基于單片機的網絡控制實現溫控系統的設計

徐淑萍，陳 飛，孫昌會

（1.西安工業大學計算機學院 陜西 西安 710032；2.鄭州市電子信息工程學校 河南 鄭州 450007）

網絡控制系統（NCSs）已經成為學術和工業領域的主要研究中心之一，隨著日益增加的研究趨勢和研究需要，能夠成功應用最新的知識和信息則顯得格外的重要。隨著社會發展的需求，人們對溫箱的應用和需求越來越廣泛，在工業生產和日常生活或科學實驗中，我們隨處都可以看到溫箱的應用。本文是將嵌入式技術和網絡控制技術結合起來實現了基于網絡控制系統的嵌入式溫箱控制系統的設計。網絡控制系統就是通過控制系統元件（傳感器、控制器、執行器等），使用共享的網絡而實現信息（標準輸入和輸出、控制輸入等）的交換。通過TCP協議將嵌入式系統采集到的溫度信息發送到網絡化控制與協調系統和網絡監測系統并進行計算和判斷后控制和協調單片機的行為。網絡化檢測系統通過以太網發布對單片機的控制信號，來實現對溫箱的溫度控制，該系統可應用于遠程操作和控制等領域。

1 系統工作原理

文中基于網絡控制系統的設計思想開發了遠程溫箱控制系統，整個系統采用B/S結構，即Browser/Server，瀏覽器/服務器結構，就是只安裝維護一個服務器（Server），而客戶端采用瀏覽器（Browse）運行軟件。該系統主要由客戶端模塊，互聯網Internet模塊，單片機控制器及被控對象模塊構成。位于客戶端的用戶使用瀏覽器訪問單片機控制器及被控對象模塊，在瀏覽器中登錄成功后，通過HTTP協議將數據自動封裝為TCP或UDP然后在網絡上傳輸，然后通過網絡接口CS8900A將所有從客戶端傳送來的信息進行自動拆封出數據并傳輸到單片機控制器及被控對象溫箱模塊進行溫度控制，同理溫箱的溫度狀況也可以傳遞到客戶端模塊，從而實現客戶端與單片機之間通信，互聯網Internet模塊是整個控制系統的核心，實現遠程客戶端與溫箱間的信息交互。單片機它主要接收遠程客戶端的命令，完成對溫箱的控制，并將溫箱的溫度信息反饋給遠程客戶端。

2 系統硬件設計

本溫控系統的主要芯片是單片機MSP430F149芯片MCU。主要的器件有：數模轉換器 DAC5571，鉑金電阻芯片，壓縮機，加熱絲，以太網控制器CS8900A網絡接口芯片RTL8019AS等。

硬件體系上單片機MSP430F149是系統的控制中心，它監控各個功能模塊的啟動和運行，如圖溫度的測量部分，控制數據發送，并通過與網絡接口芯片RTL8019AS的連接實現與PC機的以太網通信[1]。

系統主要由遠程控制端，Internet，CS8900A，MSP430F149單片機。位于遠程控制端的用戶通過客戶機上的與INTERNER相連接的標準IE瀏覽器通過CS8900A以太網控制器與單片機之間通過通信從而實現對現場設備的控制，達到溫度的控制[2]。系統體系結構如圖1所示：

圖1 系統總體結構圖Fig.1 Structure diagram of the power control unit test system

2.1 電源電路設計

本系統需要使用+5 V和+3.3 V的直流穩壓電源，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，它通過單總線協議與MCU進行通信，。MCU與 DS18B20的硬件連接關系示意圖如圖所示，可知MCU的P2.4端口與DS18B20的DQ端連接，通過在MCU的IO端口模擬1-Wire協議的時序就能實現對 DS18B20的讀寫了[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 系統軟件設計

本設計的軟件部分主要包括實現溫度的采集和控制模塊，數據傳輸的實現，客戶端的遠程控制3大部分。

3.1 溫度的采集和控制模塊

這個模塊的主要作用在于控制硬件設備，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

當將要采集溫度數據時，MSP430F149將通過 溫度傳感器采集溫度，所用到得函數有：函數名稱：ReadTemp，功能：從DS18B20的ScratchPad讀取溫度轉換結果，返回值：讀取的溫度數值。函數名稱：uint Do1Convert（void），功 能：控制DS18B20完成一次溫度轉換，返回值 ：測量的溫度數值。

然后進行A/D裝換將根據采集到的溫度數據設置寄存器的值，處理器讀取溫度數據到網絡控制器CS8900A中的發送控制寄存器TXCMD（0004H），如果寫入數據，那么網卡芯片在全部數據寫入后開始發送數據，CPU通過發送數據寄存器PORT0（0000H）發送數據，最后通過網絡發送到客戶端上。客戶端通過網絡將命令發送到網絡控制器CS8900A中的發送數據長度寄存器TXLENG（0006H），首先寫入發送數據長度，然后將數據通過PORT0寫入芯片進行接收，執行相應的控制操作。

3.2 數據傳輸的軟件實現

在通過網絡來實現數據的傳輸的時候主要應用的是TCP協議來實現收發數據，設計針對數據收發過程當中所要用到的函數。因為RTL8019AS里是帶緩存的，所以在CS8900A也需要通過對緩沖區的操作進行數據的發送和接受[4]。

在數據包收發的過程當中，不同的任務需要不同的處理時間，這個時間可以使用MSP430F149的定時器Timer_A來提供。

3.3 客戶端的遠程控制模塊

系統中遠程控制端的用戶在建立HTTP服務器之后登陸與Internet相連接的瀏覽器中的控制頁面向 MSP430F149發送控制指令，這一過程需要進行一系列的操作[5]，首先控制器端將通過因特網TCP/IP協議與串口協議之間的轉換傳輸過來，提取設備信息，通過和標準溫度比較，如果當所測得的溫度高于標準溫度的時候，則輸出設備信息發出降溫標示的信號，單片機通過CS8900A網卡接口接受因特網發送過來的降溫指示，然后通過控制壓縮機進行降溫，如果當所測得的溫度低于標準溫度的時候，則輸出設備信息發出加熱標示的信號，單片機通過CS8900A網卡接口接受因特網發送過來的降溫指示，然后通過控制加熱絲進行加熱。其中HTML（超文本鏈接標示語言）網頁數據可以保存在MSP430F149的片內FLASH存儲器中。網頁能夠完成接收數據、發送網頁數據、關閉連接和等待其它應用進行連接等[6]。客戶端的遠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 仿真結果分析

4.1 實驗條件

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

4.2 溫箱控制系統的控制精度分析

為了能夠準確的測試系統的控制精度，在測試的同時在溫箱安置一只標準的溫度計用來測實際溫度。通過設定不同的目標溫度值，對溫箱進行溫度控制，當系統顯示的溫度趨于穩定的時候，查看標準溫度計所顯示的實際溫度的溫度值，將實際溫度和數碼管顯示溫度進行比較，查看溫度誤差。具體的實驗數據記錄如表1所示。

表1 實際溫度值和數碼管溫度值誤差比較Tab.1 Actual temperature value and digital tube temperature value error comparison

4.3 溫箱控制系統的控制性能分析

為了測試系統的控制性能，文中采取控制變量的方法進行控制性能的測試，主要包含3種情況：降溫到預設溫度、加熱到預設溫度、不同初始溫度達到預設溫度。通過仿真測試得到溫度變化曲線[7]如圖6～8所示。

圖6 降溫到預設溫度Fig.6 Cooling to the default temperature

圖7 加熱到預設溫度Fig.7 Heating to preset temperature

圖8 不同初始溫度達到預設溫度Fig.8 Different initial temperature reaches the preset temperature

從以上各圖中可以看出，所設計的溫箱控制系統可以實現溫度的實時控制，達到預設的溫度值，并可以使溫度保持在一個穩定的范圍內，且溫度的穩定誤差保持在0.5℃，達到了預期的控制效果，具有一定的應用價值。

5 結 論

基于單片機的網絡控制實現溫控系統是以單片機為核心的軟硬件平臺的嵌入式系統。通過使用MSP430微處理器、溫度采集電路、溫度控制電路搭建硬件平臺，使用網絡控制平臺，設計出了一個基于嵌入式技術的遠程網絡控制溫控系統。該系統體積小巧，電路連接簡單，有效利用英特網的特性，用戶可以方便地進行操作，增加用戶所需功能。從而提高了設備的智能程度，具有較高的工程實用價值。

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