基于C8051F040單片機的溫度遙測遙控系統

　　0 引言

　　溫度遙控遙測是遠程實(shí)現對溫度的測量與控制，特別適合那些環(huán)境惡劣，測量人員不容易接近的場(chǎng)合，近年來(lái)在工農業(yè)生產(chǎn)中應用廣泛。根據遙控遙測系統的特點(diǎn)，提出了對水溫遙控遙測的設計方案。

　　1 總體方案設計

　　溫度遙控遙測系統主要由微處理器系統、測溫模塊、加熱模塊、通信模塊、液位模塊以及上位機軟件等組成。系統構成如圖1所示。

　　測溫模塊測量液體溫度后，把溫度數值發(fā)送給微處理器，當溫度變化達到一定值后，加熱模塊開(kāi)始加熱，首先可以在設定的時(shí)間內，加熱到設定的溫度并穩定在該溫度一段時(shí)間。系統還可以按照設計好的各溫度節點(diǎn)進(jìn)行分段折線(xiàn)加熱，精度很高。測液位模塊實(shí)時(shí)測量液體液位，并傳給微處理器。系統通過(guò)兩個(gè)通信模塊實(shí)現遙測遙控，上位機設好溫度參數后，通過(guò)通信模塊傳給遠處的微處理器，微處理器按照上位機設定好的溫度控制加熱模塊進(jìn)行加熱，同時(shí)微處理器把液體溫度和液位高度通過(guò)通信模塊傳給上位機軟件，通過(guò)上位機軟件界面可以實(shí)時(shí)顯示和監測液體溫度和高度。顯示模塊把系統的溫度、高度等各項數據實(shí)時(shí)顯示在液晶屏幕上。

　　程序采用PID算法，建立比例、積分、微分數學(xué)模型，控制TCA785移相觸發(fā)器正負觸發(fā)可控硅BAT-20對受熱物質(zhì)加熱。移相觸發(fā)雙向可控硅調壓精準，無(wú)級調壓，較好地融合了超調和加熱時(shí)間之間的矛盾；遙感遙測使用PTR-2000與上位機通信，在0到100℃范圍內可任意設定、控制水溫。PTR- 2000通信距離遠，準確率高，PC機界面實(shí)時(shí)顯示溫度曲線(xiàn)，溫度、液位上下限設定。并具有溫度曲線(xiàn)采樣率設定、溫度曲線(xiàn)打印功能。

　　2 硬件設計

　　系統硬件主要由C8051F040單片機最小系統、PTR2000無(wú)線(xiàn)通信模塊、TCA785移相調壓控制模塊、Ptl00測溫模塊、WDK505測液位模塊等組成。

　　2．1 C8051F040單片機最小系統

　　最小系統以單片機C8051F04O為核心，包括晶體振蕩電路、復位電路、抗干擾電路、電壓基準電路和電源部分。C805lF040單片機是美國 Cygnal公司生產(chǎn)的完全集成的混合信號系統級芯SoC。它具有64kB Flash、4352BRAM、CAN控制器2．0、兩個(gè)串行接口、5個(gè)16位定時(shí)器、12位A／D轉換器、8位A／D轉換器及12位D／A轉換器等，它內部還帶有JTAG接口，使調試變得非常方便。

　　2．2 PTR2000無(wú)線(xiàn)通信模塊

　　該器件將接收和發(fā)射合接為一體，工作頻率為國際通用的數傳頻段433MHz；采用FSK調制／解調，可直接進(jìn)入數據輸入／輸出，抗干擾能力強。該模板塊在內部集成了高頻接收、PLL合成、FSK調制／解調、參量放大、功率放大、頻道切換等功能。通信距離可以滿(mǎn)足設計要求，設計電路中將PTR2000的一部分通過(guò)MAX232進(jìn)行電平轉換后與計算機串口連接，另一部分與最小系統連接。

　　2. 3 TCA 785移相調壓控制模塊

　　加熱模塊采用移相觸發(fā)集成觸發(fā)器來(lái)實(shí)現。觸發(fā)器TCA785過(guò)零點(diǎn)的識別能力高，移相范圍更寬，輸出脈沖的整齊度更好，可使受控元件在0V到220V無(wú)級改變，常用于對精度要求高，受控環(huán)境惡劣的條件下。移相觸發(fā)是通過(guò)改變電壓調節導通角來(lái)實(shí)現調壓，負載兩端的電壓及平均功率是隨移相觸發(fā)角的變化而變化的。在可控硅的每個(gè)正或負的周期中都有保持通、斷的部分，即輸出連續可調，能適應各種性質(zhì)的負載。本系統為加熱單元設置了總控開(kāi)關(guān)，上位機可直接控制開(kāi)關(guān)的通斷，用燈泡顯示開(kāi)關(guān)狀態(tài)。其控制原理圖見(jiàn)圖2。

　　2．4 Ptl00測溫模塊

　　Ptl00溫度傳感器為正溫度系數熱敏電阻傳感器，具有抗振動(dòng)、穩定性好、準確度高、耐高壓等優(yōu)點(diǎn)。鉑熱電阻的線(xiàn)性較好，在0到100℃之間變化時(shí)，最大非線(xiàn)性偏差小于0．5℃。鉑熱電阻阻值與溫度關(guān)系為：

　　式中，A=0．00390802；B=-0．000000580；其阻值表達式可近似簡(jiǎn)化為：Rpt00=100×(1+At)，當溫度變化 1℃，Ptl00阻值近似變化0．39 Ω。

　　2．5 WDK505測液位模塊

　　采用WDK505壓力變送器測量液位。該儀器具有防結露、防雷擊設計，抗干擾能力強，長(cháng)期穩定性好等優(yōu)點(diǎn)。芯片置于全不銹鋼殼體內堅固密封，可靠性好，精度高。

　　3 軟件設計

　　此系統的主要任務(wù)是對C8051F040芯片的初始化和各種參數的設置和通信，并顯示。重點(diǎn)是超調量控制、溫度控制PID實(shí)現以及上位機軟件的編寫(xiě)。

　　3．1 超調量控制

　　實(shí)驗表明，水溫控制系統中，采用一般的控制始終具有較大的超調，只能靠自然冷卻，這就使得調節時(shí)間大大延長(cháng)。因此，在水溫控制系統中要縮短調節時(shí)間，就必須做到基本無(wú)超調。通過(guò)反復實(shí)驗，采用在程序中加入PID算法以及模糊控制方法進(jìn)行溫度控制。實(shí)踐證明，這種控制方式可以加快系統階躍響應，減小超調量，并且具有較高的溫度控制精度。

　　3．2 上位機軟件

　　上位機軟件利用VC++編寫(xiě)，可以設置2個(gè)通道的上、下限溫度和液位，以及溫度和液位的實(shí)時(shí)顯示和溫度隨時(shí)間變化曲線(xiàn)。上位機軟件可以打印溫度曲線(xiàn)，可以全圖打印，也可以局部打印，還可以隨時(shí)查看歷史數據。其界面如圖3所示。

　　3．3 溫度控制PID實(shí)現

　　PID控制是控制工程中技術(shù)成熟、應用廣泛的一種控制策略，經(jīng)過(guò)長(cháng)期的工程實(shí)踐，已形成了一套完整的控制方法和典型的結構。PID的工作基理是：由于來(lái)自外界的各種擾動(dòng)不斷產(chǎn)生，要想達到現場(chǎng)控制對象值保持恒定的目的，控制作用就必須不斷地進(jìn)行。若擾動(dòng)出現使得現場(chǎng)控制對象值發(fā)生變化，現場(chǎng)檢測元件就會(huì )將這種變化采集后經(jīng)變送器送至PID控制器的輸入端，并與其給定值進(jìn)行比較得到偏差值，調節器按此偏差并以我們預先設定的整定參數控制規律發(fā)出控制信號，去改變調節器的開(kāi)度，使之增加或減少，從而使現場(chǎng)控制對象值發(fā)生改變，并趨向于給定值，從而達到控制目的。其實(shí)PID的實(shí)質(zhì)就是對偏差進(jìn)行比例、積分、微分運算，根據運算結果控制執行部件的過(guò)程?？刂品桨溉鐖D4所示。

　　PID控制器的控制規律可以描述為：

　　本設計利用了上面所介紹的位置式PID算法，將溫度傳感器采樣輸入作為當前輸入，然后與設定值進(jìn)行相減得偏差，再對偏差值進(jìn)行PID運算產(chǎn)生輸出結果，最后控制定時(shí)器的時(shí)間進(jìn)而控制加熱器。

　　4 結束語(yǔ)

　　溫度遙控遙測是工業(yè)上使用比較多的一種控制技術(shù)，本文就是針對溫度遙控遙測所進(jìn)行的探討與實(shí)踐。設計采用PID控制算法大大減少超調量，提高控制精度。由于傳感器和其它器件本身并非理想線(xiàn)性，程序中對實(shí)測數據進(jìn)行了線(xiàn)性補償。經(jīng)過(guò)大量的實(shí)驗，觀(guān)測數據，優(yōu)化系統，最終得到的實(shí)驗結果精度較高。水溫控制準確，雙向通信良好，上位機界面完整、優(yōu)美。希望本文提出的方案能對大家在溫度遙控遙測的設計與應用方面有所幫助和啟示。