毕业论文——基于智能仪表的恒温孵蛋器控制系统设计.docx

1、 大连大学 DALIAN UNIVERSITY 20XX 届毕业论文 （设计） 题目名称： 基于智能仪表的恒温孵蛋器控制系统设计 所 在 学 院 ： 专业（班级）： 学生姓名： 指导教师： 评 阅 人 ： 院 长 ： 信息工程学院 摘 要 本设计以智能仪表进行温度控制，通过 485 总线实现多个孵蛋器或若干车间当前运行状况的实时监控，系统便于调试，成本低，针对大型饲养场的育雏设置实时监控系统，可大大降低工作人员劳动强度，提高系统运行效果。该温度监控系统由智能仪表，装有组态王的工控机，加热电阻，固态继电器以及散热器等设备组成。该系统呈分布式控制，并且利用三级控制结构实现对孵蛋器恒温箱内部温度的实

2、时监控。上位机和下位机采用了 RS-485 总线实现信号的传送，从而现对孵蛋器恒温箱内部温度的实时监控。上位机选用了工控微机作为对数据进行集中管理的机器，可对上位机实施监控，用于设定温度和对下位机控制以及查询多点的温度值。下位机利用了多台智能仪表，对系统实行分散控制。为了确保系统的运行的可靠性，上位机对该孵蛋器温度监控系统进行管理与控制。 综上，该系统能够实现孵蛋器内不同时刻的温度的控制与检测，与传统的普通养殖场相比，该系统成本比较低、靠性高、功耗较低、操作简单。不仅可以使用于孵蛋器，还可用于温室等其他场合，具有很好的实用价值。 关键词：智能仪表 ；温度控制；组态王； RS-485 总线 AB

3、STRACT The design of intelligent instrument temperature control , through 485 real-time monitoring of multiple incubators or several workshop current operating conditions , the system is easy to debug , low- cost , real-time monitoring system set up for large farms brood , can greatly reduce the wor

4、k the labor intensity and improve the system is running . The temperature monitoring system consists of the equipment, such as intelligent instrumentation, KINGVIEW equipped PC, the heating resistor, solid state relays, radiators and so on. The system is controlled by distributed, and three level co

5、ntrol structure can realize a system of real-time monitoring of the temperature. Upper and lower computer uses the RS-485 bus for transmitting signals and enabling real-time monitoring of temperature. The upper computer using industrial computer as a centralized management unit to monitor and contro

6、l the upper computer, which can use to set the temperature, control lower computer and check the temperature at a plurality of positions. Lower computer using multiple intelligent instruments to control the system by decentralized control. In order to ensure the reliability of the system, the upper

7、machine works to manage and control on the temperature monitoring system. Draw a conclusion, the system can realize the detection and control of temperature at different points in the greenhouse, compared with the traditional manual control, this system has the advantages such as simple operation, l

8、ow power consumption, high reliability, lower costs and so on, which can used not only in incubators , but also for other occasions， like greenhouses. It really has a very good practical value. Key Words: Intelligent instrument; Temperature control; KINGVIEW; RS485 bus II 目 录 摘 要 . . . . . . . . . .

9、 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . I ABS T R A C T . . . . . . . . . II 1 绪论 . . 1 1.1 课题背景及研究意义 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

10、 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.2 控制方式 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

11、. . . . . 2 1.3 研究内容 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 2 设计流程与设备类型 . . . . . . . . 3 2.1 系统设计原理 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

12、. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 2.1.1 设计流程 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 2.1.2 RS-485 通信技术分析

13、 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 2.1.3 系统控制原理 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 2.2 设备选型 . . . . . . . . . . . . .

14、 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 2.2.1 FP3 3 智能仪表 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

15、. . . . 7 2.2.2 测温传感器 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 2.2.3 温度变送器 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

16、 . . . . . . . . . . . . 11 2.2.4 RS2 3 2 / R S4 8 5 转换模块 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 2.3 本章小结 . 14 3 电气设计原理 . . . . . . . . . . . 16 3.1 温度控制的电气原理 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

17、 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 3.2 温度控制电气图 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 3.3 本章小结 . 19 4 组态界面设

18、计 . . . . . . . . . . . 20 4.1 组态软件的基础 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 4.1.1 组态软件的定 义 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

19、 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 4.1.2 组态王软件的 特 点 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 4.1.3 组态王软件仿 真 的 基 本方 法 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

20、. . . . . . . . . . . . . . . . . 21 4.2 组态变量的建立 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 4.3 孵蛋器恒温箱温度监控主界面设计 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

21、. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 4.3.1 动作连接界面 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 4.3.2 数据实时记录 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

22、. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 4.3.3 报警界面 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 4.4 监控主界面 . 29 4.5 本章小结 . 30 5 总结 . . 31 附录一 外文文献译文 . . . . . . . . 33

23、附录二 外文文献原文 . . . . . . . . 40 III 致 谢 .44 IV 基于智能仪表的恒温孵蛋器控制系统设计 1 绪论 1.1 课题背景及研究意义 孵蛋器是用来孵育人工饲养的卵生动物的机械，每次可同时大量孵蛋。可孵化各种鸟类，以及鳄鱼等爬行类的蛋。孵蛋器在现代实际应用中是十分重要的设备之一，因为孵蛋器在实际操作中关键为温度控制，相对动物孵蛋更方便，效率更高，孵蛋器可以二十四小时恒温工作，可以大大提高孵蛋产仔率。孵蛋器工作只需少数管理人员控制和管理，可配置实时监控画面，采集过程参数，更卫生更方便管理。 一般的孵蛋器均以电为主要热源，煤作为补充热源，可使用蜂窝煤、霉病、木炭、液化

24、气等各种燃料，也可用更换热水的方法保持恒温，经济效益高。而且系统配备 UPS 电源，不怕停电，有电自动控制，无电人工监控，即使停电后依旧可长期正常运行，孵蛋器用电热毯加温，毯、机分开，机内安全无异味。 孵蛋器的种类很多，主动化的程度和容量的大小有所不同，但其结构原理基础相似，主要由机体、主动控温装置、主动控湿装置、主动翻蛋装置和透风换气装置等几部分组成。其中箱体式孵化机利用较多，该种类型的孵化机按其容量可分为小、中、大型三种规格，其容量分别为 1 万枚以下、 1 万 5 万枚、 5 万 10 万枚或者更大，在中小型孵化机之中，孵化和出雏两部分是安装在同一个机体内的。孵蛋器内含有 温度调节装置，

25、可将机器温度调整为适合该生物的蛋孵化的温度。还通过 LCD 显示温度、孵蛋天数及蛋的现况。 机器温度必须要适当，否则无法将蛋孵化。本设计以智能仪表进行温度控制，通过 RS-485 总线实现多个孵蛋器或若干车间当前运行状况的实时监控，系统便于调试，成本低，针对大型饲养场的育雏设置实时监控系统，可以大程度的降低工作人员劳动强度，提高系统的运行效果。 在分布式监测控制系统中， RS-485 总线技术硬件设计比较简单、控制方便，满足低成本和高精度的工业测量控制系统要求，且 RS-485 总线速度较快，传送距离较远，其采用差分平衡方式传输信号，具有很强的抗共模干扰能力，允许一对双绞线发送器驱动多个负载设

26、备。所以该总线标准已经成为数据传输的首选标准。 随着经济的快速增长，养殖业的研究及应用技术越来越受到重视，特别是养殖场对孵蛋器的恒温自动监控技术已经成为了高效率养殖的一个重要组成部分。这就要求我们提高养殖场孵化效率和孵化质量。采用智能表来控制温度、通风等，不仅容易控制、配置简单灵活节能，而且还可以大大提高孵化效率和孵化质量。智能仪表具有体积小、功能性强、可靠性高、造价便宜和开发周期短这些优势 ，广泛用于自动监测和控制系统。 1 基于智能仪表的恒温孵蛋器控制系统设计 1.2 控制方式 该 恒温孵蛋器控制系统 由装有组态王的工控机、智能温控仪表、固态继电器、串口转换模块、加热器和风扇等模块组成。该

27、系统采用了三级控制的结构，以实现分布式温度监控系统的设计。上位机和下位机之间采用了 RS-485 总线接口实现数据的发送和接收，可以实现对温度的实时监控。集中管理机即上位机，采用了工控微机来进行上位的监视和控制，从而进行温度的设定和查询各个点的实时温度值，以及对系统的下位机进行控制。下位机通过多台智能仪表，进行分散控制。在设计该分布式温度监控系统时，为保证监控系统的可靠性，该系统不仅可以有上位机进行监控，还可以由仪表进行人工监控。 1.3 研究内容 本设计是以智能仪表进行温度控制，通过 485 总线实现多个孵蛋器或若干车间当前运行状况的实时监控的研究。重点研究了仪表的参数设置与调试，电气接线图

28、设计， 研究 RS-485 总线技术的应用，及如何实现 RS-485 总线对多台智能仪表的通信连接。 本文的第一章主要论述课题研究的意义，孵蛋器恒温控制系统设计原理和系统优势，同时介绍论文的主要研究内容。 第二章是设计的流程和选用设备的类型，分析了 RS-485 通信技术分析以及系统控制原理，并对 FP33 智能仪表进行了介绍。 第三章涉及了孵蛋器更文监控系统中温度的电气控制原理，分析了恒温箱温度控制电气原理图的工作流程。 第四章主要对组态软件的使用方式和孵蛋器保温箱温度监控系统模拟图的绘制进行了介绍。 第五章是对论文的整体总结和期望。 2 基于智能仪表的恒温孵蛋器控制系统设计 2 设计流程与

29、设备类型 2.1 系统设计原理 2.1.1 设计流程 本设计的上位机选用装有组态王的 PC 机，通过 RS-232/RS-485 转换器与数台智能仪表进行通信。这样就可以实现数据的监控和管理，双向的数据的高速通信，以及主要工艺参数的设定，实现温度控制过程中的报警状况记录和温度实时记录曲线等。也可以直接在上位机上通过组态王模拟该孵蛋器温度的监控画面，来得到温度数据的采集和报警处理等。该恒温监控系统的下机位为 FP33 智能仪表，可以利用上位机给定的一些工艺参数进行温度的监控与调节，来达到要求的控温效果。本设计的加热模块分为三个温度区，可以认为这三个温度区就是数个孵蛋器的温度，每个孵蛋器的温度设定

30、值可以通过对仪表的设置进行修改，三个温度区设 定温度值可以各不相同。该控制系统中的扰动主要有：风扇和加热器。 图 2.1 为系统的总体结构框图： 上位机（ PC） RS-232 转 RS-485 MAX485 MAX485 MAX485 智能仪表 智能仪表 智能仪表 Pt100 风扇 Pt100 风扇 Pt100 风扇 加热器 加热器 加热器 孵蛋器 孵蛋器 孵蛋器 图 2.1 系统总体结构框图 2.1.2 RS-485 通信技术分析 RS-485 总线技术是目前在工业测控领域使用较为广泛的一种接口技术。它是在 RS-422 总线的基础上经过一些实践发展而来的，它是由美国电子工业协会 3 基于

31、智能仪表的恒温孵蛋器控制系统设计 制定并发布的一种串口标准。在各个方面的性能上来看 RS-485 都会比 RS-232 有很大的提高。 RS-485 总线接口本质上是由 RS-232 的总线接口发展来的，它可以应用在多点到多点的通信和组建点到多点的的网络中，所以 RS-485 接口逐渐取代了 RS-232 接口，并且在分布式监控系统中有广泛的应用。 RS-485 总线利用自身成本低和可靠性高等优点，使它在远程控制和远程监控，智能家居及远程抄表等各个领域应用广泛。 RS-485 总线接口的通信方式分为总线式和主从式，一般的工业控制中多数采用的通信方式为主从式。但是，总线式也有其更好的优点，比如它

32、的通用性和扩展性，使通信网络的搭建更容易。 RS-485 总线的半双工接口采用了双向单通道的连接方 式，由 RS-485 总线构成的网络中的每个站点的地址都不相同，不管在什么时候，所有站点中只有其中的一个处于发送状态，其他的站点处于接收状态，这样就可以避免数据在传输过程中，因为数据之间发生碰撞而导致数据传输失败。 RS-485 的两种工作模式平衡发送模式和差分接收模式都能够彻底的消除地线信号，因此 RS-485 有很强大的抗共模干扰信号的能力。 RS-485 总线的线路驱动器和线路接收器决定了 RS-485 总线可以实现远距离的数据传输，最大传输距离可达 4000 英尺，而且在 1000m 之

33、内它的传输速率可 以达 100kbit/s。 RS-485 总线广泛的应用在多站点互连的网络中，但 RS-485 最多可以容纳 32 个节点连接在双绞线上。我们可以根 据 RS-485 总线的规范构造一个拥有高传输速率，可以抑制噪声，而且比较经济的通信平台。这个平台有着宽共模范围，传输距离较远、控制方便等优点。 RS-485 总线有抑制共模干扰能力，是因为它的工作模式是利用了平衡发送和差分接收。由于总线收发器的高灵敏度能够使它检测出低至 200mV 的电压信号，因此它可以进行远距离的数据传输与接收。发送电路中设有使能端来控制 RS-485 的半双工的工作方式，使得在数据发送时只能有其中的一点是

34、处于发送状 态 6。 RS-485 接口标准的具体参数如表 2.1 所示： 表 2.1 RS-485 接口标准参数 4 基于智能仪表的恒温孵蛋器控制系统设计 性能指标 RS485 总线 工作模式 差分传输 (平衡传输 ) 允许的收发器数目 32 最大电缆长度 4 000 英尺 (1 219 m) 最大数据速率 10 Mb/s 最小驱动输出电压范围 1.5 V 最大驱动输出电压范围 5 V 驱动器输出阻抗 54 接收器输入灵敏度 200 mV 接收器输入电压范围 7V +12V RS-485总线采用了差分传输方式（ Different Driver Mode），又称为平衡传输。在传输的过程中，

35、RS-485 使用了一对双绞线，双绞线的两端的定义分别为 A、 B，一般情况下， A、 B 之间的正电压为 +2V +6V，这是是其中的一个逻辑状态； A、 B 之间的负电压为 -2V -6V，这也是其中的一个逻辑状态。还有一个接地端 为 C 端。在 RS-485 总线中，还有一个 “ 使能端 ” 。 “ 使能端 ” 的信号是用来控制发送器和传输线是处于连接状态还是断开状态。当 RS-485 总线的 “ 使能端 ”起作用时，发送器处于高阻态状态，这种状态被称为 “ 第三态 ” ，它与逻辑符号 “ 0” 和 “ 1” 是不同的。如图 2.2 所示： A B C 使能端 图 2.2 RS-485 引脚图 RS-485 总线标准是一种拥有高传输速率、可以抑制噪声、共模范围较宽、传输距离较远，是相对比较经济的通信平台，再加上 RS-485 总线构成的电路有着成本低廉、控制方便等优点，使其得到了工业界的不同领域得到广泛应用 7。目前，RS-485 总线大量应用在研发机构的数据通信方面。但是，无论何时，基于 R 5