水溫控制實驗系統設計

呂淑平， 王 瀟

(哈爾濱工程大學自動化學院，黑龍江哈爾濱150001)

0 引言

采用單片機MC9SXS128設計了1種水溫控制系統，該系統用于學生實驗課里，集成了3種溫度傳感控制方案，實驗時學生可任選1種或幾種。這樣不僅增加了系統的靈活性，也更好地擴大了學生的知識面［1］。

1 系統總體設計

系統采用MC9SXS128為主控芯片，包含PT100電橋、PT1000阻值-頻率變換及DS12B20數字芯片等水溫測定方案。經PID算法得到控制量，通過脈寬寬度調制(PWM)、過零觸發方法控制加熱棒功率從而控制水溫。水溫控制實驗系統結構圖如圖1所示。

圖1 水溫控制系統結構圖

2 硬件設計及分析

2.1 執行部分

執行部分采用過零觸發固態繼電器和加熱棒。

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。固態繼電器通過過零控制，在設定時間間隔內，改變固態繼電器內部晶閘管導通的周波數實現對加熱棒功率控制，配合PWM模塊可方便實現。圖2是實驗測得繼電器全導通下加熱棒對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鉑電阻測溫元件和R4、R5、可調電阻R6組成單臂電橋，TL431為電橋提供2.5 V穩定電壓。由于執行部分過零觸發工作頻率太小(10 Hz)，出現低頻干擾，系統加入2階低通濾波電路消除低頻干擾，截頻率為21 Hz(水溫變化正常不會超過這個頻率)。2級放大輸出直接連接單片機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時基電路實現多諧振蕩器產生矩形波，頻率和矩形波占空比只與相關電阻值有關。輸出方波脈沖振蕩頻率為:

由于PT1 000阻值隨溫度變化，通過NE555得到1個近似線性的頻率變化，利用MC9SXS128內部增強型捕獲定時器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系。

圖4 PT1000鉑電阻阻值頻率變換方案電路

2.2.3 DS18B20 數字芯片方案

電路如圖 5所示，采用美國 DALLAS公司DS18B20，單總線接口方式。該方案為數字信號傳送，抗干擾能力強，溫度不必標定。

圖5 PT100鉑電阻阻值頻率變換方案

3 軟件設計

軟件部分包括基于MC9SXS128的嵌入式和基于C++Builder 6平臺設計的上位機軟件編程。

3.1 嵌入式軟件設計

軟件采用C語言編程、模塊化結構，各硬件模塊對應相應軟件模塊。主函數首先對功能寄存器等進行配置初始化，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 增強型定時器捕獲脈沖頻率

通過ECT捕獲N個矩形波上升沿或下降沿數量，并讀出n=0和n=N時ECT定時器寄存器值存于Count［0］和 Count［1］中。因為定時器在自加過程中可能會溢出，這樣在相減得到N個脈沖的時間內需要

圖6 嵌入式軟件流程圖

判斷是否溢出，同時保證在采集0～N過程中，不會發生定時器2次溢出情況，程序設計如下:

if(Count［1］＞ Count［0］)

{period=Count［1］-Count［0］;//N 個周期}

else if(Count［0］ ＞ Count［1］)//顯然是溢出了 16 的定時器計數范圍

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

3.1.2 改進增量式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

Out=(e+de*Kd)*Kp+ie/Ki;//PID運算

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;//輸出值進行限幅

else if(Out＜0)Out=0;//小于0的輸出不計算

return Out;}

算法參數的確定首先采用階躍曲線法建立系統數學模型，再通過MATLAB仿真確定控制參數。階躍曲線如圖7，8所示，由曲線得到:y(t1)=0.39y(∞)，y(t2)=0.632y(∞)時的 t1和 t2值。

一階慣性延時數學模型設為

求出:K=y(∞)/x0，T=2(t2－t1)，τ=2t1－t2。

經多次計算驗證得到系統數學模型為:

圖7 階躍響應曲線

利用Matlab得到PID階躍曲線，經調試獲得控制參數 KP=120，KI=0.2，KD=20。

圖8 PID階躍跟蹤結果

3.2 上位機軟件編程

上位機采用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控件具有串口自動識別和選擇、奇偶校驗、數據位控制、停止位設置，并且可以設置調制解調器功能，如數據流控和自動應答等功能。設置界面如圖10所示。

讀取串口數據代碼如下:

unsigned char Buf［8192］;//收到的字節數不會超過串口緩存的容量

AnsiString s;//AnsiString數據類型代表一序列的數據字，容量可從4 bytes到2GB

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

寫串口數據代碼如下:

YbCommDevice1-＞ Write(Buffer，nBytes);

Buffer表示待發送數據所在數組，nBytes表示所需發送的數據長度。

3.2.2 TTimer 實現多線程操作

使用TTimer控件實現多線程操作或稱分時操作。方法是，使用多個TTimer，設置每個TTimer在沒有其他任務時的觸發時間。圖11為2個TTimer同時工作的流程圖。

圖9 上位機軟件主要流程圖

圖10 YbCommDevice控件設置界面

圖11 兩個TTimer同時工作流程圖

4 結語

研制了基于MC9SXS128水溫控制實驗系統，與目前實驗室現有的基于PLC過程控制實驗系統相比，該系統制作簡單、成本低。學生在掌握檢測傳感、過程控制等理論基礎上，可進行建模及不同算法研究。

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