0 引 言
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(jì)了以臺灣凌陽公司生產(chǎn)的SPCE061A 16位高性能單片機(jī)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(shí)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(bào)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(jì)
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(jī),、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(jìn)行數(shù)據(jù)處理,。它的設(shè)計(jì)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(jì)微處理器(Microprocessor)的功能要適當(dāng),，設(shè)計(jì)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(jià)比的16位單片機(jī)，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(jì)數(shù)器(可自動預(yù)置初始計(jì)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(jī)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(shí)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(jìn)行通信,。設(shè)計(jì)系統(tǒng)檢測溫度范圍設(shè)計(jì)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(diǎn)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(jìn)行操作,，主機(jī)必須發(fā)送64位ROM代碼,。
為了保證測試精度，系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jī)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(shí)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(bào)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(jī)接口，簡化了與單片機(jī)的接口電路設(shè)計(jì),，并減少了硬件資源的占用,。
2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
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(jìn)行運(yùn)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(jī)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(jì)采用積分分離PID算法,，從實(shí)驗(yàn)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(jì)算公式的積分項(xiàng),，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(jìn)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(jìn)行校正,，同時將所測溫度在LCD上進(jìn)行實(shí)時顯示。根據(jù)系統(tǒng)程序控制,，進(jìn)行PID運(yùn)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(kuò)充臨界比例度法來整定,。
通過實(shí)驗(yàn)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(shí)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(jìn)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(shí)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(qiáng)，功耗低的SPCE061A16位單片機(jī)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(shí)際使用證明,，具有測量精度高．硬件電路合理，性價(jià)比高,，使用方便等特點(diǎn),，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(diǎn),。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,。