基于以太网的电热炉温度远程控制系统.docx
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基于以太网的电热炉温度远程控制系统
毕业设计论文
题目基于以太网的电热炉温远程控制系统设计
(院)系电气与信息工程系
专业自动化班级0103学号0101110302
学生姓名阳春美
导师姓名刘国繁
完成日期2005年6月18日
湖南工程学院
毕业设计(论文)任务书
设计(论文)题目:
基于以太网的电热炉温度远程控制系统
姓名阳春美系别电气与信息工程系专业自动化班级0103学号02
指导老师刘国繁教研室主任唐勇奇
一、基本任务及要求:
本课题的基本任务是研究基于以太网的炉温远程控制系统设计。
,能远距离对电热炉的温度实施有效控制。
主要技术要求:
①温控器以单片机为核心;②恒温值设定范围:
600~1000℃;③精度等级:
0.5级;④显示位数:
4位;⑤能与以太网直接连接,能远程设置控制参数和上传控制参数和实际温度等数据;⑥控制策略采用PID控制、模糊控制或二者结合。
主要设计内容:
①总体方案设计;②硬件设计;③控制算法设计;④软件设计。
侧重于控制算法和软件设计。
二、进度安排及完成时间:
①查阅资料,确定总体方案,完成选题报告及文献综述初稿。
3周。
②总体方案设计。
2周。
③确定硬件、软件的结构,拟定关键算法。
1周。
④控制算法详细设计。
2周。
⑤设计软件程序,调试。
4周。
⑥撰写毕业设计说明书,整理文档资料,答辩。
3周。
目录
摘要…………………………………………………………………………………………Ⅰ
Abstract…………………………………………………………………………………Ⅰ
第1章绪论…………………………………………………………………………………1
1.1选题的背景与意义…………………………………………………………………1
1.2相关知识简介………………………………………………………………………2
1.2.1BL2OOO简介………………………………………………………………2
1.2.2DynamicC概述………………………………………………………………2
1.3课题发展现状与前景展望………………………………………………………4
第2章系统总体方案的确定………………………………………………………………5
2.1系统设计的要求……………………………………………………………………5
2.2总体方案的确定……………………………………………………………………5
2.3嵌入式WebServer讨论……………………………………………………………7
第3章系统硬件电路设计…………………………………………………………………10
3.1系统硬件的总体结构设计………………………………………………………10
3.2系统硬件子模块的设计…………………………………………………………10
3.2.1BL2000的硬件结构………………………………………………………11
3.2.2温度检测元件和变送器设计……………………………………………12
3.2.3温度控制电路设计……………………………………………………13
第4章温度控制算法设计…………………………………………………………………15
4.1PID计算程序………………………………………………………………………15
4.2PID参数的整定……………………………………………………………………18
4.2.1PID参数与系统控制性能………………………………………………18
4.2.2采样周期T的确定………………………………………………………19
第5章基于DynamicC的系统软件设计…………………………………………………21
5.1温度控制程序设计…………………………………………………………21
5.2Web服务程序设计………………………………………………………………23
5.3HTML页面设计…………………………………………………………………29
5.3.1温度显示页…………………………………………………………………30
5.3.2参数配置页……………………………………………………………30
结束语………………………………………………………………………………………33
参考文献……………………………………………………………………………………34
致谢…………………………………………………………………………………………35
附录ABL2000程序………………………………………………………………………36
附录B网页源程序………………………………………………………………………40
B.1温度显示页面程序………………………………………………………………40
B.2参数配置页面程序………………………………………………………………40
基于以太网的电热炉温度远程控制系统
摘要:
本课题的基本任务是研究基于以太网的电热炉温远程控制系统设计。
能远距离对电热炉的温度实施有效控制。
系统主要由被控对象(电热炉)、温度控制器和客户浏览器三部分组成。
在被控对象和温度控制器之间设置过程控制接口,过程控制接口包括温度检测装置和调功器,温控器由单板机BL2010构成,完成接收客户端的请求和温度控制的功能。
温度控制采用PID控制策略。
BL2010通过自身的以太网接口与网络连接。
客户浏览器完成温度显示和参数设置的功能,通过以太网,将设置参数(恒温值、PID参数)传送给BL2010,实现远程监控。
关键字:
以太网;远程控制;电热炉
TheDesignofElectricStoveTemperatureLong-distanceControlSystemBasedonEthernet
ABSTRACT:
Thefundamentaltaskofthisprojectisstudyingtheelectricstovelong–distancecontrolsystemdesignbasedonEthernet,whichcanimplementeffectivecontroltoelectricstoveinalong-distanceway.Thesystemismainlymakeupofthepassiveobject(electricstove)、temperaturecontrollerandvisitorbrowser.Betweenpassiveobjectandtemperaturecontroller,therehavesetupaprocessinterface,whichembracetemperatureexamineinstallationandpowerregulator.Thetemperaturecontrollerismakeupofsingle-boardcomputerBL2000,finishingthefunctionofreceivingtherequestfromtheendofvisitorbrowserandcontrollingtemperature.PIDtacticsisadoptedintemperaturecontrol.BymeansoftheEthernetinterfaceofitself,BL2000jointogetherwithnetwork.Visitorbrowserfulfillthefunctionoftemperaturedisplayandsettingupparameter,bymeansofEthernet,whichconveythesetparameter(constanttemperaturevalueandPIDparameter)toBL2000,accomplishinglong-distancecontrol.
Keywords:
Ethernet,Long-distancecontrol,Electricstove
第1章绪论
1.1选题的背景与意义
在工业生产过程中,加热炉温度的控制是十分常见的。
一般的温度控制器大都功能简单、固定;只能修改一般的参数,不能根据实际环境修改控制程序,控制效果不甚理想。
单片机采用互连网进行通讯与控制具有很好的应用价值,可开拓单片机和互连网应用的新领域。
它可以很容易地实现远程的监视控制。
同时单片机采用浏览起进行监控也将给软件的编程带来极大的便利。
互连网的技术大多应用在商业领域的信息传递,但目前也开始越来越多的向工业控制领域发展。
单片机以其以及小、功能强、灵活可靠而广泛应用于工业控制和电器产品中,远程控制是其重要的内容之一。
现在单片机也开始向互连网方向发展,以求实现远程控制。
传统的实现单片机远程控制的方法一般是采用串行口RS232、RS485、和CAN总线等。
如果将单片机与调制解调器连接,这样便可以与远程计算机进行通讯联系,形成一种新的远程控制方案。
因而,根据现场实际,开发一种既照顾现场情况又考虑远程通讯的新的单片机控制方案将具有重大的意义[2]。
Wildcat为OEM设计者提供了低成本、高性能的单板计算机以实现以太网接入。
这些紧凑式板卡具有许多嵌入式控制和监视应用优点。
所有的BL2000系列模块可以使用恰当的辅助硬件通过以太网/互连网进行编程和调试。
带有10Base—以太网口的系统可以直接通过网络或互连网进行控制和监视,能够对远端设备开发接口,能够提供网页服务,还能够发送E-mail.BL2000系列对于大系统来说作为一个具有网络功能的服务处理器也是非常理想的。
BL2000系列的编程使用工业级的Z-Word的DynamicC软件开发系统。
动态C语言是基于Windows95/98/NT及Linux平台的Rabbit应用软件的完整开发系统,它作为应用程序运行于IBM-PC兼容机上,是Z-World公司为基于Rabbit微处理器的嵌入式系统而专门设计的C编译系统。
动态C包含了所有低层的I/O驱动函数库,大大减轻了软件开发的工作量。
它具有实时多任务内核,提供SOCKET级TCP/IP编程,支持各种网络协议(如HTTP、FTP、SMIP、PPP等)。
应用动态C进行软件开发,无需仿真器和编程器,开发成本大大降低。
另外,动态C直接对存储器进行编译,函数和库都是被动态的编译和连接的,因此具有极大的速度优势。
本课题来源于工业发展的现实需要,可用于学生的综合实验、课程设计、毕业设计以及工程实践能力培养训练等实践性环节教学中,其学习和训练项目可选择多种,在学生学习有关计算机技术及计算机控制系统的基础上,通过参加系统的一部分硬件、软件设计,以及系统的调试工作,培养学生综合运用计算机技术组成系统的调试设计能力,并给学生提供了运用所学控制理论知识,解决控制系统调试中出现的实际问题的机会。
本课题所需课程很多,包括:
单片机原理与接口技术、电子线路CAD、计算机控制技术、计算机网络、因特网技术、自动控制技术等。
因此,对于本课题的研究可以更深刻全面的把所学知识融会贯通,对于自动化专业的学生是一个难得的实践。
1.2相关知识简介
1.2.1BL2000简介
Wildcat为OEM设计者提供了低成本、高性能的单板计算机以实现以太网接入。
这些紧凑式板卡具有许多嵌入式控制和监视应用优点,电路板尺寸为3.43x4.15英寸,非常适合系统集成。
BL2000具有4种版本—其中两种具有以太网接口,另外两种没有以太网接口—所有BL2000都具有28个数字I/O(包含5或7个双功能模拟、数字输入),3个RS-232/485串行口,Rabbit2000CPU(22.1MHz,128K的SRAM及256K的Flash(可扩展),在板的单刀双掷继电器输出,LED显示,7个定时器,备用电池的时间/日期时钟。
对于最常见的应用,BL2000和BL2020模块包含4通道12-位A/D输入,5通道双功能输入,以及2通道12-位D/A输出。
对于不需要高精度模拟数据采集的情况可以选用BL2010及BL2030,具有4通道10-位A/D输入,7通道双功能输入,没有D/A输出。
双功能输入是由软件设置的,可配置成模拟输入或带域值的开关量输入。
所有的BL2000系列模块可以使用恰当的附助硬件通过以太网/互联网进行编程和调试。
带有10Base-以太网口的系统可以直接通过网络或互联网进行控制和监视,能够对远端设备开放接口,能够提供网页服务,还能够发送e-mail。
BL2000系列对于大系统来说作为一个具有网络功能的服务处理器也是非常理想的。
BL2000系列的编程使用已工业级的Z-World的DynamicC®,Premier软件开发系统。
1.2.2DynamicC概述
DynamicC是一个专门为Z-World产品创建的集成的C编译器、编辑器、链接器、装载器和调试器。
它的设计是用来替代昂贵的电路仿真器,DynamicC允许您快速开发您的应用,加快产品投放到市场的时间。
对于标准C来说,DynamicC的改进和差异在于使得在功能强大的嵌入式系统上进行实时编程变得非常容易。
语言的扩展包括多任务和优先多任务的的构造,当供电失败时,能够保护写入变量,能够写入到中断程序中去。
标准C函数库,特定板的外围驱动,芯片外围设备,以及其他的性能以源代码的形式包含在DynamicC中。
完全支持汇编语言,在对时间要求较高的应用中,汇编代码可以方便的与C代码混用[7]。
产品性能:
(1)带单步编译、链接和目标下装的快速编译;
(2)全功能的源代码和/或汇编级的调;
(3)源代码库中的数百个函数和例题程序;对浮点运算和先验函数的快速支持;RS-232和RS-485串行通信;模拟和数字I/O驱动;I2C,SPI,GPS,加密,文件系统(在以前的版本中);
(4)包括多任务和优先多任务的强大的语言扩展能力;
在没有DynamicC的时候可以利用装载应用程序将二进制映像装载到Z-World目标板中;
通过使用库函数特殊形式创建“函数描述”块内容来创建自己的源代码库和扩展在线帮助;
(5)生成程序使用最多512K的SRAM存储数据,使用512K的闪存或EPROM存储代码。
DynamicC新特性:
(1)堆栈语法跟踪-在单步或断点程序停止时,能显示程序中函数调用路径。
同时支持显示堆栈自动变量和参数的名称和值;
(2)增强表达式监视-在键入结构体名字后,其值能够以树形结构显示。
不在需要单独添加结构体各个成员;
(3)执行跟踪-支持跟踪代码执行并且保存跟踪信息在宿主PC中。
跟踪点可以是任何函数调用,任何一行C代码或用户设置的跟踪点。
结果也可显示在跟踪窗口;
持久的断点-当编辑模式和调试模式切换及文件被关闭并重打开,断点信息被保留。
支持编译模式下设置断点;
(4)运行目标锁定-如果程序没有被改变,允许不经编译和下载,重进编译模式。
有助于当与目标通讯失效或目标程序崩溃恢复调试;
(5)增强内存下传-程序单步在每一行C或汇编语句执行时,被改变的数据在MemoryDump窗口被以高亮或用户定义的颜色显示;
(6)TCP/IP提高-减少TCP/IP对Root内存的使用并提高TCP/IP速度;
(7)SMTP认证-支持E-Mail服务器认证。
1.3课题发展现状与前景展望
随着超大规模集成电路的发展及计算机软件技术和应用技术的日益成熟和完善,其正朝着以下方向发展:
提高集成度;提高处理速度;增强功能;加强软件支持能力,提高性能价格比。
温度控制电路广泛应用干社会生活的各个领域,如家电、汽车、材料、电力电子等,常用的控制电路根据应用场合和所要求的性能指标有所不同。
随着电子器件的发展,控制电路的形式也多种多样,无论是神经网络,还是模糊控制,都属干人工智能领域,同PID结合以调节PID参数,适应温控系统非线性,干扰多,大时延,时变和分布变化的特点。
神经网络采用自适应的方法,具有很强的鲁棒性,动态响应快。
缺点是容易陷入局部最优。
模糊控制适应大惯性和纯延滞后系统,不需要知道系统的精确信息,与神经网络结合,能向自适应的方向发展。
实现温控系统的参数自调整,将线性控制与非线性相结合,使温度能满足用户的需要是温控系统的最终目的。
在实际应用中,应该根据具体的应用场合、不同的加热对象和所要求的控制曲线和控制精度,选择不同的系统方法。
单片机采用互连网进行通讯与控制具有很好的应用价值,可开拓单片机和互连网应用的新领域。
它可以很容易地实现远程的监视控制。
同时单片机采用浏览器进行监控也将给软件的编程带来极大的便利。
其应用于家电行业,实现对家电的智能控制和远程控制,是信息家电要实现的主要目标,也是“三网”(电话网、电视网、互连网)合一的重要组成部分,是当今信息技术研究的热点之一,具有重要的经济效益和社会效益,且具有良好的应用前景,如可以通过远程更改程序及远程单片机诊断实现新的控制功能,还可以与无连接,实现单片机的移动控制以及构成信息家电等[5]。
企业需求的人才由理论型向实用型的转变,学生的动手能力培养就是一个很重要的环节,虽然市场上有各种各样的温度控制器买,但是缺少学生实践的功能,价格也很昂贵,此系统的开发将会有很好的市场,不仅能用于教学,还可以用于工业生产中,可谓一举两得。
第2章系统总体方案的确定
2.1系统设计的要求
本课题研究基于以太网的炉温远程控制系统设计。
要求该控制系统能与以太网直接连接,作为一个网络节点与其他节点通信,能远距离对电热炉的温度实施有效控制。
主要设计内容为:
控制系统的结构设计、控制系统的硬件原理设计、通信方案的设计与实现、控制系统软件设计。
主要技术要求:
(1)温控器以单片机为核心;
(2)恒温值设定范围:
600---1000;
(3)精度等级:
0.5级;
(4)显示位数:
4位;
(5)能与以太网直接连接,能远程设置控制参数和实际温度等数据;
(6)控制策略采用PID控制、模糊控制或二者结合。
2.2总体方案的确定
本次课题的基本任务是研究基于以太网的炉温远程控制系统设计,能远距离对电热炉的温度实施有效控制。
即控制现场与以太网连接,远程设置控制参数和上传控制参数和实际温度等数据。
于是有以下图2.1的客户机/服务器模型。
图2.1客户机/服务器模型
客户机/服务器的程序设计模式在网络程序中被大量的应用,本系统也采用这种设计方法。
这种设计模式整个系统分为两大部分——服务器部分和客户机部分。
客户机向服务器提出请求,服务器对请求做相应的处理,将结果返回给客户机。
Web服务器一方作为主机,客户机一方作为从机[16]。
在系统中,当用户在远程客户机上打开浏览器程序(MicrosoftInternetExplorer),并在浏览器中输入指定IP地址(如http:
//202.197.240.100),浏览器便向该地址指向的Web服务器发出请求,通过网络传输,送到与控制现场连接的Web服务器,也即IP地址指向的Web服务器。
Web服务器接到浏览器的请求后,把URL转换成页面所在服务器上的文件路径名,把指向的HTML文档及用户编写的一些小应用程序(applet)、如CGI或ASP等程序送到浏览器,在浏览器所在机器上显示和执行。
涉及到本课题,采用BL2010单板机实现,正如前面所述,BL2010是一嵌入式控制器,自身带有RJ-45的10BASE-T以太网接口,可以直接与以太网相连,非常方便。
整个系统的工作流程如图2.2所示。
而Web服务器程序用DynamicC语言编写,利用其内嵌的TCP/IP协议栈,实现了网络通信的系统设计。
系统以嵌入式Webserver技术为基础,结合Rabbit2000的网络通信功能,利用现有的以太网技术(如HTTP、CGI等),将采集到的现场数据通过网页的形式,提供给远程用户使用。
该系统的设计难点之一在于如何利用RabbitMPU有限的资源信息,使用其内嵌的TCP/IP协议栈,进行HTTP、TCP、UDP、IP等协议的处理,使之可以变成可在互联网上传输的IP数据包以及可在内置Web页上浏览的数据。
难点之二在于实现通过网页进行远程访问的能力,解决这个问题要通过对RabbitMPU进行TCP/IP编程,将其配置成一个简单的Web服务器,就可以以网页服务的形式将现场数据传递给远程用户。
浏览器与Web服务器的交互是通过RabbitWeb程序来完成的。
RabbitWeb程序是一段运行在Web服务器上的程序,可以是可执行文件,也可以是脚本文件。
RabbitWeb程序可以动态地产生HTML网页,因此可将实时采集到的数据通过网页发回给客户机。
RabbitWeb通常是客户机与服务器中其它程序进行信息传递与沟通的桥梁。
在以前DynamicC语言版本中,浏览器与Web服务器的交互都是通过CGI程序来完成的,但DynamicC发展8.5版本后,一种非常简单与方便的增强版本(RabbitWebHTTPenhancements)出现了,用它来编写浏览器与Web服务器的交互更方便,并且非常容易理解。
与它配套的是扩展的ZHTML脚本语言,用ZHMTL脚本语言编写动态网页,也非常容易,这将在后面的程序设计中详细介绍。
注意,增强版只是以前版本的提高版本,因此以前版本的程序(CGI)仍然有用,用户亦然可以用CGI程序来编程实现浏览器与Web服务器的交互。
浏览器与Web服务器的交互是通过RabbitWeb程序来完成的。
RabbitWeb程序是一段运行在Web服务器上的程序,可以是可执行文件,也可以是脚本文件。
RabbitWeb程序可以动态地产生HTML网页,因此可将实时采集到的数据通过网页发回给客户机RabbitWeb通常是客户机与服务器中其它程序进行信息传递与沟通的桥梁。
图2.2系统工作流程图
2.3嵌入式WebServer讨论
利用8位微控制器通过ISP(Internet服务供应商),在不需要使用PC机或高档单片机的情况下接入互联网。
随着嵌入式系统的迅猛发展和IA(信息电器)的出现,该应用系统正逐步取代传统的以PC为中心的应用,成为未来Internet发展中的主力军;将会广泛应用于智能家居系统、工业智能化从站系统、LED网络控制显示屏系统、网络安全加密系统等各个方面。
利用单片机实现嵌入式WebServer方案的主要技术难点是:
如何利用单片机本身有限的资源对信息进行HTTP、SMTP、POP3、TCP、UDP、ICMP、IP及PPP等协议的处理,使之变成可以在互联网上传输的IP数据包以及可以在内置Web页上浏览的数据。
利用单片机实现嵌入式WebServer,大体可有以下三种形式:
①MCU+专用网络芯片,如E1552、Webchip PS2000等。
此种方案的主要优点是:
应用系统设计工程师完全不必考虑任何网络协议,只需要解释并执行网络芯片传送过来的指令和数据就可以实现与Internet网络连接。
②EMIT技术。
EMIT采用桌面计算机或高性能的嵌入式处理器作为网关,称为emGateway,上面支持TCP/IP协议并运行HTTP服务程序,形成一
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- 基于 以太网 电热炉 温度 远程 控制系统