基于C8O51F04O單片機的溫度遙測遙控系統(tǒng)

摘要：文章介紹了一種基于C805lF040單片機的的水溫遙控遙測系統(tǒng)的設計。設計采用C8051F040單片機為控制內核，TCA785移相觸發(fā)調壓方式控制加熱元件，上位PC機通過無線收發(fā)裝置實現(xiàn)對水溫、液位的遙感遙測。
關鍵詞：C805lF040；遙控遙測；移相觸發(fā)

O 引言
    溫度遙控遙測是遠程實現(xiàn)對溫度的測量與控制，特別適合那些環(huán)境惡劣，測量人員不容易接近的場合，近年來在工農業(yè)生產中應用廣泛。根據遙控遙測系統(tǒng)的特點，提出了對水溫遙控遙測的設計方案。

1 總體方案設計
    溫度遙控遙測系統(tǒng)主要由微處理器系統(tǒng)、測溫模塊、加熱模塊、通信模塊、液位模塊以及上位機軟件等組成。系統(tǒng)構成如圖1所示。

    測溫模塊測量液體溫度后，把溫度數(shù)值發(fā)送給微處理器，當溫度變化達到一定值后，加熱模塊開始加熱，首先可以在設定的時間內，加熱到設定的溫度并穩(wěn)定在該溫度一段時間。系統(tǒng)還可以按照設計好的各溫度節(jié)點進行分段折線加熱，精度很高。測液位模塊實時測量液體液位，并傳給微處理器。系統(tǒng)通過兩個通信模塊實現(xiàn)遙測遙控，上位機設好溫度參數(shù)后，通過通信模塊傳給遠處的微處理器，微處理器按照上位機設定好的溫度控制加熱模塊進行加熱，同時微處理器把液體溫度和液位高度通過通信模塊傳給上位機軟件，通過上位機軟件界面可以實時顯示和監(jiān)測液體溫度和高度。顯示模塊把系統(tǒng)的溫度、高度等各項數(shù)據實時顯示在液晶屏幕上。
    程序采用PID算法，建立比例、積分、微分數(shù)學模型，控制TCA785移相觸發(fā)器正負觸發(fā)可控硅BAT-20對受熱物質加熱。移相觸發(fā)雙向可控硅調壓精準，無級調壓，較好地融合了超調和加熱時間之間的矛盾；遙感遙測使用PTR-2000與上位機通信，在0到100℃范圍內可任意設定、控制水溫。PTR-2000通信距離遠，準確率高，PC機界面實時顯示溫度曲線，溫度、液位上下限設定。并具有溫度曲線采樣率設定、溫度曲線打印功能。

2 硬件設計
    系統(tǒng)硬件主要由C8051F040單片機最小系統(tǒng)、PTR2000無線通信模塊、TCA785移相調壓控制模塊、Ptl00測溫模塊、WDK505測液位模塊等組成。
2．1 C8051F040單片機最小系統(tǒng)
    最小系統(tǒng)以單片機C8051F04O為核心，包括晶體振蕩電路、復位電路、抗干擾電路、電壓基準電路和電源部分。C805lF040單片機是美國Cygnal公司生產的完全集成的混合信號系統(tǒng)級芯SoC。它具有64kB Flash、4352BRAM、CAN控制器2．0、兩個串行接口、5個16位定時器、12位A／D轉換器、8位A／D轉換器及12位D／A轉換器等，它內部還帶有JTAG接口，使調試變得非常方便。
2．2 PTR2000無線通信模塊
    該器件將接收和發(fā)射合接為一體，工作頻率為國際通用的數(shù)傳頻段433MHz；采用FSK調制／解調，可直接進入數(shù)據輸入／輸出，抗干擾能力強。該模板塊在內部集成了高頻接收、PLL合成、FSK調制／解調、參量放大、功率放大、頻道切換等功能。通信距離可以滿足設計要求，設計電路中將PTR2000的一部分通過MAX232進行電平轉換后與計算機串口連接，另一部分與最小系統(tǒng)連接。
2. 3 TCA 785移相調壓控制模塊
    加熱模塊采用移相觸發(fā)集成觸發(fā)器來實現(xiàn)。觸發(fā)器TCA785過零點的識別能力高，移相范圍更寬，輸出脈沖的整齊度更好，可使受控元件在0V到220V無級改變，常用于對精度要求高，受控環(huán)境惡劣的條件下。移相觸發(fā)是通過改變電壓調節(jié)導通角來實現(xiàn)調壓，負載兩端的電壓及平均功率是隨移相觸發(fā)角的變化而變化的。在可控硅的每個正或負的周期中都有保持通、斷的部分，即輸出連續(xù)可調，能適應各種性質的負載。本系統(tǒng)為加熱單元設置了總控開關，上位機可直接控制開關的通斷，用燈泡顯示開關狀態(tài)。其控制原理圖見圖2。

2．4 Ptl00測溫模塊
    Ptl00溫度傳感器為正溫度系數(shù)熱敏電阻傳感器，具有抗振動、穩(wěn)定性好、準確度高、耐高壓等優(yōu)點。鉑熱電阻的線性較好，在0到100℃之間變化時，最大非線性偏差小于0．5℃。鉑熱電阻阻值與溫度關系為：
    
    式中，A=0．00390802；B=-0．000000580；其阻值表達式可近似簡化為：Rpt00=100×(1+At)，當溫度變化1℃，Ptl00阻值近似變化0．39 Ω。
2．5 WDK505測液位模塊
    采用WDK505壓力變送器測量液位。該儀器具有防結露、防雷擊設計，抗干擾能力強，長期穩(wěn)定性好等優(yōu)點。芯片置于全不銹鋼殼體內堅固密封，可靠性好，精度高。

3 軟件設計
    此系統(tǒng)的主要任務是對C8051F040芯片的初始化和各種參數(shù)的設置和通信，并顯示。重點是超調量控制、溫度控制PID實現(xiàn)以及上位機軟件的編寫。
3．1 超調量控制
    實驗表明，水溫控制系統(tǒng)中，采用一般的控制始終具有較大的超調，只能靠自然冷卻，這就使得調節(jié)時間大大延長。因此，在水溫控制系統(tǒng)中要縮短調節(jié)時間，就必須做到基本無超調。通過反復實驗，采用在程序中加入PID算法以及模糊控制方法進行溫度控制。實踐證明，這種控制方式可以加快系統(tǒng)階躍響應，減小超調量，并且具有較高的溫度控制精度。
3．2 上位機軟件
    上位機軟件利用VC++編寫，可以設置2個通道的上、下限溫度和液位，以及溫度和液位的實時顯示和溫度隨時間變化曲線。上位機軟件可以打印溫度曲線，可以全圖打印，也可以局部打印，還可以隨時查看歷史數(shù)據。其界面如圖3所示。

3．3 溫度控制PID實現(xiàn)
    PID控制是控制工程中技術成熟、應用廣泛的一種控制策略，經過長期的工程實踐，已形成了一套完整的控制方法和典型的結構。PID的工作基理是：由于來自外界的各種擾動不斷產生，要想達到現(xiàn)場控制對象值保持恒定的目的，控制作用就必須不斷地進行。若擾動出現(xiàn)使得現(xiàn)場控制對象值發(fā)生變化，現(xiàn)場檢測元件就會將這種變化采集后經變送器送至PID控制器的輸入端，并與其給定值進行比較得到偏差值，調節(jié)器按此偏差并以我們預先設定的整定參數(shù)控制規(guī)律發(fā)出控制信號，去改變調節(jié)器的開度，使之增加或減少，從而使現(xiàn)場控制對象值發(fā)生改變，并趨向于給定值，從而達到控制目的。其實PID的實質就是對偏差進行比例、積分、微分運算，根據運算結果控制執(zhí)行部件的過程?？刂品桨溉鐖D4所示。

    PID控制器的控制規(guī)律可以描述為：
   
    本設計利用了上面所介紹的位置式PID算法，將溫度傳感器采樣輸入作為當前輸入，然后與設定值進行相減得偏差，再對偏差值進行PID運算產生輸出結果，最后控制定時器的時間進而控制加熱器。

4 結束語
    溫度遙控遙測是工業(yè)上使用比較多的一種控制技術，本文就是針對溫度遙控遙測所進行的探討與實踐。設計采用PID控制算法大大減少超調量，提高控制精度。由于傳感器和其它器件本身并非理想線性，程序中對實測數(shù)據進行了線性補償。經過大量的實驗，觀測數(shù)據，優(yōu)化系統(tǒng)，最終得到的實驗結果精度較高。水溫控制準確，雙向通信良好，上位機界面完整、優(yōu)美。希望本文提出的方案能對大家在溫度遙控遙測的設計與應用方面有所幫助和啟示。