基于PIC单片机的多点温控系统的设计与实现

基于P IC 单片机的多点温控系统的设计与实现 方庆黎1 2刘东飞1张明川z李跃欣2 1 武汉理工大学 湖北武汉4 3 0 0 7 0 2 可南科技大学电子信息工程学院 河南洛阳4 7 l 0 0 3 摘要 单点温度控制系统不能满足自动化生产过程中对多点温度控制的需求 本文基于P I C 单片机提出一种多点温 度控制系统 设计了硬件电路 单片机程序以及上位机程序实现的核心部分 该系统具有三个优点 灵活配置 在线增加结点 和删除结点 实践证明 该系统能够很好地实现自动化生产过程中的温度控制 达到预期的目的 关键词 温度控制 单点系统 多点系统 P I C 单片机 1 引言 温度是影响工业生产的重要因素之一 特别是在冶金 化工 建材 食品 机械 石油等工业中 具有举足重轻的作 用 根据不同生产所需温度范围和精度要求 采用的测温元 件 方法以及对温度的控制方法也有所不同 随着电子技术 和计算机技术的迅速发展 基于单片机和微型计算机的温控 技术也得到了迅速的发展 利用单片机测量温度 微型计算 机控制温度的技术得到日益发展和完善 且越来越显示出其 优越性 在实际的工业控制应用中 由于自动化程度的提高 单 点温度测控的方式已经不再使用或很少使用 为了提高生 产过程的效率 多点温度测控方式越来越受到厂家的欢迎 本文基于单片机和工业计算机 提出一种分布式温度测控 系统的实现方法 能够很好地解决多点温度测控I 口J 题 2 系统设计思路 单点温度测控系统比较简单 一般只要一个单片机和 必要的外围电路即可实现对测控点的测控任务 典型的单 点温度测控系统的硬件电路结构如图l 所示 事先根据测 控对象的工作特性编写相应的单片机程序 系统工作的时 候 单片机程序根据温度传感器测得温度对测控对象做出 相应的控制 如执行关闭加热阀 制冷阀 送气阀以及断电 等操作 I V 田显 示 卜 堕叫A 脯换蝴H 控制 复位电路 卜 键盘电路 卜 片 一 机 温度传感器卜 一测控 电源电路 卜 图1 单点温度测控硬件电路结构 由图1 可知 除了键盘和测控对象外 单点系统与外接没 有交互 这远远不能满足当前生产过程自动化的控制要求 自 动化生产要求生产过程中的各个环节紧密配合 协调一致 以 达到最高的生产效率 测控对象的温度控制更是如此 因此 需要将单点测控转换成多点测控 在转换的过程中 需要对图 l 结构的一些设计思路进行变动 主要有这几个方面 1 简化单片机的任务 在单点系统中 单片机要完成接收测控对象的温度数 据 显示温度数据 根据数据判断测控对象要执行的动作以 及发送控制命令 在多点系统中 由于系统复杂度增加且单 片机性能有限 需要简化单片机的任务 单片机只需要接收 测控对象的温度数据和转发控制命令即可 2 增加微犁计算机执行运算任务 单片机减少的最重要任务是计算任务 它需要耗费较多 的C P U 时间 因此由工业计算机来执行这些计算任务以减轻 单片机的负担 另外工业计算机还要完成对温度数据的多样 化显示 多个测控点的统一控制以及多点之间的通信等任务 3 增加通信模块以保证多个测控点的协调 自动化生产过程一般需要多个生产环节的协调一致 也 就是说 多个测控点的温度状态都要达到既定的要求生产才 能正常的进行 如果运用多个单点系统测控温度 虽然可以 完成对每个测控对象的控制 但是各个测控点的协调一致需 要操作员口头进行交流 出现错误在所难免 多点系统增加 通信模块保证多个测控点状态的协调一致 才能根本上解决 自动化生产问题 3 系统体系结构 多点系统由上位机 通信适配器 总线 测控器 传感器 器以及控制驱动器等部分组成 它的体系结构如图2 所示 通 信 l I 适 悟 配 器 图2 多点系统体系结构 在多点系统体系结构中 每一个测控部分与单点系统比 较类似 由测控器 传感器和控制驱动器组成 称为测控单 作者简介 方庆摹 男 河南洛阳人 讲师 研究方向 计算机工业应用 一5 2 万方数据 元 每个测控单元都通过通信适配器与上位机通信 将各自 的状态发送给上位机 然后由上位机对系统的各个测控点 进行统一的控制 与单点系统相比 多点系统就是运用总线 将多个测控单元并联起来 由上位机统一控制 4 硬件系统设计 多点系统的硬件电路设计主要有三个部分 通信适配器 硬件电路设计 测控器硬件电路设计和控制驱动器硬件电 路设计 下面分别对它们进行介绍 1 通信适配器电路设计 工业系统的通信可以采用多种方式 本系统采用R S 2 3 2 串口通信方式 但是由于串口通信的自身特点 上位机和测 控单元之间直接采用R S 2 3 2 串口通信存在2 个问题 串口通信的电器特性为 逻辑l M A R K 一3 V 1 5 V 逻辑0 S P A C E 3 1 5 V 而测控器是以单片 机为核心的 逻辑l 为高电平 3 6 V 逻辑0 为低电平 3 6 V 为了通信正常进行 需要进行电平转换 串口通信是以电压信号进行的 在工业应用中由于 干扰和衰减 电压信号的抗干扰能力较差 其通信距离一般 不超过1 5 m 而多点系统的应用往往会超过这个距离 因此 需要将电压信号转换成电流信号传输 以延长传送距离和 增强抗干扰能力 通信适配器就是实现将电压信号转换成电流信号以及 电平转换功能的硬件电路 通信适配器分为上位机通信适 配器和测控器通信适配器 它们要配对使用 上位机通信适 配器的电路原理图如图3 所示 测控器通信适配器的电路 原理图如图4 所示 田3 上位机通信适配器电路原理图 田4 测控器通信适配器电路原理 2 测控器电路设计 测控器主要完成两个工作 一是接收传感器测量的温度 数据 并将该数据发送给上位机 二是接收上位机发来的控 制命令 通过驱动器控制测控对象进行相应操作 它的核心 是P I C 单片机 3 控制驱动器电路设计 控制驱动器一般包含有信号放大或功率放大电路 它的 功能是根据测控器发送的指令控制测控对象做出相应的操 作 一般需要根据具体的控制对象进行设计 这里不进行详 述 5 软件系统设计 多点温度控制系统的软件主要分为上位机程序和单片 机程序 其中上位机程序又分为温度显控模块和通信模块 单片机程序分为温度采样模块 通信模块和控制模块 1 上位机程序 上位机程序中的通信模块是比较常见的R S 2 3 2 通信程 序 采用V i s u a lC N E T 可以比较容易实现R S 2 3 2 通信 功能 这里不再赘述 温控模块的功能是从串口接收数据 显示温度数据或温度曲线 判断测控对象状态以及根据状态 对测控对象进行控制等 温度显控模块的程序流程图如图5 所示 2 单片机程序 单片机程序中的通信模块就是按照一定的时序去读单 片机特定引脚的状态 然后组合成所需要的数据或命令即 可 控制模块就是根据接收到的命令做出相应输出 这两部 分的程序设计需要根据具体地电路设计 且比较简单 温度 采样模块是根据特定温度传感器的时序要求 进行单片机特 定引脚的读写操作 本系统中传感器采用D A L L A S 公司生 产的一线式数字温度传感器D S l 8 8 2 0 采用三线接法 读 D S I8 8 2 0 的程序代码如下所示 圈5 温度显控模块程序流程 v o i dR e a d D S18 8 2 0 u n s i g n e dc h a r p B u f f e r c h a rn B y t e s c h a r i2 f o r n B y t e s n B y t e s p B u f f e r 4 f o r i O i l d i T l u S C 4 1 N O P N O P N O P N O P T R I S C 4 卸 N O P N O P T l U S C 4 1 N O P 一5 3 万方数据 i f f R C 4 p B u f f e r l 0 x 8 0 D e l a y l 5 U s D l 0 D e l a y l 5 U s D I D e l a y l 5 U s D l 0 D e l a y l 5 U s D I e i 其中 N O P 为空操作 D e l a y l 5 U s D l0 为执行1 5 个空操 作 6 结论 本文给出一种基于P I C 单片机的多点温度控制系统设 计方法 并给出了相应的硬件电路 单片机程序以及上位机 程序实现的核心部分 该系统中 多个测控单元之间以松散 耦合方式工作 在应用时可以灵活配置 并且能够在线增加 和删除测控点 另外 测控单元和上位机之间的通讯是以电 流信号进行的 能够实现较长距离通信且抗干扰能力强 实 践证明 该系统能够实现自动化生产过程中的温度控制的 要求 达到温度控制的目的 参考文献 l 王博 黄永红 孙玉坤 基于A R M 和神经网络的塑焊机温度控 制系统 J 仪表技术与传感器 2 0 0 7 9 6 1 6 3 2 1 王丽娟 单片机在锅炉温度控僦系统中的应用 J 1 微计算机 信息 2 0 0 7 2 3 1 2 2 1 2 3 3 张菁 单片机温度控制系统方案的研究 J 上海交通大学学 报 2 0 0 7 4 1 1 4 2 1 4 5 4 刘绿山 刘建群 李仕勇 基于A T 8 9 S 5 2 单片机的温度控制系 统 J 徽计算机信息 2 0 0 7 2 3 9 8 1 0 0 D e s i g na n dR e a l i z a t i o no fM u l t i s p o tT e m p e r a t u r eC o n t r o lS y s t e mB a s e do nP I CS i n g l e c h i p F a n gQ i n g l i l 2 L i uD o n g f e i l Z h a n gM i n g e h u a n 2 1 W u h a nU n i v e r s i t yo f T e c h n o l o g y tW u h a n4 3 0 0 7 0 tH u b e i 2 H e n a n U n i v e r s i t y o f S c i e n c ea n d T e c h n o l o g y L u o y a n 9 4 7 1 0 0 3 H e n a a l 尉b 螂 S i n g l es p o tt e m p e r a t u r ec o n t r o ls y s t e mc a nn o ts a t i s f yt h er e q u i r e m e n t so ft h ea u t o m a t i o np r o c e s s T h em u l t i s p o t t e m p e r a t u r ec o n t r o ls y s t e mb a s e d O i lP I Cs i n g l e c h i pi sp r e s e n t e di nt h i sp a p e r T h ec o r eo f h a r d w a r ec i r c u i t s i n g l e h i pp r o g r a ma n d e p i g y n o u sm a c h i n ep r o g r a ma f ed e s i g n e d T h es y s t e mh a st h r e ea d v a n t a g e s c o n v e n i e n tc o n f i g u r a t i o n o n l i n ea d d t i o n o fm e a s u r e c o n t r o ln o d ea n do n l i n ed e l e t i o no fm e a s u r ec o n t r o ln o d e T h ee x p e r i m e n ts h o w st h a tt h ee f f e c to ft e m p e r a t u r ec o n t r o li sv a l i d a t e d t ob ca e h i e v e d 盈碉 t e m p e r a t u r ec o n t r o l s i n g l es p o ts y s t e m m u l t i s p o ts y s t e m P I Cs i n g l e c h i p 上接第4 9 页 T h eR e s e a r c ho fM a n d a r o r yA c c e s sC o n t r o lo nL i n u x Y a n g J i e H u n a n l n s l i t u t e o f S c i e n c e a n d T a e l m o l o g y Y e n g z h o u 4 2 5 1 0 0 H u n a n 州h h t T h i sp a p e rs t u d i e st h et h e o r ya n dr e l a t e dr e s e a r c ha b o u tm a n d a t o r ya c c e s sc o n t r o li ns e c u r eO Sa n de s t a b l i s h e st h eM A C m e c h a n i s mo nL i n u x T h i sM A Cm e c h a n i s mC a ns u p p o r tt h em u l t i l e v e ls e c u r i t yp o l i c e sd e f i n e di nam o d i f i e dB L Pm o d u l e T h e s t r u c t u r eo ft h em e c h a n i s mr e f e r st oG F A Ca n dL S Ma e e s e s sc o n t r o lm o d u l e s I ti n c l u d e st h ew h o l ed e s i g ni d e a s s e c u r i t ys c h e m e i n f o r m a t i o ns e c u r i t yf o r m a l i z a t i o n a n dt h er e a l i z a t i o no f