基于瑞薩微控制器的溫度控制系統(tǒng)設計

摘要：為了提高傳統(tǒng)溫度控制系統(tǒng)的性能，將PID控制理論與嵌入式系統(tǒng)相結合，采用瑞薩電子公司的H8S／2166作為核心處理器，AD公司的AD7705以及熱敏電阻溫度傳感器作為溫度檢測單元，利用4x6小鍵盤、LCD顯示器和S1D13305液晶控制器達到良好的人機交互，設計出了一個應用于化工領域的嵌入式實時溫度控剞系統(tǒng)。相比于傳統(tǒng)溫度控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)提供了更強的計算能力和可擴展能力，采用增量PID控制算法實現(xiàn)復雜控制。通過實驗，該系統(tǒng)能達到0．1℃的溫度控制精度以及小于120 s的溫度穩(wěn)定時間。
關鍵詞：溫度控制系統(tǒng)；嵌入式；Renesas微控制器；PID控制器

    溫度的測量及控制在社會生產(chǎn)生活中有著廣泛的應用，而在石油、化工、電力、冶金等重要工業(yè)領域中則擔負著極其重要的測控任務，溫度測控的及時、準確，直接關系到生產(chǎn)效率和作業(yè)安全。伴隨著科技的快速發(fā)展，以51單片機為核心的智能測控系統(tǒng)得到了廣泛的應用，基本上滿足了大部分的需求，但是對于一些要求測量精度高、控制精度高、實時性要求高、系統(tǒng)復雜的溫度控制系統(tǒng)，單片機就不能滿足要求了，這就要求高精度和高速度的處理器。
    本文提出一種基于Renesas H8S／2166徽控制器的溫度控制系統(tǒng)的設計方案，通過4×6小鍵盤和128x64 LCD顯示器提供良好的人機交互能力。該系統(tǒng)能有效地應用于化學反應溫度控制系統(tǒng)，可提供一種自動化、安全，實時的測控方式。

1 系統(tǒng)硬件組成
    系統(tǒng)主要由輸入輸出設備(鍵盤和LCD)，步進馬達送液泵，溫度傳感器和Renesas H8S／2166微控制器構成。系統(tǒng)模塊圖如圖1所示。

1．1 微控制器
    Renesas H8S／2166是由瑞薩電子公司開發(fā)的16位微處理器，能很好的向上兼容H8／300和H8／300H系列的微處理器，擁有16個16位的通用寄存器，65條基本指令，以及各種外圍設備及接口，諸如8位計時器，16位計時器，PWM，數(shù)據(jù)傳輸控制器，看門狗，異步或時鐘同步串行通信接口(SCI)，I2C總線接口，LPC接口，8位D／A轉換器和10位A／D轉換器。
1．2 溫度傳感器模塊
    溫度傳感器模塊是一個較為核心的模塊，采用熱敏電阻溫度傳感器，溫度精度為0．1℃。并且為了提高轉換精度，使用了一個外部的16位A／D轉換器AD7705。
    AD7705是美國AD公司推出的16位∑-△A／D轉換器。器件包括由緩沖器和增益可編程放大器(PGA)組成的前端模擬調(diào)節(jié)電路、∑-△調(diào)制器，可編程數(shù)字濾波器等部件。能直接將傳感器測量到的多路微小信號進行A／D轉換。PGA可通過指令設定，對不同幅度的輸入信號實現(xiàn)1、2、4、8、16、32、64和128倍的放大，因此AD7705芯片既可接受從傳感器送來的低電平輸入信號，亦可接受高電平信號。它的輸出速度同樣可由指令設定，范圍由20～500 Hz。這種器件還具有高分辨率、寬動態(tài)范圍、自校準、優(yōu)良的抗噪聲性能以及低電壓低功耗等特點，非常適合儀表測量、工業(yè)控制等領域的應用。它采用三線串行接口，有兩個全差分輸入通道，能達到0．003％非線性的16位無誤碼數(shù)據(jù)輸出，其增益和數(shù)據(jù)輸出更新率均可編程設定，還可選擇輸入模擬緩沖器，以及自校準和系統(tǒng)校準方式。工作電壓3 V或5 V。3 V電壓時，最大功耗為1 mW，等待模式下電源電流僅為8μA。
    電路圖如圖2所示，Pt100即為熱敏電阻溫度傳感器。

1．3 步進馬達送液模塊
    步進馬達送液模塊包括兩個組成部分：步進馬達和送液注射器。步進馬達基本步距角為0．9°，微步是基本步距角的四分之一，即0．225°。利用步進馬達推動注射器完成送液過程，步進馬達每運轉一圈，注射器移動量為0．8 mm。
    微控制器通過用戶設定的送液速率或吸液速率以及所選擇的注射器內(nèi)徑大小即可計算得到步進馬達運轉周期。公式如下：
   
    即微控制器每過時間T驅動步進馬達運轉一步。
1．4 輸入輸出控制
    系統(tǒng)利用4x6鍵盤和128x64 LCD顯示器以達到良好的人機交互，采用中斷的方式，提供對系統(tǒng)的及時，有效的控制。
系統(tǒng)采用了S1D13305液晶顯示控制器對LCD顯示器進行控制。S1D13305具有較強的I／O緩沖器，徼控制器訪問S1D13305不需要判斷其是否為“忙”狀態(tài)，S1D13305可隨時準備接收徽控制器的訪問，并及時地傳輸單片機發(fā)來的指令和數(shù)據(jù)。另外，S1D13305具有較強的管理顯示存儲器的性能，內(nèi)置一個字符發(fā)生器，具有160種5×7點陣字體的字符，并能分區(qū)管理64 K的顯示存儲器，可以同時管理3個或4個顯示區(qū)，并能同時管理用戶自定義字符發(fā)生器。此外，S1D13305軟件功能非常強大，命令控制操作簡單，共有14條指令，用戶只需給不同指令輸入控制參數(shù)，就可得到所需的顯示內(nèi)容。
    工作狀態(tài)下的LCD顯示如圖3所示。

2 系統(tǒng)軟件設計
    系統(tǒng)設計了兩種工作模式，模式1是送液流速恒定自動控制模式，模式2是溫度恒定自動控制模式。其中模式2采用了數(shù)字PID控制算法，以達到良好的控制效果。系統(tǒng)總流程圖如圖4所示。其中基本設定包括選擇注射器型號，設定流速大小等內(nèi)容。

2．1 流速恒定自動控制模式
    系統(tǒng)根據(jù)用戶設定的流速及所使用的注射器內(nèi)徑值，計算出步進馬達的運轉周期T，根據(jù)周期T設定計時器Timer0的匹配中斷值，然后利用計時器Timer0匹配中斷來驅動步進馬達運轉和更新LCD所顯示的各項內(nèi)容。
    在工作狀態(tài)下，微控制器利用串行通信接口，每次從AD7705得到一個16位數(shù)值，通過計算得到對應的溫度傳感器電阻值，再查詢阻值溫度對照表即可得到當前溫度。
    在模式1下，每次驅動步進馬達之前都會對當前溫度和設定的溫度進行比較，如果當前低于溫度上限，步進馬達才能運轉，否則步進馬達將停止送液，直到當前溫度低于設定的溫度下限時，步進馬達才能重新運作。
    該模式流程圖如圖5所示。

2．2 溫度恒定自動控制模式
    該模式利用數(shù)字PID控制算法，通過調(diào)整比例、積分和微分的3個參數(shù)，使系統(tǒng)獲得良好的閉環(huán)控制性能，從而使反應槽中溫度趨于恒定。
    模擬PID控制算法為：
   
    式中，m(t)是PID控制器的輸出信號；e(t)為偏差信號；KP為比例增益；KI為積分增益；KD為微分增益。
    用一系列采樣時刻kT代替連續(xù)時間t，以增量代替微分，并以后向差分的形式表示；對積分項也以增量代替，為了簡便，可省去T，將式(1)轉變?yōu)殡x散形式的差分方程：

   
    系統(tǒng)的采樣周期T選定后，利用Z-N整定公式確定了KP、KI、KD，只要使用前后3次測量的溫度偏差值即可由式(3)式(4)得到控制量，再計算得出實際對應的馬達轉速。
    控制原理如圖6所示。

3 實驗設計
    選擇直徑10 mm，容積10 mL的注射器，在注射器中吸入濃度為38％的濃鹽酸，在5 cmX5 cmx10 cm反應槽中倒入濃度為35％的氫氧化鈉水溶液，系統(tǒng)通過步進馬達控制注射器將鹽酸注入反應槽中，從而發(fā)生放熱反應。通過實驗證明，如表1所示，系統(tǒng)控制精度能達到0．1℃，選擇溫度恒定自動控制模式時，溫度穩(wěn)定時間小于120 s。

    該系統(tǒng)可應用于化工領域，作為反應溫度自動控制系統(tǒng)，能取得良好的控制效果。

4 結束語
    本文設計了一種實時溫度控制系統(tǒng)，它采用了瑞薩電子公司的H8S／2166微控制器作為核心處理器，并采用增量PID控制算法，它比傳統(tǒng)的51單片機有更快的運行速度，更好的可擴展性，能實現(xiàn)更為復雜的、高性能、運行穩(wěn)定、抗干擾能力強、智能化的實時嵌入式溫控系統(tǒng)。
    當然，該系統(tǒng)還存在一些不足之處，今后將在以下幾方面加以研究和改善：1)設計多種操作模式，以滿足各種實用環(huán)境；2)設計實現(xiàn)多個微控制器與一臺主機的通信，用一臺主機即可控制多個工作現(xiàn)場，進一步提高工作效率。