基于無線測量的恒溫控制系統設計

文/李曉蕓 彭源 劉自強 李豪杰 江善和

1 引言

溫度是工業生產中主要的被控參數之一，與之相關的各種溫度控制系統廣泛應用于冶金、化工、機械、食品等領域。溫度控制是工業生產過程中經常遇到的過程控制,有些工藝過程對其溫度的控制效果直接影響著產品的質量,因而設計一種較為理想的溫度控制系統是非常有價值的。

目前，常見的恒溫控制系統設計方法有基于單片機的溫度控制系統、基于DSP 的PID溫度控制系統、基于ARM 的模糊PID 控制系統等。本文采用無線測量方法實現水容器溫度控制系統的恒溫調節，該系統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。通過下位機的微處理器完成采樣溫度信號的AD 轉換和控制運算算法處理及顯示，從而實現水溫的有效控制。借助無線通信模塊，利用上位機獲得遠方測量點的溫度信息并控制溫度變化，能夠控制加熱單元的總通斷，并在遙控點和測量點均可顯示當前水溫值；同時，利用上位機可以進行預定控制設置管理，設置溫度和液位的上下限值，并對水溫按著預定規律變化進行控制。上位機和下位機的通信則是通過無線通信模塊實現數據和控制信號的發射與接收。

本文設計思路為：首先，利用傳感器完成溫度信號的實時采集，并進行A/D 轉換；其次，下位機則通過單片機完成數據處理、運算、顯示和燈光報警，再由控制信號控制繼電器實現加熱器的通斷；再其次，無線通信模塊實現上位機與下位機之間的數據通信；上位機則采用PC 機實現溫度的實時曲線顯示、設定和總通斷控制。該設計思路的特點：下位機利用單片機的抗干擾能力強、價格低廉、功耗小、溫度控制運算容易實現等優點；上位機充分利用PC 機的編程能力實現溫度的實時曲線顯示、設定，直觀簡單，良好的人機界面等；無線通信模塊則可以實現溫度的遠程測量、控制、顯示和報警等。

2 設計方案

圖1：系統設計總體方案框圖

圖2：傳感器放大電路

圖3：顯示電路原理圖

本控制系統設計的總體方案框圖如圖1所示。該控制系統可分為兩部分：前段測量點的核心部分為下位機的單片機，其余為相應的采集、顯示、控制和通信模塊；后端遙控點為PC 機和無限通信模塊。該系統以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，上位機通信電路以及控制加熱器的繼電器驅動電路。由于SPCE061A 內部有8 路10 位精度的AD 轉換器，所以直接將傳感器輸出信號放大后輸入SPCE061A 的AD轉換通道即可，不需要外接ADC。SPCE061A實時采樣溫度，并根據采樣結果控制加熱器，調節加熱功率大?。煌瑫r將當前溫度信息通過數碼管在下位機顯示出來，并通過無線通信模塊nRF2401A 完成與上位機PC 的數據通信。

針對測量點的核心部分——下位機的單片機設計采用SPCE061A 單片機作為主控制器。PT100 溫度傳感器采集溫度信號，將信號送到單片機中，在單片機中通過對采集的溫度與原來設定的溫度相比較，并將溫度曲線在PC 機中顯示，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 芯片作為無線收發核心器件，將下位機采集到的數據信號傳送到上位機和發送控制信號至下位機控制溫度。

控制系統的溫度控制采用PID 閉環控制方案，將預置初值與傳感器反饋信號比較得到偏差，對偏差進行PID 運算處理得到控制量，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。在系統實現過程中，通過VC所編的上位機中的軟件進行在線監控可通過上位機設置上限、下限溫度，當超出溫度上下限時，實現在測量點用燈光報警等功能。

3 硬件設計

系統的整體硬件電路組成主要是：下位機以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電路4 大模塊。上位機以PC 機為核心，包括無線通信收發電路。

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，經過兩級放大后輸出模擬電壓信號Uo。直接將運放的輸出腳接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定性，電橋的輸入電壓通過TL431 穩至2.5V。從電橋獲取的差分信號通過兩級運放放大后輸入單片機。電橋的一個橋臂采用可調電阻R3，通過調節R3可以調整輸入到運放的差分電壓信號大小，通常用于調整零點。

放大電路采用LM358 集成運算放大器，為了防止單級放大倍數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 位數碼管的其中3 位進行動態顯示，電路原理如圖3所示。在使用時，將a～dp 接IOA8～IOA15，DIG4～DIG6 接IOB3～5。

3.3 繼電器功率驅動電路

系統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，該繼電器具有觸發電壓低（DC5V），可 控 功 率 大（AC：8A250V，DC：8A30V），以及反應時間短等優點。繼電器采用NPN8050 三極管驅動，并在三極管的基極加一個470 歐的電阻，當三極管的基極加載高電平信號時，三極管導通繼電器工作，當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流保護電路和工作指示電路，功率驅動部分電路如圖4所示。

表1：標準溫度計測量的溫度和溫控系統顯示的溫度比較（℃）

表2：溫度穩定性測試

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，這個芯片內部包含頻率綜合器、微波功率放大器、信號調制和解調器等部分。微控制器與nRF2401A 芯片之間的數字傳輸通過串行接口實現。它提供了一路的無線發射和兩路的無線接收功能，應用時，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 的收發通道，J2 為預留端口，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 預留，如果需要采用雙通道接收時，可以將J2 對應的3 根信號線引出，接到單片機的I/O 上即可。nRF2401A 的電路原理圖如圖5所示。

3.5 報警電路

為引起工作人員對異常信息的注意，該監控系統提供了燈光報警和聲音報警的功能。燈光報警是通過下位機的單片機輸出信號，IOB0 低電平有效，通過發光二極管進行報警，它主要是超溫報警。聲音報警是由上位機與單片機之間相互通信，經單片機輸出信號，通過三極管進行放大來驅動蜂鳴器進行報警。單片機IOB8 輸出高電平時，三極管導通，蜂鳴器工作發出報警聲。IOB8 為低電平時三極管關斷，蜂鳴器不工作。

3.6 UART—Max232轉換模塊電路

系統上位PC 機與接受端單片機的數據傳輸通過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：功率驅動電路原理圖

圖5：nRF2401A 電路原理圖

4 軟件設計

軟件程序的控制思想：設置目標溫度后，系統采樣水溫，并通過預設溫度，當前溫度，歷史偏差等進行PID 運算產生fOut 輸出參數，通過該參數控制加熱時間，從而調節加熱器的平均功率，實現系統的PID 控制。整體功能通過主程序和中斷服務程序配合實現，主程序流程圖如圖7所示。

系統運行首先初始化IO，Timer，Ua7部件，同時初始化顯示，并初始化系統狀態設定狀態，等待輸入設定溫度。初始化完成之后進入主程序循環體，在循環體中判斷是否進行AD 轉換，如果已經完成AD 轉換，則對AD 結果進行處理轉化為溫度值，將溫度值傳送給上位機，之后對溫度值進行PID 運算。運算產生結果fOut，如果fOut>0，證明當前溫度低于設定溫度，開啟加熱器；如果fOut<= 0，證明當前溫度等于或者略超過設定溫度，關閉加熱器。然后再重復執行上述過程，周而復始。

5 系統測試結果

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，軟件程序使用凌陽開發系統，該軟件的模擬調試器支持C 語言及匯編語言源代碼調試，其匯編程序支持宏匯編及模塊化編程，使用方便。上位機控制程序使用VC++開發。將匯編程序下載到各子模塊，進行各子模塊調試，正常后在PC 主控程序下進行各種功能的測試。 現將功能測試結果記錄如下：

5.1 溫度顯示測試

將標準溫度計和Pt100 放人同一容器中，選定若干不同的溫度點，記錄下標準溫度計顯示的溫度和PC 機界面顯示的溫度進行比較，測量結果如表1所示。由表1可知，該控制系統能夠成功的在溫度控制在0 ～80℃范圍內，實現溫度的實時顯示，同時利用標準溫度計測量的溫度和該控制系統的顯示溫度差值很小。

5.2 溫度穩定性測試

在溫度偏離設定值時，通過控制繼電器的通斷，控制加熱電路的狀態，能夠使溫度穩定在45℃。測量水溫在10 分鐘內的變化情況，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，經過5 分鐘加熱后，水溫逐漸達到45℃左右，且后期誤差穩定在±2℃內，達到設計者的要求。

5.3 遙測距離測試

為了評價設計系統遙測距離與溫度的變化情況，我們做了如下測試：當溫度穩定在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 結論

本系統設計了一種以SPCE061A 單片機為核心，基于nRF2401A 和PT100 構成的無線測量溫度控制系統設計，并通過繼電器驅動電路實現溫度的恒溫控制。系統測試表明，該系統完成了設計的各項基本要求，實現了雙向無線通信，通過上位機可對被測控對象設置上下限溫度，完成測量端溫度的實時顯示和報警監測。實現了在上位機中設置溫度的上下限，超溫報警功能。測試結果表明，該系統性能穩定、精度高，能夠完成溫度的遠程測控，具有一定的實用推廣性。