基于SPCE061A的高精度多通道溫度測量系統(tǒng)設(shè)計
溫度的測量與控制在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、日常生活及科學(xué)研究中有著廣泛的應(yīng)用。由于常用溫度傳感器的非線性輸出及一致性較差，使溫度的測量方法和手段相對較復(fù)雜，也給電路的調(diào)試增加了難度。為此，設(shè)計了以臺灣凌陽公司生產(chǎn)的SPCE061A 16位高性能單片機為系統(tǒng)控制核心。采用DALLAS公司的DS18820作為溫度傳感器的三通道高精度溫度測控儀，該測控儀實現(xiàn)了溫度數(shù)據(jù)和日期、時間的顯示與保存；可輸出顯示三組溫度和三路控制信號，具有故障和報警狀態(tài)提示等功能，保證了測試的精度以及系統(tǒng)的可靠性和控制要求。
1 系統(tǒng)硬件設(shè)計
多通道智能溫度測控儀的硬件電路原理框圖如圖1所示，測控儀主要由SPCE061A單片機、溫度傳感器DS18B20和LCD顯示電路、鍵盤電路、串／并轉(zhuǎn)換電路、時鐘電路等組成。
微處理器是系統(tǒng)的核心，它控制測量過程，進行數(shù)據(jù)處理。它的設(shè)計和選用要考慮傳感器的測量速度、精度、分辨率及數(shù)據(jù)處理能力等。對于集成傳感器，設(shè)計微處理器(Microprocessor)的功能要適當(dāng)，設(shè)計時既要考慮產(chǎn)品質(zhì)量、可靠性，又要考慮降低成本，簡化結(jié)構(gòu)，滿足芯片尺寸的要求。因此，選用SPCE061A作為系統(tǒng)微處理器。
SPCE061A芯片是凌陽公司推出的一款高性價比的16位單片機，其主要特性為：工作電壓：CPU的內(nèi)核工作電壓VDD=3．0～3．6 V，I／O口的工作電壓VDDH=VDD～5．5 V；CPU時鐘的頻率為：0．32～49．152 MHz；內(nèi)置2 Kword SRAM和32 KB閃存ROM；系統(tǒng)處于備用狀態(tài)下(時鐘處于停止?fàn)顟B(tài))，耗電小于2μA@3．6 V；具備觸鍵喚醒的功能；32位通用可編程輸入／輸出端口；2個16位可編程定時器／計數(shù)器(可自動預(yù)置初始計數(shù)值)；7通道10位電壓模／數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)和單通道聲音模／數(shù)轉(zhuǎn)換器；2個10位數(shù)／模轉(zhuǎn)換(DAC)輸出通道；14個中斷源可來自定時器A／B，時基，2個外部時鐘源輸入，鍵喚醒；具備串行設(shè)備接口；低電壓復(fù)位(LVR)和低電壓監(jiān)測(LVD)功能；內(nèi)置在線仿真(In-Circuit Emulation，ICE)。另外16位單片機具有一套易學(xué)易用、效率較高的指令系統(tǒng)和集成開發(fā)環(huán)境。在此環(huán)境中，支持標(biāo)準(zhǔn)C語言，可以實現(xiàn)C語言與凌陽匯編語言的互相調(diào)用。
1．1 溫度數(shù)據(jù)采集
溫度數(shù)據(jù)采集電路選用Dallas公司生產(chǎn)的DS18B20。DS18B20是“一線總線”數(shù)字化溫度傳感器，測量溫度范圍為-55～+125℃，在-10～+85℃范圍內(nèi)，精度為士O．5℃。該器件只有3個引腳(即電源VDD、地線GND、數(shù)據(jù)線DQ)，不需要外部元件，一條數(shù)據(jù)線進行通信。設(shè)計系統(tǒng)檢測溫度范圍設(shè)計為-10～+85℃，精度為0．2℃，已經(jīng)能夠滿足絕大多數(shù)工作環(huán)境的要求；用9 b數(shù)字量來表示溫度；每次將溫度轉(zhuǎn)換成數(shù)字量需時200 ms。在單總線工作方式下，允許一條信號線上掛接多個DS18B20，DS18B20都有惟一的ROM代碼(64位產(chǎn)品序列號)。在多點溫度測控系統(tǒng)中，ROM代碼是識別和操作DS18B20的基礎(chǔ)；無論讀取，還是選擇對某一個傳感器進行操作，主機必須發(fā)送64位ROM代碼。
為了保證測試精度，系統(tǒng)設(shè)計了A，B，C三個溫度采集通道，以便測試溫度場分布較大的環(huán)境。當(dāng)溫度達(dá)到設(shè)定要求時，控制電路可以產(chǎn)生相應(yīng)的控制動作，比如切斷加熱電源或者發(fā)出告警信號。DS18B20溫度與轉(zhuǎn)換數(shù)值之間的關(guān)系見表1。
1．2 人機接口
系統(tǒng)鍵盤由SPCE061A的IOB5～8組成，它們分別是功能鍵、增加鍵、減少鍵、復(fù)位鍵。用來實現(xiàn)溫、度上、下限及控制時間的設(shè)置功能。測控儀采用驅(qū)動128段LCD顯示器，用于顯示現(xiàn)場的溫度值、時間、故障和報警狀態(tài)。HT1621是一個128(32×4)段、內(nèi)存映射、多功能、I2C接口的LCD驅(qū)動器。這里利用其兩線串行模式與單片機接口，簡化了與單片機的接口電路設(shè)計，并減少了硬件資源的占用。
2 系統(tǒng)軟件設(shè)計
主程序主要完成系統(tǒng)初始化、掃描鍵盤、溫度采樣并對采樣數(shù)值進行運算、顯示溫度及控制輸出等工作。主程序流程圖如圖2所示。定時器B用于定時控制采樣的時間。系統(tǒng)設(shè)定采樣周期為2 s，而控制周期為500μs。通過鍵盤設(shè)定控制溫度數(shù)值，輸入后做相應(yīng)的數(shù)據(jù)備份，即將參數(shù)存入單片機SPCE061A內(nèi)的FLASH ROM中。
系統(tǒng)采用數(shù)字PID算法來提高系統(tǒng)的控制精度，PID用增量式表示為：
由于溫度響應(yīng)具有遲滯性，屬于一階延時系統(tǒng)，若采用常規(guī)PID算法，控制效果不好，并且會出現(xiàn)較大的超調(diào)量。為了解決這一問題．設(shè)計采用積分分離PID算法，從實驗結(jié)果來看，性能指標(biāo)均有所提高。
當(dāng)被控量與設(shè)定值偏差較大時，取消積分作用；當(dāng)被控量與設(shè)定值偏差很小時，加入積分作用，即系統(tǒng)啟動、停止或大幅度改變設(shè)定值時，只用比例控制和微分控制，然后才加入積分控制，這樣更有利于改善動態(tài)特性和消除靜差。具體做法是：針對被控對象參量，設(shè)定一個偏差的門限e0，當(dāng)過程控制中偏差e(n)的絕對值大于e0時，系統(tǒng)不引入積分控制，只用PD控制；當(dāng)偏差e(n)的絕對值小于e0時，才引入積分控制，即采用PID控制。對計算公式的積分項，乘一個權(quán)系數(shù)μ，按式(3)取值：
μ=1，當(dāng)|e(n)|≤e0
3 系統(tǒng)調(diào)試
系統(tǒng)調(diào)試中，采用電加熱器對1 kg水進行加熱，DS18B20將溫度信號變?yōu)閿?shù)字信號，讀入CPU，通過軟件對溫度數(shù)據(jù)進行校正，同時將所測溫度在LCD上進行實時顯示。根據(jù)系統(tǒng)程序控制，進行PID運算以及輸出控制，最終由CPU給出控制加熱回路的有效電壓。PID參數(shù)整定：系統(tǒng)采用擴充臨界比例度法來整定。
通過實驗測量，被控對象的純滯后時間為20 s左右，因此選擇采樣周期為2 s。通過實測數(shù)據(jù)比較，選擇控制度為1．2，采用PI控制，經(jīng)過對參數(shù)進行微調(diào)，最后得出最佳PID參數(shù)，即KP=2．11，K1=0．043。在系統(tǒng)調(diào)試中實測數(shù)據(jù)表明，控制器平均控制精度在士0．2℃之內(nèi)。表2為調(diào)試過程中3個通道的1次數(shù)據(jù)記錄。從數(shù)據(jù)可以看出，當(dāng)設(shè)定溫度為80℃時，最后穩(wěn)定溫度為80．2℃，控制精度比較高。
4 結(jié) 語
多通道溫度測控系統(tǒng)采用抗干擾性能強，功耗低的SPCE061A16位單片機和一線式數(shù)字溫度傳感器DS18B20，使系統(tǒng)的硬件電路結(jié)構(gòu)得到高度簡化。軟件采用高精度的PID控制算法，使測量及控制性能得到顯著提高。經(jīng)實際使用證明，具有測量精度高．硬件電路合理，性價比高，使用方便等特點，克服了傳統(tǒng)溫度儀測量精度低，電路復(fù)雜，調(diào)試及標(biāo)定困難等缺點。該系統(tǒng)可應(yīng)用到大部分溫度、溫差的高精度控制場合中。
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