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利用單片機與傳感器實現三通道高精度溫度測控儀的設計

電子設計 ? 來源:郭婷 ? 作者:電子設計 ? 2019-07-19 08:02 ? 次閱讀

引 言

溫度的測量與控制在工農業生產、日常生活及科學研究中有著廣泛的應用。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雜,也給電路的調試增加了難度。為此,設計了以***凌陽公司生產的SPCE061A 16位高性能單片機為系統控制核心。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,該測控儀實現了溫度數據和日期、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提示等功能,保證了測試的精度以及系統的可靠性和控制要求。

1 系統硬件設計

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/并轉換電路、時鐘電路等組成。

利用單片機與傳感器實現三通道高精度溫度測控儀的設計

微處理器是系統的核心,它控制測量過程,進行數據處理。它的設計和選用要考慮傳感器的測量速度、精度、分辨率及數據處理能力等。對于集成傳感器,設計微處理器(Microprocessor)的功能要適當,設計時既要考慮產品質量、可靠性,又要考慮降低成本,簡化結構,滿足芯片尺寸的要求。因此,選用SPCE061A作為系統微處理器。

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;內置2 Kword SRAM和32 KB閃存ROM;系統處于備用狀態下(時鐘處于停止狀態),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/計數器(可自動預置初始計數值);7通道10位電壓模/數轉換器(ADC)和單通道聲音模/數轉換器;2個10位數/模轉換(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;具備串行設備接口;低電壓復位(LVR)和低電壓監測(LVD)功能;內置在線仿真(In-Circuit Emulation,ICE)。另外16位單片機具有一套易學易用、效率較高的指令系統和集成開發環境。在此環境中,支持標準C語言,可以實現C語言與凌陽匯編語言的互相調用。

1.1 溫度數據采集

溫度數據采集電路選用Dallas公司生產的DS18B20。DS18B20是“一線總線”數字化溫度傳感器,測量溫度范圍為-55~+125℃,在-10~+85℃范圍內,精度為士O.5℃。該器件只有3個引腳(即電源VDD、地線GND、數據線DQ),不需要外部元件,一條數據線進行通信。設計系統檢測溫度范圍設計為-10~+85℃,精度為0.2℃,已經能夠滿足絕大多數工作環境的要求;用9 b數字量來表示溫度;每次將溫度轉換成數字量需時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位產品序列號)。在多點溫度測控系統中,ROM代碼是識別和操作DS18B20的基礎;無論讀取,還是選擇對某一個傳感器進行操作,主機必須發送64位ROM代碼。

為了保證測試精度,系統設計了A,B,C三個溫度采集通道,以便測試溫度場分布較大的環境。當溫度達到設定要求時,控制電路可以產生相應的控制動作,比如切斷加熱電源或者發出告警信號。DS18B20溫度與轉換數值之間的關系見表1。

利用單片機與傳感器實現三通道高精度溫度測控儀的設計

1.2 人機接口

系統鍵盤由SPCE061A的IOB5~8組成,它們分別是功能鍵、增加鍵、減少鍵、復位鍵。用來實現溫、度上、下限及控制時間的設置功能。測控儀采用驅動128段LCD顯示器,用于顯示現場的溫度值、時間、故障和報警狀態。HT1621是一個128(32×4)段、內存映射、多功能、I2C接口的LCD驅動器。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計,并減少了硬件資源的占用。

2 系統軟件設計

主程序主要完成系統初始化、掃描鍵盤、溫度采樣并對采樣數值進行運算、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。系統設定采樣周期為2 s,而控制周期為500μs。通過鍵盤設定控制溫度數值,輸入后做相應的數據備份,即將參數存入單片機SPCE061A內的FLASH ROM中。

利用單片機與傳感器實現三通道高精度溫度測控儀的設計

系統采用數字PID算法來提高系統的控制精度,PID用增量式表示為:

利用單片機與傳感器實現三通道高精度溫度測控儀的設計

由于溫度響應具有遲滯性,屬于一階延時系統,若采用常規PID算法,控制效果不好,并且會出現較大的超調量。為了解決這一問題.設計采用積分分離PID算法,從實驗結果來看,性能指標均有所提高。

當被控量與設定值偏差較大時,取消積分作用;當被控量與設定值偏差很小時,加入積分作用,即系統啟動、停止或大幅度改變設定值時,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特性和消除靜差。具體做法是:針對被控對象參量,設定一個偏差的門限e0,當過程控制中偏差e(n)的絕對值大于e0時,系統不引入積分控制,只用PD控制;當偏差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,乘一個權系數μ,按式(3)取值:

利用單片機與傳感器實現三通道高精度溫度測控儀的設計

3 系統調試

系統調試中,采用電加熱器對1 kg水進行加熱,DS18B20將溫度信號變為數字信號,讀入CPU,通過軟件對溫度數據進行校正,同時將所測溫度在LCD上進行實時顯示。根據系統程序控制,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參數整定:系統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。通過實測數據比較,選擇控制度為1.2,采用PI控制,經過對參數進行微調,最后得出最佳PID參數,即KP=2.11,K1=0.043。在系統調試中實測數據表明,控制器平均控制精度在士0.2℃之內。表2為調試過程中3個通道的1次數據記錄。從數據可以看出,當設定溫度為80℃時,最后穩定溫度為80.2℃,控制精度比較高。

利用單片機與傳感器實現三通道高精度溫度測控儀的設計

4 結 語

多通道溫度測控系統采用抗干擾性能強,功耗低的SPCE061A16位單片機和一線式數字溫度傳感器DS18B20,使系統的硬件電路結構得到高度簡化。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,克服了傳統溫度儀測量精度低,電路復雜,調試及標定困難等缺點。該系統可應用到大部分溫度、溫差的高精度控制場合中。

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