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温湿度控制器范文1
【关键词】STM32F0xx;温湿度控制;智能化;RS-485
Intelligent Temperature and Humidity Controller Design Based on STM32F0xx
LI Shu-guang LIU Yi-fan ZHANG Xu ZHOU Rui-min
(Henan Pinggao Eletric Co.,Ltd., Pingdingshan Henan 467001, China)
【Abstract】Based on the STM32F0xx, the author introduces a kind of intelligent temperature and humidity controller design method and function implementation. The controller can realize temperature and humidity control inside power supply control cabinet and temperature and humidity auxiliary display outside the cabinet.
【Key words】STM32F0xx; Temperature and Humidity control; Intelligent; RS-485
0 引言
在电力系统中,供电可靠性要求很高。汇控柜、开关柜等供配电设备工作环境的温度、湿度是影响设备安全可靠运行的重要因素。高温会加速电子元器件老化;低温、潮湿环境会使设备表面凝露,降低绝缘性能,增加了爬电、闪络等事故发生的可能性[1]。
本文介绍了一种基于STM32F0xx的智能温湿度控制器的硬件设计及软件实现方法,该控制器可实现控制柜内温湿度控制和控制柜外温湿度显示;结合RS-485总线技术和上位机软件,可实现控制器定值的远程设定、温湿度数据上传及远程控制,满足设备智能化及网络化的发展需求。
1 硬件电路设计
本控制器以STM32F030F4为核心控制单元,系统外扩串行EEPROM为24C02,容量256字节,地址范围为0x0000~0x00FF,能够满足系统参数的实时存取;控制器包含两个4位数码管、5个状态指示LED、四个设置按键,具有手动启停功能;采用AM2301数字温湿度传感器,可同时实现对环境温度、湿度的控制;结合RS-485总线技术和上位机软件,可实现控制器定值的远程设定、温湿度数据上传及远程控制。
1.1 主控制器设计
图2所示为STM32F030F4电路,该MCU内核为ARM 32-bit Cortex-M0,工作电源电压2.4V~3.6V,最高工作温度85℃,最低工作温度-40℃,20个引脚,15个I/O输入输出端口,接口类型包含I2C、SPI、UART等,CPU最高频率48MHz,16K字节Flash,4K字节RAM,5个16位定时器,1个12位ADC,16个A/D通道[2]。
路
1.2 数字温湿度采集模块
AM2301湿敏电容数字温湿度模块是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器,采用单总线接口,具有体积小,功耗低等优点。
由于AM2301采用单总线通信方式,接受指令和输出温湿度数据通过一根线完成,为了提高系统的抗干扰性,AM2301与MCU之间采用TLP118高速光耦合器隔离,如图3所示。其中V1、V2为肖特基二极管。
图3 TLP118光电耦合隔离电路
1.3 数字温湿度显示模块
控制器采用TM1638驱动控制两排共阴极数码管,TM1638管脚功能如表1所示:
控制器具有上下两排4位共阴极数码管,上排数码管第一位显示温度正负、后3位显示温度值,下排数码管后3位显示湿度值,如果两路温湿度传感器均启用,则每隔3秒,切换温湿度测量通道,轮流显示。
控制器设置手动/自动按键、设置按键、减少按键、增加按键四个按键,分别对应芯片引脚K1,K2和KS1,KS2组成的键矩阵。键扫数据储存地址如图4所示。
装置共设置9个参数设置界面,显示界面与参数对应关系如表2所示。
注:回路1排风扇控制回路、回路2加热器控制器回路
按下设置按键即可进入参数设置界面,通过加、减键调整值的大小,调整好参数值再次按下设置键保存,若调整参数值后十秒内没有按下设置键,则不保存设定值并返回温湿度显示界面。
1.4 温湿度控制策略
结合工程实际需求和应用,制定了一下温湿度控制策略。
启动排风:当系统获取的环境温度高于温度控制回路1启控值,启动排风。
停止排风:当系统获取的环境温度低于温度控制回路1启控值与温度控制回路1停控回差值之差时,停止排风。
启动加热:当系统获取的环境温度低于温度控制回路2启控值时,启动加热;当系统获得的环境湿度大于湿度控制回路2启控值且环境温度不高于温度控制回路1启控值,启动加热。
停止加热:当系统获得的环境温度大于温度控制回路2启控值与温度控制回路2停控回差值之和时,停止加热。
2 软件设计方法
系统软件主函数主要是由软件抗干扰模块,系统初始化模块,主循环模块组成。图5为主函数流程图。
3 Modbus通信
结合RS-485总线技术和上位机软件,可实现温湿度采集数据及设备状态参数的远传,通信接口为2线制半双工RS-485接口,波特率为9.6Kbps,8位数据位,1位停止位,无校验位和无流控。
该装置支持Modbus RTU协议的04和06命令。04(0x04)为读输入寄存器功能码,使用该功能码能够从一个远程设备中读取1~125个连续输入寄存器。06(0x06)为写单个寄存器功能码,使用该功能码能够在一个远程设备中写单个保持寄存器。同时,Modbus RTU协议还支持差错码0x86、异常码01(功能码错误)、异常码02(输出地址错误)、异常码03(输出数据错误)和异常码04(从设备忙),采用CRC校验方式。
Modbus寄存器状态地址分配如表3所示。
(上接第60页)4 结束语
在实际应用中,通过温湿度传感器采集汇控柜、开关柜等供配电设备柜体内外的温湿度数据,经MCU处理后输出继电器控制信号,再通过继电器加热器和风扇启停。
实践表明,以此方法设计的智能温湿度控制器方便应用,抗电磁干扰性能强,结合RS-485总线技术和上位机软件可方便的实现柜体内温湿度控制及远程查看。
【参考文献】
[1]方严,王晓明.一种智能温湿度控制器的设计[J].器件与设备,2006.
温湿度控制器范文2
关键词:高性能混凝土;施工;温度;控制
中图分类号:TU528文献标识码: A 文章编号:
1、温度裂缝出现的原因
(1)大体积混凝土在硬化期间,水泥水化后释放大量的热量,使砼中心区域温度急剧升高,而砼表面和边界由于受气温影响温度较低,从而形成较大的温差,使砼的内部产生压应力,表面产生拉应力, 当拉应力大于混凝土允许拉应力的时候,便会产生表面裂缝。
(2)大体积混凝土热量散失很慢,使温度峰值很高。当混凝土的水化热达到温度最高点后,混凝土内部冷却时就会收缩,且由于水分的散失,使收缩加剧,从而在混凝土内部产生拉应力。当拉应力大于混凝土允许拉应力的时候,便会产生内部裂缝。
2、温度控制方案
2.1 必须采取温度控制的方面
⑴原材料温度控制;
⑵混凝土出机温度;
⑶混凝土入模温度;
⑷养护期间混凝土内部温度
⑸养护期间混凝土内部与表面温差
⑹养护期间混凝土表面与环境温差
⑺养护用水温度
⑻拆模时混凝土内部与表面温差
⑼拆模时混凝土表面与环境温差
2.2 具体温控措施
2.2.1 混凝土配合比优化
试验室尽快做好夏期施工配合比优化,将新配比报监理及咨询同意后尽早投入使用。对大体积混凝土宜选用水化热较低的水泥,在保证混凝土各项性能指标的情况下适量增加粉煤灰的掺量,外加剂宜选用缓凝型减水剂,并根据施工需要要求厂家调整凝结时间,根据气温适当增加坍落度。
2.2.2 混凝土热工性能计算
混凝土拌合前,必须经过科学合理的热工计算,确保混凝土的拌合温度、出机温度、入模温度都符合规范要求,即混凝土的拌合温度、出机温度不得大于30℃,混凝土入模温度不宜高于30℃,大体积混凝土入模温度不得大于28℃。
通过计算,确定原材料的温控措施,确定养护期间降温措施,确保养护期间混凝土的内部最高温度不宜大于65℃,混凝土内部温度和表面温度之差、表面温度和环境温度之差不宜大于15℃。
2.2.2.1 混凝土拌合温度计算
混凝土拌合温度计算按以下几个步骤进行:
⑴试验人员测试粗、细骨料的含水率计算混凝土施工配合比;
⑵测量各原材料的温度;
⑶用表格计算法计算混凝土拌合温度
将每方砼原材料重量、温度比热及热量填入下表:
混凝土的拌合温度由公式Tc=∑T×W×C/∑W×C
如果Tc≤30℃,则进行下一步计算;如果Tc>30℃,则对原材采取降温措施,重新用表格计算法计算混凝土拌合温度。
2.2.2.2 混凝土出机温度Ti
搅拌楼的温度对混凝土的出机温度也有很大的影响,
由公式Ti=Tc-0.16×(Tc- Td),其中:Td:搅拌楼温度(℃)。如果混凝土的出机温度Ti≤30℃,则进行下一步计算;如果Ti>30℃,则采取措施降低搅拌楼的温度或者降低混凝土的拌合温度,若采用降低混凝土拌合温度的措施,则需要降低原材料的温度,并重新计算混凝土拌合温度和出机温度。
5.2.2.3 混凝土入模温度Tj
混凝土入模温度不宜高于30℃,大体积混凝土入模温度不得大于28℃。由公式Tj=Ti+(Tq-Ti)(A1+A2+A3),其中:
Tq—室外平均气温,取天气预报的平均气温;
A1—砼装卸温度损失系数,每次装卸温度损失系数Ai=0.032,每盘混凝土为2方,6方的混凝土罐车装卸次数为3次,A1=0.032×3=0.096,8方的混凝土罐车装卸次数为4次,故A1=0.032×4=0.128;
A2—砼运输时温度损失系数, A2=t&, t—运输时间(min)平均取t=30 min,&--砼运输时热损失值,搅拌运输车取&=0.0042,故A2=0.0042×30=0.126
A3=0.03 t, t为浇捣时间,取t=20 min,则A3=0.03×20=0.6。
若计算得的混凝土入模温度Tj不大于30℃,大体积混凝土不大于28℃,则混凝土温度符合规范要求;若计算得的混凝土入模温度Tj大于30℃,大体积混凝土大于28℃,必须采取相应的温控措施,降低混凝土的拌合温度、出机温度。
2.2.2.4 混凝土水化热绝热温升值计算
水泥水化过程中,放出的热量称为水化热。当结构截面尺寸小,热量散失快,水化热可以不考虑。但对大体积混凝土,混凝土在凝固过程中聚集在内部的热量散失很慢,常使温度峰值很高。为确保养护期间混凝土的内部最高温度不宜大于65℃,需要计算混凝土水化热温度升高值。假定结构物四周没有任何散热和热损失条件,水泥水化热全部转化成温升后的温度值,则混凝土的水化热绝对温升值一般可按下式计算: ,
式中:T(t)为浇完一段时间t,混凝土的绝热升温值(℃);
mc为每立方米混凝土水泥用量;
Q 为每千克水泥水化热量(J/kg),本作业工区采用水泥全是425号普通硅酸盐水泥,Q=377 J/kg;
C为混凝土的比热容,取0.96Kj/(kg*K);
ρ为混凝土的质量密度,取2400 kg/m3;
e为常数,等于2.718;t为混凝土龄期(d);
m为与水泥品种比表面、浇捣时温度有关的经验系数,夏期施工浇筑温度取30℃,则m值取0.406;
Tmax为混凝土最大水化热温升值,即最终温升值。
则:C40混凝土;
C35混凝土; ;
C30混凝土: 。
入模温度按30℃计算,则混凝土的内部最高温度均不大于65℃,满足规范要求;但是混凝土内部温度和表面温度之差大于15℃,需要采取埋置冷却水管的措施降低混凝土内部温度,确保混凝土内部温度和表面温度之差不大于15℃。
2.2.2.5 混凝土拌合水中加冰量的计算
在为降低混凝土拌合温度需要降低拌合水温度时,优先采用经检验合格的地下井水,当采用井水不能满足温度要求时,采取在拌合水中加入冰屑的措施来降低混凝土拌合温度,可以根据需要降低水温来计算加冰量:
,式中X—每吨水需要加冰量;TWO—加冰前的水温;TW—加冰后的水温。
2.2.3 原材料温控措施
⑴砂石料仓搭盖砂石遮阳棚,避免阳光直晒,避免曝晒造成砂石料温度过高,导致砼拌合温度增高。定时在砂石料堆上喷洒经试验合格的井水来降温,洒水频率按气温和拌合温度对砂石原材料的温度的要求确定。
⑵拌合用水采用温度比较低的经过试验合格的井水,当井水还不足以满足混凝土入模温度不大于30℃的要求,则采用冰水做为拌合水,每吨水需要加入冰屑的重量根据加冰前水温和需降至的水温确定。
⑶搅拌站料斗、水池、皮带运输机、搅拌楼都要采取遮阳措施,避免阳光直晒,降低搅拌楼温度,并尽量缩短搅拌时间。
⑷应使用有一定休整期和冷却降温时间的储存水泥、粉煤灰、矿粉,避免使用刚运到的水泥、粉煤灰、矿粉温度太高而导致砼入模温度增高。
⑸水泥筒仓搭设遮阳棚遮挡,定时对水泥筒仓洒水。水泥进入搅拌机的温度不宜大于45℃。
2.2.4 混凝土的搅拌、运输及浇筑
2.2.4.1混凝土的搅拌
尽可能在气温较低的晚上搅拌混凝土,以保证混凝土的入模温度满足规范要求,混凝土的入模温度不宜高于30℃,大体积混凝土入模温度不得大于28℃。搅拌前必须经过科学的热工计算,温度指标满足要求后方能开始搅拌。
在搅拌站拌出首盘混凝土后,及时对拌合物的坍落度、含气量、出机温度、泌水率、水胶比等进行测定,判定是否满足要求以便进行调整,指导下一盘混凝土的搅拌。
当高温施工不可避免时,应通过试验撑握混凝土在不同温度、不同原材料等的情况下坍落度的损失情况。制定相应的措施,根据气温适当增加混凝土的出机坍落度,保证混凝土到坍落度施工现场时符合施工要求。
2.2.4.2混凝土的运输
(1)采用混凝土运输车运输混凝土,混凝土运输车在不使用时,停在遮阳蓬下,避免阳光直晒而提高罐体温度,装混凝土前先使用地下井水浇一遍罐身,降低混凝土罐车自身温度。
(2)尽可能减少混凝土的转载次数和运输时间。夏季施工应保证砼运输能力和搅拌能力相匹配,以保证浇筑工作的连续性,以防止结构出现施工缝。
(3)气温较高时,经常测定混凝土坍落度的损失情况,以调整运输、滞留时间及采取其他特殊措施,保证砼泵送入模的塌落度。
(4)运输混凝土过程中以2~4r/min的速度慢速搅拌混凝土,严禁在运输过程加水搅拌。在混凝土浇筑前应高速反向旋转强力搅拌20~30s,如果有离析现象或塌落度损失过大的现象,在技术员和试验员的指导下,加入减水剂,高速搅拌3分钟以上达到施工要求后方可施工。处理后指标还是不符合要求的混凝土不得浇筑,必须退回搅拌站重新拌合。
5.2.4.3混凝土的浇筑
⑴夏期浇筑混凝土前,应作好充分准备,保证连续浇筑,砼从搅拌到浇筑不宜大于1.5小时。混凝土罐车在等待过程中,需要以2~4r/min的速度慢速搅拌混凝土。设专人测量混凝土的入模温度,当入模温度超过规范要求时应采取相应措施。
⑵当采用泵送施工时,在符合规范要求的同时,泵管布置应尽量缩短,并用麻袋或草衫包裹润湿,降低混凝土的入模温度。
⑶混凝土浇筑前应将模板或基底喷水润湿,浇筑宜连续进行,施工中工作面不宜太大,严禁先浇筑混凝土等待时间太长,超过初凝时间形成施工缝。
⑷应加快混凝土的修整速度,修整时可用喷雾器喷少量水防止表面裂纹,但不准直接往混凝土表面洒水。
⑸当遇到大体积混凝土施工时,应尽量减少混凝土在高温下暴露时间太长,降低入模温度。避免模板和新浇混凝土受阳光直射,控制混凝土入模前模板和钢筋的温度以及附近的局部温度,不超过40℃。
⑹大体积混凝土施工,混凝土浇筑应安排在气温较低的夜间施工,尽量安排在气温高的白天进行,也不能在早上浇筑以免气温升到最高时加剧混凝土内部温升。
⑺混凝土入模温度不得高于30℃,大体积混凝土入模温度不得大于28℃。
⑻施工时在混凝土浇筑地,设专人对拌合物坍落度、含气量、入模温度等进行测定,不符合满足要求的禁止入模。
⑼预应力混凝土箱梁夏期现浇施工,浇注时间不宜超过6h,最长不得超过混凝土的初凝时间。
2.2.5 混凝土的养护
2.2.5.1 养护期间温度监测方案
⑴承台温度测量方案
承台施工按大体积混凝土施工,为满足混凝土内部温度和表面温度之差不大于15℃的规范要求,必须对混凝土内部温度进行监测并根据混凝土内部与表面的温差采取对应的降温措施。
每个承台布置四根外径10mm、内径6mm的中间空心的铜管。对于承台高度为2.0m的管长1.2m,埋入混凝土内部1.1m;对于承台高度为2.5m的管长1.4m,埋入混凝土内部1.3m;对于承台高度为3.0m的管长1.7m,埋入混凝土内部1.6m;对于承台高度为3.5m的管长1.9m,埋入混凝土内部1.8m;对于承台高度为4.0m的管长2.2m,埋入混凝土内部2.1m。3#管布置于承台中央,1#、2#、4#管距承台边缘1.0m。
每隔1小时用水银温度计插入铜管中测量混凝土内部温度,详细记录测温时间、各测点温度、平均温度、混凝土表面温度以及记录时大气温度。根据温差制定降温措施。
⑵实心墩温度测量方案
对于双柱墩,在浇筑混凝土时,在每个墩中心预埋外径10mm、内径6mm的中间空心的铜管,预埋深度为从墩顶往下至墩高的一半,墩顶露出10cm。
每隔1小时用水银温度计插入铜管中测量混凝土内部温度,详细记录测温时间、各测点温度、平均温度、混凝土表面温度以及记录时大气温度。根据温差制定降温措施。
⑶温度监测资料是温差控制措施的指导性资料,必须指定责任心强的人专门负责,记录人员必须认真、如实记录,必须按照测温要求的频率、测点等要求测量,不得漏测、估计。记录资料是质量控制的重要资料,必须按资料管理办法进行保管和存档。
2.2.5.2 养护期间温度控制方案
规范要求:混凝土养护期间,混凝土内部最高温度不宜超过65℃,混凝土内部温度和表面温度之差、表面温度与环境温度之差不宜大于20℃(墩台、梁体混凝土不宜大于15℃),养护用水温度与混凝土表面温度之差不得大于15℃。
为了有效控制温差,必须制定科学的、合理的、可操作的温控措施,并严格按照措施实施,确保温差符合规范要求。
⑴混凝土浇筑完后,应及时对混凝土暴露面进行紧密覆盖,尽量减少暴露时间,防止表面水分蒸发。及时用塑料薄膜包裹并定时撒水养护,暴露面的保护层混凝土初凝前,应卷起覆盖物,用抹子搓压表面至少二遍,使之平整后再次覆盖。此时应注意覆盖物不要直接接触混凝土表面,直到混凝土终凝为止。
⑵塑料薄膜包裹包裹好后,立即注水,时刻保证墩身表面处于潮湿状态,并排专人及时补水,保证塑料薄膜内表面应具有凝结水珠。由于水的比热较大,白天外界温度升高很快,水升温较慢,晚上外界温度降温较快,而水降温较慢,以此方法可以确保混凝土表面温度与环境温度之差不大于15℃。
⑶混凝土拆模后,在混凝土表面处于潮湿状态时,迅速采用麻布 或草袋将墩顶暴露面混凝土覆盖,用塑料薄膜将墩身表面包裹。包裹期间,塑料薄膜应完好无损,彼此搭接完整,内表面应具有凝结水珠。的洒水养护宜用自动喷水系统和喷雾器。湿养护应不间断,不得形成干湿循环。
⑷采取潮湿养护措施,保持潮湿状态不少于10天。侧模松开后应自上而下浇水养护。
⑸墩身养护期间当遇到大风天气,需要对迎风面提高洒水频率,保证迎风面和背风面都处于潮湿状态,避免迎风面因水分损失过大而产生表面收缩裂纹。
⑹养护用水必须采用拌合水或经试验合格的水,养护用水温度和混凝土表面温度之差不得大于15℃。
⑺冷却水管
为了降低大体积混凝土芯部温度和表面温度之差,保证温差不大于15℃,在混凝土芯部预埋冷却水管,根据温度测量记录和热工计算,调整注水频率和注水温度,安排专人负责注水工作,保证按要求注水,不得随意调整。
当混凝土覆盖离墩底1m处的冷却管时,开始往冷却管中注水对混凝土进行降温。当测得的混凝土芯部温度和混凝土表面温度之差快接近15℃时,重新注水。注水采用温度较低的地下井水。
待通水冷却全部结束后,采用同标号水泥砂浆封堵冷却水管。
2.2.6 混凝土的拆模
⑴混凝土拆模时,混凝土芯部温度和表层温度之差、表层温度和环境温度之差不得大于20℃(墩台、梁体芯部混凝土与表层混凝土之间、表层混凝土和环境之间的温差均不得大于15℃)。
⑵混凝土内部开始降温前不得拆模。
⑶大风或气温急剧变化时不宜拆模,如需拆模,应采取适当的夏季隔热措施,防止混凝土产生过大的温差应力。
⑷在温度高或大风干燥气候条件下,采取逐段拆模、边拆边盖的工艺。
⑸拆模完成后,立即用塑料薄膜将墩身表面包裹。包裹期间,塑料薄膜应完好无损,彼此搭接完整,要及时注水保证薄膜内表面具有凝结水珠。
⑹拆模后潮湿养护时间要求保证和带模养护时间之和不得小于10天。
参考文献:
[1]《客运专线铁路桥涵工程施工质量验收暂行标准》
[2]《铁路混凝土工程施工质量验收补充标准》
[3]《客运专线铁路桥涵工程施工技术指南》
温湿度控制器范文3
论文关键词:模糊控制,在线调整,温度控制
1引言
高真空退火炉是对晶体进行退火处理的重要设备。通过不同温度及其不同变化率下的退火处理可以消除晶体中的残余应力、改善晶体性能,是晶体生产中非常重要的工艺过程,直接关系到产品的质量。这个过程要求炉温按照指定的速度升温,在给定的温度T保温一定时间t后,再按给定的速度升温至温度T,保温一定时间t后,再按指定的速度降温。由于高真空退火炉是一个特性参数随炉温变化而变化的被控对象,加热方式与普通电炉不同:真空炉传热的传热途径只有辐射,没有传导和对流,因此,高真空退火炉炉膛温度具有分布不均匀、响应速度慢、工件温度滞后严重、易出现较大超调量等特点。为使温度均匀,常需布置多点加热,因此要求温控系统不仅能综合协调全部热源,而且能根据不同状态自动调整控制参数,常规PID控制方法和单独的模糊控制方法均难以满足这种要求。本文针对上述特点,提出了一种在线参数自调整的模糊控制方案,不仅使温度控制系统具有了良好的动态响应特性、较小的超调量和较高的稳态精度,同时也提高了控制系统对不同状态的适应能力。根据本方案研制的控制器已在实际生产中得到应用,完全能够满足晶体退火工艺要求。
2模糊温度控制器的设计
2.1基本原理
该模糊温度控制器的结构如图1所示。系统主要由基本模糊控制器、参数自调整机构和Bang-bang控制环节组成。在控制的初期阶段,采用bang-bang控制作为引导控制,当误差小于设定阈值时用系统进入模糊控制阶段,在控制系统中,模糊量化因子K、K和输出比例因子K对控制器的控制效果有较大影响。在控制过程中,由参数自调整机构根据误差e和误差变化率的不同,在线调整参数K、K和K的大小,实现了对输入信号基本论域的在线调整,从而改善了控制系统的动、静态性能,而且也使其自适应能力得到了提高。
图1模糊控制器控制原理
2.2基本模糊控制器
以误差e和误差的变化作为输入量,控制量的变化量u为输出量,相应的模糊集为E,EC,U,其论域均定义为[-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6];模糊语言变量均定义为{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB},分别表示负大、负中、负小、零、正小、正中、正大。隶属函数曲线均选为三角形。
通过总结实际温度控制经验,得到模糊规则表1。写成49条模糊条件语句R:ifE为AandEC为BthenU为C。其中,A为误差模糊子集,B为误差变化模糊子集,C为输出量模糊子集。
根据Mamdani推理方法求得模糊关系矩阵为:,则输出C′为:C′=,利用最大隶属度法进行非模糊化,可得到精确的输出值。
2.3自调整机构
温湿度控制器范文4
关键词:单片机;PLC;农业大棚;温湿度
中图分类号:TP273 文献标识码:A 文章编号:0439-8114(2013)02-0448-03
随着生活水平的不断提高,人们对蔬菜和瓜果的需求日益增加。为了满足这一要求,采用农业大棚种植蔬菜和瓜果得到了广泛推广和应用。农业大棚中的作物生长需要满足一定的环境条件,其中对作物生长影响最大的是环境温度和湿度。在作物生长的不同阶段,环境温度和湿度应保持在一定范围,才能满足作物生长要求。因此对农业大棚温度、湿度等环境参数进行监测和控制,使环境的温度和湿度适合作物的生长,从而对提高作物的产量和品质具有重要的意义。
农业大棚控制系统目前大多采用计算机作为上位机和微控制器作为下位机相结合的方法[1]。下位机将采集到的数据经过处理后通过数据线传送给上位机,由上位机实现对温湿度的控制。采用这种结构的系统可以采集多点数据,因此可以对较大范围内的作物环境进行温湿度的监测与控制。为了实现大棚数据的多点采集以及提高系统的可靠性,设计了一种基于单片机和PLC的大棚温湿度控制系统,该系统采用触摸屏作为系统的人机交互界面。
1 系统的技术指标
1.1 系统功能
系统有自动和手动两种工作模式,处于自动模式时,通过温湿度传感器DHT11采集温湿度,DHT11数字温湿度传感器是一款含有已校准脉冲信号输出的温湿度复合传感器,具有单总线信号输出、响应快、抗干扰能力强等优点[2]。各站点温湿度传感器采集的信号经过整形处理电路后传送给站点单片机,站点单片机对数据进行优化处理后将数据通过串行通讯的模式传输给PLC[3],控制器PLC发出命令给风机控制器和温湿度调节装置,实现大棚加湿、通风和温度调节。
1.2 技术指标
S7-300 PLC(CPU314C-2DP)的工作电压为直流24 V,Atmegal16L单片机工作电压为直流5 V[4],温湿度传感器DHT11的工作电压为直流5 V。温度检测范围为0~50 ℃,温度控制误差为±2 ℃;湿度检测范围为0%~90%RH,湿度误差为±5%RH;温湿度显示方式为触摸屏显示,当系统采集到当前温湿度参数低于下限值20%或超过上限设定值的20%时,人机界面HMI的报警指示灯开始闪烁。
2 系统硬件的设计
2.1 系统的组成原理
用户可以通过人机界面参数设定I/O域输入温湿度的上下限值,也可以通过HMI观测当前的数据参数,从而实现农业大棚环境设定和监视。处于自动模式时,控制器PLC系统根据当前环境设定的上下限值自动控制执行机构调节大棚内温度和湿度,直到参数处于上下限定范围内为止。系统处于手动模式时通过触摸屏TP177B可手动控制执行机构[5],实现对大棚环境参数的调节。
2.2 系统硬件的设计
系统的硬件部分主要由人机界面、执行控制器PLC、下位机单片机和执行机构4部分组成。传感器检测到的数据经过整形放大信号处理电路后,将数据传给单片机[6],单片机将接收到的数据进行D/A转换后传送给执行控制器S7-300 PLC,PLC根据编写的程序输出相应的指令实现对执行器的控制[7],从而实现对大棚参数的调节(图1)。
2.3 TP177B触摸屏画面
人机界面为西门子的TP177B触摸屏,根据不同的生长季节和时期作物对生长环境的需求不同,通过触摸屏可以设置大棚温湿度的上下限参数,调整农作物生长的环境;通过人机界面显示当前大棚的温湿度实时参数,也可在TP177B上进行手动调节,通过风机、加温器和喷雾加湿器调节大棚温湿度(图2、图3)。触摸屏参数的设定和显示界面可以进行手动切换。
2.4 执行控制器S7-300 PLC
该系统的执行控制器PLC采用的是西门子S7-300 PLC(CPU314C-2DP),单片机实时采集DHT11发送的数据,经过D/A转换,将温湿度的模拟量发送给PLC,并通过人机界面TP177B显示,PLC接收来自单片机或HMI的数据,经过程序处理后发出指令控制执行器调节农业大棚的环境参数。系统的电气原理图如图4所示。
3 系统的软件设计
系统软件采用C语言设计,程序由主程序、数据采集程序、D/A转换程序和输出执行程序模块构成(图5)[8]。系统上电后,主程序先完成系统初始化,调用数据采集模块读取传感器的数据,采集数据时,单片机通过连接DHT11数据的I/O口向传感器发送一个不小于18 ms的低电平信号进行数据请求[9],然后I/O口作为输入等待传感器的DATA数据,单片机采集到传感器DHT11传送的数据后对其进行D/A转换,将得到的模拟量信号传送给执行控制S7-300 PLC,然后继续返回重新读取数据,如此进行循环[10]。
4 小结
设计的农业大棚温湿度控制系统可以对农业大棚环境的温湿度进行实时监测和调节,系统的硬件为DTH11温湿度传感器、Atmegal16L单片机、S7-300 PLC和TP177B人机界面。传感器分散式多点采集温湿度参数,单片机为数据采集处理器,PLC为系统的执行和控制器,人机界面进行监测和调控。该系统安全、可靠、易于操作,控制效果良好,具有推广价值。
参考文献:
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[2] 王文成,常发亮. 温室大棚温湿度无线测控系统[J].仪表技术与传感器,2011(3):98-103.
[3] 闫虎民,张永飞. PLC控制系统中模拟量采样的数字滤波算法研究[J]. 机电产品开发与创新,2007(7):136-137.
[4] 马 潮. AVR单片机嵌入式系统原理与应用实践[M].北京:北京航空航天大学出版社,2007.
[5] 廖常初. 西门子人机界面(触摸屏)组态与应用技术[M].第二版. 北京:机械工业出版社,2010.
[6] 孙文志. PLC在大棚生产自动控制系统中的应用与实践[J]. 安徽农业科学,2011,39(1):471-472.
[7] 廖常初. S7-300/400 PLC应用技术[M]. 第二版.北京:机械工业出版社,2011.
[8] SALKINTZIS A K,NIE H,MATHIOPOULOS P T. ADC and DSP challenges in the development of software radio base stations[J]. IEEE Personal Communication,1999,6(4):47-55.
温湿度控制器范文5
材料准备
Arduino控制器,温湿度传感器 DHT11, 舵机 DSS M15,杜邦线若干。
温湿度传感器是温度指示器的感应元件。因为笔者地处南方地区,本次制作采用DHT11温湿度传感器,它包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件,并与一个高性能8位单片机相连接。传感器可通过3P数字线直插Arduino控制器,Arduino控制器可以通过屏幕实时显示该传感器的读数变化,其温度感应范围为0~50℃。北方地区的读者可以采用探测范围更大的DHT22温湿度传感器,其温度感应范围为-40~80℃。
温度指示器选用 DSS M15舵机作为指示部件,它的舵盘的旋转角度可达180°。
制作过程
1. 首先,我们要为温度指示器制作一个外壳。可以选用一些小型的废弃包装盒作为外壳,然后用画笔在盒子上画出温度指示范围。根据舵盘的旋转角度范围,温度指示范围设计为一个半圆,均分成6等分,指示范围标注为-10~50℃。
2. 设计好外壳后,要把舵机装在外壳里面。安装前在半圆的圆心处开一个小孔,把舵机上的舵盘拆下,将舵机的传动轴从小孔中穿过去。由于舵机的传动轴较短,所以选取的外壳不宜太厚,以免影响舵机的正常运行。
3. 接下来我们要完成的就是整个温度指示器的核心部分。将温湿度传感器和舵机用杜邦线连接到Arduino控制器上,电路连接图如图3- 1、图3- 2所示。
4. 用硬纸板剪一枚指针,用双面胶固定到舵盘上。最后将Arduino控制器封到盒子里,将温湿度传感器DHT11用双面胶固定在外壳上方,给Arduino控制器接上电源(电压范围为5~12V的直流电源适配器)。至此就完成了硬件的所有制作,接下来是编写驱动程序。
程序编写
驱动程序使用Arduino IDE开发平台来编写。在编写温度指示器的代码之前,需要先导入两个头文件――舵机的库文件 Servo.h 和温湿度传感器的头文件 DHT.h。舵机的库文件 Servo.h是Arduino标准库头文件库,如图5所示,图中表示文件库中已经有包含舵机的库文件。
温湿度传感器的头文件DHT.h从下面的链接中下载:http://.cn/index.php/(SKU:DFR0067)DHT11%E6%95%B0%E5%AD%97%E6%B8%A9%E6%B9%BF%E5%BA%A6%E4%BC%A0%E6%84%9F%E5%99%A8_V2。
下载后将它解压缩到Arduino安装路径下的libraries中,如图6所示。
程序代码的运行原理是先通过温湿度传感器DHT11采集到模拟值,通过Arduino控制器的模拟口A2(管脚2)输入,将模拟值通过变换公式转换为舵盘的指示角度,从而控制指针旋转到相应的位置。这里会有一个映射关系,将温度值映射到相应的舵盘旋转角度值。
具体代码如下:
#include //导入伺服电机头文件
#include //导入温湿度传感器头文件
Servo myservo; // 定义一个伺服电机的对象
DHT dht; // 定义另一个温湿度的对象
void setup()
{
dht.setup(2); // 设置管脚2接受温度信号
myservo.attach(9); //设置管脚9输出伺服电机控制信号
}
void loop()
{
float temperature = dht.getTemperature(); //读取温度信号
myservo.write(180-(temperature+10)*3); //根据温度信号输出伺服电机的偏转角,最大偏转角为180°
温湿度控制器范文6
关键词:烟叶烘干窑;模糊控制;温湿度值;智能控制
1 引言
传统的烟草烘干方式,是将待烘干的鲜烟叶放入相应的烘干设备,之后通过人工控制调节的方式实现设备温度湿度保持在一定范围内,以保证烟草的烘干质量。随着人们对制烟流程认识的不断加深,人们认识到烟叶烘干过程中温湿度的控制精度对烟草的质量有着重要的影响,同时随着信息技术的不断发展,人们开始利用自动控制方式代替传统的人工控制方式,大大提高了烟草烘干的质量。近年来,基于对烟草烘干过程的长期研究,研究人员已经得到了烟草烘烤的专家曲线,即烟草烘烤过程中的温湿度随时间变化的最佳曲线,因此为了进一步提高烟草烘干质量,设计一套烟叶烘干窑自动控制系统十分必要。
2 系统的总体结构设计
该烟叶烘干窑的自动控制系统的总体设计主要从硬件设计和软件设计这样两大部分来进行的。具体的总体设计结构框图如图1所示。
从总体结构框图我们可以看出整个系统是由微控制器模块、数据采集模块、执行机构模块以及电路模块这样几大部分所组成的。其中,根据系统所需完成的功能,电路模块主要包括电源模块、按键输入模块以及显示模块;数据采集模块主要包括温度采集和湿度采集这样两大部分;执行机构模块主要是由风机控制、发热管控制、换风挡板控制以及喷湿阀控制这样几大部分所组成。
3 控制系统硬件结构设计
本系y主要基于模糊控制理论,根据用户对温湿度的设定,实现烤烟窖内的温湿度的精确控制。通过对发热丝及喷湿阀的控制可以实现对温度与湿度的调节,同时通过对换气挡板和风机的控制,可以通过对窖内空气流动的调节,实现温湿度更精确的控制。在本系统的控制电路中,喷湿阀和风机采用继电器实现开关式的控制方式,发热丝采用IR2130驱动IGBT实现不同加热电流的控制,而换气挡板通过步进电机转到角度的控制实现挡板位置的调整。具体的总的硬件结构框图如图2所示。
3.1 微控制器模块设计
本系统中选用美国TI公司生产的超低功耗16位微处理芯片MSP430F250,MSP430系列的单片机将大量外设模块整合到片内,非常适合单片系统的设计与开发。MSP430F250是该系列中一款较常用的产品,它的工作电压典型值为3.3V,最低电压可以低至1.8V。
3.2 电路模块设计
在实际烟叶的烘烤过程中,操作人员需要对烤窖内的温湿度信息进行设备,因此本系统还需要设计人机交互模块,主要可以分为电源模块、按键模块以及液晶显示模块三大部分。
3.3 数据采集模块设计
精确的温湿度控制是建立在精准的温湿度测量的基础上,因此提高烤窑内温湿度的测量精度至关重要。本系统采用美国模拟器件公司的AD590作为烤窑内的温度传感器,其作为IC化的温度感测器,能够将环境温度转换为数字电流。本系统中将AD590与一个5~30V的直流电源相连,并在输出端串接了一个1kΩ的恒值电阻,此时电阻上流过的电流将和环境温度成正比,环境温度每增加1℃,电阻两端电压增加1mV,即AD590输出电流增加1μA。
湿度的测量采用线性电压输出式集成湿度传感器HM1500,该传感器可靠性高、长期稳定性好,适用于3V~7V电压供电。采用Humirel专利湿敏电容HS1101设计制造,带防护棒式封装,线性电压输出湿度传感器HM1500是用HS1101做成的电压输出模块,高可靠性与长期稳定性,在5VDC供电时,0~100%RH对应输出1~4VDC线性电压,温度依赖性非常低,采用三线制的连接,电路非常简单,引线的不同颜色分别为:白色为地线,蓝色为电源线,黄色为输出线。
3.4 执行机构模块设计
当烤烟窖内的湿度低于设定值时,需打开喷湿阀门,当湿度高于设定值时,则必须关闭喷湿阀门,此外,当需要加快窖内的气体流动时,要打开风机。这些操作需要控制继电器的闭合与断开。本系统采用电磁继电器作为喷湿阀门和风机的控制元件。由于控制节点上的微控制器MSP430的I/O口的输出电流较小,不能直接驱动继电器电路,需要加驱动电路。考虑到继电器可能会出现反向电压的现象,采用能耐高反向电压的三极管作为驱动元件,继电器选用12V的JZX-18F小型电磁继电器,最大工作电流为3A,具有体积小、动作迅速等特点。
在整个系统中,对电热丝进行控制是最为重要的部分,因为该部分设计的好坏与控制直接影响和关系到烟叶烘干的质量。电热丝的控制,笔者采取的是利用脉宽调制的方式通过对IGBT的通断进行控制,从而来对电热丝进行相应的通断控制的,经实验证明,通过借助于模糊PID模块的控制,从而可以达到对烘干窑内的温度能够起到一个非常控制好的效果。
4 模糊PID控制
模糊-PID控制是一种将PID控制以及模糊控制两种优点进行相互结合而成的控制器,通过对温度控制系统的具体研究,笔者发现,如果是在温度变化速度比较快的情况下可以直接利用PID来进行相应的控制,当温度进入到较为稳定的状态时,也就是指当实际的温度和先前所设定的温度值比较接近时,此时模糊控制便才起作用。
根据前面的介绍我们可以知道模糊PID控制比较适合温度控制的过程。模糊PID控制器是建立在常规的PIS控制器的基础上,根据反馈的偏差e和偏差的变化率ec对PID控制器进行实时修正,从而实现更优秀的控制。作为典型的温度控制系统,本系统也具有较大的滞后性和非线性等特点,因此采用模糊PID控制这种具有互补特性的控制机制可以很好的兼顾模糊控制和PID控制两者的优点,从而实现对系统的更好的控制。
5 总结
笔者通过对烟叶烘干技术的学习以及烟厂的实地调研,得到了烟叶烘干的相关技术资料,并针对温湿度对烟叶烘烤的影响进行了分析。结合实际的烟叶烘干工艺与设备,本文设计了一套基于MSP430F250单片机的烟叶烘干窑自动控制系统,利用模糊PID控制实现了烟叶烘干窑内温湿度的精准控制,大大提高了烟叶烘干的工艺水平。
参考文献
[1] 方平,张晓力.烟叶烤房温湿度自动控制仪的设计[J].电子技术应用,2014,30(7):11-15.
[2] 刘涣军,刘向群.基于多片MSP430单片机数据采集系统的设计与开发[J].自动化技术与应用,2014(7).