1、課程：計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程設(shè)電子與電氣項(xiàng)目系 實(shí)踐教案環(huán)節(jié)說明書 題目名稱：基于 A/D 、D/A 板卡的計(jì)算機(jī)溫度測量與控制系統(tǒng) 院系）：電子與電氣項(xiàng)目系專業(yè) ：自動化班 級 ： 089611班學(xué)生姓名：李賽賽指導(dǎo)老師：翟天嵩 張居現(xiàn)起止日期： 2018年5月9日 2018年5月27日一、設(shè)計(jì)目的和要求（一）設(shè)計(jì)目的 ：1. 通過數(shù)據(jù)采集板卡和上位機(jī)控制計(jì)算機(jī)，設(shè)計(jì)一套完整的計(jì)算機(jī)溫度測 控系統(tǒng)，以達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生利用所學(xué)理論知識解決實(shí)際問題以及綜合運(yùn)用知識的 能力；2. 通過一個溫度測控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，鍛煉學(xué)生 D/A 轉(zhuǎn)換器、傳感器、 A/D轉(zhuǎn)換 器、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)架構(gòu)等硬件的應(yīng)用能力；3. 通過

2、控制算法的編程實(shí)現(xiàn)和組態(tài)軟件的使用，鍛煉學(xué)生計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) 軟件的實(shí)現(xiàn)能力。（一）設(shè)計(jì)要求：設(shè)計(jì)一套完整的計(jì)算機(jī)溫度測控系統(tǒng)。要求可以實(shí)時監(jiān)控當(dāng)前溫度，并進(jìn)行溫 度的實(shí)時控制，以達(dá)到所期望的溫度值。1. 采用 Pt100溫度傳感器，測溫范圍： 0100；2. 搭建用數(shù)據(jù)采集板卡進(jìn)行溫度采集與控制的硬件線路；3. 用組態(tài)王編寫溫度量采集與監(jiān)控程序；4. 控制精度為 ±0.5。4. 設(shè)計(jì)條件及軟硬件選擇與相關(guān)設(shè)定（一）工業(yè)組態(tài)軟件組態(tài)王亞控組態(tài)王 6.51畫面:1）支持大畫面、導(dǎo)航圖：用戶可以制作任意大小的畫面，利用滾動條和導(dǎo) 航圖控制畫面顯示內(nèi)容；繪制、移動、選擇圖素時，畫面自動跟蹤滾

3、動。2）方便的變量替換：可以單獨(dú)替換某個畫面中的變量，也可以在畫面中任 意選中的圖素范圍內(nèi)進(jìn)行變量替換。3) 自定義菜單：支持二級子菜單。豐富的提示文本：系統(tǒng)提供豐富的圖素 提示條文本，包括簡單圖素和組合圖素。4) 任意選擇畫面中的圖素：在畫面中使用鍵盤和鼠標(biāo)結(jié)合可以任意選擇多 個圖素進(jìn)行組合、排列等操作。1變量:1) 定義結(jié)構(gòu)成員時可以定義基本屬性，例如變量屬性、報(bào)警屬性和記錄屬2) 定義結(jié)構(gòu)變量時自動繼承結(jié)構(gòu)成員的屬性。3) 結(jié)構(gòu)變量可整體賦值。4) 結(jié)構(gòu)變量可作為自定義函數(shù)的參數(shù)。2在數(shù)據(jù)詞典中可以任意選擇多個變量集中修改變量共有屬性。 非線性表 : 非線性表新增導(dǎo)入導(dǎo)出功能，能導(dǎo)出為逗

4、號分隔文件 (*.csv，可在文本狀態(tài)編 輯或傳送，編輯完成后還可導(dǎo)入，據(jù)此可實(shí)現(xiàn)不同項(xiàng)目中的非線性表重復(fù)利用 。網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的控制和顯示通過引用網(wǎng)絡(luò)上計(jì)算機(jī)的 “網(wǎng)絡(luò)狀態(tài) ”變量得到網(wǎng)絡(luò)通 訊的狀態(tài)。同時，能夠?qū)W(wǎng)絡(luò)的通訊狀態(tài)進(jìn)行控制。對于定義 “網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn) ”的網(wǎng) 絡(luò)通訊方式，是在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備上建立 commerr寄存器來完成網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的顯示和控 制。3圖形： 用戶希望怎樣的圖形畫面，也就是怎樣用抽象的圖形畫面來模擬實(shí)際的工業(yè)現(xiàn) 場和相應(yīng)的工控設(shè)備。4數(shù)據(jù)： 怎樣用數(shù)據(jù)來描述工控對象的各種屬性，也就是創(chuàng)建一個具體的數(shù)據(jù)庫， 此數(shù)據(jù)庫中的變量反映了工控對象的各種屬性，比如溫度，壓力等。5連接： 數(shù)據(jù)和圖

5、形畫面中的圖素的連接關(guān)系是什么，也就是畫面上的圖素以怎樣 的動畫來模擬現(xiàn)場設(shè)備的運(yùn)行，以及怎樣讓操作者輸入控制設(shè)備的指令。(二) 硬件選型：圖1 PCL 818L A/D板卡1研華 PCL-818L A/D 板卡1) 12位A/D 分辨率；2) 最高達(dá) 100kS /s 的采樣率；3) 16 通道單端或 8 通道差分輸入；4) 單極性或雙極性模擬量輸入范圍；5) 雙極模擬輸入范圍；6) 可編程的增益設(shè)置：× 0.5 ，×1，× 2，× 4，×8；7) 輸 入 范 圍 : ±10V 、 ±5V 、 ±2.5V 、 &

6、#177; 1.25V 、 ± 0.625V 0-10V、0-5V、0-2.5V 、0-1.25V ；8) 自動模擬輸入掃描；9) 模擬輸入支持 DMA傳輸方式；10) 2通道 12位多路切換模擬輸出 ,1 通道 16 位通用定時 / 計(jì)數(shù)器；11) 16 通道 TTL數(shù)字輸入和 16 通道 TTL數(shù)字輸出。PCL-818L 是為 IBM 或其他兼容計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)的一款高性能、高速多功能數(shù)據(jù) 采集卡。 PCL-818L 具備所有數(shù)據(jù)采集卡的功能，例如， A/D ，D/A 轉(zhuǎn)換， DIO 和定時/ 計(jì)數(shù)器，本卡的高規(guī)格使其在需要高速采集的情況下得到廣泛應(yīng)用。PCL-818L 為低電平輸入

7、( 例如，熱耦合信號測量 >提供專門的高增益可編程 儀表放大器。 PCL-818L 板卡在全部增益下最高可達(dá)到 100kS /s 高速采樣率。 PCL-818L 具有 16 路單端輸入和雙極性輸 PPCL-818L 具有 2 路 12 位雙緩沖模 擬輸出， 16 路數(shù)字輸入和 16 路數(shù)字輸出， 1 個通用定時 / 計(jì)數(shù)器。板卡開關(guān)和跳線控制設(shè)置參見研華 PCL-818 系列板卡中文手冊。2康拓 IPC5373 32 路光隔開關(guān)量功放輸出板5) PC 總 線 與 用 戶 接 口 設(shè) 備 之 間 實(shí) 現(xiàn) 完 全 的 電 隔 離 ， 隔 離 電 壓 2500Vrms ；6) 占用 4 個連續(xù)

8、口地址： 154H-157H ；7) 各輸出信號具有鎖存功能，上電復(fù)位清零；8) 采用達(dá)林頓管功放集電極開路輸出，負(fù)載電源5 40V ，驅(qū)動電流單路最大 200mA ，每片達(dá)林頓管負(fù)載電流最大 500mA ，可直接驅(qū)動繼電器、電 磁閥等；9) 用戶接口為 40 芯扁平電纜插座 <IPC5373 )或 37 芯 D 型連接器 <IPC5373D )， IPC5373D 板上帶 DC/DC ，不用外接電源；10) 各功能及電路原理參見 IPC5373 使用說明書。3研華 PCLD8115接線端子5. 工業(yè)接線端子板；6. 用于818L/ 818HG/ 1800等；7. 支持PCL-81

9、8系列多功能數(shù)據(jù)采集控制卡；8. 易于安裝的 DIN 導(dǎo)軌安裝外殼；9. 低成本螺絲端子板；10. 能在惡劣環(huán)境中可靠連接的工業(yè)端子板。4研華 610H工控機(jī)及配套設(shè)備12) 4U高支持 14 槽背板；13) 配置 300WATX PFC PS/2電源；14) 前 端 可 安裝 3 個 半 高 磁 盤驅(qū) 動 器 ， 一個 3.5FDD 和 一 個 內(nèi)置 3.5磁盤驅(qū)動器；15) 前置USB / PS2 接口；16) 前置系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測模塊；17) 能抗沖擊，振蕩，并且能在高溫下穩(wěn)定工作；18) 支持ATX 母板和400W PFC電源。5AI-818A 人工智能工業(yè)調(diào)節(jié)器、 Pt100熱電阻 pt

10、100是鉑熱電阻，它的阻值跟溫度的變化成正比。 Pt100的阻值與溫度變 化關(guān)系為：當(dāng) Pt100溫度為0時它的阻值為 100歐姆，在 100時它的阻值約為 1 38.5歐姆。它的工業(yè)原理：當(dāng) Pt100在0攝氏度的時候他的阻值為 100歐姆，它的 阻值會隨著溫度上升而成勻速增長的。金屬熱電阻的電阻值和溫度一般可以用以下的近似關(guān)系式表示： Rt=Rt01+ <-t0) 。5AI-818A人工智能工業(yè)調(diào)節(jié)器作為與 Pt100相對應(yīng)的溫度傳感器， 0100根據(jù)測得Pt100的電阻值輸入，輸出 420mA的標(biāo)準(zhǔn)電流信號，在輸出端并聯(lián) 250歐姆電阻 后，得到 15V的標(biāo)準(zhǔn)電壓信號輸入到 PCL

11、-818L板卡。1）5AI-818A 人工智能工業(yè)調(diào)節(jié)器參數(shù)設(shè)置：2）HIAL< 測量上限）： 100；3）LoAL< 測量下限）： 0 ；4）dHAL< 偏差上限）： 5.0；5）dLAL< 偏差下限）： 5.0；6）Ctrl< 控制方式）： 0；7）Sn：21<此時選定輸入為 Pt100）；8）dip=1；9）diL=0 ；10）dIH：100；11）Opi：4；12）Addr:40；13）bAud:200；設(shè)定輸出為 420mA電流信號14）run=1；15）Loc=808；儀表選擇6其他硬件設(shè)備低壓繼電器 <24V ）、交流接觸器 <22

12、0V）、熱水器 <模擬加熱爐）、風(fēng)扇 <模擬 冷卻泵）、導(dǎo)線若干、插板。5. 設(shè)計(jì)方案（一） 系統(tǒng)框架圖（二）基于 A/D、 D/A板卡的計(jì)算機(jī)溫度測量與控制系統(tǒng)的工作原理 水壺內(nèi)水的當(dāng)前溫度經(jīng) Pt100測量后得到對應(yīng)電阻值傳送到溫度傳感器 <5AI818A人工智能工業(yè)調(diào)節(jié)器），經(jīng)轉(zhuǎn)換后得到 15V的模擬電壓信號由 A/D 轉(zhuǎn)換板 卡<PCL-818）轉(zhuǎn)化為 12位2進(jìn)制數(shù)<24584096）輸入到計(jì)算機(jī)。組態(tài)王 6.53根據(jù)輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行控制運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果由輸出板卡 <光隔開關(guān) 量功放輸出板 IPC5373）輸出到低壓繼電器 <24V），控制低壓繼

13、電器常開觸點(diǎn)的關(guān)斷，低壓 繼電器的常開觸點(diǎn)作為接觸器 <220V）線圈電流的控制開關(guān)，當(dāng)?shù)蛪豪^電器常 開觸點(diǎn)閉合時，接觸器線圈得電，接觸器常開觸點(diǎn)閉合，加熱器/冷卻風(fēng)扇工作工作過程：如設(shè)定溫度控制上限為 t1，溫度控制下限為 t2，增加中間溫度為 t0=（t1+t2>/2。則工作過程如下：16）若水溫低于 t2：經(jīng)檢測換算后輸入到組態(tài)王監(jiān)控界面，運(yùn)算后 IPC5373設(shè) 定值為 64<0x40），輸出通道 1導(dǎo)通，低壓繼電器 1線圈得24V電壓，常開觸點(diǎn)閉 合，使得接觸器 1線圈得 220V電壓，接觸器 1的常開觸點(diǎn)閉合，加熱器開始連續(xù) 工作，此時系統(tǒng)處于連續(xù)加熱狀態(tài)。當(dāng)溫度

14、上升到 t2后，系統(tǒng)推出連續(xù)加熱狀態(tài)，進(jìn)入斷續(xù)加熱狀態(tài)，加熱器 工作 2s后停止工作 2s，依次循環(huán)，直到水溫升到中間溫度 t0，加熱控制過程結(jié)束 ，IPC5373設(shè)定值為 0<0x00），輸出通道全部斷開，加熱器、冷卻風(fēng)扇都不工 作，組態(tài)王繼續(xù)監(jiān)控水溫，直到水溫超過 t1，或水溫低于 t2，系統(tǒng)進(jìn)入相應(yīng)控制 過程。17）若水溫高于 t1：經(jīng)檢測換算后輸入到組態(tài)王監(jiān)控界面，運(yùn)算后 IPC5373設(shè) 定值為 32<0x20），輸出通道 2導(dǎo)通，低壓繼電器 2線圈得24V電壓，常開觸點(diǎn)閉 合，使得接觸器 2線圈得 220V電壓，接觸器 2的常開觸點(diǎn)閉合，冷卻風(fēng)扇開始連 續(xù)工作，此時系統(tǒng)

15、處于連續(xù)冷卻狀態(tài)。當(dāng)溫度下降到 t2后，系統(tǒng)推出連續(xù)冷卻狀態(tài)，進(jìn)入斷續(xù)冷卻狀態(tài)，冷卻風(fēng) 扇工作2s后停止工作 2s，依次循環(huán)，直到水溫降到中間溫度 t0，冷卻控制過程結(jié) 束， IPC5373設(shè)定值為 0<0x00），輸出通道全部斷開，加熱器、冷卻風(fēng)扇都不 工作，組態(tài)王繼續(xù)監(jiān)控水溫，直到水溫超過 t1，或水溫低于 t2，系統(tǒng)進(jìn)入相應(yīng)控 制過程。18）若水溫處于 t1和t2之間： IPC5373設(shè)定值為 0<0x00），輸出通道全部斷開 ，加熱器、冷卻風(fēng)扇都不工作，組態(tài)王繼續(xù)監(jiān)控水溫，直到水溫超過t1，或水溫低于 t2，系統(tǒng)進(jìn)入相應(yīng)控制過程。（三）組態(tài)王 6.53監(jiān)控1板卡設(shè)置1）PC

16、L-818L設(shè)置地址為 300，設(shè)置參見研華 PCL-818 系列板卡中文手 冊。圖3 輸入板卡 <PCL-818L）板卡設(shè)置2） IPC5373設(shè)置地址為 154，即使用 154寄存器中的 8 個輸出通道，初值為0x00，此時 7 個通道全部斷開。相關(guān)設(shè)置參見 IPC5373 使用說明書圖 4 輸出板卡 <IPC5373 板卡)設(shè)置2系統(tǒng)數(shù)據(jù)變量圖5 系統(tǒng)數(shù)據(jù)變量1) 輸入：模擬電壓經(jīng) A/D轉(zhuǎn)換而成的， 12位2進(jìn)制數(shù)， PCL- 818L轉(zhuǎn)換電壓設(shè)定位 - 5V+5V ，則對應(yīng)二進(jìn)制為 04096。因?yàn)檩斎腚妷簽?+15V，則對應(yīng)二進(jìn)制為 24 584096。圖6 輸入AI1

17、2) 輸出： IPC5373板卡有四個寄存器輸出，每個寄存器有 8個通道 <07)， 設(shè)定值為 154H時，使用 154寄存器的 8個通道。各通道的導(dǎo)通與斷開有 2進(jìn)制 0、 1控制，為 1則導(dǎo)通，為 0則斷開 ,因此輸出值為 0255。.3) 其它數(shù)據(jù)變量均為內(nèi)存整型、內(nèi)存離散變量，在程序中起到輔助控制作 用，控制相關(guān)提示燈的運(yùn)行狀態(tài)，如：加熱顯示、冷卻顯示、加熱信號、冷卻 信號、斷續(xù)加熱信號、斷續(xù)冷卻信號?；蛘呤侵虚g變量，控制系統(tǒng)各狀態(tài)的工 作時間，以及起到消除誤操作的作用，如：閃爍變量、斷續(xù)變量。還有就是系 統(tǒng)運(yùn)行時的設(shè)定值與控制按鍵值，如：控制溫度下限、控制溫度上限、中間溫 度、

18、運(yùn)行與停止指令。圖7 輸出3組態(tài)王監(jiān)控界面圖8 組態(tài)王監(jiān)控主界面圖 9 啟動、停止按鍵圖10 系統(tǒng)啟動按鍵向?qū)D11 系統(tǒng)停止按鍵向?qū)е翟O(shè)定模塊：溫度上下線可使用游標(biāo)實(shí)現(xiàn)線性設(shè)定，也可使用動畫連接中輸入”選項(xiàng)中的“模擬量輸入 ”設(shè)定溫度上下限。圖12 上下限溫度設(shè)定模塊圖13 上限下設(shè)定溫度的動畫連接圖14 溫度上限設(shè)定圖15 溫度下限設(shè)定圖16 實(shí)時趨勢曲圖17 溫度顯示儀表向?qū)囟蕊@示儀表上部有 “加熱”和“降溫 ”顯示，當(dāng)系統(tǒng)處于加熱控制時， “加熱 ”顯示閃爍，當(dāng)系統(tǒng)處于冷卻控制時， “降溫 ”顯示閃爍。圖18 輸入分段線性化定義因?yàn)镻t100檢測溫度經(jīng)溫度傳感器變換成電壓信號輸入到

19、A/D板卡， A/D板卡轉(zhuǎn)化為 12為2進(jìn)制數(shù)送入監(jiān)控系統(tǒng)的過程中會出現(xiàn)檢測誤差、轉(zhuǎn)換誤差、轉(zhuǎn)換精度不同引起的誤差等，使得監(jiān)控系統(tǒng)采集到的溫度與實(shí)際溫度有不同程度的差值，為此引入了輸入線性表，對溫度實(shí)行實(shí)時分段線性補(bǔ)償，使監(jiān)控顯示溫 度值與實(shí)際測量溫度值的偏差盡量減小。顯示溫度與實(shí)際測量溫度偏差以 50為分界， 50以下顯示溫度大于實(shí)際 測量溫度， 50以上顯示溫度小于實(shí)際測量溫度。因此，把 0100的測量溫度 范圍分為 17個階段，每個階段包含 5的溫差，對每階段的偏差進(jìn)行線性補(bǔ)償。4系統(tǒng)運(yùn)行程序 if( 運(yùn)行、停止指令 =1>中間溫度 =(控制溫度上限 +控制溫度下限 >/2連

20、續(xù)冷卻、加熱本站點(diǎn) AI1< 控制溫度下限 >冷卻顯示 =0加熱信號 =1 time0=time0+1。本站點(diǎn) AI1> 控制溫度上限 > 加熱顯示 =0。 冷卻信號 =1。time0=time0+1。本站點(diǎn) AI1<控制溫度下限 >> 加熱顯示 =1。 加熱、冷卻輸出 =64。time0=0。斷續(xù)變量 =0。閃爍變量 =0。本站點(diǎn) AI1>控制溫度上限 >> 冷卻顯示 =1。 加熱、冷卻輸出 =32。time0=0。斷續(xù)變量 =0。閃爍變量 =0。if( 控制溫度下限 本站點(diǎn)斷續(xù)加熱、冷卻本站點(diǎn) AI1<=控制溫度上限 >

21、;>/斷續(xù)變量 =斷續(xù)變量 +1閃爍變量 =閃爍變量 +1 if(加熱信號 =1>斷續(xù)加熱信號 =1。if(冷卻信號 =1> 斷續(xù)冷卻信號 =1。if( 斷續(xù)變量 =20>&&( 斷續(xù)加熱信號 =1>&&( 加熱、冷卻輸出 =64>> 加熱、冷卻輸出 =0。 斷續(xù)變量 =0。if( 斷續(xù)變量 =20>&&( 斷續(xù)加熱信號 =1>&&( 加熱、冷卻輸出 =0>> 加熱、冷卻輸出 =64。 斷續(xù)變量 =0。if(斷續(xù)變量=20>&&(斷續(xù)冷卻信號=

22、1>&&(加熱、冷卻輸出 =32>> 加熱、冷卻輸出 =0。 斷續(xù)變量 =0。if( 斷續(xù)變量 =20>&&( 斷續(xù)冷卻信號 =1>&&( 加熱、冷卻輸出 =0>> 加熱、冷卻輸出 =32。 斷續(xù)變量 =0。 本站點(diǎn)AI1<=中間溫度 >冷卻顯示 =0。 斷續(xù)冷卻信號 =0。冷卻信號 =0。本站點(diǎn) AI1>中間溫度 >加熱顯示 =0。 斷續(xù)加熱信號 =0。加熱信號 =0。本站點(diǎn)AI1<中間溫度>&&( 加熱if( 斷續(xù)加熱信號 =1>&&a

23、mp;( 閃爍變量 顯示 =1>>斷續(xù)閃爍加熱顯示 =0。閃爍變量 =0。if( 斷續(xù)加熱信號 =1>&&( 閃爍變量 顯示 =0>>本站點(diǎn)AI1<中間溫度>&&( 加熱加熱顯示 =1。閃爍變量 =0。if（斷續(xù)冷卻信號 =1>&&（ 閃爍變量本站點(diǎn)AI1>中間溫度 >&&（ 冷卻顯示 =1>>冷卻顯示 =0。閃爍變量 =0。if（斷續(xù)冷卻信號 =1>&&（ 閃爍變量本站點(diǎn)AI1>中間溫度 >&&（ 冷卻顯示

24、=0>>冷卻顯示 =1。閃爍變量 =0。else加熱、冷卻輸出 =0。6. 設(shè)計(jì)結(jié)果與分析（一）設(shè)計(jì)結(jié)果：如設(shè)定溫度控制上限為 60，溫度控制下限為 40 ，中間溫度為 t0=（t1+t2>/ 2=50。則工作過程如下：1加熱控制：檢測水溫為 25.2，顯示水溫為 25.2， “溫度下限”閃爍，系統(tǒng) 運(yùn)算后IPC5373輸出值為 64<0x40），輸出通道 1導(dǎo)通，低壓繼電器 1線圈得24V 電壓，常開觸點(diǎn)閉合，使得接觸器 1線圈得 220V電壓，接觸器 1的常開觸點(diǎn)閉合 ，加熱器開始連續(xù)工作，此時系統(tǒng)處于連續(xù)加熱狀態(tài)， “加熱 ”顯示長亮。當(dāng)溫度初次上升到 40并在 1s后依然處于 40以上時 ，系統(tǒng)推出連續(xù)加熱狀 態(tài)，進(jìn)入斷續(xù)加熱狀態(tài)， “溫度下限”停止閃爍， “加熱”顯示閃爍，加熱器工作 2s 后停止工作 2s，依次循環(huán)，直到水溫升到 50，加熱控制過程結(jié)束， “加熱 ”顯 示滅， IPC5373設(shè)定值為 0<0x00），輸出通道 1斷開，加熱器停止工作，組態(tài)王 繼續(xù)監(jiān)控水溫，直到水溫超過 60，或水溫低于 40，系統(tǒng)進(jìn)入相應(yīng)控制過程 。2冷卻控制：檢測水溫為 75.3，顯示水溫為 75.2， “溫度上限”閃爍，系統(tǒng) 運(yùn)算后IPC5373輸