1、 水温控制系统1水 温 控 制 系 统文 摘 为了实现高精度的水温控制，本文介绍了一种以 SPCE061A单片机为控制核心、以 PID算法控制以及 PID参数整定相结合的控制方法来实现的水温控制系统。文章着重介绍核心器件的选择、控制算法的确定、各部份电路及软件的设计。SPCE061A单片机完善的内部结构、优良的性能和强大的中断处理能力，决定了该控制系统的特点：电路结构简单、程序简短、系统可靠性高等。本次设计还充分利用了 SPCE061A单片机成熟的语音处理技术和 PC机的图形处理功能，来实现了语音播报温度和打印温度变化曲线的要求。关键词 SPCE061A 单片机；Pt1000；PID自 70年
2、代以来，由于工业过程控制的需要，特别是在电子技术的迅猛发展，以及自动控制理论和设计方法发展的推动下，国外温度控制系统发展迅速，并在智能化自适应参数自整定等方面取得成果。在这方面以日本、美国、德国、瑞典等国技术领先，并且都生产出了一批商品化的性能优异的温度控制器及仪器仪表，在各行业广泛应用。 目前，国外温度控制系统及仪表正朝着高精度智能化、小型化等方面快速发展。 温度控制系统在国内各行各业的应用虽然已经十分广泛，但从国内生产的温度控制器来讲，总体发展水平仍然不高，同国外的日本、美国、德国等先进国家相比，仍然有着较大的差距。目前，我国在这方面总体技术水平处于20世纪 80年代中后期水平。成熟产品主
3、要以“点位”控制及常规的 PID控制器为主，它只能适应一般温度系统控制，难于控制滞后复杂时变温度系统控制，而且适应于较高控制场合的智能化、自适应控制仪表国内技术还不十分成熟，形成商品化并广泛应用的控制仪表较少。现在，我国在温度等控制仪表业与国外还有着一定的差距。温度、压力，流量和液位是四种最常见的过程变量，其中温度是一个非常重要的过程变量，因为它直接影响燃烧、化学反应、发酵、烘烤、煅烧、蒸馏、浓度、挤压成形，结晶以及空气流动等物理和化学过程。温度控制在工业领域应用非常广泛，由于其具有工况复杂、参数多变、运行惯性大、控制滞后等特点,它对控制调节器要求较高。温度控制不好就可能引起生产安全，产品质量
4、和产量等一系列问题。尽管温度控制很重要，但是要控制好温度常常会遇到意想不到的困难。随着嵌入式系统开发技术的快速发展及其在各个领域的广泛应用，人们对电子产品的小型化和智能化要求越来越高，作为高新技术之一的单片机以其体积小、价格低、可靠性高、适用范围大以及本身的指令系统等诸多优势，在各个领域、各个行业都得到了广泛应用。本文主要介绍单片机温度控制系统的软件设计过程，其中涉及系统结构设计、元器件的选取和控制算法的选择、程序的调试和系统参数的整定。在系统构建时选取了凌阳科技公司提供的一款新产品SPCE061A芯片作为该控制系统的核心。温度信号由 PT1000和电压放大电路提供。通过 PID算法实现对电水
5、温控制系统2炉功率和水温控制。使用 SSR固态继电器作执行部件。同时，具有温度数字语音播报和显示啊功能。 系统控制对象为 1升净水，容器为搪瓷器皿。水温可以在一定范围内由人工设定，并能在环境温度降低时实现自动控制，以保持设定的温度基本不变,具有较好的快速性与较小的超调。该系统为一实验系统，要求系统有控制能力，实现对主要可变参数的实时监控。因此系统控制部分程序设计在 nSPTM集成开发环境中编辑、编译、链接、调试以及仿真的。使用软件编程既减少了系统设计的工作量，又提高了系统开发的速度，使用软件还可以提高所设计系统的稳定性，避免了因个人设计经验不足而产生过多的系统缺陷。1 系统方案1.1 水温控制
6、系统设计任务和要求该系统为一实验系统，系统设计任务：设计一个水温自动控制系统，控制对象为 1升净水，容器为搪瓷器皿。水温可以在一定范围内由人工设定，并能在环境温度降低时实现自动调整，以保持设定的温度基本不变。系统设计具体要求： 温度设定范围为 4090。 环境温度降低时（例如用电风扇降温）温度控制的静态误差1。采用适当的控制方法，当设定温度突变（由 40提高到 60）时，减小系统的调节时间和超调量。用十进制数码管显示水的实际温度。 在设定温度发生突变（由 40提高到 60）时，自动打印水温随时间变化的曲线。 1.2 水温控制系统关键部分确定水温控制系统是一个过程控制系统，在设计的过程中，必须明
7、确它的组成部分。过程控制系统的组成部分有：控制器、执行器、被控对象和测量变送单元，其框图如图 1所示。图 1 过程控制组成框图由图可知，在这个系统的设计中，主要设计如图几个部分。除此之外，根据题目要求，还要选取合适的控制算法来达到系统参数的要求。对于执行器件、测量变送元件将在部分电路设计中有说明。在这个部分我主要是对控制器的确定和控制算法的选择作一个详细的介绍。因为这两部分是实现本系统控制水温控制系统3目的的关键。它们选取的好坏将直接影响着整个系统实现效果的优劣，所以这是一项不容怱视的工作。1.2.1 CPU（ Computer processing Unit）中央处理器 方案一：此方案采用
8、SPCE061A单片机实现。SPCE061A 单片机除具有体积小，集成度高、易扩展、可靠性高、功耗低、结构简单、中断处理能力强等特点外，内置 8路 ADC，2 路 DAC。在实现控制系统中，采用 SPCE061A为前端采集单元，具有较好的同步性和实时性。且内嵌 32K字闪存 FLASH，处理速度高，集成开发环境中，配有很多语音播报函数，实现语音播报极为方便。另外，比较方便的是该芯片内置在线仿真、编程接口，可以方便实现在线调试，这大大加快了系统的开发与调试。 方案二：此方案采用 89C51单片机实现，此单片机软件编程自由度大，可用编程实现各种控制算法和逻辑控制。但在数据采集时必须使用 A/D（数
9、/模转换） ，且在选择 A/D时需考虑 3个方面的内容：一是如何针对系统的需求，选择合适的 A/D器件；二是如何根据所选的 A/D器件设计外围电路与单片机的接口电路；三是编写控制 A/D器件进行数据采集的单片机程序，这些大大加大了工作量。若要增加语音播报功能，还需要外接语音芯片及接口，加繁了外围电路设备，大大增加了软件实现难度。此外 51单片机内部无在线仿真、编程接口，就需要用仿真器来实现软硬件调试，较为繁琐。将两个方案一比较便可得出一个结论，采用凌阳单片机来实现本题目，不管是从结构上，还是从工作量上都占有很大的优势，所以最后决定用 SPCE061A作为该控制系统的核心。1.2.2 常用温度控
10、制系统分析温度是一个普通而又重要的物理量，在许多领域里人们需对温度进行测量和控制。长期以来国内外科技工作者对温度控制器进行了广泛深入的研究，产生了大批温度控制器，如性能成熟应用广泛的 PID调节器、智能控制 PID调节器、自适应控制等。此处主要对一些控制器特性进行分析以便选择适合的控制方法应用于改造。 常规 PIDPID在温度控制中已使用数十年，是一种成熟的技术，它具有结构简单、易于理解和实现，且一些高级控制都是以 PID为基础改进的。在工业过程控制中 90%以上的控制系统回路具有 PID结构，在目前的温度控制领域应用十分广泛，即使在科技发达的日本，PID 在其温度控制应用中仍然占 80%的比
11、例。其主要构成如图 2所。由图可知 PID调节器是一种线性调节器，这种调节器是将设定值 w与实际输出值 y进行比较构成偏差水温控制系统4图 2 模拟 PID控制ywe并将其比例、积分、微分通过线性组合构成控制量。其动态方程为：（1）dtKtetKtuip )()()()(其中 -为调节器的比例放大系数pK-为积分时间常数i-为微分时间常数dPID调节器的离散化表达式为 )1()()()( keTKkeKkudip其增量表达形式为： )1()(kk)2()1(2)( kekeTKeKdip其中 T为采样周期。可见温度 PID调节器有三个可设定参数，即比例放大系数 、积分时间常数 、微分时间常数
12、。piKdK比例调节的作用是使调节过程趋于稳定，但会产生稳态误差;积分作用可消除被调量的稳态误差，但可能会使系统振荡甚至使系统不稳定；微分作用能有效的减小动态偏差。在实际使用中,在满足生产过程需要的前提下,应尽量选择简单的调节器,这样,既节省投资,又便于维护. 常规 PID控制调节器是一种应用广泛技术成熟的控制方法，它能满足一般工业控制的要求，其优点是原理简单、使用方便、适应性广。采用 PID控制，控制效果的好坏很大程度上取决于 PID三个控制参数的确定。对一个控制系统而言， 只要参数选择适当,都能取得较好的控制效果。 自动控制方式为了实现温度的自动控制，必须要组成一定的系统结构。如图 3，该
13、控制系统是把输出量检测出来，经过物理量的转换，再反馈到输入端去与给定量进行比较（综合） ，并利用控制器形成的控制信号通过执水温控制系统5行机构 SSR对控制对象进行控制，抑制内部或外部扰动对输出量的影响，减小输出量的误差，达到控制目的。在此控制系统中单片机就相当于常规控制系统中的运算器控制器，它对过程变量的实测值和设定位之间的误差信号进行运算然后给出控制信息。单片机的运算规则称为控制法则或控制算法。图 3 自动控制框图常用的控制算法有以下几种 经典的比例积分微分控制算法。 根据动态系统的优化理论得到的自适应控制和最优控制方法。 根据模糊集合理论得到模糊控制算法。自适应控制、最优控制方法以及模糊
14、控制算法是建立在精确的数学模型基础上的，在实时过程控制中，由于控制对象的精确数学模型难于建立，系统参数经常发生变化，运用控制理论进行综合分析要花很大代价，主要是时间。同时由于所得到的数学模型过于复杂难于实现。在实时控制系统中要求信号的控制信号的给出要及时，所以在目前的过程控制系统中较少采用自适应控制、最优控制方法和模糊控制算法。目前在过程控制中应用较多的还是 PI控制算法、PD 控制算法和 PID控制算法。2 系统硬件设计2.1 总体设计框图及说明本系统是一个简单的单回路控制系统。为了实现温度的自动测量和控制，本系统采用了 SPCE061A单片机作为系统的控制中心，由数据采集模块检测到的温度信
15、号传入单片机，并根据接收到的数据进行处理和控制运算，同时将数据保存，以便与下一次采样值进行比较，通过软件对所测电压进行数字非线性校正，同时由显示器进行实时显示。根据系统程序控制，进行 PID运算以及输出控制，最终由 CPU控制加热回路 SSR的通断，达到调功的目的。系统还提供了键盘设定模块及打印机接口，便于用户与系统之间的对话。系统的硬件结构较简单，由若干个功能模块组成。具体结构图及说明如下，水温控制系统6图 4 系统结构框图键盘设定：用于温度设定，共三个按键。 数据采样：将由传感器及相关电路采集到的温度转为电压信号，送入 SPCE061A相应接口中，经 AD转换后，换算成温度值，用于播报和显
16、示。 数据显示：采用了共阴极数码管 LED5641A进行显示设置温度与测量温度。 串行口传输：将采样温度值，上传至 PC机，以利用 PC的图形处理功能来描绘曲线并打印。 继电器/热电炉：通过三极管控制继电器的开关来完成对热电炉的功率控制。语音播放：语音播放水温设置温度，并播报整数温度变化。2.2 部分外部电路设计由总体框图可以看到，整个系统的设计都离不开 SPCE061A的输入/输出接口。在单片机中，I/O 口就是单片机与外设交换信息的主要通道。输入端口从外界接收检测的输入信号、键盘信号等各种开关量信号；输出端口向外部输出处理结果、显示信息、控制命令、驱动信号等。SPCE061A 内部有并行和
17、串行两种方式的 I/O口。两个 16位通用的并行 I/O端口即 A口和 B口，这两个口的每一位都可通过编程单独定义为输入或输出口，通常对某一位的设定包括三个基本项：数据向量 Data、属性向量 Attribution和方向控制向量 Direction，三个向量的每个对应位组合在一起形成一个控制字，用来定义相应 I/O口位的输入、输出状态和工作方式。A 口的 IOA0IOA7 用作输入口时具有唤醒功能，常用于键盘输入。B 口除常规的输入输出功能外，还具有特殊功能。比如后面串行通信用到的 IOB7口和 IOB10口，它们在此电路中就充当的是串行数据的接收和发送端口。具体的用法将在后面的电路设计中用
18、到。2.2.1 键盘设置电路IOA0接 KEY1,IOA1接 KEY2,IOA2接 KEY3。水温控制系统7KEY1: 设置温度的十位数；09KEY2: 设置温度的个位数；09KEY3: 工作模式选择键，共有三种工作模式：正常工作状态、温度重新设置、语音播报设置。图 5 键盘电路系统上电后，数码管全部显示为零，根据按 KEY1次数,十位的数码管顺序增加。同样 KEY2,也如此。按 KEY3后，系统开始测温，并与采集的温度进行比较，通过软件来控制电炉的开关。同时语音播报变化的整数值温度。2.2.2 测温部分电路如图 6所示，运放采用 HT9274集成芯片，温度传感器使用 Pt电阻。HT9274是
19、微功率运算放大器，利用标准 CMOS 制成，提供与 LM324 、TL274 及 WT274 等相似产品完全兼容的接脚。其低操作电压及稳定的品质特性，提供了完美的输出驱动能力。HT9274 适用于低功率操作的应用，如电话局线界面、传感器放大器及一些电池操作的携带式电子产品。采用温度传感器铂电阻 Pt1000，是因为铂电阻的物理和化学性能在高温和氧化介质中很稳定、价格又便宜，常用作工业测量元件，以铂电阻温度计作基准器。此元件线性较好，在 0100 摄氏度时，最大非线性偏差小于 0.5摄氏度。铂热电阻与温度关系式 ，其中：)1(20BtARt温度为 t摄氏度时的电阻；tR温度为 0摄氏度时的电阻；
20、0A、B温度系数 A=3.94*102/ B=-5.84*10-7/T任意温度因为 Pt电阻在 0摄氏度时，阻值为 1千欧姆，在 100摄氏度时，阻值为 1380欧姆，则表示阻值变换从 0380欧姆，电压从 0V-3.3V。 采用差动运放，通过可调分压电阻可以满足零点调节。因为 Pt电阻中电流基本为 12mA,则 Pt电阻电压就在 0380mV波动。因此采用 10倍电压放大。基本满足SPCE061A数模转换。水温控制系统8图 6 测温电路2.2.3 控制电路此部份用于在闭环控制系统中对被控对象实施控制，此处被控对象为电炉丝，采用对加在电炉丝两端的电压进行通断的方法进行控制，以实现对水加热功率的
21、调整，从而达到对水温控制的目的。对电炉丝通断的控制采用 SSR固态继电器，SSR 是半导体继电器，所以较小的驱动功率即可使 SSR工作。它的使用非常简单，只要在控制台端加上一 TTL、CMOS 电平或一晶体管，即可实现对继电器的开关。图 7 热电炉控制电路水温控制系统9图 8 过零控制方式 SSR工作波形图 7为通过三极管 NPN8050来控制继电器的开关的，继电器采用的是带光电隔离的过零型双向可控硅 AC-SSR常开式（常闭式）固态继电器，为使其实现过零控制，就是要实现工频电压的过零检测，并给出脉冲信号，由单片机控制双向可控硅过零脉冲数目。当在其输入端加入（撤离）控制信号时，输出端接通（断开
22、） ，从而控制电炉与电源的通断，来达到加热或冷却炉丝的目的，最终实现使碗中水温度稳定在设定值上。2.2.4 音频输出电路SPCE061A提供了双通道音频输出方式。数字量分别写入 P_DAC1和 P_DAC2单元。DAC1、DAC2 转换输出的模拟量为电流信号，分别通过 DAC1和 DAC2管脚输出。图 9 音频输出电路SPCE061A内置两路 10位 DAC，只需要外接功放电路即可完成语音的播放.音频部分的原理图 9所示，在图中可以看到两个跳线，其作用在于可以测量 DAC的输出波形；另外拔掉跳线，可以断开 DAC到喇叭放大的通路，使得 DAC通道处于开路状态。这样便于用 DAC做其他用途，用户
23、可以用过这个跳线来加入自己的外围电路。 SPY0030是凌阳的芯片，相当于 LM386，但是比 386音质好，它可以工作在 2.46.0V 范围内，最大水温控制系统10输出功率可达 700mW（386 必须工作在 4V以上，而且功率只有 100mW） 。用凌阳 Compress Tool事先把所需要的语音信号录制好，本系统共包括十多个语音资源，整个语音信号经凌阳 SACM_S480压缩算法压缩只占有 13.2K存储空间，SPCE061A 单片机具有 32k闪存，使用内部flash即可满足要求。凌阳 SPCE061A单片机自带双通道 DAC音频输出， DAC1、DAC2 转换输出的模拟量电流信号
24、分别通过 AUD1和 AUD2管脚输出， DAC输出为电流型输出，所以 DAC输出经过 SPY0030音频放大，以驱动喇叭放音，放大电路如图所示，可以接喇叭，也可以接耳机，这为单片机的音频设计提供了极大方便。音频的具体功能主要通过程序来实现。2.2.5 数码显示电路图 10 显示电路本图采用了共阴极数码管 LED5641A进行显示，LED5641A 具有四位数码管，这四个数码管的段选a、b、c、d、e、f、g 分别接在一起，每一个都拥有一个共阴的位选端。IOB0IOB2 口分别接三极管的p端，通过三极管来控制 LED的片选。IOA8IOA15 口传输要显示的数据，利用其串/并转换功能，送入数码管显示。在此外接了两个电阻 R-PACK4来保护 LED。数据线也可直接接凌阳 SPCE061A单片机的 I/O口，因为 I/O口输出电流很小，一般不会对 LED造成很大的损坏，而它的电压值却足以驱动 LED，这不像
