計算機測控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

計算機測控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)論文PAGE20摘要 11前言 31.1關(guān)于我國煙葉初烤情況的綜合分析 32系統(tǒng)器件選用和硬件電路設(shè)計 42.1系統(tǒng)方案設(shè)計分析 42.2系統(tǒng)硬件總體規(guī)劃 42.3系統(tǒng)核心CPU選用 52.4電源模塊設(shè)計 52.5復位電路設(shè)計 62.6最小系統(tǒng)設(shè)計 72.7LCD顯示模塊設(shè)計 82.8溫度濕度采集模塊設(shè)計 92.8.1濕度/溫度傳感器選型 92.8.2SHT10的性能特點 92.8.3SHT系列溫度濕度傳感器的工作原理 92.9時鐘日期模塊設(shè)計 112.9.1DS1302簡介 112.10步進電機模塊 112.11串口通信模塊 132.12報警模塊 133系統(tǒng)軟件程序設(shè)計 153.1程序設(shè)計總流程 154設(shè)計總結(jié) 165參考文獻 186附錄 19摘要近年來，隨著先進生產(chǎn)技術(shù)的引進和煙農(nóng)素質(zhì)的不斷提高，我國煙葉的生產(chǎn)水平不斷提高。隨著我國國民經(jīng)濟的飛速發(fā)展，煙草工業(yè)自動化逐漸得到深化和普及，常規(guī)煙葉初烤方式的質(zhì)量和效率問題也逐漸暴露出來。本次設(shè)計在傳統(tǒng)煙葉初烤工藝要求的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一種基于單片機的煙葉初烤烤房閉環(huán)自動控制系統(tǒng)。本設(shè)計以嵌入式處理器STC12C5A32S2為核心，搭配溫度濕度傳感器、RS232串口通信口、控制信號輸入模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、燃燒機控制信號輸出模塊、烤煙房控制信號輸出模塊、信號LCD顯示器等硬件模塊組成煙葉初烤烤房自動控制系統(tǒng)。系統(tǒng)共設(shè)采集點9個，在烤房上、中、下部各設(shè)置3個，采用總線方式連接?？痉恐邪瑹峤粨Q設(shè)備1臺，燃燒設(shè)備一臺，自動換氣伺服機構(gòu)4臺。其中，需要控制的主要技術(shù)指標有溫度、濕度、時間、空氣流量和伺服機構(gòu)等。本系統(tǒng)按照煙葉烘烤的技術(shù)要求，對上述技術(shù)指標進行了精確控制，能有效提高烤煙的等級和經(jīng)濟效益。關(guān)鍵字：煙葉初烤；STC12C5A32S2；溫濕度采集器；伺服設(shè)備控制；單片機1前言1.1關(guān)于我國煙葉初烤情況的綜合分析近年來，隨著先進生產(chǎn)技術(shù)的引進和煙農(nóng)素質(zhì)的不斷提高，我國煙葉的生產(chǎn)水平不斷提高，這是生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)煙葉的基礎(chǔ)。田間獲得的優(yōu)質(zhì)葉片，如果沒有科學的調(diào)制過程與之配合，也很難生產(chǎn)出色香味俱佳的優(yōu)質(zhì)烤煙。所以，在某種意義上講，煙葉烘烤調(diào)制過程是生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)煙葉的關(guān)鍵步驟?？茖W的烘烤調(diào)制技術(shù)是以煙葉的成熟采收、烤房的標準化建設(shè)以及科學的三段式烘烤工藝為基礎(chǔ)的。煙葉烘烤分為初考和復烤2個重要步驟。由于復烤的過程在工廠內(nèi)實施，設(shè)備和技術(shù)都很成熟，所以，煙葉復烤的質(zhì)量有很好的技術(shù)保障；但初考的過程主要有煙農(nóng)在田間地頭實施，烤煙房設(shè)施簡陋，沒有技術(shù)保障，導致大量優(yōu)質(zhì)煙葉因初考的工藝不能嚴格執(zhí)行而出現(xiàn)等級和質(zhì)量下降，使廣大煙農(nóng)的利益遭受了重大損失。應(yīng)用單片機技術(shù)對現(xiàn)有的煙葉初考進行嚴格的工藝控制，能從根本上解決煙葉初考過程中工藝不能嚴格保障的情況。煙葉烘烤過程中，需要控制的主要技術(shù)指標有溫度、濕度、時間、空氣流量和伺服機構(gòu)等，按照煙葉烘烤的技術(shù)要求，對上述技術(shù)指標的精確控制，能有效提高烤煙的等級和經(jīng)濟效益，對保證煙農(nóng)的切身利益和煙葉種植產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展有重要的作用。目前，廣大煙區(qū)已廣泛推廣煙葉初烤的“三段式烘烤工藝”，并且大多數(shù)炕房已加裝熱風循環(huán)裝置，而使用的溫度測量器具卻是酒精的或煤油的玻璃管溫度計（煙區(qū)稱之為火表），控制方法采用人工啟閉回風門（用于排濕，控制濕球溫度）、火門或鼓風機（控制火爐火勢，間接控制干球溫度）。測量不準、使用不便的溫度計，被動的控制方法等成為制約煙葉烘烤質(zhì)量提高的瓶徑問題。2系統(tǒng)器件選用和硬件電路設(shè)計2.1系統(tǒng)方案設(shè)計分析由于系統(tǒng)需要兼顧數(shù)據(jù)采集、任務(wù)處理和設(shè)備控制各方面的要求，而且需要具備一定的速度保證系統(tǒng)能夠穩(wěn)定、安全的運行，根據(jù)本次設(shè)計的要求，選用了51系列單片機作為控制核心的單片機自動控制系統(tǒng)。本系統(tǒng)主要組成部分包括嵌入式CPUSTC12C5A32S2、RS232串口通信口、控制信號輸入模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、燃燒機控制信號輸出模塊、烤煙房控制信號輸出模塊、信號LCD顯示器、LED數(shù)碼管顯示、鍵盤、時鐘、電源、晶振、復位等。其中嵌入式微處理器、溫度濕度采集模塊是嵌入式系統(tǒng)硬件的核心。設(shè)計主要設(shè)計要求：要求安全可靠，要能夠完全適應(yīng)不同的生產(chǎn)條件、氣候條件和煙葉烤制標準要求。要求有高速的溫度、濕度實時采集模塊并且有高速的實時處理器內(nèi)核和處理程序?qū)囟取穸刃盘栠M行實時分析和處理。要求對外圍設(shè)施要有及時有效的控制，外部部件實時響應(yīng)性高。要求具有和計算機的實時通信功能，以便對煙葉初烤烤房的數(shù)據(jù)進行及時采集和分析，并且便于根據(jù)不同的生產(chǎn)情況進行及時的參數(shù)調(diào)整。要求具有異常報警功能、和手動控制功能，以便在系統(tǒng)控制過程中出現(xiàn)錯誤或異常時，工作人員可以及時發(fā)現(xiàn)。要求可以通過手動控制及時的更正錯誤，挽回損失，保證生產(chǎn)過程的順利安全進行。2.2系統(tǒng)硬件總體規(guī)劃硬件整體設(shè)計主要包括STC12C5A32S2單片機最小系統(tǒng)、溫度濕度數(shù)據(jù)采集模塊、LCD顯示模塊、鍵盤、手動控制信號輸入模塊、時鐘日期模塊、異常報警模塊、RS232通信接口模塊等。其中溫度濕度采集模塊用于對烤房中的溫度和濕度數(shù)據(jù)進行采集，單片機核心用于對采集到的信號進行分析處理并且發(fā)出控制信號，鍵盤、手動控制輸入用于對烤房現(xiàn)場進行手動的指以及突發(fā)情況的補救，時鐘日期模塊用于產(chǎn)生時鐘日期信號，LCD、LED顯示用于對控制流程以及溫度、濕度數(shù)據(jù)的實時顯示，RS232通信接口模塊用于單片機與上位機的通信以及單片機程序的下載。圖2.1系統(tǒng)硬件框圖STC12C5A32S2圖2.1系統(tǒng)硬件框圖STC12C5A32S2嵌入式處理器系統(tǒng)控制內(nèi)核電源時鐘日期信號復位異常報警Lcd、led顯示鍵盤、手動控制信號輸入RS232通信接口燃燒機、熱空氣泵控制信號烤煙房控制信號溫度濕度數(shù)據(jù)采集模塊2.3系統(tǒng)核心CPU選用本次設(shè)計主要內(nèi)容是煙葉初烤烤房的閉環(huán)自動化溫度濕度控制系統(tǒng)。程序、數(shù)據(jù)儲存容量要求相對較小，程序4-5k左右，數(shù)據(jù)儲存空間容量要求更低，一般主流8051單片機片內(nèi)存儲空間足夠滿足要求。整個采集、通訊、控制所需要I/O端口較少，在30個以下。有一定的實時性處理要求，但是也并不需要處理器具有超高速、超強實時處理的能力。因為主要工作場所環(huán)境比較臟亂，惡劣，所以要求系統(tǒng)的可靠性較高。綜合考慮，本次設(shè)計選用STC公司的STC12C5A32S2作為核心處理芯片。STC12C5A32S2是STC公司生產(chǎn)的單時鐘/機器周期（1T）的單片機，是高速、低功耗、超強抗干擾的新一代8051單片機。指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051單片機，但速度快8~12倍，并且具有極強的抗干擾性能。內(nèi)部集成MAX801專用復位電路，2路PWM，8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換，針對電機控制，強干擾場合。2.4電源模塊設(shè)計在進行電子產(chǎn)品的電路設(shè)計時，電源設(shè)計是一個極為關(guān)鍵的部分，電源設(shè)計的成敗，直接影響整個系統(tǒng)設(shè)計的成敗。在單片機系統(tǒng)設(shè)計過程中，用的最多的電壓是5V和3.3V，同時考慮到電路設(shè)計的復雜程度，大量采用LDO三端電源模塊，主要有LM780X系列和LT/M317系列。根據(jù)本次設(shè)計特點和需求，采用LM7805電源芯片。X78XX是三端正電源穩(wěn)壓電路，它的封裝形式為T0-220。它有一系列的固定電壓輸出，應(yīng)用非常廣泛。每種類型由于內(nèi)部電流的限制，以及過熱保護和安全工作區(qū)的保護，使它基本上不會損壞。如果能提供足夠的散熱片，它們就能夠提供大于1.5A的輸出電流。雖然是按照固定電壓值來設(shè)計的，但是當接入適當?shù)耐獠科骷?，就能夠獲得不同的電壓和電流。該系列具有以下主要特點：(1)高達35-40V的極限輸入電壓。(2)最大輸出電流為1.5A。(3)輸出電壓有5V-24V不同的類型。(4)具有熱過載保護功能。(5)具有短路保護功能。(6)具有輸出晶體管安全工作區(qū)保護功能。本設(shè)計采用輸出電壓為5V的LM7805電源芯片作為電源模塊設(shè)計的核心，為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的5V電壓。圖2.2電源模塊原理圖2.5復位電路設(shè)計由于本次設(shè)計的系統(tǒng)程序較為簡單，且要求可靠性比較高，復位電路使用很少且要求較低。所以本次設(shè)計復位電路采用RESET腳產(chǎn)生硬復位，復位后將使單片機從用戶程序區(qū)的0000H出開始從新執(zhí)行用戶程序。圖2.3復位模塊原理圖2.6最小系統(tǒng)設(shè)計單片機最小系統(tǒng)，或者稱為最小應(yīng)用系統(tǒng),是指用最少的元件組成的單片機可以工作的系統(tǒng)。對51系列單片機來說，最小系統(tǒng)一般應(yīng)該包括:單片機、晶振電路、復位電路。復位電路：由電容串聯(lián)電阻構(gòu)成，由圖并結(jié)合“電容電壓不能突變”的性質(zhì)，可以知道，當系統(tǒng)一上電，RST腳將會出現(xiàn)高電平，并且，這個高電平持續(xù)的時間由電路的RC值來決定。51單片機當RST腳的高電平持續(xù)兩個機器周期以上就將復位，所以，適當組合RC的取值就可以保證可靠的復位。一般C取10uF，R取8.2KΩ，原則就是要讓RC組合可以在RST腳上產(chǎn)生不少于2個機周期的高電平。晶振電路:晶振取11.0592MHz(因為可以準確地得到9600波特率和19200波特率,用于有串口通訊的場合)/12MHz(產(chǎn)生精確的uS級時歇,方便定時操作)，在本設(shè)計中選用11.0592MHz晶振。圖2.4最小系統(tǒng)原理圖2.7LCD顯示模塊設(shè)計在本次設(shè)計的煙葉初烤烤房自動閉環(huán)控制系統(tǒng)中，所要顯示的數(shù)據(jù)相對較少，且比較直觀。因此不需要很復雜的顯示設(shè)備就可以完成顯示任務(wù)。主要需要顯示的數(shù)據(jù)有歡迎界面、制作人信息、手自動變化提示、外部設(shè)備控制提示、溫度濕度信息和時間日期信息等。處于降低設(shè)計成本，簡化系統(tǒng)設(shè)計復雜程度的考慮，選用市面上常見的LCD1602型液晶顯示器作為系統(tǒng)的主顯示器。本設(shè)計使用顯示模塊為1602液晶顯示器，工業(yè)字符型液晶，能夠同時顯示16×02即32個字符（16列2行）。1602液晶也叫1602字符型液晶它是一種專門用來顯示字母、數(shù)字、符號等的點陣型液晶模塊它有若干個5X7或者5X11等點陣字符位組成，每個點陣字符位都可以顯示一個字符。每位之間有一個點距的間隔每行之間也有間隔起到了字符間距和行間距的作用，正因為如此所以他不能顯示圖形。1602LCD是指顯示的內(nèi)容為16X2,即可以顯示兩行，每行16個字符液晶模塊（顯示字符和數(shù)字）。目前市面上字符液晶絕大多數(shù)是基于HD44780液晶芯片的，控制原理是完全相同的，因此基于HD44780寫的控制程序可以很方便地應(yīng)用于市面上大部分的字符型液晶。圖2.5LCD1602模塊原理圖2.8溫度濕度采集模塊設(shè)計2.8.1濕度/溫度傳感器選型在本次設(shè)計的煙葉初烤烤房控制系統(tǒng)中，溫度濕度的采集器件是重點，關(guān)系到整個系統(tǒng)設(shè)計的成敗、好壞。就系統(tǒng)本身而言需要有實時、可靠、穩(wěn)定的溫度濕度傳感器件。且處于提高可靠性和簡化系統(tǒng)設(shè)計復雜程度的考慮，在選擇器件是最好選用一體式的智能化數(shù)字傳感器。溫度濕度傳感器選型標準：可以同時測量溫度濕度數(shù)據(jù)。溫度濕度采集精度精確到小數(shù)點后一位。測溫范圍在零下十度到一百度之間。誤差范圍低于10%。易于標定和數(shù)據(jù)采集的操作。2.8.2SHT10的性能特點SHT10是采用（CMOS-Sensor）專利技術(shù)研制而成的高精度智能傳感器系統(tǒng)。傳感器特征是將半導體芯片（CMOS）與傳感器技術(shù)融合，為開發(fā)高集成度、智能化、高精度、高可靠性的濕度/溫度檢測系統(tǒng)提供了解決方案。該項技術(shù)亦稱“Sensmitter”，它代表傳感器（Sensor）與變送器（Transmitter）的有機結(jié)合。與其他濕度傳感器所不同的是，SHT10能在同一個位置測量相對溫度和濕度，這兩只傳感器共享一個底座并且同時對被測量作出響應(yīng)，這對于測量露點溫度非常有用。2.8.3SHT系列溫度濕度傳感器的工作原理SHT10型濕度/溫度傳感器的內(nèi)部電路框圖如圖2.7所示。圖2.6SHT11傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖采用表面安裝式SMD-8封裝，在0.8mm厚的基座上有一個用液晶聚合物（LCP）制成的帽，上面開著傳感器窗口，以便與空氣接觸。另外有一塊環(huán)氧樹脂起到黏結(jié)作用。UDD、GND端分別接電源和工地。DATA為串行數(shù)據(jù)輸入/輸出端（I/O）。SCK為串行時鐘輸入端，當UDD＜+4.5V時，fmax=1MHZ。內(nèi)部主要包括12部分：①相對濕度傳感器（由特殊的液晶聚合物制成的濕敏電容）；②帶隙式溫度傳感器（其輸出電壓與溫度成正比，簡稱VPTAT）；③放大器；④14位A/D轉(zhuǎn)換器；⑤校準存儲器，采用OTP（一次性可編程）存儲器；⑥易失存儲器（RAM）；⑦狀態(tài)寄存器；⑧循環(huán)冗余校驗碼（CRC）寄存器；⑨二線串行接口；⑩控制單元；⑾加熱器；⑿低電壓檢測電路。其測量原理是首先利用兩只傳感器分別產(chǎn)生相對濕度、溫度的信號，然后經(jīng)過放大，分別送至A/D轉(zhuǎn)換器進行模/數(shù)轉(zhuǎn)換、校準和糾錯，最后通過二線串行接口將相對濕度及溫度的數(shù)據(jù)送至μC，再利用μC完成非線性補償和溫度補償。圖2.7SHT10溫度濕度采集模塊原理圖2.9時鐘日期模塊設(shè)計2.9.1DS1302簡介DS1302是美國DALLAS公司推出的一種高性能、低功耗的實時時鐘芯片，附加31字節(jié)靜態(tài)RAM，采用SPI三線接口與CPU進行同步通信，并可采用突發(fā)方式一次傳送多個字節(jié)的時鐘信號和RAM數(shù)據(jù)。實時時鐘可提供秒、分、時、日、星期、月和年，一個月小與31天時可以自動調(diào)整，且具有閏年補償功能。工作電壓寬達2.5～5.5V。采用雙電源供電（主電源和備用電源），可設(shè)置備用電源充電方式，提供了對后背電源進行涓細電流充電的能力。DS1302用于數(shù)據(jù)記錄，特別是對某些具有特殊意義的數(shù)據(jù)點的記錄上，能實現(xiàn)數(shù)據(jù)與出現(xiàn)該數(shù)據(jù)的時間同時記錄，因此廣泛應(yīng)用于測量系統(tǒng)中。圖2.8DS1302芯片接線原理圖2.10步進電機模塊本設(shè)計使用步進電機作為煙葉初烤烤房天窗和地洞的開關(guān)控制，根據(jù)步進電機的特性，可以做到對進風量和排風量的精確控制。一般電機都是連續(xù)旋轉(zhuǎn)，而步進電機卻是一步一步轉(zhuǎn)動的，故稱步進電機。具體而言，每當步進電機的驅(qū)動收到一個驅(qū)動脈沖信號，步進電機將會按照設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度（有的步進電機可以直接輸出線位移，稱為直線電機）。因此步進電機是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移（或直線位移）的執(zhí)行機械。對于經(jīng)常使用的角位移步進電機，用戶可以通過控制脈沖的個數(shù)來控制角位移量，從而達到準確定位的目的。同時，還可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達到調(diào)速的目的。TD62803P是具有步進電動機控制器的多種功能的集成電路,各相最大輸出電流為200mA,可直接驅(qū)動型步進電動機,對應(yīng)于三相、四相電動機,可設(shè)定一相勵磁,二相勵磁和一、二相勵磁。圖2.16為TD62803P的管腳圖.圖2.9TD62803P芯片引腳圖圖2.10為步進電機控制模塊接線原理圖。圖2.10TD62803P芯片接線原理圖2.11串口通信模塊51單片機僅含有一個具有UART全部功能的串口，該接口可以同時進行數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，也可以作為一個同步移位寄存器使用。需要說明的是，這個串口的信號電平是TTL電平，在近距離傳輸過程中可以比較好的滿足要求，一般可以實現(xiàn)穩(wěn)定串口通信的距離是5-10米，如果進一步提高通信距離，誤碼率將會明顯增加。本設(shè)計使用提高串口通信距離的串口通信接口RS-232。RS-232接口標準時EIT(ElectronicIndustryAssociation)廣泛使用的標準，它有多種不同的版本，例如RS-232-C、RS-232-D、RS-232-E等。其中，RS-232-C標準是20世紀60年代為了利用電話網(wǎng)絡(luò)作為媒介，通過調(diào)制解調(diào)器把不同范圍距離內(nèi)的設(shè)備相互連接在一起而制定的。由于當時主要采用電話線通過串行連接實現(xiàn)遠距離訪問，這使得RS-232-C標準在終端和計算機中被廣泛采用。RS-232的典型應(yīng)用就是實現(xiàn)51單片機與PC的串行通信，二者的電氣連接就是基于RS-232接口標準，接口轉(zhuǎn)換芯片采用MAX232.。此處給出PC基于MAX232與51單片機的串行通信接口設(shè)計電路，如圖2.20所示。圖2.11RS-232-C標準接口原理圖2.12報警模塊報警模塊用于系統(tǒng)異常時發(fā)出警告，使工作人員可以及時