基于無線測量的恒溫控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

文/李曉蕓 彭源 劉自強(qiáng) 李豪杰 江善和

1 引言

溫度是工業(yè)生產(chǎn)中主要的被控參數(shù)之一，與之相關(guān)的各種溫度控制系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于冶金、化工、機(jī)械、食品等領(lǐng)域。溫度控制是工業(yè)生產(chǎn)過程中經(jīng)常遇到的過程控制,有些工藝過程對其溫度的控制效果直接影響著產(chǎn)品的質(zhì)量,因而設(shè)計(jì)一種較為理想的溫度控制系統(tǒng)是非常有價(jià)值的。

目前，常見的恒溫控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法有基于單片機(jī)的溫度控制系統(tǒng)、基于DSP 的PID溫度控制系統(tǒng)、基于ARM 的模糊PID 控制系統(tǒng)等。本文采用無線測量方法實(shí)現(xiàn)水容器溫度控制系統(tǒng)的恒溫調(diào)節(jié)，該系統(tǒng)以水容器為控制對象，溫度作為主控制變量，采用溫度傳感器完成溫度信號的采樣，利用繼電器通斷控制電加熱器件。通過下位機(jī)的微處理器完成采樣溫度信號的AD 轉(zhuǎn)換和控制運(yùn)算算法處理及顯示，從而實(shí)現(xiàn)水溫的有效控制。借助無線通信模塊，利用上位機(jī)獲得遠(yuǎn)方測量點(diǎn)的溫度信息并控制溫度變化，能夠控制加熱單元的總通斷，并在遙控點(diǎn)和測量點(diǎn)均可顯示當(dāng)前水溫值；同時，利用上位機(jī)可以進(jìn)行預(yù)定控制設(shè)置管理，設(shè)置溫度和液位的上下限值，并對水溫按著預(yù)定規(guī)律變化進(jìn)行控制。上位機(jī)和下位機(jī)的通信則是通過無線通信模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)和控制信號的發(fā)射與接收。

本文設(shè)計(jì)思路為：首先，利用傳感器完成溫度信號的實(shí)時采集，并進(jìn)行A/D 轉(zhuǎn)換；其次，下位機(jī)則通過單片機(jī)完成數(shù)據(jù)處理、運(yùn)算、顯示和燈光報(bào)警，再由控制信號控制繼電器實(shí)現(xiàn)加熱器的通斷；再其次，無線通信模塊實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與下位機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信；上位機(jī)則采用PC 機(jī)實(shí)現(xiàn)溫度的實(shí)時曲線顯示、設(shè)定和總通斷控制。該設(shè)計(jì)思路的特點(diǎn)：下位機(jī)利用單片機(jī)的抗干擾能力強(qiáng)、價(jià)格低廉、功耗小、溫度控制運(yùn)算容易實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)；上位機(jī)充分利用PC 機(jī)的編程能力實(shí)現(xiàn)溫度的實(shí)時曲線顯示、設(shè)定，直觀簡單，良好的人機(jī)界面等；無線通信模塊則可以實(shí)現(xiàn)溫度的遠(yuǎn)程測量、控制、顯示和報(bào)警等。

2 設(shè)計(jì)方案

圖1：系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體方案框圖

圖2：傳感器放大電路

圖3：顯示電路原理圖

本控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的總體方案框圖如圖1所示。該控制系統(tǒng)可分為兩部分：前段測量點(diǎn)的核心部分為下位機(jī)的單片機(jī)，其余為相應(yīng)的采集、顯示、控制和通信模塊；后端遙控點(diǎn)為PC 機(jī)和無限通信模塊。該系統(tǒng)以SPCE061A為核心，前向通道包括傳感器及其信號放大電路，按鍵輸入電路；后向通道包括三部分：LED 顯示電路，上位機(jī)通信電路以及控制加熱器的繼電器驅(qū)動電路。由于SPCE061A 內(nèi)部有8 路10 位精度的AD 轉(zhuǎn)換器，所以直接將傳感器輸出信號放大后輸入SPCE061A 的AD轉(zhuǎn)換通道即可，不需要外接ADC。SPCE061A實(shí)時采樣溫度，并根據(jù)采樣結(jié)果控制加熱器，調(diào)節(jié)加熱功率大??；同時將當(dāng)前溫度信息通過數(shù)碼管在下位機(jī)顯示出來，并通過無線通信模塊nRF2401A 完成與上位機(jī)PC 的數(shù)據(jù)通信。

針對測量點(diǎn)的核心部分——下位機(jī)的單片機(jī)設(shè)計(jì)采用SPCE061A 單片機(jī)作為主控制器。PT100 溫度傳感器采集溫度信號，將信號送到單片機(jī)中，在單片機(jī)中通過對采集的溫度與原來設(shè)定的溫度相比較，并將溫度曲線在PC 機(jī)中顯示，同時將溫度通過LED 顯示，采用LED 鍵盤模組作為輸入和顯示單元，同時采用Nodic 公司的nRF2401A 芯片作為無線收發(fā)核心器件，將下位機(jī)采集到的數(shù)據(jù)信號傳送到上位機(jī)和發(fā)送控制信號至下位機(jī)控制溫度。

控制系統(tǒng)的溫度控制采用PID 閉環(huán)控制方案，將預(yù)置初值與傳感器反饋信號比較得到偏差，對偏差進(jìn)行PID 運(yùn)算處理得到控制量，通過此控制量來控制加熱器的加熱時間，從而控制加熱功率。在系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)過程中，通過VC所編的上位機(jī)中的軟件進(jìn)行在線監(jiān)控可通過上位機(jī)設(shè)置上限、下限溫度，當(dāng)超出溫度上下限時，實(shí)現(xiàn)在測量點(diǎn)用燈光報(bào)警等功能。

3 硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的整體硬件電路組成主要是：下位機(jī)以SPCE061A 為核心控制器，包括傳感器電路，鍵盤和顯示電路，控制電路和無線通信收發(fā)電路4 大模塊。上位機(jī)以PC 機(jī)為核心，包括無線通信收發(fā)電路。

3.1 傳感器電路

如圖2所示，傳感器電路包括傳感器橋路和放大電路兩部分，經(jīng)過兩級放大后輸出模擬電壓信號Uo。直接將運(yùn)放的輸出腳接SPCE061A 的AD 輸入通道AN5（IOA4）。

R2、R3、R4和Pt100組成傳感器測量電橋，為了保證電橋輸出電壓信號的穩(wěn)定性，電橋的輸入電壓通過TL431 穩(wěn)至2.5V。從電橋獲取的差分信號通過兩級運(yùn)放放大后輸入單片機(jī)。電橋的一個橋臂采用可調(diào)電阻R3，通過調(diào)節(jié)R3可以調(diào)整輸入到運(yùn)放的差分電壓信號大小，通常用于調(diào)整零點(diǎn)。

放大電路采用LM358 集成運(yùn)算放大器，為了防止單級放大倍數(shù)過高帶來的非線性誤差，放大電路采用兩級放大，前一級約為10 倍，后一級約為3 倍。溫度在0～100 度變化，當(dāng)溫度上升時，Pt100 阻值變大，輸入放大電路的差分信號變大，放大電路的輸出電壓Av 對應(yīng)升高。

3.2 按鍵與顯示電路

按鍵直接使用61 板自帶的按鍵，不需要連接硬件即可使用。 顯示采用LED 鍵盤模組6 位數(shù)碼管的其中3 位進(jìn)行動態(tài)顯示，電路原理如圖3所示。在使用時，將a～dp 接IOA8～I(xiàn)OA15，DIG4～DIG6 接IOB3～5。

3.3 繼電器功率驅(qū)動電路

系統(tǒng)的主要功率器件為一個交流220V～1000W 的電加熱器，采用繼電器來驅(qū)動該加熱器。繼電器選擇OMRON G6B-1174P 型繼電器，該繼電器具有觸發(fā)電壓低（DC5V），可 控 功 率 大（AC：8A250V，DC：8A30V），以及反應(yīng)時間短等優(yōu)點(diǎn)。繼電器采用NPN8050 三極管驅(qū)動，并在三極管的基極加一個470 歐的電阻，當(dāng)三極管的基極加載高電平信號時，三極管導(dǎo)通繼電器工作，當(dāng)三極管的基極為低電平信號時，三極管截止繼電器停止工作。并在繼電器的周圍添加了續(xù)流保護(hù)電路和工作指示電路，功率驅(qū)動部分電路如圖4所示。

表1：標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)測量的溫度和溫控系統(tǒng)顯示的溫度比較（℃）

表2：溫度穩(wěn)定性測試

表3：遙測距離測試

3.4 無線通信模塊

無線傳輸模組以nRF2401A 芯片為核心，它把射頻收發(fā)電路集成在一塊芯片上。它的射頻范圍為2.4GHz ～2.5GHz，這個芯片內(nèi)部包含頻率綜合器、微波功率放大器、信號調(diào)制和解調(diào)器等部分。微控制器與nRF2401A 芯片之間的數(shù)字傳輸通過串行接口實(shí)現(xiàn)。它提供了一路的無線發(fā)射和兩路的無線接收功能，應(yīng)用時，為方便與61 板的連接，模組提供了兩個接口J1、J2，其中J1 為nRF2401A 的控制端口和通道1 的收發(fā)通道，J2 為預(yù)留端口，是通道2 的接收通道。J1 接口為10Pin 的插孔，其布局和61 板的I/O 端口布局一致，可以直接插接到61 板的I/O 端口使用。J2 預(yù)留，如果需要采用雙通道接收時，可以將J2 對應(yīng)的3 根信號線引出，接到單片機(jī)的I/O 上即可。nRF2401A 的電路原理圖如圖5所示。

3.5 報(bào)警電路

為引起工作人員對異常信息的注意，該監(jiān)控系統(tǒng)提供了燈光報(bào)警和聲音報(bào)警的功能。燈光報(bào)警是通過下位機(jī)的單片機(jī)輸出信號，IOB0 低電平有效，通過發(fā)光二極管進(jìn)行報(bào)警，它主要是超溫報(bào)警。聲音報(bào)警是由上位機(jī)與單片機(jī)之間相互通信，經(jīng)單片機(jī)輸出信號，通過三極管進(jìn)行放大來驅(qū)動蜂鳴器進(jìn)行報(bào)警。單片機(jī)IOB8 輸出高電平時，三極管導(dǎo)通，蜂鳴器工作發(fā)出報(bào)警聲。IOB8 為低電平時三極管關(guān)斷，蜂鳴器不工作。

3.6 UART—Max232轉(zhuǎn)換模塊電路

系統(tǒng)上位PC 機(jī)與接受端單片機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸通過UART 接口完成，該部分的電路如圖6所示。UART 模組的COM1 接口與PC 機(jī)串口相連接，J1 口的VCC、GND、Tx1、Rx1 分別與61 板的“+”、“-”、IOB10，IOB7 相連接。

圖4：功率驅(qū)動電路原理圖

圖5：nRF2401A 電路原理圖

4 軟件設(shè)計(jì)

軟件程序的控制思想：設(shè)置目標(biāo)溫度后，系統(tǒng)采樣水溫，并通過預(yù)設(shè)溫度，當(dāng)前溫度，歷史偏差等進(jìn)行PID 運(yùn)算產(chǎn)生fOut 輸出參數(shù)，通過該參數(shù)控制加熱時間，從而調(diào)節(jié)加熱器的平均功率，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的PID 控制。整體功能通過主程序和中斷服務(wù)程序配合實(shí)現(xiàn)，主程序流程圖如圖7所示。

系統(tǒng)運(yùn)行首先初始化IO，Timer，Ua7部件，同時初始化顯示，并初始化系統(tǒng)狀態(tài)設(shè)定狀態(tài)，等待輸入設(shè)定溫度。初始化完成之后進(jìn)入主程序循環(huán)體，在循環(huán)體中判斷是否進(jìn)行AD 轉(zhuǎn)換，如果已經(jīng)完成AD 轉(zhuǎn)換，則對AD 結(jié)果進(jìn)行處理轉(zhuǎn)化為溫度值，將溫度值傳送給上位機(jī)，之后對溫度值進(jìn)行PID 運(yùn)算。運(yùn)算產(chǎn)生結(jié)果fOut，如果fOut>0，證明當(dāng)前溫度低于設(shè)定溫度，開啟加熱器；如果fOut<= 0，證明當(dāng)前溫度等于或者略超過設(shè)定溫度，關(guān)閉加熱器。然后再重復(fù)執(zhí)行上述過程，周而復(fù)始。

5 系統(tǒng)測試結(jié)果

圖6：UART 模塊電路圖

圖7：主程序流程圖

將硬件電路各個模塊組成整體搭建溫度控制系統(tǒng)，軟件程序使用凌陽開發(fā)系統(tǒng)，該軟件的模擬調(diào)試器支持C 語言及匯編語言源代碼調(diào)試，其匯編程序支持宏匯編及模塊化編程，使用方便。上位機(jī)控制程序使用VC++開發(fā)。將匯編程序下載到各子模塊，進(jìn)行各子模塊調(diào)試，正常后在PC 主控程序下進(jìn)行各種功能的測試。 現(xiàn)將功能測試結(jié)果記錄如下：

5.1 溫度顯示測試

將標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)和Pt100 放人同一容器中，選定若干不同的溫度點(diǎn)，記錄下標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)顯示的溫度和PC 機(jī)界面顯示的溫度進(jìn)行比較，測量結(jié)果如表1所示。由表1可知，該控制系統(tǒng)能夠成功的在溫度控制在0 ～80℃范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)溫度的實(shí)時顯示，同時利用標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)測量的溫度和該控制系統(tǒng)的顯示溫度差值很小。

5.2 溫度穩(wěn)定性測試

在溫度偏離設(shè)定值時，通過控制繼電器的通斷，控制加熱電路的狀態(tài)，能夠使溫度穩(wěn)定在45℃。測量水溫在10 分鐘內(nèi)的變化情況，每分鐘的溫度值顯示如表2所示。從表2可以看出，開始階段，在加熱作用下水溫之間上升，經(jīng)過5 分鐘加熱后，水溫逐漸達(dá)到45℃左右，且后期誤差穩(wěn)定在±2℃內(nèi)，達(dá)到設(shè)計(jì)者的要求。

5.3 遙測距離測試

為了評價(jià)設(shè)計(jì)系統(tǒng)遙測距離與溫度的變化情況，我們做了如下測試：當(dāng)溫度穩(wěn)定在45℃時，使遙測遙控距離大于10 米，觀察不同距離時溫度的變化，遙測距離與溫度測量值如表3所示。

6 結(jié)論

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一種以SPCE061A 單片機(jī)為核心，基于nRF2401A 和PT100 構(gòu)成的無線測量溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并通過繼電器驅(qū)動電路實(shí)現(xiàn)溫度的恒溫控制。系統(tǒng)測試表明，該系統(tǒng)完成了設(shè)計(jì)的各項(xiàng)基本要求，實(shí)現(xiàn)了雙向無線通信，通過上位機(jī)可對被測控對象設(shè)置上下限溫度，完成測量端溫度的實(shí)時顯示和報(bào)警監(jiān)測。實(shí)現(xiàn)了在上位機(jī)中設(shè)置溫度的上下限，超溫報(bào)警功能。測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)性能穩(wěn)定、精度高，能夠完成溫度的遠(yuǎn)程測控，具有一定的實(shí)用推廣性。