水溫控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

呂淑平， 王 瀟

(哈爾濱工程大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，黑龍江哈爾濱150001)

0 引言

采用單片機(jī)MC9SXS128設(shè)計(jì)了1種水溫控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)用于學(xué)生實(shí)驗(yàn)課里，集成了3種溫度傳感控制方案，實(shí)驗(yàn)時(shí)學(xué)生可任選1種或幾種。這樣不僅增加了系統(tǒng)的靈活性，也更好地?cái)U(kuò)大了學(xué)生的知識(shí)面［1］。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用MC9SXS128為主控芯片，包含PT100電橋、PT1000阻值-頻率變換及DS12B20數(shù)字芯片等水溫測(cè)定方案。經(jīng)PID算法得到控制量，通過(guò)脈寬寬度調(diào)制(PWM)、過(guò)零觸發(fā)方法控制加熱棒功率從而控制水溫。水溫控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 水溫控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 硬件設(shè)計(jì)及分析

2.1 執(zhí)行部分

執(zhí)行部分采用過(guò)零觸發(fā)固態(tài)繼電器和加熱棒。

繼電器輸入控制端為3～32 VDC，輸出端為5 A 380 V，50～60 Hz，加熱棒功率為500～1 000 W。固態(tài)繼電器通過(guò)過(guò)零控制，在設(shè)定時(shí)間間隔內(nèi)，改變固態(tài)繼電器內(nèi)部晶閘管導(dǎo)通的周波數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)加熱棒功率控制，配合PWM模塊可方便實(shí)現(xiàn)。圖2是實(shí)驗(yàn)測(cè)得繼電器全導(dǎo)通下加熱棒對(duì)一定量水加熱溫度曲線。

2.2 傳感部分

2.2.1 PT100 電橋方案

PT100鉑電阻測(cè)溫元件和R4、R5、可調(diào)電阻R6組成單臂電橋，TL431為電橋提供2.5 V穩(wěn)定電壓。由于執(zhí)行部分過(guò)零觸發(fā)工作頻率太小(10 Hz)，出現(xiàn)低頻干擾，系統(tǒng)加入2階低通濾波電路消除低頻干擾，截頻率為21 Hz(水溫變化正常不會(huì)超過(guò)這個(gè)頻率)。2級(jí)放大輸出直接連接單片機(jī)ADC0口，如圖3所示。

2.2.2 PT1000鉑電阻阻值頻率變換方案

圖2 繼電器全導(dǎo)通下一定量水加熱溫度曲線

圖3 PT100電橋方案電路

方案如圖4所示，利用NE555時(shí)基電路實(shí)現(xiàn)多諧振蕩器產(chǎn)生矩形波，頻率和矩形波占空比只與相關(guān)電阻值有關(guān)。輸出方波脈沖振蕩頻率為:

由于PT1 000阻值隨溫度變化，通過(guò)NE555得到1個(gè)近似線性的頻率變化，利用MC9SXS128內(nèi)部增強(qiáng)型捕獲定時(shí)器ECT捕獲該頻率大小和矩形波高電平脈寬，得到頻率與溫度之間的關(guān)系。

圖4 PT1000鉑電阻阻值頻率變換方案電路

2.2.3 DS18B20 數(shù)字芯片方案

電路如圖 5所示，采用美國(guó) DALLAS公司DS18B20，單總線接口方式。該方案為數(shù)字信號(hào)傳送，抗干擾能力強(qiáng)，溫度不必標(biāo)定。

圖5 PT100鉑電阻阻值頻率變換方案

3 軟件設(shè)計(jì)

軟件部分包括基于MC9SXS128的嵌入式和基于C++Builder 6平臺(tái)設(shè)計(jì)的上位機(jī)軟件編程。

3.1 嵌入式軟件設(shè)計(jì)

軟件采用C語(yǔ)言編程、模塊化結(jié)構(gòu)，各硬件模塊對(duì)應(yīng)相應(yīng)軟件模塊。主函數(shù)首先對(duì)功能寄存器等進(jìn)行配置初始化，包括CPU倍頻、ADT初始化、SCI初始化、ECT初始化、PWM初始化等。流程圖如圖6所示。

3.1.1 增強(qiáng)型定時(shí)器捕獲脈沖頻率

通過(guò)ECT捕獲N個(gè)矩形波上升沿或下降沿?cái)?shù)量，并讀出n=0和n=N時(shí)ECT定時(shí)器寄存器值存于Count［0］和 Count［1］中。因?yàn)槎〞r(shí)器在自加過(guò)程中可能會(huì)溢出，這樣在相減得到N個(gè)脈沖的時(shí)間內(nèi)需要

圖6 嵌入式軟件流程圖

判斷是否溢出，同時(shí)保證在采集0～N過(guò)程中，不會(huì)發(fā)生定時(shí)器2次溢出情況，程序設(shè)計(jì)如下:

if(Count［1］＞ Count［0］)

{period=Count［1］-Count［0］;//N 個(gè)周期}

else if(Count［0］ ＞ Count［1］)//顯然是溢出了 16 的定時(shí)器計(jì)數(shù)范圍

{period=0xffff-Count［0］ +1+Count［1］;//處理溢出}

3.1.2 改進(jìn)增量式PID算法

算法程序如下:

int Pid_cal(int SetTemp){

e=(int)(SetTemp-Temp);

//求出偏差量，其SetTemp為期望溫度值

de=e-ePast;//求出微分量

ePast=e;//記錄偏差信號(hào)

Out=(e+de*Kd)*Kp+ie/Ki;//PID運(yùn)算

OutPast［1］ =OutPast［0］;

OutPast［0］ =Out;

ie=OutPast［1］+OutPast［0］;//求出積分值

if(ie＞30000)ie=30000;//限制積分值上限

else if(ie＜=0)ie=0;//不做低溫積分

if(Out＞=16500)Out=16500;//輸出值進(jìn)行限幅

else if(Out＜0)Out=0;//小于0的輸出不計(jì)算

return Out;}

算法參數(shù)的確定首先采用階躍曲線法建立系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，再通過(guò)MATLAB仿真確定控制參數(shù)。階躍曲線如圖7，8所示，由曲線得到:y(t1)=0.39y(∞)，y(t2)=0.632y(∞)時(shí)的 t1和 t2值。

一階慣性延時(shí)數(shù)學(xué)模型設(shè)為

求出:K=y(∞)/x0，T=2(t2－t1)，τ=2t1－t2。

經(jīng)多次計(jì)算驗(yàn)證得到系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型為:

圖7 階躍響應(yīng)曲線

利用Matlab得到PID階躍曲線，經(jīng)調(diào)試獲得控制參數(shù) KP=120，KI=0.2，KD=20。

圖8 PID階躍跟蹤結(jié)果

3.2 上位機(jī)軟件編程

上位機(jī)采用Borland公司C++Builder 6.0，主要使用YbCommDevice串口控件、TChart圖表繪制控件和TTimer控件等。上位機(jī)軟件主流程圖如圖9所示。

3.2.1 串口控件YbCommDevice

YbCommDevice控件具有串口自動(dòng)識(shí)別和選擇、奇偶校驗(yàn)、數(shù)據(jù)位控制、停止位設(shè)置，并且可以設(shè)置調(diào)制解調(diào)器功能，如數(shù)據(jù)流控和自動(dòng)應(yīng)答等功能。設(shè)置界面如圖10所示。

讀取串口數(shù)據(jù)代碼如下:

unsigned char Buf［8192］;//收到的字節(jié)數(shù)不會(huì)超過(guò)串口緩存的容量

AnsiString s;//AnsiString數(shù)據(jù)類型代表一序列的數(shù)據(jù)字，容量可從4 bytes到2GB

int n=YbCommDevice1-＞Read(Buf，8192);//收到 n 個(gè)字節(jié)

寫串口數(shù)據(jù)代碼如下:

YbCommDevice1-＞ Write(Buffer，nBytes);

Buffer表示待發(fā)送數(shù)據(jù)所在數(shù)組，nBytes表示所需發(fā)送的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度。

3.2.2 TTimer 實(shí)現(xiàn)多線程操作

使用TTimer控件實(shí)現(xiàn)多線程操作或稱分時(shí)操作。方法是，使用多個(gè)TTimer，設(shè)置每個(gè)TTimer在沒(méi)有其他任務(wù)時(shí)的觸發(fā)時(shí)間。圖11為2個(gè)TTimer同時(shí)工作的流程圖。

圖9 上位機(jī)軟件主要流程圖

圖10 YbCommDevice控件設(shè)置界面

圖11 兩個(gè)TTimer同時(shí)工作流程圖

4 結(jié)語(yǔ)

研制了基于MC9SXS128水溫控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，與目前實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的基于PLC過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)制作簡(jiǎn)單、成本低。學(xué)生在掌握檢測(cè)傳感、過(guò)程控制等理論基礎(chǔ)上，可進(jìn)行建模及不同算法研究。

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