基于單片機(jī)的網(wǎng)絡(luò)控制實(shí)現(xiàn)溫控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

徐淑萍，陳 飛，孫昌會(huì)

（1.西安工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院 陜西 西安 710032；2.鄭州市電子信息工程學(xué)校 河南 鄭州 450007）

網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)（NCSs）已經(jīng)成為學(xué)術(shù)和工業(yè)領(lǐng)域的主要研究中心之一，隨著日益增加的研究趨勢(shì)和研究需要，能夠成功應(yīng)用最新的知識(shí)和信息則顯得格外的重要。隨著社會(huì)發(fā)展的需求，人們對(duì)溫箱的應(yīng)用和需求越來(lái)越廣泛，在工業(yè)生產(chǎn)和日常生活或科學(xué)實(shí)驗(yàn)中，我們隨處都可以看到溫箱的應(yīng)用。本文是將嵌入式技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)結(jié)合起來(lái)實(shí)現(xiàn)了基于網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的嵌入式溫箱控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)就是通過(guò)控制系統(tǒng)元件（傳感器、控制器、執(zhí)行器等），使用共享的網(wǎng)絡(luò)而實(shí)現(xiàn)信息（標(biāo)準(zhǔn)輸入和輸出、控制輸入等）的交換。通過(guò)TCP協(xié)議將嵌入式系統(tǒng)采集到的溫度信息發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)化控制與協(xié)調(diào)系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)并進(jìn)行計(jì)算和判斷后控制和協(xié)調(diào)單片機(jī)的行為。網(wǎng)絡(luò)化檢測(cè)系統(tǒng)通過(guò)以太網(wǎng)發(fā)布對(duì)單片機(jī)的控制信號(hào)，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)溫箱的溫度控制，該系統(tǒng)可應(yīng)用于遠(yuǎn)程操作和控制等領(lǐng)域。

1 系統(tǒng)工作原理

文中基于網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想開(kāi)發(fā)了遠(yuǎn)程溫箱控制系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)采用B/S結(jié)構(gòu)，即Browser/Server，瀏覽器/服務(wù)器結(jié)構(gòu)，就是只安裝維護(hù)一個(gè)服務(wù)器（Server），而客戶端采用瀏覽器（Browse）運(yùn)行軟件。該系統(tǒng)主要由客戶端模塊，互聯(lián)網(wǎng)Internet模塊，單片機(jī)控制器及被控對(duì)象模塊構(gòu)成。位于客戶端的用戶使用瀏覽器訪問(wèn)單片機(jī)控制器及被控對(duì)象模塊，在瀏覽器中登錄成功后，通過(guò)HTTP協(xié)議將數(shù)據(jù)自動(dòng)封裝為TCP或UDP然后在網(wǎng)絡(luò)上傳輸，然后通過(guò)網(wǎng)絡(luò)接口CS8900A將所有從客戶端傳送來(lái)的信息進(jìn)行自動(dòng)拆封出數(shù)據(jù)并傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)控制器及被控對(duì)象溫箱模塊進(jìn)行溫度控制，同理溫箱的溫度狀況也可以傳遞到客戶端模塊，從而實(shí)現(xiàn)客戶端與單片機(jī)之間通信，互聯(lián)網(wǎng)Internet模塊是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程客戶端與溫箱間的信息交互。單片機(jī)它主要接收遠(yuǎn)程客戶端的命令，完成對(duì)溫箱的控制，并將溫箱的溫度信息反饋給遠(yuǎn)程客戶端。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本溫控系統(tǒng)的主要芯片是單片機(jī)MSP430F149芯片MCU。主要的器件有：數(shù)模轉(zhuǎn)換器 DAC5571，鉑金電阻芯片，壓縮機(jī)，加熱絲，以太網(wǎng)控制器CS8900A網(wǎng)絡(luò)接口芯片RTL8019AS等。

硬件體系上單片機(jī)MSP430F149是系統(tǒng)的控制中心，它監(jiān)控各個(gè)功能模塊的啟動(dòng)和運(yùn)行，如圖溫度的測(cè)量部分，控制數(shù)據(jù)發(fā)送，并通過(guò)與網(wǎng)絡(luò)接口芯片RTL8019AS的連接實(shí)現(xiàn)與PC機(jī)的以太網(wǎng)通信[1]。

系統(tǒng)主要由遠(yuǎn)程控制端，Internet，CS8900A，MSP430F149單片機(jī)。位于遠(yuǎn)程控制端的用戶通過(guò)客戶機(jī)上的與INTERNER相連接的標(biāo)準(zhǔn)IE瀏覽器通過(guò)CS8900A以太網(wǎng)控制器與單片機(jī)之間通過(guò)通信從而實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的控制，達(dá)到溫度的控制[2]。系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)如圖1所示：

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of the power control unit test system

2.1 電源電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)需要使用+5 V和+3.3 V的直流穩(wěn)壓電源，其中MSP430F149及部分外圍電器需要+3.3 V電源，另外部分需要+5 V電源，在本系統(tǒng)中，以+5 V直流電壓為輸入電壓，+3.3 V由+5 V直接線性降壓。電源電路原理如圖2所示。

圖2 電源電路原理圖Fig.2 Power supply circuit principle diagram

2.2 溫度傳感器采集電路

DS18B20是一款小巧的溫度傳感器，它通過(guò)單總線協(xié)議與MCU進(jìn)行通信，。MCU與 DS18B20的硬件連接關(guān)系示意圖如圖所示，可知MCU的P2.4端口與DS18B20的DQ端連接，通過(guò)在MCU的IO端口模擬1-Wire協(xié)議的時(shí)序就能實(shí)現(xiàn)對(duì) DS18B20的讀寫(xiě)了[3]。溫度傳感器采集電路如圖3所示。

圖3 溫度傳感器采集電路原理圖Fig.3 Temperature sensor acquisition circuit principle diagram

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)的軟件部分主要包括實(shí)現(xiàn)溫度的采集和控制模塊，數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)，客戶端的遠(yuǎn)程控制3大部分。

3.1 溫度的采集和控制模塊

這個(gè)模塊的主要作用在于控制硬件設(shè)備，完成溫箱的溫度采集、顯示、控制功能。溫度的采集和控制模塊流程圖如圖4所示。

圖4 溫度的采集和控制模塊流程圖Fig.4 Temperature collection and control module flow chart

當(dāng)將要采集溫度數(shù)據(jù)時(shí)，MSP430F149將通過(guò) 溫度傳感器采集溫度，所用到得函數(shù)有：函數(shù)名稱：ReadTemp，功能：從DS18B20的ScratchPad讀取溫度轉(zhuǎn)換結(jié)果，返回值：讀取的溫度數(shù)值。函數(shù)名稱：uint Do1Convert（void），功 能：控制DS18B20完成一次溫度轉(zhuǎn)換，返回值 ：測(cè)量的溫度數(shù)值。

然后進(jìn)行A/D裝換將根據(jù)采集到的溫度數(shù)據(jù)設(shè)置寄存器的值，處理器讀取溫度數(shù)據(jù)到網(wǎng)絡(luò)控制器CS8900A中的發(fā)送控制寄存器TXCMD（0004H），如果寫(xiě)入數(shù)據(jù)，那么網(wǎng)卡芯片在全部數(shù)據(jù)寫(xiě)入后開(kāi)始發(fā)送數(shù)據(jù)，CPU通過(guò)發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器PORT0（0000H）發(fā)送數(shù)據(jù)，最后通過(guò)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到客戶端上?？蛻舳送ㄟ^(guò)網(wǎng)絡(luò)將命令發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)控制器CS8900A中的發(fā)送數(shù)據(jù)長(zhǎng)度寄存器TXLENG（0006H），首先寫(xiě)入發(fā)送數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，然后將數(shù)據(jù)通過(guò)PORT0寫(xiě)入芯片進(jìn)行接收，執(zhí)行相應(yīng)的控制操作。

3.2 數(shù)據(jù)傳輸?shù)能浖?shí)現(xiàn)

在通過(guò)網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸?shù)臅r(shí)候主要應(yīng)用的是TCP協(xié)議來(lái)實(shí)現(xiàn)收發(fā)數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)針對(duì)數(shù)據(jù)收發(fā)過(guò)程當(dāng)中所要用到的函數(shù)。因?yàn)镽TL8019AS里是帶緩存的，所以在CS8900A也需要通過(guò)對(duì)緩沖區(qū)的操作進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送和接受[4]。

在數(shù)據(jù)包收發(fā)的過(guò)程當(dāng)中，不同的任務(wù)需要不同的處理時(shí)間，這個(gè)時(shí)間可以使用MSP430F149的定時(shí)器Timer_A來(lái)提供。

3.3 客戶端的遠(yuǎn)程控制模塊

系統(tǒng)中遠(yuǎn)程控制端的用戶在建立HTTP服務(wù)器之后登陸與Internet相連接的瀏覽器中的控制頁(yè)面向 MSP430F149發(fā)送控制指令，這一過(guò)程需要進(jìn)行一系列的操作[5]，首先控制器端將通過(guò)因特網(wǎng)TCP/IP協(xié)議與串口協(xié)議之間的轉(zhuǎn)換傳輸過(guò)來(lái)，提取設(shè)備信息，通過(guò)和標(biāo)準(zhǔn)溫度比較，如果當(dāng)所測(cè)得的溫度高于標(biāo)準(zhǔn)溫度的時(shí)候，則輸出設(shè)備信息發(fā)出降溫標(biāo)示的信號(hào)，單片機(jī)通過(guò)CS8900A網(wǎng)卡接口接受因特網(wǎng)發(fā)送過(guò)來(lái)的降溫指示，然后通過(guò)控制壓縮機(jī)進(jìn)行降溫，如果當(dāng)所測(cè)得的溫度低于標(biāo)準(zhǔn)溫度的時(shí)候，則輸出設(shè)備信息發(fā)出加熱標(biāo)示的信號(hào)，單片機(jī)通過(guò)CS8900A網(wǎng)卡接口接受因特網(wǎng)發(fā)送過(guò)來(lái)的降溫指示，然后通過(guò)控制加熱絲進(jìn)行加熱。其中HTML（超文本鏈接標(biāo)示語(yǔ)言）網(wǎng)頁(yè)數(shù)據(jù)可以保存在MSP430F149的片內(nèi)FLASH存儲(chǔ)器中。網(wǎng)頁(yè)能夠完成接收數(shù)據(jù)、發(fā)送網(wǎng)頁(yè)數(shù)據(jù)、關(guān)閉連接和等待其它應(yīng)用進(jìn)行連接等[6]?？蛻舳说倪h(yuǎn)程控制模塊流程圖如圖5所示。

圖5 客戶端控制流程圖Fig.5 Client control flow chart

4 仿真結(jié)果分析

4.1 實(shí)驗(yàn)條件

溫箱的體積大小設(shè)定為1 m3；工作環(huán)境的維度為25℃；工作電壓：220 V，50 Hz。

4.2 溫箱控制系統(tǒng)的控制精度分析

為了能夠準(zhǔn)確的測(cè)試系統(tǒng)的控制精度，在測(cè)試的同時(shí)在溫箱安置一只標(biāo)準(zhǔn)的溫度計(jì)用來(lái)測(cè)實(shí)際溫度。通過(guò)設(shè)定不同的目標(biāo)溫度值，對(duì)溫箱進(jìn)行溫度控制，當(dāng)系統(tǒng)顯示的溫度趨于穩(wěn)定的時(shí)候，查看標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)所顯示的實(shí)際溫度的溫度值，將實(shí)際溫度和數(shù)碼管顯示溫度進(jìn)行比較，查看溫度誤差。具體的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄如表1所示。

表1 實(shí)際溫度值和數(shù)碼管溫度值誤差比較Tab.1 Actual temperature value and digital tube temperature value error comparison

4.3 溫箱控制系統(tǒng)的控制性能分析

為了測(cè)試系統(tǒng)的控制性能，文中采取控制變量的方法進(jìn)行控制性能的測(cè)試，主要包含3種情況：降溫到預(yù)設(shè)溫度、加熱到預(yù)設(shè)溫度、不同初始溫度達(dá)到預(yù)設(shè)溫度。通過(guò)仿真測(cè)試得到溫度變化曲線[7]如圖6～8所示。

圖6 降溫到預(yù)設(shè)溫度Fig.6 Cooling to the default temperature

圖7 加熱到預(yù)設(shè)溫度Fig.7 Heating to preset temperature

圖8 不同初始溫度達(dá)到預(yù)設(shè)溫度Fig.8 Different initial temperature reaches the preset temperature

從以上各圖中可以看出，所設(shè)計(jì)的溫箱控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)溫度的實(shí)時(shí)控制，達(dá)到預(yù)設(shè)的溫度值，并可以使溫度保持在一個(gè)穩(wěn)定的范圍內(nèi)，且溫度的穩(wěn)定誤差保持在0.5℃，達(dá)到了預(yù)期的控制效果，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

5 結(jié) 論

基于單片機(jī)的網(wǎng)絡(luò)控制實(shí)現(xiàn)溫控系統(tǒng)是以單片機(jī)為核心的軟硬件平臺(tái)的嵌入式系統(tǒng)。通過(guò)使用MSP430微處理器、溫度采集電路、溫度控制電路搭建硬件平臺(tái)，使用網(wǎng)絡(luò)控制平臺(tái)，設(shè)計(jì)出了一個(gè)基于嵌入式技術(shù)的遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)控制溫控系統(tǒng)。該系統(tǒng)體積小巧，電路連接簡(jiǎn)單，有效利用英特網(wǎng)的特性，用戶可以方便地進(jìn)行操作，增加用戶所需功能。從而提高了設(shè)備的智能程度，具有較高的工程實(shí)用價(jià)值。

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