基于MC9S12XS128的水溫加熱控制系統(tǒng)設計

吳 磊

(核工業(yè)大連應用技術研究所，遼寧大連 116031)

基于MC9S12XS128的水溫加熱控制系統(tǒng)設計

吳 磊

(核工業(yè)大連應用技術研究所，遼寧大連 116031)

本系統(tǒng)設計以溫度傳感器DS18B20[3]、電橋測重傳感器和MC9S12XS128最小系統(tǒng)[2]為核心[1]，使用220V AC電源加熱水壺中的水。本設計具有溫度測量功能、液位測量功能，可顯示溫度和液位數(shù)值。測溫分辨誤差不大于0.5℃，液位測量誤差不大于5mm。具有液位上限、下限報警功能，可以設置報警點，液位低于下限或高于上限時，發(fā)出聲音報警并禁止加熱。具有分段程序控制功能，可分段設置控溫值和保溫時間，升溫速度不小于10℃·min-1，控溫誤差不大于0.5℃。

溫度傳感器 DS18B20；MC9S12XS128；PID控制

在生活中，人們越來越關注家用電器的安全性能，相對應的水位測量與報警也逐漸被重視起來。溫度控制在工業(yè)領域的應用非常廣泛，對控制調(diào)節(jié)器要求較高。隨著計算機和傳感器技術的不斷改進，用信息技術來實現(xiàn)水溫控制并提高控制的精確度以及水位的測量，不僅可以達到而且容易實現(xiàn)，對加強工業(yè)化建設和提高人民生活水平也有著重大意義。本文設計一個基于MC9S12XS128單片機的智能水溫加熱控制系統(tǒng)，以單片機為核心，基于溫度傳感器、壓力傳感器、信號處理電路、顯示電路、輸入電路、輸出控制電路等硬件電路，軟件選用C語言編程，實現(xiàn)測量水位、測量溫度、恒溫控制和報警等功能。

1 方案總體設計

圖1 基本模塊方框圖

本文構建了一個由輸入、輸出和控制部分組成的系統(tǒng)[7-8]，總體結(jié)構如圖1所示。系統(tǒng)上電開始，顯示當前水位值，之后由輸入裝置確定理想水溫溫度、水位下限報警值、水位上限報警值，完成后開始調(diào)節(jié)水溫。由測溫部分采集溫度值并把實時數(shù)據(jù)傳給控制部分；同時控制部分不停地監(jiān)控按鍵，控制電路的發(fā)生信號，將按鍵設定值和當前水溫送顯示器顯示。最終控制部分把設置溫度和當前溫度作PID[4-6]計算后控制繼電器來控制加熱。系統(tǒng)電路結(jié)構圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)電路結(jié)構框圖

本次設計的主要思路是通過對單片機編程將由溫度傳感器DS18B20采集的溫度及電橋測重傳感器采集的水位外加驅(qū)動電路顯示出來，包括對繼電器的控制，進行升溫，當溫度達到上下限蜂鳴器時進行報警。該系統(tǒng)是典型的增量控制負反饋系統(tǒng)，因此必須引入信號的負反饋，以實現(xiàn)溫度的精確控制。另一方面，系統(tǒng)要求在精確控制的前提下提高響應速度，還需引入溫度的負反饋。該系統(tǒng)利用PID算法(圖3)，實現(xiàn)了快速而精確的控制。

圖3 PID算法框圖

為了精確控制，需采用比例積分微分調(diào)節(jié)方法(PID調(diào)節(jié))。為了減小累積誤差，采用增量式PID調(diào)節(jié)，其數(shù)學表達式為

ΔPK=KP[E(k)-E(k-1)]+KIE(k)+KD[E(k)-2E(k-1)+E(k-2)].

其中，T為采樣周期，E(k)為第k次采樣時的偏差值，P(k)為第k次采樣時調(diào)節(jié)器輸出，KP為比例系數(shù)，KI為積分系數(shù)，KD為微分系數(shù)。在采樣周期一定的情況下，調(diào)節(jié)比例系數(shù)、積分系數(shù)和微分系數(shù)即可獲得較高控制精度。

2 模塊設計

2.1 控制單元

MC9S12XS128微控制單元作為MC9S12系列的16位單片機，由標準片上外圍設備組成，包括16位中央處理器、128KB的Flash存儲器、8KB的RAM、2KB的EEPROM、兩個異步串行通訊接口、兩個串行外圍接口、一組8通道的輸入捕捉或輸出捕捉的增強型捕捉定時器、兩組8通道10路模數(shù)轉(zhuǎn)換器、一組8通道脈寬調(diào)制模塊、一個字節(jié)數(shù)據(jù)鏈路控制器、29路獨立的數(shù)字I/O接口、20路帶中斷和喚醒功能的數(shù)字I/O接口、5個增強型CAN總線接口。同時，單片機內(nèi)的鎖相環(huán)電路可使能耗和性能適應具體操作的需要。MC9S12XS128完全能夠滿足設計的需要，并使得電路更加緊湊。

2.2 溫度傳感器的選擇

采用DS18B20測量溫度。DS18B20是一種數(shù)字式的溫度傳感器, 其內(nèi)部使用了在板專利技術，使其具有以下特性：(1)精度為±0.5°C；(2)單線接口，只需一根口線與CPU連接；(3)不需要外部元件，不需要備份電源，可用數(shù)據(jù)線供電；(3)支持多點組網(wǎng)功能，多個DS18B20可以并聯(lián)在唯一的三線上；(4)溫度測量范圍為-50℃～125℃；(5)通過編程可實現(xiàn)四級精度轉(zhuǎn)換；(6)在93.75ms和750ms內(nèi)將溫度值轉(zhuǎn)化9位和12位的數(shù)字量。現(xiàn)場溫度直接以“一線總線”的數(shù)字方式傳輸，大大提高了系統(tǒng)的抗干擾性，無需其它外加電路，直接輸出數(shù)字量。

2.3 液位傳感器的選擇

采用稱重傳感器作為測量工具，一定液位的液體對應一定質(zhì)量，故可以采用線性度較好的容器，使得稱重傳感器輸出與液位呈近似的線性關系。但是信號比較微弱，需要采用AD620模塊對信號進行放大，得到信號輸出與液位呈現(xiàn)一階線性關系，效果理想。

3 程序設計

此系統(tǒng)包括主控制程序、PID算法程序、LCD顯示及按鍵處理程序，流程圖如圖4所示。

圖4 流程圖

4 測試數(shù)據(jù)與結(jié)果分析

本設計測試從MC9SXS128最小系統(tǒng)開始，首先測試顯示屏；第二步測試DS18B20，并將其驅(qū)動程序封裝為獨立文件以方便調(diào)用；第三步是測試雙臂電橋和放大電路部分。雙臂電橋的輸出信號特別小(最小5mV)，無法通過檢測輸出來判斷電橋是否正常，但是可以通過測量各個引線之間的電阻值進行判斷；對于整個壓力檢測部分，可以直接使用萬用表2000mV檔進行測試；對于靈敏度，可以使用硬幣(1元硬幣是6.3g)，通過顯示屏顯示相應值的變化來測試。

本設計涉及溫度控制，需要對控制算法PID進行參數(shù)整定。相關參數(shù)可通過顯示屏顯示，進而確定參數(shù)的調(diào)節(jié)方向；液位檢測則通過測量多組數(shù)據(jù)進行函數(shù)擬合，從而獲得AD采集值和實際液位之間的關系。

4.1 溫度測量傳感器標定數(shù)據(jù)(表1，表2)

表1 溫度測試數(shù)據(jù)

表2 液位測量傳感器標定數(shù)據(jù)

圖5為DS18b20傳回數(shù)據(jù)標定后的曲線，顯示傳感器傳回數(shù)據(jù)和標定溫度的線性關系。實驗數(shù)據(jù)證明，數(shù)據(jù)擬合比較合理，對溫漂修正得不錯；但是由于水銀溫度計比封裝好的18B20傳感器更加靈敏，故有一定的滯后。

圖5 DS18b20傳回數(shù)據(jù)標定后的曲線

圖6為AD采集的輸出值與液位的線性關系。實驗數(shù)據(jù)證明，數(shù)據(jù)擬合比較合理，完全可以達到要求精度。

圖6 液位和AD輸出的線性關系

4.2 PID參數(shù)整定(表3)

表3 參數(shù)整定表

4.3 測試結(jié)果分析

調(diào)試整個系統(tǒng)，如圖7所示。

圖7 實物圖

綜上可知，溫度控制精度和響應速度達到全部基礎要求和部分發(fā)揮要求，但溫度控制電路的特性和水溫度變化、檢測的遲滯性影響系統(tǒng)的控制精度和響應速度。

5 結(jié)語

在系統(tǒng)的設計過程中，力求硬件簡單實效，充分發(fā)揮了軟件編程方便、靈活的特點，并采用多種技術減小系統(tǒng)功耗，來滿足系統(tǒng)的設計要求，對各種器件的優(yōu)化處理使得系統(tǒng)總體的安全性和穩(wěn)定性大幅提升。

[1]翟玉文,梁偉,艾學忠,等.電子設計與實踐[M].北京:中國電力出版社,2005:44-80.

[2]張毅剛.單片機原理及應用[M].北京:高等教育出版社,2004:53-76.

[3]陳潤泰,許琨.檢測技術與智能儀表[M].湖南:中南工業(yè)大學出版社,2002:88-105.

[4]Grossi,Scattolini.PID, predictive and fuzzy temperature control for nuclear magnetic resonance spectroscopy experiments[J].International Journal of Adaptive Control and Signal Processing,1991(5):375-394.

[5]Chen,You-Wen,Chai,Tian-You.Temperature control of regenerative heating furnace based on double-crossing clipping PID-RBR[J].Dongbei Daxue Xuebao/Journal of Northeastern University,2010(5):1217-1220,1229.

[6]吳淵,李曉寧.基于模糊PID的循環(huán)水溫度控制系統(tǒng)研究[D].成都:電子科技大學,2013:18-44.

[7]王曉華,王健,白紅民.高精度溫箱溫度控制系統(tǒng)設計[D].西安:西安工業(yè)大學,2013:7-43.

[8]王海寧,張曉江.基于單片機的溫度控制系統(tǒng)的研究[D].合肥:合肥工業(yè)大學,2008:9-51.

Design of Temperature Control System Based on MC9S12XS128

WU Lei

(China National Nuclear Corporation Dalian Institute of Applide Technology, Dalian Liaoning 116031, China)

The system design is based on a bridge weighing sensor and temperature sensor DS18B20,MC9S1-2XS128 minimum system as the core, the use of 220 V ac power to heat the water in the kettle, with functions of temperature measurement and liquid of level measurement. Temperature measuring resolution error is not more than 0.5℃, liquid level measurement error is not more than 5 mm. With functions of liquid level upper limit and lower limit alarm, emergency alarm can be set, liquid level below the lower or higher than the ceiling, sound alarm and banned heating. With segmented control functions, can be seg- mented setting value of temperature control and heat preservation time, heating speed is not less than 10℃·min-1, temperature control error is not more than 0.5℃.

temperature sensor; a bridge weighting sensor; MC9S12XS128; PID

2014-08-13

吳 磊(1980- )，女，遼寧大連人，核工業(yè)大連應用技術研究所工程師，從事自動化控制、計算機軟件開發(fā)、工業(yè)儀表應用研究。

TP242.6

A

2095-7602(2014)06-0040-05