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水温控制系统
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算法控制和PID参数整定相结合的控制方式来实现的水温控制系统。
文章着重介绍核心器件的选择、控制算法的肯定、各部份电路及软件的设计。
SPCE061A单片机完善的内部结构、优良的性能和壮大的中断处置能力，决定了该控制系统的特点：
电路结构简单、程序简短、系统靠得住性高等。
本次设计还充分利用了SPCE061A单片机成熟的语音处置技术和PC机的图形处置功能，来实现了语音播报温度和打印温度转变曲线的要求。
关键词SPCE061A单片机；Pt1000；PID
自70年代以来，由于工业进程控制的需要，特别是在电子技术的迅猛发展，和自动控制理论和设计方式发展的推动下，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功效。
在这方面以日本、美国、德国、瑞典等国技术领先，而且都生产出了一批商品化的性能优良的温度控制器及仪器仪表，在各行业普遍应用。
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普遍，但从国内生产的温度控制器来讲，整体发展水平仍然不高，同国外的日本、美国、德国等先进国家相较，仍然有着较大的差距。
目前，我国在这方面整体技术水平处于20世纪80年代中后期水平。
成熟产品主要以“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，形成商品化并普遍应用的控制仪表较少。
此刻，我国在温度等控制仪表业与国外还有着必然的差距。
温度、压力，流量和液位是四种最多见的进程变量，其中温度是一个超级重要的进程变量，因为它直接影响燃烧、化学反映、发酵、烘烤、煅烧、蒸馏、浓度、挤压成形，结晶和空气流动等物理和化学进程。
温度控制在工业领域应用超级普遍，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发生产安全，产品质量和产量等一系列问题。
虽然温度控制很重要，可是要控制好温度常常会碰到意想不到的困难。
随着嵌入式系统开发技术的快速发展及其在各个领域的普遍应用，人们对电子产品的小型化和智能化要求愈来愈高，作为高新技术之一的单片机以其体积小、价钱低、靠得住性高、适用范围大和本身的指令系统等诸多优势，在各个领域、各个行业都取得了普遍应用。
本文主要介绍单片机温度控制系统的软件设计进程，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算法实现对电炉功率和水温控制。
利用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，容器为搪磁器皿。
水温可以在必然范围内由人工设定，并能在环境温度降低时实现自动控制，以维持设定的温度大体不变,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。
因此系统控制部份程序设计在µ‘nSPTM集成开发环境中编辑、编译、链接、调试和仿真的。
利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，利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量的系统缺点。
1系统方案
1.1水温控制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，容器为搪磁器皿。
水温可以在必然范围内由人工设定，并能在环境温度降低时实现自动调整，以维持设定的温度大体不变。
系统设计具体要求：
⑴温度设定范围为40～90℃。
⑵环境温度降低时（例如用电扇降温）温度控制的静态误差≤1℃。
⑶采用适当的控制方式，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。
⑷用十进制数码管显示水的实际温度。
⑸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转变的曲线。
1.2水温控制系统关键部份肯定
水温控制系统是一个进程控制系统，在设计的进程中，必需明确它的组成部份。
进程控制系统的组成部份有：
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进程控制组成框图
由图可知，在这个系统的设计中，主要设计如图几个部份。
除此之外，按照题目要求，还要选取适合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份电路设计中有说明。
在这个部份我主如果对控制器的肯定和控制算法的选择作一个详细的介绍。
因为这两部份是实现本系统控制目的的关键。
它们选取的好坏将直接影响着整个系统实现效果的好坏，所以这是一项不容怱视的工作。
1.2.1CPU（ComputerprocessingUnit）中央处置器
⑴方案一：
此方案采用SPCE061A单片机实现。
SPCE061A单片机除具有体积小，集成度高、易扩展、靠得住性高、功耗低、结构简单、中断处置能力强等特点外，内置8路ADC，2路DAC。
在实现控制系统中，采用SPCE061A为前端收集单元，具有较好的同步性和实时性。
且内嵌32K字闪存FLASH，处置速度高，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，可以方便实此刻线调试，这大大加速了系统的开发与调试。
⑵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，可用编程实现各类控制算法和逻辑控制。
但在数据收集时必需利用A/D（数/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，选择适合的A/D器件；二是如何按照所选的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器件进行数据收集的单片机程序，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。
另外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。
将两个方案一比较即可得出一个结论，采用凌阳单片机来实现本题目，无论是从结构上，仍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常常利用温度控制系统分析
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普遍深切的研究，产生了大量温度控制器，如性能成熟应用普遍的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式应用于改造。
⑴常规PID
PID在温度控制中已利用数十年，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为基础改良的。
在工业进程控制中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普遍，即便在科技发达的日本，PID在其温度控制应用中仍然占80%的比例。
其主要组成如图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进行比较组成误差
图2模拟PID控制
并将其比例、积分、微分通过线性组合组成控制量。
其动态方程为：
（1）
其中
---为调节器的比例放大系数
---为积分时间常数
---为微分时间常数
PID调节器的离散化表达式为
其增量表达形式为：
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
。
比例调节的作用是使调节进程趋于稳定，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乃至使系统不稳定；
微分作用能有效的减小动态误差。
在实际利用中,在知足生产进程需要的前提下,应尽可能选择简单的调节器,这样,既节省投资,又便于保护.常规PID控制调节器是一种应用普遍技术成熟的控制方式，它能知足一般工业控制的要求，其长处是原理简单、利用方便、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三个控制参数的肯定。
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。
⑵自动控制方式
为了实现温度的自动控制，必需要组成必然的系统结构。
如图3，该控制系统是把输出量检测出来，通过物理量的转换，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，它对进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
常常利用的控制算法有以下几种
①经典的比例积分微分控制算法。
②按照动态系统的优化理论取得的自适应控制和最优控制方式。
③按照模糊集合理论取得模糊控制算法。
自适应控制、最优控制方式和模糊控制算法是成立在精准的数学模型基础上的，在实时进程控制中，由于控制对象的精准数学模型难于成立，系统参数常常发生转变，运用控制理论进行综合分析要花很大代价，主如果时间。
同时由于所取得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，所以在目前的进程控制系统中较少采用自适应控制、最优控制方式和模糊控制算法。
目前在进程控制中应用较多的仍是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整体设计框图及说明
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，由数据收集模块检测到的温度信号传入单片机，并按照接收到的数据进行处置和控制运算，同时将数据保留，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。
按照系统程序控制，进行PID运算和输出控制，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，
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收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的图形处置功能来描画曲线并打印。
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，并播报整数温度转变。
2.2部额外部电路设计
由整体框图可以看到，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互换信息的主要通道。
输入端口从外界接收检测的输入信号、键盘信号等各类开关量信号；输出端口向外部输出处置结果、显示信息、控制命令、驱动信号等。
SPCE061A内部有并行和串行两种方式的I/O口。
两个16位通用的并行I/O端口即A口和B口，这两个口的每一名都可通过编程单独概念为输入或输出口，通常对某一名的设定包括三个大体项：
数据向量Data、属性向量Attribution和方向控制向量Direction，三个向量的每一个对应位组合在一路形成一个控制字，用来概念相应I/O口位的输入、输出状态和工作方式。
A口的IOA0～IOA7用作输入口时具有唤醒功能，常常利用于键盘输入。
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顶用到。
2.2.1键盘设置电路
IOA0接KEY1,IOA1接KEY2,IOA2接KEY3。
KEY1:
设置温度的十位数；0—9
KEY2:
设置温度的个位数；0—9
KEY3:
工作模式选择键，共有三种工作模式：
正常工作状态、温度从头设置、语音播报设置。
图5键盘电路
系统上电后，数码管全数显示为零，按照按KEY1次数,十位的数码管顺序增加。
一样KEY2,也如此。
按KEY3后，系统开始测温，并与收集的温度进行比较，通过软件来控制电炉的开关。
同时语音播报转变的整数值温度。
2.2.2测温部份电路
如图6所示，运放采用HT9274集成芯片，温度传感器利用Pt电阻。
HT9274是微功率运算放大器，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、价钱又廉价，常常利用作工业测量元件，以铂电阻温度计作基准器。
此元件线性较好，在0～100摄氏度时，最大非线性误差小于0.5摄氏度。
铂热电阻与温度关系式
，其中：
——温度为t摄氏度时的电阻；
——温度为0摄氏度时的电阻；
A、B——温度系数A=*102/℃B=*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0—380欧姆，电压从。
采用差动运放，通过可调分压电阻可以知足零点调节。
因为Pt电阻中电流大体为1—2mA,则Pt电阻电压就在0—380mV波动。
因此采用10倍电压放大。
大体知足SPCE061A数模转换。
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头的电压进行通断的方式进行控制，以实现对水加热功率的调整，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。
它的利用超级简单，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
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量。
当在其输入端加入（撤离）控制信号时，输出端接通（断开），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。
数字量别离写入P_DAC1和P_DAC2单元。
DAC一、DAC2转换输出的模拟量为电流信号，别离通过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.音频部份的原理图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，可是比386音质好，它可以工作在～范围内，最大输出功率可达700mW（386必需工作在4V以上，而且功率只有100mW）。
用凌阳CompressTool事前把所需要的语音信号录制好，本系总共包括十多个语音资源，整个语音信号经凌阳SACM_S480紧缩算法紧缩只占有存储空间，SPCE061A单片机具有32k闪存，利用内部flash即可知足要求。
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别离通过AUD1和AUD2管脚输出，DAC输出为电流型输出，所以DAC输出通过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进程序来实现。
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别离接在一路，每一个都拥有一个共阴的位选端。
IOB0—IOB2口别离接三极管的p端，通过三极管来控制LED的片选。
IOA8—IOA15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。
在另外接了两个电阻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，这不像别的单片机还要外接驱动电路和电阻。
采用凌阳SPCE061A单片机，将大大减化了设计进程和硬件电路.
2.2.6串行通信部份电路
系统设计要求控制系统能同PC联机通信，以利用PC图形处置能力打印显示温度曲线，故利用了SPCE061A的异步串行端口UART实现与PC通信。
由于SPCE061A串行口电平和PC不一致，（SPCE061A的I/O为TTL电平，PC串行口为RS232电平），利用一片MAX232为进行电平转换驱动。
通信速度为9600波特率。
数据5秒传输一次。
电路图如图11所示，MAX232的RXD1和TXD1别离接SPXEO61A的IOB10（TX）和IOB7（RX）。
图11串行通信电路
UART模块提供了一个全双工标准通信口，用于完成SPCE061A与外设之间的串行通信。
按照RS-232的标准，SPCE061A单片机也是依照字节传输数据的。
利用IOB口的特殊功能和UARTIRQ中断，可以同时完成UART接口数据的接收和发送。
另外，UART还可以带缓冲接收数据，即可以在读取缓存器数据之前接收新的数据。
可是，若是新的数据被接收到缓存器之前一直未从中读取，先前的数据会发生数据丢失。
P_UART_Data（7023H）单元用于接收和发送数据的缓存，向该单元写入数据，将发送的数据送入缓存器；读该单元取数据，可以从缓存器读出接收到的单字节数据。
UART模块的接收管脚Rx和发送管脚Tx别离与IOB7和IOB10共用。
3系统软件设计
3.1程序结构说明
任何一个系统的软件设计都离不开硬件电路的连接，所以本课题硬件设计的高度模块化决定了软件设计的模块化。
硬件接口连接如下：
IOA0--IOA2---KEY1---KEY3
IOA3----ADC
IOA4----Relay
IOA8-15----LEDa--dp.
IOB0-IOB2----LEDcs1-cs3
IOB7IOB10---UART
由此可知其程序结构应包括：
主控程序模块、键盘扫描及处置子程序、采样数据处置子程序、PID算方式程序、语音播报及显示等子程序几个部份。
结构框图如图12。
图12程序结构图
主控程序模块在整个结构中充当管理者，管理所有子程序的挪用，就相当于个人计算机的操作系统。
它主要负责初始化各个I/O口，等待键盘事件的发生，并作出相应的处置。
并在适当的时候挪用数据采样程序，并将采样到的数据与键盘设定值比较。
再通过PID计算后用以控制继电器的开断，从而控制电炉的输出功率，来达到水温的调整，并挪用语音播报程序，播放水的温度。
3.2程序流程图及部份程序
3.2.1主程序
程序依照模块化设计，所有功能都可通过挪用子程序完成，主程序较简单，流程图如图13所示。
SPCE061A单片机A口的IOA0～IOA7用作输入口时具有唤醒功能，即具有输入电平转变中断功能（当输入的电平发生转变，电平由高变低或由低变高时），唤醒处于睡眠状态的CPU。
对于用电池供电的追求低能耗的应用处合，可以通过软件设置应用CPU的睡眠模式以降低功耗，需要时用按键来唤醒CPU使其进入工作状态。
图13主程序流程图
在程序编写进程中，首先还有一系列的准备工作。
在这个程序中涉及到了许多的库和组成文件，主要有：
、、、、、、。
由于篇幅原因，在这篇文章中只给出了部份程序。
061A061A061A
000F000F000FUBLICL_User_Init_IO;
L_User_Init_IO:
.PROC
r1=0xff10;
[P_IOA_Attrib]=r1;
[P_IOA_Dir]=r1;
r1=0xff00;
[P_IOA_Data]=r1;
r1=0x000F;
[P_IOB_Attrib]=r1;
[P_IOB_Dir]=r1;
[P_IOB_Data]=r1;
RETF
.ENDP;
3.2.2键盘程序
⑴键盘扫描
由于机械触点有弹性，在按下或弹起按键时会出现抖动，从最初按下到接触稳定要通过数毫秒的弹跳时间，如图所示。
为了保证探险键识别的准确性，必需消除抖动。
消抖处置有硬件和软件两种方式：
硬件消抖是利用加支抖动电路滤避免产生抖动信号；软件消抖是利用数字滤波技术来消除抖动。
咱们采用软件的方式，利用主程序循环扫描，主程序每循环一次扫描到的键值相同时，则说明是某键按下。
图14键按下的进程
SPCE061A提供了丰硕的键盘API函数，在程序编写的进程中，咱们可以直接挪用这些函数来完成键盘的初始化、扫描、防拌动处置和获取键值。
常常利用的键盘API函数如下：
CallF_Key_Scan_initial
UBLIC_System_ServiceLoop;
_System_ServiceLoop:
.PROC
callF_Key_Scan_ServiceLoop;NDP
⑵键值处置
图16键值处置
3.2.3A/D转换值处置
如图17可知，当有温度数据采样到时，挪用温度均值处置程序，以防在采样进程中外界干扰而造成采样数据的不准确。
然后肯定温度系数，使采样转换取得的电压信号转换成温度值，并进行十进制转换，用于显示、语音播报和PID计算。
其中均值处置是一个比较重要的进程，是A/D转换前必需进行的工作。
下面是A/D处置子程序。
字音频信号的质量取决于采样频率和量化位数这两个重要参数。
另外，声道的数量、相应的音频设备质量也会影响音频质量。
C凌阳音频紧缩算法的编码标准
下表是不同音频质量品级的编码技术标准响应频率。
凌阳音频紧缩算法处置的语音信号的范围是200Hz－的电话话音。
表2编码技术标准频响
信号类型
频率范围（Hz）
采样率（kHz）
量化精度（位）
电话话音
200~3400
8
8
宽带音频
（AM质量）
50~7000
16
16
调频广播
（FM质量）
20~15k
16
高质量音频
（CD质量）
20~20k
16
D紧缩分类
紧缩分无损紧缩和有损紧缩。
无损紧缩一般指：
磁盘文件，紧缩比低：
2:
1～4:
1。
而有损紧缩则是指：
音／视频文件，紧缩比可高达
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