基于Cortex-M0智能水溫監(jiān)控系統(tǒng)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廣泛的應(yīng)用，如恒溫飲水機(jī)、淋浴系統(tǒng)都要用到溫度控制。工業(yè)生產(chǎn)中水溫控制系統(tǒng)應(yīng)用更為廣泛，如鍋爐以及為一些化學(xué)反應(yīng)提供恒溫的水浴環(huán)境等，都要求系統(tǒng)能提供穩(wěn)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(tǒng)并不能滿足人們的要求。從國(guó)內(nèi)來看，雖然溫控系統(tǒng)在各行各業(yè)的應(yīng)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(jù)需要設(shè)定任意的溫度，人機(jī)交互不夠友好。安全方面，現(xiàn)在主流的溫度控制系統(tǒng)都是現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行控制，一旦設(shè)備出現(xiàn)故障，操作人員的安全就可能受到威脅。

系統(tǒng)是模型論證性實(shí)驗(yàn)，通過MCU 控制小型加熱杯的加熱功率來精確控制水溫，從而驗(yàn)證該水溫監(jiān)控系統(tǒng)方案的可行性。在設(shè)計(jì)該控制系統(tǒng)時(shí)，從安全方面考慮，采用了控制現(xiàn)場(chǎng)和監(jiān)控中心分離的設(shè)計(jì)思想，即在需要對(duì)水溫進(jìn)行控制的地方設(shè)計(jì)一個(gè)控制中心，在遠(yuǎn)離控制現(xiàn)場(chǎng)設(shè)計(jì)一個(gè)可移動(dòng)、便攜式監(jiān)控中心。這樣即使設(shè)備發(fā)生故障也不會(huì)對(duì)操作人員造成人身傷害。

1   系統(tǒng)總方案

系統(tǒng)采用溫度傳感器測(cè)量水溫，將數(shù)據(jù)傳送給處理器，經(jīng)處理后在顯示屏上實(shí)時(shí)顯示。當(dāng)實(shí)時(shí)水溫與用戶設(shè)定的溫度不相等時(shí)，系統(tǒng)將自動(dòng)進(jìn)行調(diào)節(jié)（加熱或散熱）。測(cè)得的數(shù)據(jù)可長(zhǎng)久保存，掉電不丟失，且可以將數(shù)據(jù)打印出來。通過控制算法控制加熱電路，使控制精度更高。系統(tǒng)如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)總框架

1.1 硬件電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)中采用溫度傳感器測(cè)量水溫，將數(shù)據(jù)傳送給處理器，經(jīng)過處理后在顯示屏上實(shí)時(shí)顯示。當(dāng)實(shí)時(shí)水溫與用戶設(shè)定的溫度不相等時(shí)系統(tǒng)將自動(dòng)進(jìn)行調(diào)節(jié)（加熱或散熱）。測(cè)得的數(shù)據(jù)可長(zhǎng)久保存，掉電不丟失，且可以將數(shù)據(jù)打印出來。通過控制算法控制加熱電路，使控制精度更高。系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)如圖2 所示。

●   MCU。選擇Cortex-M0 的LPC1114 作為主控制器。

●   人機(jī)接口電路。采用串口屏作為顯示屏，型號(hào)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(nèi)置中英文字庫(kù)，支持大容量存儲(chǔ)圖片數(shù)據(jù)，為用戶提供更為多樣性、實(shí)用性的顯示終端平臺(tái)。

●   數(shù)據(jù)打印電路。使用MTP58-FT4B-T1 微型熱敏打印機(jī)模塊。

●   數(shù)據(jù)存取電路。選用MX25L1606E 作為存儲(chǔ)介質(zhì)。MX25L1606D 與MCU 通過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，其沒有內(nèi)置晶振，因此硬件設(shè)計(jì)時(shí)需要提供32.768 kHz的時(shí)鐘。

●   無線通信電路。采用nRF24L01 無線通信模塊通過SPI 與MCU 通信。

●   溫度采集電路。采用溫度傳感器DS18B20，可以通過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 通過單總線與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(qiáng)電流）接5 腳。當(dāng)控制電路斷開時(shí)，銜鐵受彈簧的彈力作用與4 接通，輸出電路斷開；當(dāng)控制電路導(dǎo)通時(shí)，鐵芯在周圍產(chǎn)生磁場(chǎng)，將銜鐵下吸至5，輸出電路導(dǎo)通，從而達(dá)到小信號(hào)控制大功率電路的目地。

圖3 加熱控制電路

1.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件采用模塊化編程思路，每個(gè)功能模塊的驅(qū)動(dòng)程序和應(yīng)用程序分開設(shè)計(jì)。驅(qū)動(dòng)程序包括：串口屏底層驅(qū)動(dòng)、I₂C 總線協(xié)議驅(qū)動(dòng)、單總線驅(qū)動(dòng)、SPI 驅(qū)動(dòng)等。應(yīng)用程序包括：人機(jī)界面、實(shí)時(shí)時(shí)鐘和無線通信等。后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)和現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)的總軟件流程分別如圖4、圖5 所示。

圖4 后臺(tái)系統(tǒng)軟件流程圖

圖5 現(xiàn)場(chǎng)控制軟件流程圖

在本設(shè)計(jì)中，根據(jù)測(cè)得的溫度信號(hào)通過控制算法算出所需的控制信號(hào)量，再根據(jù)該信號(hào)量來控制加熱裝置，從而達(dá)到精確控制溫度的目的，系統(tǒng)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(shù)的整定。在實(shí)際應(yīng)用中，工程師們很少使用復(fù)雜的數(shù)學(xué)公式、算法來計(jì)算PID 參數(shù)，更多的是利用經(jīng)驗(yàn)來對(duì)PID 的參數(shù)進(jìn)行整定。傳統(tǒng)的PID 經(jīng)驗(yàn)調(diào)節(jié)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(tǒng)產(chǎn)生振蕩；

●   減小P，使系統(tǒng)找到臨界振蕩點(diǎn)；

●   加大I，使系統(tǒng)達(dá)到設(shè)定值；

●   重新上電，觀察超調(diào)、振蕩和穩(wěn)定時(shí)間是否符合

系統(tǒng)要求；

●   針對(duì)超調(diào)和振蕩的情況適當(dāng)增加微分項(xiàng)。

在實(shí)際應(yīng)用中尋找I 和D 的值并非易事，如果能根據(jù)經(jīng)典的齊格勒- 尼古拉斯公式（Ziegler-Nichols，簡(jiǎn)稱ZN 法）來初步確定I 和D 元件的參數(shù)，會(huì)對(duì)調(diào)試起很大的幫助作用。

經(jīng)過多年的發(fā)展，Ziegler-Nichols 方法已經(jīng)發(fā)展成為一種在參數(shù)設(shè)定中，處于經(jīng)驗(yàn)和計(jì)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(shù)，在此之后也可進(jìn)行微調(diào)。Ziegler-Nichols 方法分為以下兩步：

●   構(gòu)建閉環(huán)控制回路，確定穩(wěn)定極限；

●   根據(jù)公式計(jì)算控制器參數(shù)。

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

2   系統(tǒng)調(diào)試

在系統(tǒng)整體調(diào)試中，繼電器輸出口外接一個(gè)300 W的小型加熱棒，通過加熱1 L 清水來檢測(cè)系統(tǒng)的準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性和可靠性。人機(jī)接口主界面如圖6 所示。經(jīng)調(diào)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(shè)置完成后通過無線模塊自動(dòng)發(fā)往控制現(xiàn)場(chǎng)，控制現(xiàn)場(chǎng)開始工作并返回實(shí)時(shí)水溫。nRF24L01 無線模塊通信距離最遠(yuǎn)能達(dá)到100 m，操作人員可遠(yuǎn)離控制現(xiàn)場(chǎng)，提高了安全性。

圖6 主界面

通過系統(tǒng)調(diào)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(dá)設(shè)置的水溫時(shí)起，實(shí)時(shí)水溫的最小值和最大值。

通過表1 可以看出，在40 ～ 80 ℃區(qū)間水溫能精確到±0.5 ℃以內(nèi)，高于80 ℃時(shí)精度會(huì)有所降低，誤差在±1.1 ℃左右，精度能夠滿足要求。

3   結(jié)束語

系統(tǒng)通過實(shí)際操作驗(yàn)證取得成功，從安全方面考慮，采用了控制現(xiàn)場(chǎng)和監(jiān)控中心分離的設(shè)計(jì)思想，這樣即使設(shè)備發(fā)生故障也不會(huì)對(duì)操作人員造成人身傷害，優(yōu)化了整個(gè)水溫監(jiān)控過程。

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（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2021年11月期）