基于SPCE061A的高精度多通道溫度測量系統設計

　　摘要：本文采用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。
　　
　　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，設計了以中國臺灣凌陽公司生產的SPCE061A16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。　　
　　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=3．0～3．6V，I／O口的工作電壓VDDH=VDD～5．5V；CPU時鐘的頻率為：0．32～49．152MHz；內置2KwordSRAM和32KB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@3．6V；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-CircuitEmulation，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9b數字量來表示溫度；每次將溫度轉換成數字量需時200ms。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。　　
　　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2s，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FLASHROM中。　　
　　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：　　
　　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：　　
　　μ=1，當|e（n）|≤e0
　　
　　3、系統調試
　　
　　系統調試中，采用電加熱器對1kg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，zui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20s左右，因此選擇采樣周期為2s。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，zui后得出*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，zui后穩定溫度為80．2℃，控制精度比較高。　　
　　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。