的加大，可以减少稳态误差，提高控制精度，但不能完全消除稳态误差。(2)积分时间 ti积分控制常与比例控制和微分控制联合使用，组成 pi 控制或 pid 控制系统。积分时间 ti对系统性能的影响和作用如下。对动态特性的影响，积分控制常使系统的稳定性下降。若

55、 ti值太小，则系统不稳定；若 ti值偏小，则容易诱发系统震荡；若 ti太大，则对系统的影响将削弱。选择合适的 ti值，可使系统的过渡过程趋于比较理想的状态。对稳态特性的影响，积分控制可以消除系统静态误差，提高系统控制精度。若 ti值太大，则因积分控制作用的削弱，反而不能减少稳态误差。(3)微分时间 td微分控制亦常于比例控制或积分控制联合使用，组成 pd 控制 pid 控制系统。微分时间 td对系统性能的主要作用是减少超调量、缩短调节时间、允许加强比例控制，从而减少稳态误差，提高控制精度和改善动态特性等。 但若 td值偏大或偏小，反而会诱发超调量增加和加长调节时间。只有当 td值取得合适值时

56、，才可以获得比较满意的过渡过程。可见，不同的控制规律各有特点，对于相同的控制对象选定不同的 kp、ti和 td值，将会产生不同的控制效果。实际上，很少单独使用 i 或 d 控制，在大多数情况下，采用 pid、pi 或 pd 控制，视被控对象而定。(4)采样周期 t在计算机数字控制系统中，采样周期 t 是一个重要的参量。由采样定理可知，当采样频率 f 上限值为 ffs2max时，系统可以真实的恢复到原来的连续信号。式中为原连续信号的最高频率。可见，从信号的保真度来考虑，要求采样周fmax期 t 不宜太长，即采样角频率不能太低。而从控制性能的角度来考虑，则希ts2望采样角频率尽可能的高，即采样周期

57、 t 尽可能的小。但是，值越高，则越要求ss系统采用高速大容量的计算机。另外值高至一定程度后，对系统性能的改善并不显s著。所以，t 值的选定原则应该是，在确保离散信号的保真度和设备经济性的前提下，尽可能的选定较高的采样角频率值，去满足系统对控制性能的要求12。s在数字控制系统中，参数的整定是十分重要的，控制系统参数整定的好坏直接影响调节品质。一般的生产过程都具有较大的时间常数，而数字 pid 控制系统的采样周期则要小的多，所以数字调节器的参数整定完全可以按照模拟调节器的各种参数整定方法进行分析和综合。但是，数字控制器与模拟调节器相比，除了比例系数 kp、积分时间 ti、和微分时间 td外，还有

58、一个重要的参数采样周期 t。合理的选择 t，也是数字控制系统的关键之一。4.2.2 采样周期 t 的确定从理论上讲，采样频率越高，失真越小。但对控制器本身而言，大都依靠偏差信号 e（k）进行调节计算。当 t 太小时，e（k）也会过小，此时计算机将会失去调节作用，t 过长又会引起误差。因此，t 必须综合考虑。 影响 t 的因素有以下几个方面。 加至被控对象的扰动频率。扰动频率愈高，采样频率也应相应提高，即采样周期缩短。 对象的动态特性。主要是与被控对象的纯滞后及时间常数 有关。当纯滞后比较显著时，t 与纯滞后时间基本相等。 数字控制器 d（z）所使用的算式及执行机构的类型。如采用大林算法及应用气

59、动执行机构时，其采样周期比较长，而使用最小拍无纹波系统及步近电机等时采样周期就比较短。 控制的回路数。控制的回路数越多，t 越大，否则 t 越小。 对象要求的控制质量。一般来说，控制精度要求越高，采样周期越短，以减少系统的纯滞后。周期的选择方法有两种，一种是计算法，一种是经验法。计算法由于比较复杂，特别是被控系统各环节时间常数难以确定，所以工程上用的比较少。工程上应用较多的还是经验法。所谓经验法实际是一种试凑法。根据人们在工作实践中积累的经验以及被控对象的特点、参数，先粗选一个采样周期 t，送入计算机控制进行试验，再根据对被控对象的实际控制效果，反复 t，直到满意为止。采样周期的经验数据被测参

60、数采样周期 t(s)温度1520第 5 章 基于 dynanic c 的系统软件设计5.1 温度控制程序由前面的硬件电路可知，通过对加热电阻丝的电源通断来实现对温度的控制。利用 bl2010 的中 10 个数字 i/o 口的一个 out0 输出，即可控制晶闸管通断时间的脉冲信号。out0=1 时关断晶闸管，out0=1 时开启晶闸管。在设计中我们利用 bl2010 本身拥有的 a/d 转换接口和数字 i/o 口输出函数，进行 a/d 转换和输出高电平或低电平。下面对程序中用到的两个函数进行介绍。int anain(unsigned int channel)该函数主要用于读经a/d转换来的输入值。其中，参数ch