多功能水溫控制系統

凌杰　徐俊南

[摘要]本文主要介紹了利用單片機實現溫度控制系統的設計過程，在系統構建時選取了凌陽科技公司提供的一新款產品SPCE0614A芯片作為該控制系統的核心。由P1000和電壓放大電路提供溫度信號，通過PID算法實現對電爐功率和水溫控制，使用SSR固態繼電器作執行部件，使系統靜態誤差降低到最小。本次設計還充分利用了SPCE361A單片成熟的語音處理技術（具有較高的處理速度，能夠快速地處理較復雜的數字信號）和PC機的圖形處理功能，來實現了語音播報溫度和打印溫度變化曲線的要求。

[關鍵詞]SPCE061A 單片機 Pt1000 SSR

1.方案設計與論證

本文要求設計制作一個水溫控制系統，控制對象為1升凈水，容器為搪瓷器皿，水溫可以在范圍內由人工設定，并能在環境溫度降低時，實現自動調整，以保持設定溫度基本不變。

靜態控制精度為0.2攝氏度。并具有較好的快速性與較小的超調，以及十進制數碼管顯示、溫度曲線打印、語音播報溫度等功能。題目對控制溫度要求較高，對調節時間和超調量也有要求，因而必須要用釋放的控制算法，另外，還需要顯示水溫和打印水溫變化曲線等。

2.總體方案設計

用單片機系統來實現。單片機軟件編程靈活、自由度大，可用軟件編程實現各種控制算法和邏輯控制。單片機系統可用數碼管顯示水溫的實際值，能用鍵盤輸入設定值，并可實現打印功能。本方案可選用SPCE061A單片機（內部含有KB的EEPROM），不需要外擴展存儲器可使系統整體結構更為簡單。

2.1驅動控制部分

此方案采用SPCE061A單片機實現。SPCE061A單片機除具有體積小，集成度高、易擴展、可靠性高、功耗低、結構簡單、中斷處理能力強等特點外，內置8路ADC，2路DAC。在實現控制系統中，采用SPCE061A為前端采集單元，具有較好的同步性和實時性。而且SPCE061A單片機內嵌32K字閃存FLASH，處理速度高，集成開發環境中，配有很多語音播報系數，實現語音播報極為方便，另外，比較方便的是該芯片內置在線仿真、編程接口，可以方便實現在線調試，這大大加快了系統的開發與調試。

2.2測量部分

任何溫控制系統首先要采用溫度傳感器將溫度轉化為電信號，因此測溫傳感器的選擇是系統設計必不可少的考慮問題。

采用溫度傳感器鉑電阻Pt1000，由于鉑電阻的物理和化學性能在高溫和氧化介質中很穩定，價格又便宜，常用作工業測量元件。以鉑電阻溫度計作基準器，此元件線性較好，在0-100攝氏度時，最大非線性偏差小于0.5攝氏度。

2.3控制算法確定

控制算法即控制器的操作方式，是控制器對過程變量的實測值與設定值之間的誤差信號的響應。溫度控制在工業領域應用非常廣泛，由于其具有工況復雜、參數多變、運行慣性大、控制滯后等特點，它對控制調節器要求較高。溫度控制不好就可能引起生產安全，產品質量和產量等一系列問題。因此長期以來國內外科技工作者對溫度控制器進行了廣泛深入的研究，產生了大批溫度控制器，如性能成熟應用廣泛的PID調節器、智能控制PID調節器、自適應控制等。此處主要對一些控制器特性進行分析以便選擇適合的控制方法應用于改造。

PID在溫度控制中已使用數十年，是一種成熟的技術，它具有結構簡單、易于理解和實現，且一些高級控制都是以PID為基礎改進的。溫度PID調節器有三個可設定參數，即比例放大系數、積分時間常數、微分時間常數。對一個控制系統而言，合理地設置這三個參數可取得較好的控制效果。

3.系統硬件設計

該系統設計目的為一實驗系統，其控制對象為1L凈水，容器為搪陶瓷皿，加熱器為1千瓦電熱爐。為實現系統設計要求，經過方案設計與論證，該系統采用了如下設計方案：

（1）采用凌陽十六位SPCE061A型單片機實現溫度控制，能使系統電路簡單，可靠性高。

（2）由Pt1000和電壓放大電路提供溫度信號。

（3）通過PID算法實現對電爐功率和水溫控制。

（4）利用凌陽十六位SPCE061A型單片機的特性來實現溫度數字語音播報。

（5）借助PC機圖形處理功能進行溫度變化曲線的打印。

4.結束語

本系統以SPCE061A芯片為核心部件，由于SPCE061A的時鐘最高可達49M，32個I/O口，而且具有一定的語音處理功能等，這些都為我們實現電路提供了非常便利的條件。同時也因為開發環境友好，易用，方便同時配有語音播放函數，這些大大加快系統開發設計。因此本系統利用了其完善的內部結構、優良的性能和強大的中斷處理能力，使系統電路結構簡單、程序簡短、功耗低、可靠性高。同時還充分利用了SPCE061A單片機成熟的語音處理技術和PC機的圖形處理功能，來實現了語音播報溫度和打印溫度變化曲線的要求。