基于瑞薩微控制器的溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：為了提高傳統(tǒng)溫度控制系統(tǒng)的性能，將PID控制理論與嵌入式系統(tǒng)相結(jié)合，采用瑞薩電子公司的H8S／2166作為核心處理器，AD公司的AD7705以及熱敏電阻溫度傳感器作為溫度檢測(cè)單元，利用4x6小鍵盤(pán)、LCD顯示器和S1D13305液晶控制器達(dá)到良好的人機(jī)交互，設(shè)計(jì)出了一個(gè)應(yīng)用于化工領(lǐng)域的嵌入式實(shí)時(shí)溫度控剞系統(tǒng)。相比于傳統(tǒng)溫度控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)提供了更強(qiáng)的計(jì)算能力和可擴(kuò)展能力，采用增量PID控制算法實(shí)現(xiàn)復(fù)雜控制。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，該系統(tǒng)能達(dá)到0．1℃的溫度控制精度以及小于120 s的溫度穩(wěn)定時(shí)間。
關(guān)鍵詞：溫度控制系統(tǒng)；嵌入式；Renesas微控制器；PID控制器

    溫度的測(cè)量及控制在社會(huì)生產(chǎn)生活中有著廣泛的應(yīng)用，而在石油、化工、電力、冶金等重要工業(yè)領(lǐng)域中則擔(dān)負(fù)著極其重要的測(cè)控任務(wù)，溫度測(cè)控的及時(shí)、準(zhǔn)確，直接關(guān)系到生產(chǎn)效率和作業(yè)安全。伴隨著科技的快速發(fā)展，以51單片機(jī)為核心的智能測(cè)控系統(tǒng)得到了廣泛的應(yīng)用，基本上滿足了大部分的需求，但是對(duì)于一些要求測(cè)量精度高、控制精度高、實(shí)時(shí)性要求高、系統(tǒng)復(fù)雜的溫度控制系統(tǒng)，單片機(jī)就不能滿足要求了，這就要求高精度和高速度的處理器。
    本文提出一種基于Renesas H8S／2166徽控制器的溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，通過(guò)4×6小鍵盤(pán)和128x64 LCD顯示器提供良好的人機(jī)交互能力。該系統(tǒng)能有效地應(yīng)用于化學(xué)反應(yīng)溫度控制系統(tǒng)，可提供一種自動(dòng)化、安全，實(shí)時(shí)的測(cè)控方式。

1 系統(tǒng)硬件組成
    系統(tǒng)主要由輸入輸出設(shè)備(鍵盤(pán)和LCD)，步進(jìn)馬達(dá)送液泵，溫度傳感器和Renesas H8S／2166微控制器構(gòu)成。系統(tǒng)模塊圖如圖1所示。

1．1 微控制器
    Renesas H8S／2166是由瑞薩電子公司開(kāi)發(fā)的16位微處理器，能很好的向上兼容H8／300和H8／300H系列的微處理器，擁有16個(gè)16位的通用寄存器，65條基本指令，以及各種外圍設(shè)備及接口，諸如8位計(jì)時(shí)器，16位計(jì)時(shí)器，PWM，數(shù)據(jù)傳輸控制器，看門狗，異步或時(shí)鐘同步串行通信接口(SCI)，I2C總線接口，LPC接口，8位D／A轉(zhuǎn)換器和10位A／D轉(zhuǎn)換器。
1．2 溫度傳感器模塊
    溫度傳感器模塊是一個(gè)較為核心的模塊，采用熱敏電阻溫度傳感器，溫度精度為0．1℃。并且為了提高轉(zhuǎn)換精度，使用了一個(gè)外部的16位A／D轉(zhuǎn)換器AD7705。
    AD7705是美國(guó)AD公司推出的16位∑-△A／D轉(zhuǎn)換器。器件包括由緩沖器和增益可編程放大器(PGA)組成的前端模擬調(diào)節(jié)電路、∑-△調(diào)制器，可編程數(shù)字濾波器等部件。能直接將傳感器測(cè)量到的多路微小信號(hào)進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換。PGA可通過(guò)指令設(shè)定，對(duì)不同幅度的輸入信號(hào)實(shí)現(xiàn)1、2、4、8、16、32、64和128倍的放大，因此AD7705芯片既可接受從傳感器送來(lái)的低電平輸入信號(hào)，亦可接受高電平信號(hào)。它的輸出速度同樣可由指令設(shè)定，范圍由20～500 Hz。這種器件還具有高分辨率、寬動(dòng)態(tài)范圍、自校準(zhǔn)、優(yōu)良的抗噪聲性能以及低電壓低功耗等特點(diǎn)，非常適合儀表測(cè)量、工業(yè)控制等領(lǐng)域的應(yīng)用。它采用三線串行接口，有兩個(gè)全差分輸入通道，能達(dá)到0．003％非線性的16位無(wú)誤碼數(shù)據(jù)輸出，其增益和數(shù)據(jù)輸出更新率均可編程設(shè)定，還可選擇輸入模擬緩沖器，以及自校準(zhǔn)和系統(tǒng)校準(zhǔn)方式。工作電壓3 V或5 V。3 V電壓時(shí)，最大功耗為1 mW，等待模式下電源電流僅為8μA。
    電路圖如圖2所示，Pt100即為熱敏電阻溫度傳感器。

1．3 步進(jìn)馬達(dá)送液模塊
    步進(jìn)馬達(dá)送液模塊包括兩個(gè)組成部分：步進(jìn)馬達(dá)和送液注射器。步進(jìn)馬達(dá)基本步距角為0．9°，微步是基本步距角的四分之一，即0．225°。利用步進(jìn)馬達(dá)推動(dòng)注射器完成送液過(guò)程，步進(jìn)馬達(dá)每運(yùn)轉(zhuǎn)一圈，注射器移動(dòng)量為0．8 mm。
    微控制器通過(guò)用戶設(shè)定的送液速率或吸液速率以及所選擇的注射器內(nèi)徑大小即可計(jì)算得到步進(jìn)馬達(dá)運(yùn)轉(zhuǎn)周期。公式如下：
   
    即微控制器每過(guò)時(shí)間T驅(qū)動(dòng)步進(jìn)馬達(dá)運(yùn)轉(zhuǎn)一步。
1．4 輸入輸出控制
    系統(tǒng)利用4x6鍵盤(pán)和128x64 LCD顯示器以達(dá)到良好的人機(jī)交互，采用中斷的方式，提供對(duì)系統(tǒng)的及時(shí)，有效的控制。
系統(tǒng)采用了S1D13305液晶顯示控制器對(duì)LCD顯示器進(jìn)行控制。S1D13305具有較強(qiáng)的I／O緩沖器，徼控制器訪問(wèn)S1D13305不需要判斷其是否為“忙”狀態(tài)，S1D13305可隨時(shí)準(zhǔn)備接收徽控制器的訪問(wèn)，并及時(shí)地傳輸單片機(jī)發(fā)來(lái)的指令和數(shù)據(jù)。另外，S1D13305具有較強(qiáng)的管理顯示存儲(chǔ)器的性能，內(nèi)置一個(gè)字符發(fā)生器，具有160種5×7點(diǎn)陣字體的字符，并能分區(qū)管理64 K的顯示存儲(chǔ)器，可以同時(shí)管理3個(gè)或4個(gè)顯示區(qū)，并能同時(shí)管理用戶自定義字符發(fā)生器。此外，S1D13305軟件功能非常強(qiáng)大，命令控制操作簡(jiǎn)單，共有14條指令，用戶只需給不同指令輸入控制參數(shù)，就可得到所需的顯示內(nèi)容。
    工作狀態(tài)下的LCD顯示如圖3所示。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)設(shè)計(jì)了兩種工作模式，模式1是送液流速恒定自動(dòng)控制模式，模式2是溫度恒定自動(dòng)控制模式。其中模式2采用了數(shù)字PID控制算法，以達(dá)到良好的控制效果。系統(tǒng)總流程圖如圖4所示。其中基本設(shè)定包括選擇注射器型號(hào)，設(shè)定流速大小等內(nèi)容。

2．1 流速恒定自動(dòng)控制模式
    系統(tǒng)根據(jù)用戶設(shè)定的流速及所使用的注射器內(nèi)徑值，計(jì)算出步進(jìn)馬達(dá)的運(yùn)轉(zhuǎn)周期T，根據(jù)周期T設(shè)定計(jì)時(shí)器Timer0的匹配中斷值，然后利用計(jì)時(shí)器Timer0匹配中斷來(lái)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)馬達(dá)運(yùn)轉(zhuǎn)和更新LCD所顯示的各項(xiàng)內(nèi)容。
    在工作狀態(tài)下，微控制器利用串行通信接口，每次從AD7705得到一個(gè)16位數(shù)值，通過(guò)計(jì)算得到對(duì)應(yīng)的溫度傳感器電阻值，再查詢阻值溫度對(duì)照表即可得到當(dāng)前溫度。
    在模式1下，每次驅(qū)動(dòng)步進(jìn)馬達(dá)之前都會(huì)對(duì)當(dāng)前溫度和設(shè)定的溫度進(jìn)行比較，如果當(dāng)前低于溫度上限，步進(jìn)馬達(dá)才能運(yùn)轉(zhuǎn)，否則步進(jìn)馬達(dá)將停止送液，直到當(dāng)前溫度低于設(shè)定的溫度下限時(shí)，步進(jìn)馬達(dá)才能重新運(yùn)作。
    該模式流程圖如圖5所示。

2．2 溫度恒定自動(dòng)控制模式
    該模式利用數(shù)字PID控制算法，通過(guò)調(diào)整比例、積分和微分的3個(gè)參數(shù)，使系統(tǒng)獲得良好的閉環(huán)控制性能，從而使反應(yīng)槽中溫度趨于恒定。
    模擬PID控制算法為：
   
    式中，m(t)是PID控制器的輸出信號(hào)；e(t)為偏差信號(hào)；KP為比例增益；KI為積分增益；KD為微分增益。
    用一系列采樣時(shí)刻kT代替連續(xù)時(shí)間t，以增量代替微分，并以后向差分的形式表示；對(duì)積分項(xiàng)也以增量代替，為了簡(jiǎn)便，可省去T，將式(1)轉(zhuǎn)變?yōu)殡x散形式的差分方程：

   
    系統(tǒng)的采樣周期T選定后，利用Z-N整定公式確定了KP、KI、KD，只要使用前后3次測(cè)量的溫度偏差值即可由式(3)式(4)得到控制量，再計(jì)算得出實(shí)際對(duì)應(yīng)的馬達(dá)轉(zhuǎn)速。
    控制原理如圖6所示。

3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)
    選擇直徑10 mm，容積10 mL的注射器，在注射器中吸入濃度為38％的濃鹽酸，在5 cmX5 cmx10 cm反應(yīng)槽中倒入濃度為35％的氫氧化鈉水溶液，系統(tǒng)通過(guò)步進(jìn)馬達(dá)控制注射器將鹽酸注入反應(yīng)槽中，從而發(fā)生放熱反應(yīng)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明，如表1所示，系統(tǒng)控制精度能達(dá)到0．1℃，選擇溫度恒定自動(dòng)控制模式時(shí)，溫度穩(wěn)定時(shí)間小于120 s。

    該系統(tǒng)可應(yīng)用于化工領(lǐng)域，作為反應(yīng)溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)，能取得良好的控制效果。

4 結(jié)束語(yǔ)
    本文設(shè)計(jì)了一種實(shí)時(shí)溫度控制系統(tǒng)，它采用了瑞薩電子公司的H8S／2166微控制器作為核心處理器，并采用增量PID控制算法，它比傳統(tǒng)的51單片機(jī)有更快的運(yùn)行速度，更好的可擴(kuò)展性，能實(shí)現(xiàn)更為復(fù)雜的、高性能、運(yùn)行穩(wěn)定、抗干擾能力強(qiáng)、智能化的實(shí)時(shí)嵌入式溫控系統(tǒng)。
    當(dāng)然，該系統(tǒng)還存在一些不足之處，今后將在以下幾方面加以研究和改善：1)設(shè)計(jì)多種操作模式，以滿足各種實(shí)用環(huán)境；2)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)多個(gè)微控制器與一臺(tái)主機(jī)的通信，用一臺(tái)主機(jī)即可控制多個(gè)工作現(xiàn)場(chǎng)，進(jìn)一步提高工作效率。