基于可靠性技術的智能溫度控制器設計與實現

秘海曉， 張曉杰

(1.天津航海儀器研究所，天津 300131；2.中國船舶工業綜合技術經濟研究院，北京 100101)

現代信息技術的三大基礎是信息采集控制(溫度控制技術)、信息傳輸控制(通信技術)和信息處理(計算機技術)[1]，其中溫度控制技術是表征工業生產和實驗室研究過程狀態的關鍵參數[2-3]，因而溫度控制器作為一種有效采集控制溫度參數的設備獲得了廣泛應用，在現代工業社會中的地位亦不斷攀升。但隨著社會對節能減排、可靠性指標等技術要求的持續提高[4]，傳統溫度控制器存在的耗能高、可靠性低、安全性不高、經濟性差、抗干擾能力弱以及缺乏智能化等諸多缺點日益突出[5-9]，越來越難以滿足當前物質生活發展的要求。為了改善這種狀況，設計一種新型的符合時代需求的智能溫度控制器就顯得尤為必要。

本文論述了一種基于瑞薩單片機的新型智能溫度控制器。為解決控制器綠色節能應用的問題，研制中采用可靠性余度技術設計了電源模塊、晶振模塊等子系統；為提高控制器的抗干擾能力和可靠性水平，研制中應用故障檢測與健康管理技術設計了主控制模塊、電源模塊等子系統。在探討控制器整體研究方案的基礎上，分析闡述了智能溫度控制器的主控制模塊、電源模塊、晶振模塊、溫度檢測模塊、存儲模塊、人機交互模塊、報警模塊、接口模塊和軟件算法等設計，給出了一種可靠性技術在溫度控制器研發中的設計應用方法，也為產品研制中權衡設計性能與通用質量特性提供了一種參考，在一定程度上減少了研制過程中兩張皮的現象。新型智能溫度控制器交付寧波五禾電器有限公司后成功通過試驗鑒定驗收，市場銷售表明該智能溫度控制器取得了一定的經濟和社會效益。

1 智能溫度控制器的總體設計

智能溫度控制器是一種低成本、高效益的可編程溫度控制器，其實物如圖1所示。該控制器具有多參數組合控制策略，其控制原理如圖2所示。

圖1 智能溫度控制器的實物圖

智能溫度控制器主要由主控制模塊、人機交互模塊、電源模塊、存儲模塊、晶振模塊、報警模塊、溫度檢測模塊和接口模塊組成，采用標準專用集成電路形式，其系統設計的結構框圖如圖3所示。

圖2 智能溫度控制器的控制原理圖

圖3 智能溫度控制器的總體結構框圖

針對智能溫度控制器的節能環保和可靠性、經濟性設計要求，其與當前社會市面上主流溫控器產品的部分參數對比，如表1所示。智能溫度控制器的研制方案由原理圖設計和結構圖設計兩部分構成[10]，原理圖設計主要決定溫控器功能指標的實現，結構圖設計主要決定溫控器可靠性、測試性和經濟性指標的實現。

表1 基本參數的對比

2 智能溫度控制器的電路設計

2.1 主控制模塊的設計

智能溫度控制器的主控制模塊包括單片機、電源回路電路、調試電路、驅動電路、采樣保持電路、A/D轉換電路、存儲電路、比較電路和故障監測電路等子電路，其中單片機采用瑞薩H8微處理器，如圖4所示。高性能的瑞薩單片機是使控制器成為集溫度檢測、信息轉換、控制輸出三位一體智能溫度控制器的基礎，它支持低至1.8 V工作電壓的超低功耗工作模式，配以電源回路保證了系統即使在斷電的情況下，控制器也能夠從任意工作狀態轉入休眠狀態或者程序狀態，完全符合智能溫度控制器“綠色”的節能應用，達到了歐洲“能源之星”標準，滿足溫控器的經濟性設計要求。

圖4 主控制電路設計圖

采樣保持電路實現了采樣數據的完整性，對當前的環境溫度信號進行取壓采樣；控制檢測電路的信號采樣時刻，用于管理和調度信號采樣的通斷時間。模/數轉換電路采用單片機的內置模塊單元，10位A/D轉換實現了采樣信號的高精度轉換，該模/數轉換采用逐次逼近法產生二進制數據，將采樣信號轉換成A/D轉換范圍內的數字量，并對數據進行線性化處理，處理后的數據將存入片內寄存器。單片機內寄存器用于主控制系統存入和讀取各種數據參數，實現了存儲電路與數據存儲模塊的數據交換，兩者相互構成了工作備份，存儲電路中的數據經線性化處理后，交由單片機進行動態管理，將當前的實際溫度與目標溫度進行比較。比較電路是基于偏差控制的原理，通過對偏差值的處理獲得控制信號，從而實現對溫度的準確調節。比較電路通過對基準電源電壓進行取樣，是進行比較判定溫度變化的基準。如果存儲電路中的數據與該基準之間存在差值，則根據差值大小進行相應的溫度調節，使實際溫度保持在目標值附近；如果兩者之間不存在差值，就保持狀態不變。調試電路主要用于控制器的在線調試，支持系統復位/運行/調試狀態，驅動兩個磁保持繼電器的置位/復位繞組，實現對執行機構電路的控制，方便控制器使用后期的保養和維護，達到了溫控器維修性和保障性設計指標要求。

故障監測電路設計通過采用可靠性設計中的故障預測與健康管理技術，能夠及時發現系統可能出現的故障，進而給出故障信息警告，縮短溫控器的故障定位和故障修復時間，是智能溫度控制器測試性設計的重要組成部分。

2.2 電源模塊的設計

為了提高智能溫度控制器供電的任務可靠性，電源模塊應用了可靠性設計中的冗余方案[11-12]。由交流24 V電源電路靜態備份電池組電源電路組成電源模塊，系統默認以電池組電源電路供電為主，如圖5所示。當故障監測電路檢測到電池組電源電路的供電電壓低于1.8 V時，自動切換到交流24 V電源電路；當然，也可以人工設置成以交流24 V電源電路供電為主，如圖6所示，以節約電池耗材的消耗量，提高智能控制器的保障性和經濟性。

圖5 電池組電源電路圖

圖6 交流24V電源電路圖

電源模塊的電池組電路供電子系統采用兩組(四節)堿性電池冗余熱備份給控制器供電，假設每組電壓為VBAT，以提升智能控制器使用過程中的平均間隔更換時間(MTTF)。電池組電源電路使用中電量會逐漸減少，雖然控制器采用的單片機在低至1.8 V時仍可工作，但人機交互模塊中液晶屏顯示電路卻已超過極限，故這里將2.6 V規定為一級門限電壓，將2.3 V規定為二級門限電壓，再設單片機的供電電壓為VCC，顯示電壓為VAC，則有：

① 當2.6 V≤VBAT≤3 V時，溫控器處于正常工作狀態；

② 當2.3 V≤VBAT<2.6 V時，有2.3 V≤VCC<2.6 V，2.3 V ≤VAC<2.6 V，此時背光屏不能正常顯示，液晶屏顯示缺電標識，并間斷顯示故障代碼，提醒用戶更換電池；

③ 當1.8 V≤VBAT<2.3 V時，有1.8 V≤VCC<2.3 V，此時液晶屏不能正常顯示，控制器進入休眠狀態，必須更換電池；

④ 當0 V≤VBAT<1.8 V時，有VCC<1.8 V，控制器停止工作。

為了確保智能溫度控制器運行的穩定，在電池組電源電路中還設計了電池電量檢測單元，實現控制器供電電壓的健康管理，以提高溫控器的任務可靠性。

設U1為電池組BT1和BT2的串聯電壓，U2為電池組BT3和BT4的串聯電壓。

電阻R4上的電壓為

(1)

電阻R5上的電壓為

UR5=U2-UD18

(2)

忽略二極管D18(=0.6-0.7 V)上的壓降，可得

UR5≈U2

(3)

則

(4)

取R3=10 kΩ，R4=10 kΩ，故

(5)

電池組BT1和BT2通過二極管D17輸出到分壓電阻網絡；電池組BT3和BT4通過二極管D18和分壓電阻網絡R4、R5和R3輸出電量檢測信號VBAT_OFF交單片機的故障監測電路處理，進而實現了智能溫控器的故障預測和健康管理。

2.3 晶振模塊的設計

晶振模塊是智能溫度控制器整個系統的時鐘源，它為主控制模塊及其外圍電路提供統一時鐘脈沖，如圖7所示。

圖7 晶振電路圖

晶振模塊應用可靠性余度設計技術[13]，采用主時鐘電路和副時鐘電路熱備份，提高了溫控器系統的控制精度。

2.4 溫度檢測模塊的設計

溫度檢測模塊用于監測周圍環境的當前溫度值，實現了傳感器帶開關控制的高精度溫度采樣。如果周圍環境溫度發生變化，溫度傳感器隨之產生一個變化量，再通過采樣分壓電路的取壓，將周圍環境溫度的變化量轉換成熱敏電阻的電壓變化量，電壓變化量經保持后送入單片機內置的模/數轉換模塊進行轉換。

溫度檢測常表現出一定的滯后性，該特性可用一階環節的數學模型(式(6))來描述。

y=1-eαx

(6)

式中，α為慣性環節的時間參數，根據實際標定取值。

為了提高控制器的控溫精度，在軟件的算法設計中采用了線性化處理，可以根據式(7)計算出傳感器和溫度的線性化對應關系。

(7)

式中,Tt0=t0+273.15(其中t0=25 ℃為基準溫度)，單位為K；Tt=tt+273.15(其中t為實際溫度，單位為℃)，單位為K；Rt0為環境t0=25 ℃時的標稱阻值，單位為kΩ，一般為10 kΩ。

為使控制器的溫度測量值更精確，除了要在軟件算法上進行線性化處理外，還要對電路進行線性化處理，克服因個體元器件差異而引起的誤差，用標準測量設備對該值進行標定，就能在正常使用中用該值修正輸入電壓變化引起的溫度采樣誤差。

2.5 人機交互模塊的設計

人機交互模塊由顯示電路和按鍵電路兩部分組成，其中顯示電路由觸摸屏子電路、液晶屏子電路和背光屏子電路3部分構成，主要完成用戶按照意愿設置參數或者實時監視溫控狀態的功能。根據設計算法，其傳遞函數可用式(8)來表示。

(8)

式中,k為修正系數；A(x)、B(x)的描述形式是與用戶設置的被控溫度編程參數的類型、模型等有關的多項式；X為拉普拉斯算子；τ為延遲時間。

控制器的按鍵電路分3個按鈕鍵子電路和兩個撥動鍵子電路，即主菜單按鍵子電路、編程按鍵子電路、復位按鍵子電路，以及功能撥動鍵子電路和選擇撥動鍵子電路。

2.6 報警模塊的設計

智能溫度控制器的報警模塊由報警電路和蜂鳴器組成，報警控制信號由主控制模塊的D/A轉換輸出控制，用以實現溫控器故障的預警管理。

2.7 接口模塊的設計

接口模塊由連接電路和控制輸出電路構成，其中連接電路用于連接24 V交流電路板和3 V直流電路板，如圖8所示。控制輸出電路負責將控制信息輸出給負載，實現了以微控制信號直接驅動大負載的功能。

圖8 連接電路圖

2.8 數據存儲模塊的設計

數據存儲模塊由數據存儲電路與主控制模塊中的存儲電路工作備份實現，數據存儲電路采用總線規程連接的雙向通信，數據的傳送(接收/發送)均由主控制模塊管理，存儲從主控制模塊輸出的數據信號，由存儲器完成數據的貯存，存儲器的時鐘與晶振模塊的時鐘保持一致。

2.9 系統的軟件設計

新型智能溫度控制器的軟件算法建立在功能實現的實用性基礎上，同時兼顧可靠性設計方法開發而成。根據控制器的專用質量特性技術要求，其軟件設計在整體上可分為系統管理子程序、上電自檢子程序、系統調用子程序、用戶編程解釋子程序、檢測子程序、電源管理子程序、接口管理子程序、按鍵管理子程序、人機接口子程序、報警子程序和系統保護子程序等部分，系統的軟件總體流程圖如圖9所示。

圖9 智能溫度控制器軟件總體流程圖

在子程序中，用戶編程解釋子程序包括二線制熱控制模塊、三線制熱控制模塊、四線制熱/制冷控制模塊、五線制熱/制冷控制模塊、二級制熱和制冷混合控制模塊、閥控的三線區域供暖系統控制模塊、無輔助制熱功能的四線熱泵制熱控制模塊、具有輔助制熱功能的五線熱泵制熱控制模塊、童鎖模塊等程序模塊；檢測子程序包括溫度校準模塊、溫度監測模塊、溫控回差模塊等程序模塊；電源管理子程序包括電壓監測模塊、自動切換模塊、延時模塊等程序模塊；接口管理子程序包括連接控制模塊、控制輸出管理模塊等程序模塊；按鍵管理子程序包括操作模式選擇模塊和風扇選擇模塊兩種；人機接口子程序包括液晶屏管理模塊、觸摸屏管理模塊、背光板管理模塊等程序模塊；報警子程序包括蜂鳴器報警模塊、低電壓報警模塊等程序模塊。

3 結束語

針對智能溫度控制器，通過對硬件電路和軟件算法的設計，研究出了新一代溫度控制器的設計方案，解決了當前社會對溫控器綠色節能的需求，降低了溫控器使用中的安全隱患，提高了溫控器自身及其所屬控制系統的可靠性，實現了用戶根據自身意愿調控所需的參數，滿足了實際應用中增加用戶體驗的要求，達到了預期的研制目標。經寧波五禾電器有限公司試生產，表明該型智能溫度控制器設計取得了初步成功，為同類控制器的設計提供了借鑒和參考。