基于可靠性技術(shù)的智能溫度控制器設(shè)計與實現(xiàn)

秘海曉， 張曉杰

(1.天津航海儀器研究所，天津 300131；2.中國船舶工業(yè)綜合技術(shù)經(jīng)濟研究院，北京 100101)

現(xiàn)代信息技術(shù)的三大基礎(chǔ)是信息采集控制(溫度控制技術(shù))、信息傳輸控制(通信技術(shù))和信息處理(計算機技術(shù))[1]，其中溫度控制技術(shù)是表征工業(yè)生產(chǎn)和實驗室研究過程狀態(tài)的關(guān)鍵參數(shù)[2-3]，因而溫度控制器作為一種有效采集控制溫度參數(shù)的設(shè)備獲得了廣泛應(yīng)用，在現(xiàn)代工業(yè)社會中的地位亦不斷攀升。但隨著社會對節(jié)能減排、可靠性指標(biāo)等技術(shù)要求的持續(xù)提高[4]，傳統(tǒng)溫度控制器存在的耗能高、可靠性低、安全性不高、經(jīng)濟性差、抗干擾能力弱以及缺乏智能化等諸多缺點日益突出[5-9]，越來越難以滿足當(dāng)前物質(zhì)生活發(fā)展的要求。為了改善這種狀況，設(shè)計一種新型的符合時代需求的智能溫度控制器就顯得尤為必要。

本文論述了一種基于瑞薩單片機的新型智能溫度控制器。為解決控制器綠色節(jié)能應(yīng)用的問題，研制中采用可靠性余度技術(shù)設(shè)計了電源模塊、晶振模塊等子系統(tǒng)；為提高控制器的抗干擾能力和可靠性水平，研制中應(yīng)用故障檢測與健康管理技術(shù)設(shè)計了主控制模塊、電源模塊等子系統(tǒng)。在探討控制器整體研究方案的基礎(chǔ)上，分析闡述了智能溫度控制器的主控制模塊、電源模塊、晶振模塊、溫度檢測模塊、存儲模塊、人機交互模塊、報警模塊、接口模塊和軟件算法等設(shè)計，給出了一種可靠性技術(shù)在溫度控制器研發(fā)中的設(shè)計應(yīng)用方法，也為產(chǎn)品研制中權(quán)衡設(shè)計性能與通用質(zhì)量特性提供了一種參考，在一定程度上減少了研制過程中兩張皮的現(xiàn)象。新型智能溫度控制器交付寧波五禾電器有限公司后成功通過試驗鑒定驗收，市場銷售表明該智能溫度控制器取得了一定的經(jīng)濟和社會效益。

1 智能溫度控制器的總體設(shè)計

智能溫度控制器是一種低成本、高效益的可編程溫度控制器，其實物如圖1所示。該控制器具有多參數(shù)組合控制策略，其控制原理如圖2所示。

圖1 智能溫度控制器的實物圖

智能溫度控制器主要由主控制模塊、人機交互模塊、電源模塊、存儲模塊、晶振模塊、報警模塊、溫度檢測模塊和接口模塊組成，采用標(biāo)準(zhǔn)專用集成電路形式，其系統(tǒng)設(shè)計的結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖2 智能溫度控制器的控制原理圖

圖3 智能溫度控制器的總體結(jié)構(gòu)框圖

針對智能溫度控制器的節(jié)能環(huán)保和可靠性、經(jīng)濟性設(shè)計要求，其與當(dāng)前社會市面上主流溫控器產(chǎn)品的部分參數(shù)對比，如表1所示。智能溫度控制器的研制方案由原理圖設(shè)計和結(jié)構(gòu)圖設(shè)計兩部分構(gòu)成[10]，原理圖設(shè)計主要決定溫控器功能指標(biāo)的實現(xiàn)，結(jié)構(gòu)圖設(shè)計主要決定溫控器可靠性、測試性和經(jīng)濟性指標(biāo)的實現(xiàn)。

表1 基本參數(shù)的對比

2 智能溫度控制器的電路設(shè)計

2.1 主控制模塊的設(shè)計

智能溫度控制器的主控制模塊包括單片機、電源回路電路、調(diào)試電路、驅(qū)動電路、采樣保持電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、存儲電路、比較電路和故障監(jiān)測電路等子電路，其中單片機采用瑞薩H8微處理器，如圖4所示。高性能的瑞薩單片機是使控制器成為集溫度檢測、信息轉(zhuǎn)換、控制輸出三位一體智能溫度控制器的基礎(chǔ)，它支持低至1.8 V工作電壓的超低功耗工作模式，配以電源回路保證了系統(tǒng)即使在斷電的情況下，控制器也能夠從任意工作狀態(tài)轉(zhuǎn)入休眠狀態(tài)或者程序狀態(tài)，完全符合智能溫度控制器“綠色”的節(jié)能應(yīng)用，達(dá)到了歐洲“能源之星”標(biāo)準(zhǔn)，滿足溫控器的經(jīng)濟性設(shè)計要求。

圖4 主控制電路設(shè)計圖

采樣保持電路實現(xiàn)了采樣數(shù)據(jù)的完整性，對當(dāng)前的環(huán)境溫度信號進(jìn)行取壓采樣；控制檢測電路的信號采樣時刻，用于管理和調(diào)度信號采樣的通斷時間。模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路采用單片機的內(nèi)置模塊單元，10位A/D轉(zhuǎn)換實現(xiàn)了采樣信號的高精度轉(zhuǎn)換，該模/數(shù)轉(zhuǎn)換采用逐次逼近法產(chǎn)生二進(jìn)制數(shù)據(jù)，將采樣信號轉(zhuǎn)換成A/D轉(zhuǎn)換范圍內(nèi)的數(shù)字量，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行線性化處理，處理后的數(shù)據(jù)將存入片內(nèi)寄存器。單片機內(nèi)寄存器用于主控制系統(tǒng)存入和讀取各種數(shù)據(jù)參數(shù)，實現(xiàn)了存儲電路與數(shù)據(jù)存儲模塊的數(shù)據(jù)交換，兩者相互構(gòu)成了工作備份，存儲電路中的數(shù)據(jù)經(jīng)線性化處理后，交由單片機進(jìn)行動態(tài)管理，將當(dāng)前的實際溫度與目標(biāo)溫度進(jìn)行比較。比較電路是基于偏差控制的原理，通過對偏差值的處理獲得控制信號，從而實現(xiàn)對溫度的準(zhǔn)確調(diào)節(jié)。比較電路通過對基準(zhǔn)電源電壓進(jìn)行取樣，是進(jìn)行比較判定溫度變化的基準(zhǔn)。如果存儲電路中的數(shù)據(jù)與該基準(zhǔn)之間存在差值，則根據(jù)差值大小進(jìn)行相應(yīng)的溫度調(diào)節(jié)，使實際溫度保持在目標(biāo)值附近；如果兩者之間不存在差值，就保持狀態(tài)不變。調(diào)試電路主要用于控制器的在線調(diào)試，支持系統(tǒng)復(fù)位/運行/調(diào)試狀態(tài)，驅(qū)動兩個磁保持繼電器的置位/復(fù)位繞組，實現(xiàn)對執(zhí)行機構(gòu)電路的控制，方便控制器使用后期的保養(yǎng)和維護(hù)，達(dá)到了溫控器維修性和保障性設(shè)計指標(biāo)要求。

故障監(jiān)測電路設(shè)計通過采用可靠性設(shè)計中的故障預(yù)測與健康管理技術(shù)，能夠及時發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)可能出現(xiàn)的故障，進(jìn)而給出故障信息警告，縮短溫控器的故障定位和故障修復(fù)時間，是智能溫度控制器測試性設(shè)計的重要組成部分。

2.2 電源模塊的設(shè)計

為了提高智能溫度控制器供電的任務(wù)可靠性，電源模塊應(yīng)用了可靠性設(shè)計中的冗余方案[11-12]。由交流24 V電源電路靜態(tài)備份電池組電源電路組成電源模塊，系統(tǒng)默認(rèn)以電池組電源電路供電為主，如圖5所示。當(dāng)故障監(jiān)測電路檢測到電池組電源電路的供電電壓低于1.8 V時，自動切換到交流24 V電源電路；當(dāng)然，也可以人工設(shè)置成以交流24 V電源電路供電為主，如圖6所示，以節(jié)約電池耗材的消耗量，提高智能控制器的保障性和經(jīng)濟性。

圖5 電池組電源電路圖

圖6 交流24V電源電路圖

電源模塊的電池組電路供電子系統(tǒng)采用兩組(四節(jié))堿性電池冗余熱備份給控制器供電，假設(shè)每組電壓為VBAT，以提升智能控制器使用過程中的平均間隔更換時間(MTTF)。電池組電源電路使用中電量會逐漸減少，雖然控制器采用的單片機在低至1.8 V時仍可工作，但人機交互模塊中液晶屏顯示電路卻已超過極限，故這里將2.6 V規(guī)定為一級門限電壓，將2.3 V規(guī)定為二級門限電壓，再設(shè)單片機的供電電壓為VCC，顯示電壓為VAC，則有：

① 當(dāng)2.6 V≤VBAT≤3 V時，溫控器處于正常工作狀態(tài)；

② 當(dāng)2.3 V≤VBAT<2.6 V時，有2.3 V≤VCC<2.6 V，2.3 V ≤VAC<2.6 V，此時背光屏不能正常顯示，液晶屏顯示缺電標(biāo)識，并間斷顯示故障代碼，提醒用戶更換電池；

③ 當(dāng)1.8 V≤VBAT<2.3 V時，有1.8 V≤VCC<2.3 V，此時液晶屏不能正常顯示，控制器進(jìn)入休眠狀態(tài)，必須更換電池；

④ 當(dāng)0 V≤VBAT<1.8 V時，有VCC<1.8 V，控制器停止工作。

為了確保智能溫度控制器運行的穩(wěn)定，在電池組電源電路中還設(shè)計了電池電量檢測單元，實現(xiàn)控制器供電電壓的健康管理，以提高溫控器的任務(wù)可靠性。

設(shè)U1為電池組BT1和BT2的串聯(lián)電壓，U2為電池組BT3和BT4的串聯(lián)電壓。

電阻R4上的電壓為

(1)

電阻R5上的電壓為

UR5=U2-UD18

(2)

忽略二極管D18(=0.6-0.7 V)上的壓降，可得

UR5≈U2

(3)

則

(4)

取R3=10 kΩ，R4=10 kΩ，故

(5)

電池組BT1和BT2通過二極管D17輸出到分壓電阻網(wǎng)絡(luò)；電池組BT3和BT4通過二極管D18和分壓電阻網(wǎng)絡(luò)R4、R5和R3輸出電量檢測信號VBAT_OFF交單片機的故障監(jiān)測電路處理，進(jìn)而實現(xiàn)了智能溫控器的故障預(yù)測和健康管理。

2.3 晶振模塊的設(shè)計

晶振模塊是智能溫度控制器整個系統(tǒng)的時鐘源，它為主控制模塊及其外圍電路提供統(tǒng)一時鐘脈沖，如圖7所示。

圖7 晶振電路圖

晶振模塊應(yīng)用可靠性余度設(shè)計技術(shù)[13]，采用主時鐘電路和副時鐘電路熱備份，提高了溫控器系統(tǒng)的控制精度。

2.4 溫度檢測模塊的設(shè)計

溫度檢測模塊用于監(jiān)測周圍環(huán)境的當(dāng)前溫度值，實現(xiàn)了傳感器帶開關(guān)控制的高精度溫度采樣。如果周圍環(huán)境溫度發(fā)生變化，溫度傳感器隨之產(chǎn)生一個變化量，再通過采樣分壓電路的取壓，將周圍環(huán)境溫度的變化量轉(zhuǎn)換成熱敏電阻的電壓變化量，電壓變化量經(jīng)保持后送入單片機內(nèi)置的模/數(shù)轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

溫度檢測常表現(xiàn)出一定的滯后性，該特性可用一階環(huán)節(jié)的數(shù)學(xué)模型(式(6))來描述。

y=1-eαx

(6)

式中，α為慣性環(huán)節(jié)的時間參數(shù)，根據(jù)實際標(biāo)定取值。

為了提高控制器的控溫精度，在軟件的算法設(shè)計中采用了線性化處理，可以根據(jù)式(7)計算出傳感器和溫度的線性化對應(yīng)關(guān)系。

(7)

式中,Tt0=t0+273.15(其中t0=25 ℃為基準(zhǔn)溫度)，單位為K；Tt=tt+273.15(其中t為實際溫度，單位為℃)，單位為K；Rt0為環(huán)境t0=25 ℃時的標(biāo)稱阻值，單位為kΩ，一般為10 kΩ。

為使控制器的溫度測量值更精確，除了要在軟件算法上進(jìn)行線性化處理外，還要對電路進(jìn)行線性化處理，克服因個體元器件差異而引起的誤差，用標(biāo)準(zhǔn)測量設(shè)備對該值進(jìn)行標(biāo)定，就能在正常使用中用該值修正輸入電壓變化引起的溫度采樣誤差。

2.5 人機交互模塊的設(shè)計

人機交互模塊由顯示電路和按鍵電路兩部分組成，其中顯示電路由觸摸屏子電路、液晶屏子電路和背光屏子電路3部分構(gòu)成，主要完成用戶按照意愿設(shè)置參數(shù)或者實時監(jiān)視溫控狀態(tài)的功能。根據(jù)設(shè)計算法，其傳遞函數(shù)可用式(8)來表示。

(8)

式中,k為修正系數(shù)；A(x)、B(x)的描述形式是與用戶設(shè)置的被控溫度編程參數(shù)的類型、模型等有關(guān)的多項式；X為拉普拉斯算子；τ為延遲時間。

控制器的按鍵電路分3個按鈕鍵子電路和兩個撥動鍵子電路，即主菜單按鍵子電路、編程按鍵子電路、復(fù)位按鍵子電路，以及功能撥動鍵子電路和選擇撥動鍵子電路。

2.6 報警模塊的設(shè)計

智能溫度控制器的報警模塊由報警電路和蜂鳴器組成，報警控制信號由主控制模塊的D/A轉(zhuǎn)換輸出控制，用以實現(xiàn)溫控器故障的預(yù)警管理。

2.7 接口模塊的設(shè)計

接口模塊由連接電路和控制輸出電路構(gòu)成，其中連接電路用于連接24 V交流電路板和3 V直流電路板，如圖8所示。控制輸出電路負(fù)責(zé)將控制信息輸出給負(fù)載，實現(xiàn)了以微控制信號直接驅(qū)動大負(fù)載的功能。

圖8 連接電路圖

2.8 數(shù)據(jù)存儲模塊的設(shè)計

數(shù)據(jù)存儲模塊由數(shù)據(jù)存儲電路與主控制模塊中的存儲電路工作備份實現(xiàn)，數(shù)據(jù)存儲電路采用總線規(guī)程連接的雙向通信，數(shù)據(jù)的傳送(接收/發(fā)送)均由主控制模塊管理，存儲從主控制模塊輸出的數(shù)據(jù)信號，由存儲器完成數(shù)據(jù)的貯存，存儲器的時鐘與晶振模塊的時鐘保持一致。

2.9 系統(tǒng)的軟件設(shè)計

新型智能溫度控制器的軟件算法建立在功能實現(xiàn)的實用性基礎(chǔ)上，同時兼顧可靠性設(shè)計方法開發(fā)而成。根據(jù)控制器的專用質(zhì)量特性技術(shù)要求，其軟件設(shè)計在整體上可分為系統(tǒng)管理子程序、上電自檢子程序、系統(tǒng)調(diào)用子程序、用戶編程解釋子程序、檢測子程序、電源管理子程序、接口管理子程序、按鍵管理子程序、人機接口子程序、報警子程序和系統(tǒng)保護(hù)子程序等部分，系統(tǒng)的軟件總體流程圖如圖9所示。

圖9 智能溫度控制器軟件總體流程圖

在子程序中，用戶編程解釋子程序包括二線制熱控制模塊、三線制熱控制模塊、四線制熱/制冷控制模塊、五線制熱/制冷控制模塊、二級制熱和制冷混合控制模塊、閥控的三線區(qū)域供暖系統(tǒng)控制模塊、無輔助制熱功能的四線熱泵制熱控制模塊、具有輔助制熱功能的五線熱泵制熱控制模塊、童鎖模塊等程序模塊；檢測子程序包括溫度校準(zhǔn)模塊、溫度監(jiān)測模塊、溫控回差模塊等程序模塊；電源管理子程序包括電壓監(jiān)測模塊、自動切換模塊、延時模塊等程序模塊；接口管理子程序包括連接控制模塊、控制輸出管理模塊等程序模塊；按鍵管理子程序包括操作模式選擇模塊和風(fēng)扇選擇模塊兩種；人機接口子程序包括液晶屏管理模塊、觸摸屏管理模塊、背光板管理模塊等程序模塊；報警子程序包括蜂鳴器報警模塊、低電壓報警模塊等程序模塊。

3 結(jié)束語

針對智能溫度控制器，通過對硬件電路和軟件算法的設(shè)計，研究出了新一代溫度控制器的設(shè)計方案，解決了當(dāng)前社會對溫控器綠色節(jié)能的需求，降低了溫控器使用中的安全隱患，提高了溫控器自身及其所屬控制系統(tǒng)的可靠性，實現(xiàn)了用戶根據(jù)自身意愿調(diào)控所需的參數(shù)，滿足了實際應(yīng)用中增加用戶體驗的要求，達(dá)到了預(yù)期的研制目標(biāo)。經(jīng)寧波五禾電器有限公司試生產(chǎn)，表明該型智能溫度控制器設(shè)計取得了初步成功，為同類控制器的設(shè)計提供了借鑒和參考。