基于无线通信平台VB温度PI控制系统硬件设计

成绩评定表学生姓名班级学号专业测控技术与仪器课程设计题目基于无线通信平台VB温度PI控制系统硬件设计评语组长签字：成绩日期2016年月日课程设计任务书学院自动化与电气工程专业测控技术与仪器学生姓名班级学号课程设计题目基于无线通信平台VB温度PI控制系统硬件设计实践教学要求与任务:1）掌握电热炉温度控制的原理及方法。2）掌握基于无线通信平台VB电热炉温度控制系统硬件工作原理。要求在课程设计报告中给出：1）装置的结构和电路原理图。2）调试过程，说明发现的向题及处理过程。3）分析存在的问题。4）收获与改进方案。工作计划与进度安排:2016年11月30日—2016年12月7日根据设计要求和内容查阅参考文献或资料，提出设计方案，进行原理设计。2016年12月10日—2016年12月14日根据设计方案，进行调试，测试，撰写课程设计报告，答辩。指导教师：2016年月日专业负责人：2016年月日学院教学副院长：2016年月日摘要本次设计主要利用了VB6.0软件，针对电加热炉这一控制对象，设计了基于无线通信控制网络平台，通过温度实验箱对电加热炉进行控制的控制系统。该温度主要是用于对DS18B20温度传感器的温度进行实时采集，并在上位PC机上进行显示，通过PI控制算法，并对PI各参数进行调节，得出温度调节值同时将该数据通过牛顿模块传送给控制温度实验箱上的双向可控硅，从而达到对电加热炉通断电控制的目的本系统主要能实现实时温度数据采集、处理，能在的实时趋势曲线里显示温度的变化，最终实现对电加热炉温度的实时检测和控制，生成较理想的实时温度曲线。关键词：牛顿模块；温度自动控制实验箱；PI控制目录一无线通信网络简介 页一无线通信网络简介1无线通信控制网络无线通讯控制网络由于其特有的非界线通信方式的优点，广泛应用于特定地理位置（如山区、油田和水利设施等）的现场遥测遥控领域。尤其在分布距离较远且数据传输量不大时，无线通讯控制网络的优势更为明显。目前，采用无线通信技术的工控产品很多，有的采用RF调频通讯原理；有的采用扩频通信原理。根据发射功率的不同，无线通讯的距离也各不相同。也有很多公司开发出了应用于不同场合的无线数传模块，大大方便了无线通信测控系统的设计。考虑到实验系统的要求及实际应用情况，本次设计选用了台湾威达（ICP）的牛顿无线通信模块和工控模块开发无线通信控制网络实验平台。台湾威达（ICP）公司是著名的工控产品研发和生产公司，其公司生产的工业控制计算机、数据采集卡和工控模块都是目前工控行业的主要产品。尤其是工控模块产品，由于性价比高、组合使用方便，深受用户好评。2VisualBasic介绍VisualBasic(简称VB)是Microsoft公司为开发Windows应用程序提供的强有力的开发环境和工具，它是具有很好的图形用户界面的程序设计语言，采用面向对象和事件驱动的程序设计两种新机制，把过程化和结构化编程结合在一起。程序开发图形化的构思使开发者非常容易地创建一个窗体(Form)，再从VB工具箱中选择一些控件放入窗体中，无需编程设计界面。界面设计面向对象，容易完成，但是应用程序的过程部分却不是面向对象的，然而VB具有事件驱动方法，使开发者容易地完成界面设计和代码编写。VB使用方便，具有Windows开发环境所支持的一些主要功能：1.创建各种程序对象，如文本框和命令按钮等。2.创建多个多种类型的窗口，如窗体等。3.实时地响应光标和键盘事件，如鼠标选中的事件过程等。4.可根据需要显示或隐藏各种对象，如命令按钮可不见。5.直接控制打印机输。6.控制RS-232串行通迅接口，实现串行数据通迅。7.可实现和其它Windows程序之间的相互通信。8.有强大的图形图像处理功能。9.能创建和管理数据库。与其它程序设计语言相比，VB也有许多独特的性能：1.成功地简化了界面设计，为应用程序开发提供了通向Windows操作环境的快捷途径。2.提供了应用程序开发所需的许多代码(如窗体、控件)，加快了开发速度。3.让开发者以可视化方式和代码方式进行工作。4.完善的运行错误处理功能。5.丰富的图形指令，可生成和机制作各种图形。6.强大的数据和字符处理功能。7.具有丰富的控件库。8.可编译成.EXE文件，脱离VB环节单独运行。自从VB产生之后，很多人都会使用其来开发自己的应用程序，在开发过程中，开发人员不需要非常清楚有关Windows操作系统的细节，就可以作出满意的作品。二基于无线通信平台VB温度PI控制系统设计1选用仪器微机、自动控制实验箱、无线通信网络2课程设计的内容本次设计所做的是基于无线通信平台VB温度PI控制系统数据采集及显示。分为VB控制界面设计、数据采集、系统算法设计及硬件设计四部分，目的是通过DS18B20温度传感器，将电热炉的温度数据传输到实验箱上，实验箱会显示当前温度，通过单片机的处理及RS232通信，将数据显示到电脑上，并通过VB界面进行显示和监控。其中，硬件方面是由PC机和MAX232来实现的，DS18B20采集到的温度数据通过串行通讯线传送给PC机，运行在PC机上的编程软件VB利用串行通讯线提供给硬件的接口，对整个单总线进行操作控制，并且对测量数据进行处理。软件方面主要是通过对系统参数的设置，通信控件的应用，最终实现对DS18B20的控制和温度数据的读取。3系统电路系统总体设计框图如图2-1所示图2-1系统总体电路图整个系统结构由一台工控机构成的上位机用于整个系统的管理，安装多点测温系统管理软件，并通过无线通信对下位分机进行控制。硬件系统采用这种结构，成本小、维护简单、工作稳定。4实验步骤1总体系统设计2VB界面设计3硬件设备连接4利用调试软件及通信连接软件进行无线连接5开启电热炉，用DS18B20测炉温，进行数据采集6进行监控和调试三基于无线通信平台VB温度PI控制系统控制算法设计控制系统主要由控制器和控制对象两部分组成，通过一定的控制方法使系统达到所要求的控制性能。控制模式有开环控制、闭环控制和复合控制三种。所谓的开环控制是控制器与控制对象之间只有正向作用，没有反向联系，是一种单向的控制过程。如果控制器与控制对象之间既有正向作用又有反向联系，这种控制方式称为闭环控制或反馈控制。在某种情况下，为了达到较好的控制效果，往往将开环控制和闭环控制结合起来，这种控制方式称为复合控制。过程控制的基本算法很多，本实验主要采用PID控制算法。PID控制是最早发展起来的控制策略之一，由于算法简单、鲁棒性好和可靠性高，被广泛应用于过程控制和运动控制中，尤其适用于可建立精确数学模型的确定性控制系统。随着计算机进入控制领域，不仅可以用软件实现PID控制，而且可以利用计算机的逻辑功能，使PID控制更加灵活。常规的PID控制系统原理框图如图3-1所示，系统由PID控制器和被控对象组成。PID控制器是一种线性控制器，它根据给定值r（t)与实际输出值c(t)构成控制偏差：e(t)=r(t)-c(t)将偏差的比例（P）、积分（I）和微分（D）通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制，故称PID控制器。图3-1PID控制系统框图PID控制器各校正环节的作用如下：1）比例环节:比例调节的方程为y=Kpe(t)其中y为比例调节器的输出，Kp为比例系数，e(t)为调节器的输入或偏差值,而e(t)=V0-Vt。这里V0为设定的目标值，Vt为tt时刻的采样值。比例调节器的输出变化与输入偏差成比例。比例调节作用的大小除了与偏差e(t)有关外，主要取决于比例系数Kp的大小。Kp越大，比例调节作用越强，反之则越弱。但对于大多数来说，Kp太大时，会引起系统自激振荡。2）积分环节：积分调节的方程为：其中，Ti为积分时间。积分调节的主要特点是调节器的输出不仅取决于偏差信号的大小，而且还主要与偏差存在时间有关。只要有偏差存在，输出就会随时间不断增长，直到偏差消除后，调节器的输出才不会变化。因此，积分作用能消除静差，这是它的主要优点。但是它的主要缺点是动作缓慢。而且在偏差刚一出现时，积分作用很弱，不能及时克服扰动的影响，使被调参数的动偏差增大，调节过程变长。3.微分环节：微分调节的方程如下：，其中，dT为微分时间。微分调节的主要特点是输出可以反映偏差的变化速度。因此，对于一个固定不变的偏差，不管其数值有多大，也不会有微分作用输出。所以微分作用不能消除静差，而只能在偏差发生变化时，产生调节作用。四基于无线通信平台VB温度PI控制系统硬件设计1硬件系统结构1.1硬件总体设计框图硬件连接框图如图4-1所示图4-1硬件连接框图整个系统结构由一台工控机构成的上位机用于整个系统的管理，安装多点测温系统管理软件，并通过无线通信对下位分机进行控制。硬件系统采用这种结构，成本小、维护简单、工作稳定。1.2系统电路连线系统电路的连接如图4-2图4-2系统电路连线图通过DS18B20温度传感器，将电热炉的温度数据传输到实验箱上，实验箱会显示当前温度，通过单片机的处理及RS232通信，将数据显示到电脑上，并通过VB界面进行显示和监控。2无线通信控制网络系统模块2.1无线通信控制网络系统介绍本实验系统由牛顿工控模块构成，实物见图4-3所示。图4-3无线通信控制网络系统实物图系统原理图见图4-4所示。图4-4无线通信控制网络系统原理图系统各部件说明如下：1）SST900EXT:无线接收/发送模块，232/485接口；速率最高19.2Kbps；距离200米，加放大天线可达1km.本实验系统速率设为9.6Kbps。2）7044：数字量模块，4DI（开关量）/8DO（OC门）；485接口；地址设为1。3）7012：模拟量输入模块，16位隔离；485接口；地址设为2；电压输入0~10V对应0~32767。4）7021：模拟量输出模块，12位隔离；485接口；地址设为3；电压输出：0~4095对应0~10V。VB：上位机编程软件。2.2串行通信RS-232接口标准1）RS-232串行接口：到目前为止，RS-232是个人计算机与通信工业中常用的串行接口。对于RS-232接口，人们习惯的称它为在低速率串行通信中，具有延长通信距离优点的单端标准。因此，RS-232应用了称之为单端通信的非平衡传输方式。它有两种结构，一种是25针的，一种是9针的，引脚图如图4-5所示。图4-5RS-232C引脚图2）RS-232电气特性：在发送数据和接收数据终端上：-3V～-15V代表着逻辑1，+3～＋15V代表着逻辑0；在请求发送、允许发送、数据发送准备好、数据终端准备好和数据载波检出线等控制线上：+3V～+15V表示信号有效，-3V～-15V表示信号无效。3）RS-232接口引脚定义：数据发送准备好(DSR)——用来表示当DSR处于工作状态下，调制解调器能够应用。数据终端准备好(DTR)——用来表示当DTR处于工作状态下，可以进行数据的传送。请求发送(RTS)——当数据终端设备想要向通信设备传输数据时，应用到此信号。当此信号有效时，RTS自身询问调制解调器是否需要发送数据。允许发送(CTS)——此信号用以表示数据通信设备已经做好接收来自终端设备的数据准备，也可以表示为RTS的响应信号。终端数据无误的经由调制解调器传输时，此信号处于有效状态。在全双工和半双工系统中，请求发送和允许发送作为发送方式和接收方式之间的转换。由于在全双工系统中需要设置发送和接收通道，所以可以设置请求发送和允许发送为高电平。接收线信号检出(RLSD)——此信号又称为数据载波检出线。它用来表示，当数据通信设备已经成功的开始传送数据时，数据终端设备也相应的开始接收数据。当数据由一方到达另一方时，数据载波检出线处于工作状态。并且告知另一方准备接收信号，经过调制解调信号后，送到终端设备。3温度自动控制模块温度自动控制模块电路原理图如图4-6所示图4-6温度自动控制模块电路原理图温度自动控制试验箱是以微处理器为中央控制单元，能完成物理信号的输入输出、信号转换和计算控制等功能，并可与外界通讯的仪器仪表。其可靠性高，稳定性好，长期工作维护量小。可采用LCD显示，清晰直观，读数方便。试用范围广，使用灵活：可选择不同的测量值和输出值；可在线修改参数，流量小信号切除，失败模式电流输出等功能；具有内部计数，数据存储，自诊断，自校验等多种功能。具有大量的非控制性信息（管理信息），自动控制系统的被控量是温度、压力、流量、液位、成分、粘度、湿度等这样一些过程变量的系统。具有连续生产过程自动控制、由过程检测和控制仪表组成、被控过程多样，控制方案丰富的特点。在现代工业生产过程自动化中，过程控制技术正在为实现各种最优技术经济指标，提高经济效益和社会效益，提高劳动生产率，节约能源，改善劳动条件，保护环境卫生，提高市场竞争力等方面起着越来越大的作用。4温度采集模块温度采集模块是通过DS18B20温度传感器，将电热炉的温度数据传输到实验箱上，DS18B20温度传感器实物图如图4-7所示图4-7DS18B20温度传感器DS18B20是DALLAS公司生产的一线式数字温度传感器，具有3引脚TO－92小体积封装形式；温度测量范围为－55℃～＋125℃,可编程为9位～12位A/D转换精度，测温分辨率可达0.0625℃，被测温度用符号扩展的16位数字量方式串行输出；其工作电源既可在远端引入，也可采用寄生电源方式产生；多个DS18B20可以并联到3根或2根线上，CPU只需一根端口线就能与诸多DS18B20通信，占用微处理器的端口较少，可节省大量的引线和逻辑电路。DS18B20是常用的温度传感器，具有体积小，硬件开销低，抗干扰能力强，精度高的特点。五基于无线通信平台VB温度PI控制系统主页面设计1工程的建立下文将分别介绍在MicrosoftVisualBasic6.0集成环境下各个模块的设计过程。首先运行MicrosoftVisualBasic6.0，出现“新建工程”对话框。选择新建“标准EXE”，执行“打开”命令，进入VisualBasic工程集成开发环境，窗体设计器会自动出现一个Form1的空白窗体，如图5-1所示。图5-1空白窗体2用户登陆模块设计在空白窗体上，添加2个Label控件、2个TextBox控件、1个ADODC控件。图5-2用户登陆界面界面上的2个Label控件用来标识窗体中的信息（用户名，密码），2个TextBox控件用来输入用户名和密码，2个CommandButton控件用来确定或取消登陆，1个ADODC控件（运行时隐藏）用来完成和数据库用户信息表的连接。如图2-2所示。3系统功能模块设计系统功能模块主要完成两个功能：用户管理和退出系统。其中用户管理用于修改拥护密码和添加新的用户名和密码。如图5-3所示。图5-3修改用户密码界面界面上的4个Label控件用来标识窗体中的信息（用户名，原密码，新密码，确认密码），4个TextBox控件用来输入用户名，原密码，新密码，确认密码2个CommandButton控件用来确定或取消修改密码。4主界面的设计为了方便地管理系统程序，且占有教少的系统资源，我们采用多文档界面MDI进行主界面的设计。通过选择主界面上的菜单，我们就可以实现对温度信息的各种操作。系统的主界面如图5-4所示。图5-4系统的主界面六基于无线通信平台VB温度PI控制系统数据采集设计1流程和原理数据采集模块主要由名称为Timer_Sample的一个Timer控件实现数据采集，由于是多路温度采集，首先设置一个变量，从1一直到总温度点数逐一递增，该变量影响地址和通道数，当该变量为1时，进行第1通道的温度采集，采集之后并把该变量加1，地址和通道做出响应的变化，进行下次采集操作。整个过程放在一个For循环里面实现。数据采集流程如图6-1所示：图6-1数据采集流程图目前温度控制领域采用的控制方式为PI控制。本设计应用了PI控制方式中的增量式的控制公式对电烤箱的温度进行了自动控制。其设计原理如下：首先，数据采集时先将温度信号采集到计算机中然后，经过数字调节器（VB编写程序），利用PID的增量式的控制式的算法，处理采样信号。利用输出的电压U控制可控硅，从而控制加热炉电源的通断，是温度能够控制在目标温度上，完成对温度的自动控制。2通信参数串行端口的通信方式是将字节拆分成一个接着一个的位再传送出去，接到此电位信号的一方再将此一个一个的位组合成原来的字节，如此形成一个字节的完整传送。在传输进行的过程中，双方明确传送信息的具体方式，否则双方就没有一套共用的译码方式，从而无法了解对方所传过来信息的意义。因此双方为了进行通信，必须遵守一定的通信规则，这个共同的规则就是通信端口的初始化。通信端口的初始化是对数据的传输速度(波特率)，数据的传送单位，起始位与停止位，校验位进行的设置。3波特率设置波特率是指串行通信中每秒内传送二进制数码的位数，以bit/s(位/秒)为单位。它是衡量串行数据传送速度快慢的关键参数。计算机通信过程中常用的波特率是：110，300，600，1200，2400，4800，9600，115200bps。在数据的传送单位中，一般串行通信端口所传送的数据是字符型。当使用字符型编码时，工业界常使用到的是ASCII字符码，它使用了8位形成一个字符。不同的情形下(依照使用的协议)，会使用到不同的传送单位。使用多少位合成一个字节必须先行确定。4起始位和校验位设置起始位和校验位是由于异步串行传输中并没有使用同步脉冲作基准，所以接收端完全不知道传送端何时将进行数据的传送。发送端准备要开始传送数据时，发送端会在所送出的字符前后分别加上高电位的起始位(逻辑0)及低电位的停止位(逻辑1)，它们分别是所谓的起始位和停止位。也就是说，当传送端要开始传送数据时，便将传输线上的电位由低电位提升至高电位；而当传输结束后，再将电位降至低电位。接收端会因起始位的触发(电压由低电位升至高电位)而开始接收数据，并且因为停止位的通知(电压维持在低电位)而明确数据的字符信号已经结束，当加入了起始位及停止位才比较容易达到多字符的接收能力。起始位固定为1位，然而停止位可以有1、1.5、2位等多种选择，具体设置方法要依据通信双方协议即可。校验位是为了预防错误的产生，才采取的校验位作为检查的机制。设置校验位的作用是用来核对所传送数据的是否正确的一种标志，它可以分为奇校验和偶校验，分别是表示给定位数的二进制数中1的个数是奇数还是偶数的二进制数。七系统运行结果与分析1系统运行结果运行结果如图，如图7-1所示。图7-1运行结果图2分析改进措施本文通过VB6.0可视化编程语言编写了一个多点测温系统管理软件，软件实现了对电热炉温度采集下位机的数据采集、即时温度曲线显示，基本实现了对电热炉测温系统的管理。本系统温度采集精度可以达到±1℃，主要用于工业民用上温度采集，例如粮库温度采集或室内温度采集，采集反映时间0.1s，在0.1s内即可完成采集温度，，历史温度曲线绘制时间间隔20s，每20s更新温度曲线一次。达到了课程设计的基本要求。八参考文献[1]于洋，陈亮等．测控系统网络化技术及应用．北京：机械工业出版社.2009[2]VB精彩编程150例3西北工业大学出版社。2004.6.351-358[3].Stevenjordan[美]牛力等VB编程宝典。电子工业大学出版社2005.1-376基于C8051F单片机直流电动机反馈控制系统的设计与研究基于单片机的嵌入式Web服务器的研究MOTOROLA单片机MC68HC（8）05PV8/A内嵌EEPROM的工艺和制程方法及对良率的影响研究基于模糊控制的电阻钎焊单片机温度控制系统的研制基于MCS-51系列单片机的通用控制模块的研究基于单片机实现的供暖系统最佳启停自校正（STR）调节器单片机控制的二级倒立摆系统的研究基于增强型51系列单片机的TCP/IP协议栈的实现基于单片机的蓄电池自动监测系统基于32位嵌入式单片机系统的图像采集与处理技术的研究基于单片机的作物营养诊断专家系统的研究基于单片机的交流伺服电机运动控制系统研究与开发基于单片机的泵管内壁硬度测试仪的研制基于单片机的自动找平控制系统研究基于C8051F040单片机的嵌入式系统开发基于单片机的液压动力系统状态监测仪开发模糊Smith智能控制方法的研究及其单片机实现一种基于单片机的轴快流CO〈,2〉激光器的手持控制面板的研制基于双单片机冲床数控系统的研究基于CYGNAL单片机的在线间歇式浊度仪的研制基于单片机的喷油泵试验台控制器的研制基于单片机的软起动器的研究和设计基于单片机控制的高速快走丝电火花线切割机床短循环走丝方式研究基于单片机的机电产品控制系统开发基于PIC单片机的智能手机充电器基于单片机的实时内核设计及其应用研究基于单片机的远程抄表系统的设计与研究基于单片机的烟气二氧化硫浓度检测仪的研制基于微型光谱仪的单片机系统单片机系统软件构件开发的技术研究基于单片机的液体点滴速度自动检测仪的研制基于单片机系统的多功能温度测量仪的研制基于PIC单片机的电能采集终端的设计和应用基于单片机的光纤光栅解调仪的研制气压式线性摩擦焊机单片机控制系统的研制基于单片机的数字磁通门传感器基于单片机的旋转变压器-数字转换器的研究基于单片机的光纤Bragg光栅解调系统的研究单片机控制的便携式多功能乳腺治疗仪的研制基于C8051F020单片机的多生理信号检测仪基于单片机的电机运动控制系统设计Pico专用单片机核的可测性设计研究基于MCS-51单片机的热量计基于双单片机的智能遥测微型气象站MCS-51单片机构建机器人的实践研究基于单片机的轮轨力检测基于单片机的GPS定位仪的研究与实现基于单片机的电液伺服控制系统用于单片机系统的MMC卡文件系统研制基于单片机的时控和计数系统性能优化的研究基于单片机和CPLD的粗光栅位移测量系统研究单片机控制的后备式方波UPS提升高职学生单片机应用能力的探究基于单片机控制的自动低频减载装置研究基于单片机控制的水下焊接电源的研究基于单片机的多通道数据采集系统基于uPSD3234单片机的氚表面污染测量仪的研制基于单片机的红外测油仪的研究96系列单片机仿真器研究与设计基于单片机的单晶金刚石刀具刃磨设备的数控改造基于单片机的温度智能控制系统的设计与实现基于MSP430单片机的电梯门机控制器的研制基于单片机的气体测漏仪的研究基于三菱M16C/6N系列单片机的CAN/USB协议转换器基于单片机和DSP的变压器油色谱在线监测技术研究基于单片机的膛壁温度报警系统设计基于AVR单片机的低压无功补偿控制器的设计基于单片机船舶电力推进电机监测系统基于单片机网络的振动信号的采集系统基于单片机的大容量数据存储技术的应用研究基于单片机的叠图机研究与教学方法实践基于单片机嵌入式Web服务器技术的研究及实现基于AT89S52单片机的通用数据采集系统基于单片机的多道脉冲幅度分析仪研究机器人旋转电弧传感角焊缝跟踪单片机控制系统基于单片机的控制系统在PLC虚拟教学实验中的应用研究基于单片机系统的网络通信研究与应用基于PIC16F877单片机的莫尔斯码自动译码系统设计与研究基于单片机的模糊控制器在工业电阻炉上的应用研究基于双单片机冲床数控系统的研究与开发基于Cygnal单片机的μC/OS-Ⅱ的研究基于单片机的一体化智能差示扫描量热仪系统研究基于TCP/IP协议的单片机与Internet互联的研究与实现变频调速液压电梯单片机控制器的研究基于单片机γ-免疫计数器自动换样功能的研究与实现基于单片机的倒立摆控制系统设计与实现单片机嵌入式以太网防盗报警系统基于51单片机的嵌入式Internet系统的设计与实现单片机监测系统在挤压机上的应用MSP430单片机在智能水表系统上的研究与应用基于单片机的嵌入式系统中TCP/IP协议栈的实现与应用单片机在高楼恒压供水系统中的应用基于ATmega16单片机的流量控制器的开发基于MSP430单