基于Cortex-M0智能水溫監控系統的優(yōu)化

0   引言

水溫控制在工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中都有著(zhù)廣泛的應用，如恒溫飲水機、淋浴系統都要用到溫度控制。工業(yè)生產(chǎn)中水溫控制系統應用更為廣泛，如鍋爐以及為一些化學(xué)反應提供恒溫的水浴環(huán)境等，都要求系統能提供穩定精確的溫度控制。

然而，在實(shí)際生活和工業(yè)生產(chǎn)中，很多水溫控制系統并不能滿(mǎn)足人們的要求。從國內來(lái)看，雖然溫控系統在各行各業(yè)的應用已經(jīng)很廣泛，但總體水平卻不是很高。使用者也不能根據需要設定任意的溫度，人機交互不夠友好。安全方面，現在主流的溫度控制系統都是現場(chǎng)進(jìn)行控制，一旦設備出現故障，操作人員的安全就可能受到威脅。

系統是模型論證性實(shí)驗，通過(guò)MCU 控制小型加熱杯的加熱功率來(lái)精確控制水溫，從而驗證該水溫監控系統方案的可行性。在設計該控制系統時(shí)，從安全方面考慮，采用了控制現場(chǎng)和監控中心分離的設計思想，即在需要對水溫進(jìn)行控制的地方設計一個(gè)控制中心，在遠離控制現場(chǎng)設計一個(gè)可移動(dòng)、便攜式監控中心。這樣即使設備發(fā)生故障也不會(huì )對操作人員造成人身傷害。

1   系統總方案

系統采用溫度傳感器測量水溫，將數據傳送給處理器，經(jīng)處理后在顯示屏上實(shí)時(shí)顯示。當實(shí)時(shí)水溫與用戶(hù)設定的溫度不相等時(shí)，系統將自動(dòng)進(jìn)行調節（加熱或散熱）。測得的數據可長(cháng)久保存，掉電不丟失，且可以將數據打印出來(lái)。通過(guò)控制算法控制加熱電路，使控制精度更高。系統如圖1 所示。

圖1 系統設計總框架

1.1 硬件電路設計

系統中采用溫度傳感器測量水溫，將數據傳送給處理器，經(jīng)過(guò)處理后在顯示屏上實(shí)時(shí)顯示。當實(shí)時(shí)水溫與用戶(hù)設定的溫度不相等時(shí)系統將自動(dòng)進(jìn)行調節（加熱或散熱）。測得的數據可長(cháng)久保存，掉電不丟失，且可以將數據打印出來(lái)。通過(guò)控制算法控制加熱電路，使控制精度更高。系統硬件設計如圖2 所示。

●   MCU。選擇Cortex-M0 的LPC1114 作為主控制器。

●   人機接口電路。采用串口屏作為顯示屏，型號為ZTM480272S43-0WT。集成了4.3 寸觸摸真彩屏、簡(jiǎn)易串口指令控制功能于一身，內置中英文字庫，支持大容量存儲圖片數據，為用戶(hù)提供更為多樣性、實(shí)用性的顯示終端平臺。

●   數據打印電路。使用MTP58-FT4B-T1 微型熱敏打印機模塊。

●   數據存取電路。選用MX25L1606E 作為存儲介質(zhì)。MX25L1606D 與MCU 通過(guò)SPI 協(xié)議進(jìn)行通信。

●   實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路。選擇NXP 公司的PCF8563，其沒(méi)有內置晶振，因此硬件設計時(shí)需要提供32.768 kHz的時(shí)鐘。

●   無(wú)線(xiàn)通信電路。采用nRF24L01 無(wú)線(xiàn)通信模塊通過(guò)SPI 與MCU 通信。

●   溫度采集電路。采用溫度傳感器DS18B20，可以通過(guò)VDD 引腳接入一個(gè)外部電源供電，或者工作于寄生電源模式，DS18B20 通過(guò)單總線(xiàn)與MCU 連接。

●   加熱控制電路。采用電磁繼電器控制大功率加熱電路，控制電路（弱電流）接1、2 腳，被控制電路（強電流）接5 腳。當控制電路斷開(kāi)時(shí)，銜鐵受彈簧的彈力作用與4 接通，輸出電路斷開(kāi)；當控制電路導通時(shí)，鐵芯在周?chē)a(chǎn)生磁場(chǎng)，將銜鐵下吸至5，輸出電路導通，從而達到小信號控制大功率電路的目地。

圖3 加熱控制電路

1.2 系統軟件設計

系統軟件采用模塊化編程思路，每個(gè)功能模塊的驅動(dòng)程序和應用程序分開(kāi)設計。驅動(dòng)程序包括：串口屏底層驅動(dòng)、I₂C 總線(xiàn)協(xié)議驅動(dòng)、單總線(xiàn)驅動(dòng)、SPI 驅動(dòng)等。應用程序包括：人機界面、實(shí)時(shí)時(shí)鐘和無(wú)線(xiàn)通信等。后臺監控系統和現場(chǎng)控制系統的總軟件流程分別如圖4、圖5 所示。

圖4 后臺系統軟件流程圖

圖5 現場(chǎng)控制軟件流程圖

在本設計中，根據測得的溫度信號通過(guò)控制算法算出所需的控制信號量，再根據該信號量來(lái)控制加熱裝置，從而達到精確控制溫度的目的，系統中用的是增量式PID 控制。

PID 控制算法中的難點(diǎn)和重點(diǎn)是參數的整定。在實(shí)際應用中，工程師們很少使用復雜的數學(xué)公式、算法來(lái)計算PID 參數，更多的是利用經(jīng)驗來(lái)對PID 的參數進(jìn)行整定。傳統的PID 經(jīng)驗調節大體分為以下幾步：

●   關(guān)閉控制器的I 和D 元件，加大P 元件，使系統產(chǎn)生振蕩；

●   減小P，使系統找到臨界振蕩點(diǎn)；

●   加大I，使系統達到設定值；

●   重新上電，觀(guān)察超調、振蕩和穩定時(shí)間是否符合

系統要求；

●   針對超調和振蕩的情況適當增加微分項。

在實(shí)際應用中尋找I 和D 的值并非易事，如果能根據經(jīng)典的齊格勒- 尼古拉斯公式（Ziegler-Nichols，簡(jiǎn)稱(chēng)ZN 法）來(lái)初步確定I 和D 元件的參數，會(huì )對調試起很大的幫助作用。

經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，Ziegler-Nichols 方法已經(jīng)發(fā)展成為一種在參數設定中，處于經(jīng)驗和計算法之間的中間方法。這種方法可以為控制器確定非常精確的參數，在此之后也可進(jìn)行微調。Ziegler-Nichols 方法分為以下兩步：

●   構建閉環(huán)控制回路，確定穩定極限；

●   根據公式計算控制器參數。

實(shí)踐表明，在調試PID 控制器時(shí)，使用Ziegler-Nichols 法可以快速、精確地算出各參數，之后再配以微調便可以得到理想的效果。

2   系統調試

在系統整體調試中，繼電器輸出口外接一個(gè)300 W的小型加熱棒，通過(guò)加熱1 L 清水來(lái)檢測系統的準確性、穩定性和可靠性。人機接口主界面如圖6 所示。經(jīng)調試，界面上的各個(gè)按鍵功能都正常，時(shí)間可讀可改，溫度設置完成后通過(guò)無(wú)線(xiàn)模塊自動(dòng)發(fā)往控制現場(chǎng)，控制現場(chǎng)開(kāi)始工作并返回實(shí)時(shí)水溫。nRF24L01 無(wú)線(xiàn)模塊通信距離最遠能達到100 m，操作人員可遠離控制現場(chǎng)，提高了安全性。

圖6 主界面

通過(guò)系統調試，水溫控制效果如表1 所示。其中最小溫度和最大溫度是在實(shí)時(shí)水溫第1 次到達設置的水溫時(shí)起，實(shí)時(shí)水溫的最小值和最大值。

通過(guò)表1 可以看出，在40 ～ 80 ℃區間水溫能精確到±0.5 ℃以?xún)?，高?0 ℃時(shí)精度會(huì )有所降低，誤差在±1.1 ℃左右，精度能夠滿(mǎn)足要求。

3   結束語(yǔ)

系統通過(guò)實(shí)際操作驗證取得成功，從安全方面考慮，采用了控制現場(chǎng)和監控中心分離的設計思想，這樣即使設備發(fā)生故障也不會(huì )對操作人員造成人身傷害，優(yōu)化了整個(gè)水溫監控過(guò)程。

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（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2021年11月期）