基于C8051F040單片機(jī)的溫度測(cè)控系統(tǒng)
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溫度遙控遙測(cè)是遠(yuǎn)程實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的測(cè)量與控制，特別適合那些環(huán)境惡劣，測(cè)量人員不容易接近的場(chǎng)合，近年來在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛。根據(jù)遙控遙測(cè)系統(tǒng)的特點(diǎn)，提出了對(duì)水溫遙控遙測(cè)的設(shè)計(jì)方案。
1 總體方案設(shè)計(jì)
溫度遙控遙測(cè)系統(tǒng)主要由微處理器系統(tǒng)、測(cè)溫模塊、加熱模塊、通信模塊、液位模塊以及上位機(jī)軟件等組成。系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。
測(cè)溫模塊測(cè)量液體溫度后，把溫度數(shù)值發(fā)送給微處理器，當(dāng)溫度變化達(dá)到一定值后，加熱模塊開始加熱，首先可以在設(shè)定的時(shí)間內(nèi)，加熱到設(shè)定的溫度并穩(wěn)定在該溫度一段時(shí)間。系統(tǒng)還可以按照設(shè)計(jì)好的各溫度節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分段折線加熱，精度很高。測(cè)液位模塊實(shí)時(shí)測(cè)量液體液位，并傳給微處理器。系統(tǒng)通過兩個(gè)通信模塊實(shí)現(xiàn)遙測(cè)遙控，上位機(jī)設(shè)好溫度參數(shù)后，通過通信模塊傳給遠(yuǎn)處的微處理器，微處理器按照上位機(jī)設(shè)定好的溫度控制加熱模塊進(jìn)行加熱，同時(shí)微處理器把液體溫度和液位高度通過通信模塊傳給上位機(jī)軟件，通過上位機(jī)軟件界面可以實(shí)時(shí)顯示和監(jiān)測(cè)液體溫度和高度。顯示模塊把系統(tǒng)的溫度、高度等各項(xiàng)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示在液晶屏幕上。
程序采用PID算法，建立比例、積分、微分?jǐn)?shù)學(xué)模型，控制TCA785移相觸發(fā)器正負(fù)觸發(fā)可控硅BAT-20對(duì)受熱物質(zhì)加熱。移相觸發(fā)雙向可控硅調(diào)壓精準(zhǔn)，無級(jí)調(diào)壓，較好地融合了超調(diào)和加熱時(shí)間之間的矛盾;遙感遙測(cè)使用PTR-2000與上位機(jī)通信，在0到100℃范圍內(nèi)可任意設(shè)定、控制水溫。PTR- 2000通信距離遠(yuǎn)，準(zhǔn)確率高，PC機(jī)界面實(shí)時(shí)顯示溫度曲線，溫度、液位上下限設(shè)定。并具有溫度曲線采樣率設(shè)定、溫度曲線打印功能。
2 硬件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)硬件主要由C8051F040單片機(jī)最小系統(tǒng)、PTR2000無線通信模塊、TCA785移相調(diào)壓控制模塊、Ptl00測(cè)溫模塊、WDK505測(cè)液位模塊等組成。
2.1 C8051F040單片機(jī)最小系統(tǒng)
最小系統(tǒng)以單片機(jī)C8051F04O為核心，包括晶體振蕩電路、復(fù)位電路、抗干擾電路、電壓基準(zhǔn)電路和電源部分。C805lF040單片機(jī)是美國 Cygnal公司生產(chǎn)的完全集成的混合信號(hào)系統(tǒng)級(jí)芯SoC。它具有64kB Flash、4352BRAM、CAN控制器2.0、兩個(gè)串行接口、5個(gè)16位定時(shí)器、12位A/D轉(zhuǎn)換器、8位A/D轉(zhuǎn)換器及12位D/A轉(zhuǎn)換器等，它內(nèi)部還帶有JTAG接口，使調(diào)試變得非常方便。
2.2 PTR2000無線通信模塊
該器件將接收和發(fā)射合接為一體，工作頻率為國際通用的數(shù)傳頻段433MHz;采用FSK調(diào)制/解調(diào)，可直接進(jìn)入數(shù)據(jù)輸入/輸出，抗干擾能力強(qiáng)。該模板塊在內(nèi)部集成了高頻接收、PLL合成、FSK調(diào)制/解調(diào)、參量放大、功率放大、頻道切換等功能。通信距離可以滿足設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)電路中將PTR2000的一部分通過MAX232進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換后與計(jì)算機(jī)串口連接，另一部分與最小系統(tǒng)連接。
2. 3 TCA 785移相調(diào)壓控制模塊
加熱模塊采用移相觸發(fā)集成觸發(fā)器來實(shí)現(xiàn)。觸發(fā)器TCA785過零點(diǎn)的識(shí)別能力高，移相范圍更寬，輸出脈沖的整齊度更好，可使受控元件在0V到220V無級(jí)改變，常用于對(duì)精度要求高，受控環(huán)境惡劣的條件下。移相觸發(fā)是通過改變電壓調(diào)節(jié)導(dǎo)通角來實(shí)現(xiàn)調(diào)壓，負(fù)載兩端的電壓及平均功率是隨移相觸發(fā)角的變化而變化的。在可控硅的每個(gè)正或負(fù)的周期中都有保持通、斷的部分，即輸出連續(xù)可調(diào)，能適應(yīng)各種性質(zhì)的負(fù)載。本系統(tǒng)為加熱單元設(shè)置了總控開關(guān)，上位機(jī)可直接控制開關(guān)的通斷，用燈泡顯示開關(guān)狀態(tài)。其控制原理圖見圖2。
Ptl00溫度傳感器為正溫度系數(shù)熱敏電阻傳感器，具有抗振動(dòng)、穩(wěn)定性好、準(zhǔn)確度高、耐高壓等優(yōu)點(diǎn)。鉑熱電阻的線性較好，在0到100℃之間變化時(shí)，最大非線性偏差小于0.5℃。鉑熱電阻阻值與溫度關(guān)系為：
式中，A=0.00390802;B=-0.000000580;其阻值表達(dá)式可近似簡化為：Rpt00=100×(1+At)，當(dāng)溫度變化 1℃，Ptl00阻值近似變化0.39 Ω。
2.5 WDK505測(cè)液位模塊
采用WDK505壓力變送器測(cè)量液位。該儀器具有防結(jié)露、防雷擊設(shè)計(jì)，抗干擾能力強(qiáng)，長期穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。芯片置于全不銹鋼殼體內(nèi)堅(jiān)固密封，可靠性好，精度高。
3 軟件設(shè)計(jì)
此系統(tǒng)的主要任務(wù)是對(duì)C8051F040芯片的初始化和各種參數(shù)的設(shè)置和通信，并顯示。重點(diǎn)是超調(diào)量控制、溫度控制PID實(shí)現(xiàn)以及上位機(jī)軟件的編寫。
3.1 超調(diào)量控制
實(shí)驗(yàn)表明，水溫控制系統(tǒng)中，采用一般的控制始終具有較大的超調(diào)，只能靠自然冷卻，這就使得調(diào)節(jié)時(shí)間大大延長。因此，在水溫控制系統(tǒng)中要縮短調(diào)節(jié)時(shí)間，就必須做到基本無超調(diào)。通過反復(fù)實(shí)驗(yàn)，采用在程序中加入PID算法以及模糊控制方法進(jìn)行溫度控制。實(shí)踐證明，這種控制方式可以加快系統(tǒng)階躍響應(yīng)，減小超調(diào)量，并且具有較高的溫度控制精度。
3.2 上位機(jī)軟件
上位機(jī)軟件利用VC++編寫，可以設(shè)置2個(gè)通道的上、下限溫度和液位，以及溫度和液位的實(shí)時(shí)顯示和溫度隨時(shí)間變化曲線。上位機(jī)軟件可以打印溫度曲線，可以全圖打印，也可以局部打印，還可以隨時(shí)查看歷史數(shù)據(jù)。其界面如圖3所示。
3.3 溫度控制PID實(shí)現(xiàn)
PID控制是控制工程中技術(shù)成熟、應(yīng)用廣泛的一種控制策略，經(jīng)過長期的工程實(shí)踐，已形成了一套完整的控制方法和典型的結(jié)構(gòu)。PID的工作基理是：由于來自外界的各種擾動(dòng)不斷產(chǎn)生，要想達(dá)到現(xiàn)場(chǎng)控制對(duì)象值保持恒定的目的，控制作用就必須不斷地進(jìn)行。若擾動(dòng)出現(xiàn)使得現(xiàn)場(chǎng)控制對(duì)象值發(fā)生變化，現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)元件就會(huì)將這種變化采集后經(jīng)變送器送至PID控制器的輸入端，并與其給定值進(jìn)行比較得到偏差值，調(diào)節(jié)器按此偏差并以我們預(yù)先設(shè)定的整定參數(shù)控制規(guī)律發(fā)出控制信號(hào)，去改變調(diào)節(jié)器的開度，使之增加或減少，從而使現(xiàn)場(chǎng)控制對(duì)象值發(fā)生改變，并趨向于給定值，從而達(dá)到控制目的。其實(shí)PID的實(shí)質(zhì)就是對(duì)偏差進(jìn)行比例、積分、微分運(yùn)算，根據(jù)運(yùn)算結(jié)果控制執(zhí)行部件的過程?？刂品桨溉鐖D4所示。
PID控制器的控制規(guī)律可以描述為：
本設(shè)計(jì)利用了上面所介紹的位置式PID算法，將溫度傳感器采樣輸入作為當(dāng)前輸入，然后與設(shè)定值進(jìn)行相減得偏差，再對(duì)偏差值進(jìn)行PID運(yùn)算產(chǎn)生輸出結(jié)果，最后控制定時(shí)器的時(shí)間進(jìn)而控制加熱器。
4 結(jié)束語
溫度遙控遙測(cè)是工業(yè)上使用比較多的一種控制技術(shù)，本文就是針對(duì)溫度遙控遙測(cè)所進(jìn)行的探討與實(shí)踐。設(shè)計(jì)采用PID控制算法大大減少超調(diào)量，提高控制精度。由于傳感器和其它器件本身并非理想線性，程序中對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了線性補(bǔ)償。經(jīng)過大量的實(shí)驗(yàn)，觀測(cè)數(shù)據(jù)，優(yōu)化系統(tǒng)，最終得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果精度較高。水溫控制準(zhǔn)確，雙向通信良好，上位機(jī)界面完整、優(yōu)美。希望本文提出的方案能對(duì)大家在溫度遙控遙測(cè)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用方面有所幫助和啟示。
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