计算机测控网络系统

计算机测控网络系统论文PAGE20摘要 11前言 31.1关于我国烟叶初烤情况的综合分析 32系统器件选用和硬件电路设计 42.1系统方案设计分析 42.2系统硬件总体规划 42.3系统核心CPU选用 52.4电源模块设计 52.5复位电路设计 62.6最小系统设计 72.7LCD显示模块设计 82.8温度湿度采集模块设计 92.8.1湿度/温度传感器选型 92.8.2SHT10的性能特点 92.8.3SHT系列温度湿度传感器的工作原理 92.9时钟日期模块设计 112.9.1DS1302简介 112.10步进电机模块 112.11串口通信模块 132.12报警模块 133系统软件程序设计 153.1程序设计总流程 154设计总结 165参考文献 186附录 19摘要近年来，随着先进生产技术的引进和烟农素质的不断提高，我国烟叶的生产水平不断提高。随着我国国民经济的飞速发展，烟草工业自动化逐渐得到深化和普及，常规烟叶初烤方式的质量和效率问题也逐渐暴露出来。本次设计在传统烟叶初烤工艺要求的基础上，设计了一种基于单片机的烟叶初烤烤房闭环自动控制系统。本设计以嵌入式处理器STC12C5A32S2为核心，搭配温度湿度传感器、RS232串口通信口、控制信号输入模块、数据采集模块、燃烧机控制信号输出模块、烤烟房控制信号输出模块、信号LCD显示器等硬件模块组成烟叶初烤烤房自动控制系统。系统共设采集点9个，在烤房上、中、下部各设置3个，采用总线方式连接。烤房中包含热交换设备1台，燃烧设备一台，自动换气伺服机构4台。其中，需要控制的主要技术指标有温度、湿度、时间、空气流量和伺服机构等。本系统按照烟叶烘烤的技术要求，对上述技术指标进行了精确控制，能有效提高烤烟的等级和经济效益。关键字：烟叶初烤；STC12C5A32S2；温湿度采集器；伺服设备控制；单片机1前言1.1关于我国烟叶初烤情况的综合分析近年来，随着先进生产技术的引进和烟农素质的不断提高，我国烟叶的生产水平不断提高，这是生产优质烟叶的基础。田间获得的优质叶片，如果没有科学的调制过程与之配合，也很难生产出色香味俱佳的优质烤烟。所以，在某种意义上讲，烟叶烘烤调制过程是生产优质烟叶的关键步骤。科学的烘烤调制技术是以烟叶的成熟采收、烤房的标准化建设以及科学的三段式烘烤工艺为基础的。烟叶烘烤分为初考和复烤2个重要步骤。由于复烤的过程在工厂内实施，设备和技术都很成熟，所以，烟叶复烤的质量有很好的技术保障；但初考的过程主要有烟农在田间地头实施，烤烟房设施简陋，没有技术保障，导致大量优质烟叶因初考的工艺不能严格执行而出现等级和质量下降，使广大烟农的利益遭受了重大损失。应用单片机技术对现有的烟叶初考进行严格的工艺控制，能从根本上解决烟叶初考过程中工艺不能严格保障的情况。烟叶烘烤过程中，需要控制的主要技术指标有温度、湿度、时间、空气流量和伺服机构等，按照烟叶烘烤的技术要求，对上述技术指标的精确控制，能有效提高烤烟的等级和经济效益，对保证烟农的切身利益和烟叶种植产业的健康发展有重要的作用。目前，广大烟区已广泛推广烟叶初烤的“三段式烘烤工艺”，并且大多数炕房已加装热风循环装置，而使用的温度测量器具却是酒精的或煤油的玻璃管温度计（烟区称之为火表），控制方法采用人工启闭回风门（用于排湿，控制湿球温度）、火门或鼓风机（控制火炉火势，间接控制干球温度）。测量不准、使用不便的温度计，被动的控制方法等成为制约烟叶烘烤质量提高的瓶径问题。2系统器件选用和硬件电路设计2.1系统方案设计分析由于系统需要兼顾数据采集、任务处理和设备控制各方面的要求，而且需要具备一定的速度保证系统能够稳定、安全的运行，根据本次设计的要求，选用了51系列单片机作为控制核心的单片机自动控制系统。本系统主要组成部分包括嵌入式CPUSTC12C5A32S2、RS232串口通信口、控制信号输入模块、数据采集模块、燃烧机控制信号输出模块、烤烟房控制信号输出模块、信号LCD显示器、LED数码管显示、键盘、时钟、电源、晶振、复位等。其中嵌入式微处理器、温度湿度采集模块是嵌入式系统硬件的核心。设计主要设计要求：要求安全可靠，要能够完全适应不同的生产条件、气候条件和烟叶烤制标准要求。要求有高速的温度、湿度实时采集模块并且有高速的实时处理器内核和处理程序对温度、湿度信号进行实时分析和处理。要求对外围设施要有及时有效的控制，外部部件实时响应性高。要求具有和计算机的实时通信功能，以便对烟叶初烤烤房的数据进行及时采集和分析，并且便于根据不同的生产情况进行及时的参数调整。要求具有异常报警功能、和手动控制功能，以便在系统控制过程中出现错误或异常时，工作人员可以及时发现。要求可以通过手动控制及时的更正错误，挽回损失，保证生产过程的顺利安全进行。2.2系统硬件总体规划硬件整体设计主要包括STC12C5A32S2单片机最小系统、温度湿度数据采集模块、LCD显示模块、键盘、手动控制信号输入模块、时钟日期模块、异常报警模块、RS232通信接口模块等。其中温度湿度采集模块用于对烤房中的温度和湿度数据进行采集，单片机核心用于对采集到的信号进行分析处理并且发出控制信号，键盘、手动控制输入用于对烤房现场进行手动的指以及突发情况的补救，时钟日期模块用于产生时钟日期信号，LCD、LED显示用于对控制流程以及温度、湿度数据的实时显示，RS232通信接口模块用于单片机与上位机的通信以及单片机程序的下载。图2.1系统硬件框图STC12C5A32S2图2.1系统硬件框图STC12C5A32S2嵌入式处理器系统控制内核电源时钟日期信号复位异常报警Lcd、led显示键盘、手动控制信号输入RS232通信接口燃烧机、热空气泵控制信号烤烟房控制信号温度湿度数据采集模块2.3系统核心CPU选用本次设计主要内容是烟叶初烤烤房的闭环自动化温度湿度控制系统。程序、数据储存容量要求相对较小，程序4-5k左右，数据储存空间容量要求更低，一般主流8051单片机片内存储空间足够满足要求。整个采集、通讯、控制所需要I/O端口较少，在30个以下。有一定的实时性处理要求，但是也并不需要处理器具有超高速、超强实时处理的能力。因为主要工作场所环境比较脏乱，恶劣，所以要求系统的可靠性较高。综合考虑，本次设计选用STC公司的STC12C5A32S2作为核心处理芯片。STC12C5A32S2是STC公司生产的单时钟/机器周期（1T）的单片机，是高速、低功耗、超强抗干扰的新一代8051单片机。指令代码完全兼容传统8051单片机，但速度快8~12倍，并且具有极强的抗干扰性能。内部集成MAX801专用复位电路，2路PWM，8路高速10位A/D转换，针对电机控制，强干扰场合。2.4电源模块设计在进行电子产品的电路设计时，电源设计是一个极为关键的部分，电源设计的成败，直接影响整个系统设计的成败。在单片机系统设计过程中，用的最多的电压是5V和3.3V，同时考虑到电路设计的复杂程度，大量采用LDO三端电源模块，主要有LM780X系列和LT/M317系列。根据本次设计特点和需求，采用LM7805电源芯片。X78XX是三端正电源稳压电路，它的封装形式为T0-220。它有一系列的固定电压输出，应用非常广泛。每种类型由于内部电流的限制，以及过热保护和安全工作区的保护，使它基本上不会损坏。如果能提供足够的散热片，它们就能够提供大于1.5A的输出电流。虽然是按照固定电压值来设计的，但是当接入适当的外部器件后，就能够获得不同的电压和电流。该系列具有以下主要特点：(1)高达35-40V的极限输入电压。(2)最大输出电流为1.5A。(3)输出电压有5V-24V不同的类型。(4)具有热过载保护功能。(5)具有短路保护功能。(6)具有输出晶体管安全工作区保护功能。本设计采用输出电压为5V的LM7805电源芯片作为电源模块设计的核心，为系统提供稳定的5V电压。图2.2电源模块原理图2.5复位电路设计由于本次设计的系统程序较为简单，且要求可靠性比较高，复位电路使用很少且要求较低。所以本次设计复位电路采用RESET脚产生硬复位，复位后将使单片机从用户程序区的0000H出开始从新执行用户程序。图2.3复位模块原理图2.6最小系统设计单片机最小系统，或者称为最小应用系统,是指用最少的元件组成的单片机可以工作的系统。对51系列单片机来说，最小系统一般应该包括:单片机、晶振电路、复位电路。复位电路：由电容串联电阻构成，由图并结合“电容电压不能突变”的性质，可以知道，当系统一上电，RST脚将会出现高电平，并且，这个高电平持续的时间由电路的RC值来决定。51单片机当RST脚的高电平持续两个机器周期以上就将复位，所以，适当组合RC的取值就可以保证可靠的复位。一般C取10uF，R取8.2KΩ，原则就是要让RC组合可以在RST脚上产生不少于2个机周期的高电平。晶振电路:晶振取11.0592MHz(因为可以准确地得到9600波特率和19200波特率,用于有串口通讯的场合)/12MHz(产生精确的uS级时歇,方便定时操作)，在本设计中选用11.0592MHz晶振。图2.4最小系统原理图2.7LCD显示模块设计在本次设计的烟叶初烤烤房自动闭环控制系统中，所要显示的数据相对较少，且比较直观。因此不需要很复杂的显示设备就可以完成显示任务。主要需要显示的数据有欢迎界面、制作人信息、手自动变化提示、外部设备控制提示、温度湿度信息和时间日期信息等。处于降低设计成本，简化系统设计复杂程度的考虑，选用市面上常见的LCD1602型液晶显示器作为系统的主显示器。本设计使用显示模块为1602液晶显示器，工业字符型液晶，能够同时显示16×02即32个字符（16列2行）。1602液晶也叫1602字符型液晶它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块它有若干个5X7或者5X11等点阵字符位组成，每个点阵字符位都可以显示一个字符。每位之间有一个点距的间隔每行之间也有间隔起到了字符间距和行间距的作用，正因为如此所以他不能显示图形。1602LCD是指显示的内容为16X2,即可以显示两行，每行16个字符液晶模块（显示字符和数字）。目前市面上字符液晶绝大多数是基于HD44780液晶芯片的，控制原理是完全相同的，因此基于HD44780写的控制程序可以很方便地应用于市面上大部分的字符型液晶。图2.5LCD1602模块原理图2.8温度湿度采集模块设计2.8.1湿度/温度传感器选型在本次设计的烟叶初烤烤房控制系统中，温度湿度的采集器件是重点，关系到整个系统设计的成败、好坏。就系统本身而言需要有实时、可靠、稳定的温度湿度传感器件。且处于提高可靠性和简化系统设计复杂程度的考虑，在选择器件是最好选用一体式的智能化数字传感器。温度湿度传感器选型标准：可以同时测量温度湿度数据。温度湿度采集精度精确到小数点后一位。测温范围在零下十度到一百度之间。误差范围低于10%。易于标定和数据采集的操作。2.8.2SHT10的性能特点SHT10是采用（CMOS-Sensor）专利技术研制而成的高精度智能传感器系统。传感器特征是将半导体芯片（CMOS）与传感器技术融合，为开发高集成度、智能化、高精度、高可靠性的湿度/温度检测系统提供了解决方案。该项技术亦称“Sensmitter”，它代表传感器（Sensor）与变送器（Transmitter）的有机结合。与其他湿度传感器所不同的是，SHT10能在同一个位置测量相对温度和湿度，这两只传感器共享一个底座并且同时对被测量作出响应，这对于测量露点温度非常有用。2.8.3SHT系列温度湿度传感器的工作原理SHT10型湿度/温度传感器的内部电路框图如图2.7所示。图2.6SHT11传感器内部结构框图采用表面安装式SMD-8封装，在0.8mm厚的基座上有一个用液晶聚合物（LCP）制成的帽，上面开着传感器窗口，以便与空气接触。另外有一块环氧树脂起到黏结作用。UDD、GND端分别接电源和工地。DATA为串行数据输入/输出端（I/O）。SCK为串行时钟输入端，当UDD＜+4.5V时，fmax=1MHZ。内部主要包括12部分：①相对湿度传感器（由特殊的液晶聚合物制成的湿敏电容）；②带隙式温度传感器（其输出电压与温度成正比，简称VPTAT）；③放大器；④14位A/D转换器；⑤校准存储器，采用OTP（一次性可编程）存储器；⑥易失存储器（RAM）；⑦状态寄存器；⑧循环冗余校验码（CRC）寄存器；⑨二线串行接口；⑩控制单元；⑾加热器；⑿低电压检测电路。其测量原理是首先利用两只传感器分别产生相对湿度、温度的信号，然后经过放大，分别送至A/D转换器进行模/数转换、校准和纠错，最后通过二线串行接口将相对湿度及温度的数据送至µC，再利用µC完成非线性补偿和温度补偿。图2.7SHT10温度湿度采集模块原理图2.9时钟日期模块设计2.9.1DS1302简介DS1302是美国DALLAS公司推出的一种高性能、低功耗的实时时钟芯片，附加31字节静态RAM，采用SPI三线接口与CPU进行同步通信，并可采用突发方式一次传送多个字节的时钟信号和RAM数据。实时时钟可提供秒、分、时、日、星期、月和年，一个月小与31天时可以自动调整，且具有闰年补偿功能。工作电压宽达2.5～5.5V。采用双电源供电（主电源和备用电源），可设置备用电源充电方式，提供了对后背电源进行涓细电流充电的能力。DS1302用于数据记录，特别是对某些具有特殊意义的数据点的记录上，能实现数据与出现该数据的时间同时记录，因此广泛应用于测量系统中。图2.8DS1302芯片接线原理图2.10步进电机模块本设计使用步进电机作为烟叶初烤烤房天窗和地洞的开关控制，根据步进电机的特性，可以做到对进风量和排风量的精确控制。一般电机都是连续旋转，而步进电机却是一步一步转动的，故称步进电机。具体而言，每当步进电机的驱动收到一个驱动脉冲信号，步进电机将会按照设定的方向转动一个固定的角度（有的步进电机可以直接输出线位移，称为直线电机）。因此步进电机是一种将电脉冲转化为角位移（或直线位移）的执行机械。对于经常使用的角位移步进电机，用户可以通过控制脉冲的个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的。同时，还可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。TD62803P是具有步进电动机控制器的多种功能的集成电路,各相最大输出电流为200mA,可直接驱动型步进电动机,对应于三相、四相电动机,可设定一相励磁,二相励磁和一、二相励磁。图2.16为TD62803P的管脚图.图2.9TD62803P芯片引脚图图2.10为步进电机控制模块接线原理图。图2.10TD62803P芯片接线原理图2.11串口通信模块51单片机仅含有一个具有UART全部功能的串口，该接口可以同时进行数据的发送和接收，也可以作为一个同步移位寄存器使用。需要说明的是，这个串口的信号电平是TTL电平，在近距离传输过程中可以比较好的满足要求，一般可以实现稳定串口通信的距离是5-10米，如果进一步提高通信距离，误码率将会明显增加。本设计使用提高串口通信距离的串口通信接口RS-232。RS-232接口标准时EIT(ElectronicIndustryAssociation)广泛使用的标准，它有多种不同的版本，例如RS-232-C、RS-232-D、RS-232-E等。其中，RS-232-C标准是20世纪60年代为了利用电话网络作为媒介，通过调制解调器把不同范围距离内的设备相互连接在一起而制定的。由于当时主要采用电话线通过串行连接实现远距离访问，这使得RS-232-C标准在终端和计算机中被广泛采用。RS-232的典型应用就是实现51单片机与PC的串行通信，二者的电气连接就是基于RS-232接口标准，接口转换芯片采用MAX232.。此处给出PC基于MAX232与51单片机的串行通信接口设计电路，如图2.20所示。图2.11RS-232-C标准接口原理图2.12报警模块报警模块用于系统异常时发出警告，使工作人员可以及时