基于SPCE061A的水温监控系统设计

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摘要：采用单片机SPCE061A作为温度监控核心部件，结合PT100传感器完成对水温的采样，通过数字滤波技术消除系统的干扰还原当前的温度值，并且对采集到的温度值进行比例积分微分运算处理，实现了一种水温监控系统的设计。测试结果表明，该系统具有良好的温控能力。
关键词：SPCE061A；单片机；温度控制；PID；Pt100

??? 温度控制无论在工业控制领域还是消费电子领域应用都非常广泛，如工业控制中的锅炉、加热炉的控制，消费电子领域的热水器、饮水机的控制。内部都涉及到温度控制。且目前控制算法的丰富也为温度控制提供了便利条件，应用较为普遍地有比例积分微分(PID)控制、模糊控制等。

1 系统硬件设计
??? 本系统以SPCE061A为控制核心，包括传感器电路、键盘和显示电路、继电器控制电路和UART通信电路4大模块。利用SPCE061A自带的10位A／D转换器，结合PT100温度传感器完成对水温的采样，通过数字滤波等技术消除系统的干扰因素还原当前的温度值，通过数码管显示出来，并且对采集到的温度值进行PID运算处理．实现对水温的控制。除此之外，系统还要实现PC机与单片机的上下位机通信功能，在PC机上实时显示温度加热曲线。系统整体框图如图1所示。




1．1 SPCE061A核心控制器
??? SPCE061A是一款16位u'nspTM内核的微控制器，该微控制器不仅能够实现基本控制功能同时还具有一些DSP功能。该芯片内嵌32k的Flas-hROM和2 k字的SRAM，同时还集成了ADC、DAC、AGC放大电路等，是一颗功能强大的SOC芯片。该芯片拥有8路10位精度的ADC，其中一路为音频转换通道，另外7路可作为普通的AD转换通道。它可以实现简单的加减运算，为了处理复杂的算术运算还添加了硬件乘法器，能够进行n项内积运算。最高系统时钟可达到49 MHz，较高的处理速度使SPCE061A能够非常容易快速地进行复杂的算术逻辑运算。本系统所采用的是61板，而61板就是SPCE061的开发系统，61板除了具有单片机最小系统外，还有电源电路、音频电路、复位电路和按键等。
1．2 传感器电路
??? 传感器电路包括测量电桥和放大电路两部分，如图2所示。




??? 本系统的温度传感器采用铂热电阻温度传感器PT100，铂热电阻的物理化学性能在高温和氧化性介质中很稳定，它能用作工业测温元件，且此元件线性较好，在0～100℃时，最大非线性偏差小于0．5℃。R2、R3、R和PT100组成传感器测量电桥，为了保证电桥输出电压信号的稳定性，电桥的输入电压通过TL431稳至2．5 V。从电桥获取的差分信号通过两级运放放大后输入单片机。电桥的一个桥臂采用可调电阻R3，通过调节R3可以调整输入到运放的差分电压信号大小，通常用于调整零点。
??? 放大电路采用LM358集成运算放大器，为了防止单级放大倍数过高带来的非线性误差，放大电路采用两级放大，如图2所示，前一级约为10倍，后一级约为3倍。温度在0～100℃变化，当温度上升时，PT100阻值变大，输入放大电路的差分信号变大，放大电路的输出电压AV对应升高。
                          
                       
                          
                               
1．3 键盘和显示电路
??? 键盘直接使用61板自带的按键，不需要另外连接硬件即可使用。显示电路采用LED键盘模组来实现，LED键盘模组采用DC 5 V供电，集成了LED、KEY、数码管功能，作为SPCE061A外围器件的扩展模块来使用。LED模块扩展了6位8段数码管，最大显示数据为999 999；有8个发光二极管，8个按键(可以组成1x8KEY也可组成2x4KEY)，1个电位器，可以提供0～5 V的模拟电压信号或者0～3．3 V的模拟电压，与模组输入的VDD有关。键盘和显示电路主要用来设定和显示实时温度。
1．4 继电器控制电路
??? 本系统的主要功率器件为一个交流220 V／1 000 W的电加热器，采用继电器来驱动该加热器。继电器选择OMRONG6B—1174P型继电器，该继电器具有触发电压低(DC：5 V)，可控功率大(AC：8 A，250 V)，以及反应时间短等优点。采用NPN8050三极管驱动继电器，当控制端Ctrl加载高电平信号时三极管导通，继电器工作，当控制端Ctrl为低电平信号时三极管截止，继电器停止工作。继电器的周围有续流保护电
路和工作指示电路，功率驱动部分电路如图3所示。Ctrl为继电器控制信号输入端，通过单片机的IOA7控制。J2为控制加热器的开关接口。





2 系统软件设计
??? 系统程序的控制思想：设置目标温度后，系统采样水温，并通过预设温度，当前温度，历史偏差等进行PID运算产生four输出参数，通过该参数控制加热时间，从而调节加热器的平均功率，实现系统的PID控制。整体功能通过主程序和中断服务程序配合实现。中断服务包括IRQ5_2Hz中断，IRQ5_4Hz中断，IRQ2_TimerB中断以及IRQ6_TMB2(1 024 Hz)中断。这里主要介绍主程序流程和主要子程序流程。系统首先初始化I／O、TimerB、UART等部件，之后进入主循环，进行温度采样和相关处理。本系统软件设计的核心思想就在于PID控制的实现，在系统运行过程中通过按KEY3键重新设置目标温度。主程序流程如图4所示。




                          
                       
                          
                               
2．1 A／D转换子程序
??? A／D转换：每间隔1s执行一次温度采样操作．每次采样执行18次A／D转换；在IRQ5_2Hz中断服务程序中完成，IRQ5_2Hz用以提供1 s时间以确定AD采样的时间间隔，A／D转换子程序流程图如图5所示。




2．2 温度PID控制的实现
??? 本方案利用位置式PID算法，将温度传感器采样输入作为当前输入，然后与设定值进行相减得偏差，然后再对之进行PID运算产生输出结果four，然后让four控制定时器的时间进而控制加热器。IRQ2_TimerB提供溢出频率为64 Hz的中断信号，配合主程序的PID运算结果four确定加热时间，实现加热器功率调节，该部分子程序流程图如下图6所示。





3 系统运行性能测试
??? 本系统的关键之处在于PID控制。对于PID系统来说，系统性能的好坏主要取决于PID控制的参数的设定。由PID控制原理知：比例(P)控制能迅速反应误差，减小稳态误差：比例作用的加大，会引起系统的不稳定。积分(I)控制的作用，只要系统有偏差存在，积分作用不断地积累，输出控制量以消除误差；积分作用太强会使系统超调加大，甚至使系统出现振荡。微分(D)控制可以减小超调量，克服振荡，使系统的稳定性提高，同时加快系统的动态响应速度，减小调整时间，从而改善系统的动态性能。
??? 本系统能够实现的基本功能如下：
??? 1)温度的实时采集显示：
??? 2)对温度的变化能够做出及时的处理，能够应用PID调节；
??? 3)通过UART实现上下位机通信。并在上位机上显示温度的变化曲线。
??? 在系统调试过程中，通过改变关键的PID系统参数Kp、Kd，观察系统运行性能的变化，以使系统处于最佳运行状态，以下是测试过程及测试结果。
??? 1)Kp=1．5、Kd=1．0(温升：20～40℃)对应的曲线如图7所示，由图形可以看出来，由于过大，造成超调量过大。




                          
                       
                          
                               
??? 2)Kp=1．2、Kd=1．0(温升：40～60℃)对应的曲线如图8所示，由图形可以看出来，由于过小，系统的快速性不好，反应比较迟钝。




??? 3)Kp=1．3、Kd=1．0(温升：30～50℃)对应的曲线如图9所示，由图形可以看出来，由于过小，系统的超调量比较大，而且预测性不好，造成温度长时间超调。




??? 4)Kp=1．3、Kd=2．0((温升：50～70℃))对应的曲线如图10所示，由图形观察可知：选择适中，系统的超调量很小，而且超调维持时间很短就会恢复平衡点。




??? 通过以上几次的测量曲线分析，最终选择Kp=1．3、Kd=2．0。此时温度控制指标如下：静态误差：T≤0．5℃；分辨率：0．1℃；超调量：T≤0.5℃。这样的情况下，系统运行情况可以达到最好。

4 结论
??? 基于16位单片机SPCE061A的DSP功能以及快速的处理能力，本系统的数据采集和运算处理十分的方便简单，另外由于IDE支持标准的C语言函数库，使得复杂的数学运算变得轻而易举，大大减小了编程的难度。另外采用VC实现上下位机相互通信，在上位机直接显示温度的变化曲线，直接观察控制的性能，并根据曲线适当的修改系统的PID参数，使控制达到最优化。