基于瑞薩微控制器的溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：為了提高傳統(tǒng)溫度控制系統(tǒng)的性能，將PID控制理論與嵌入式系統(tǒng)相結(jié)合，采用瑞薩電子公司的H8S／2166作為核心處理器，AD公司的AD7705以及熱敏電阻溫度傳感器作為溫度檢測(cè)單元，利用4x6小鍵盤(pán)、LCD顯示器和S1D13305液晶控制器達(dá)到良好的人機(jī)交互，設(shè)計(jì)出了一個(gè)應(yīng)用于化工領(lǐng)域的嵌入式實(shí)時(shí)溫度控剞系統(tǒng)。相比于傳統(tǒng)溫度控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)提供了更強(qiáng)的計(jì)算能力和可擴(kuò)展能力，采用增量PID控制算法實(shí)現(xiàn)復(fù)雜控制。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，該系統(tǒng)能達(dá)到0．1℃的溫度控制精度以及小于120 s的溫度穩(wěn)定時(shí)間。
關(guān)鍵詞：溫度控制系統(tǒng)；嵌入式；Renesas微控制器；PID控制器

溫度的測(cè)量及控制在社會(huì)生產(chǎn)生活中有著廣泛的應(yīng)用，而在石油、化工、電力、冶金等重要工業(yè)領(lǐng)域中則擔(dān)負(fù)著極其重要的測(cè)控任務(wù)，溫度測(cè)控的及時(shí)、準(zhǔn)確，直接關(guān)系到生產(chǎn)效率和作業(yè)安全。伴隨著科技的快速發(fā)展，以51單片機(jī)為核心的智能測(cè)控系統(tǒng)得到了廣泛的應(yīng)用，基本上滿(mǎn)足了大部分的需求，但是對(duì)于一些要求測(cè)量精度高、控制精度高、實(shí)時(shí)性要求高、系統(tǒng)復(fù)雜的溫度控制系統(tǒng)，單片機(jī)就不能滿(mǎn)足要求了，這就要求高精度和高速度的處理器。
本文提出一種基于Renesas H8S／2166徽控制器的溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，通過(guò)4×6小鍵盤(pán)和128x64 LCD顯示器提供良好的人機(jī)交互能力。該系統(tǒng)能有效地應(yīng)用于化學(xué)反應(yīng)溫度控制系統(tǒng)，可提供一種自動(dòng)化、安全，實(shí)時(shí)的測(cè)控方式。

1 系統(tǒng)硬件組成
系統(tǒng)主要由輸入輸出設(shè)備(鍵盤(pán)和LCD)，步進(jìn)馬達(dá)送液泵，溫度傳感器和Renesas H8S／2166微控制器構(gòu)成。系統(tǒng)模塊圖如圖1所示。

1．1 微控制器
Renesas H8S／2166是由瑞薩電子公司開(kāi)發(fā)的16位微處理器，能很好的向上兼容H8／300和H8／300H系列的微處理器，擁有16個(gè)16位的通用寄存器，65條基本指令，以及各種外圍設(shè)備及接口，諸如8位計(jì)時(shí)器，16位計(jì)時(shí)器，PWM，數(shù)據(jù)傳輸控制器，看門(mén)狗，異步或時(shí)鐘同步串行通信接口(SCI)，I2C總線(xiàn)接口，LPC接口，8位D／A轉(zhuǎn)換器和10位A／D轉(zhuǎn)換器。
1．2 溫度傳感器模塊
溫度傳感器模塊是一個(gè)較為核心的模塊，采用熱敏電阻溫度傳感器，溫度精度為0．1℃。并且為了提高轉(zhuǎn)換精度，使用了一個(gè)外部的16位A／D轉(zhuǎn)換器AD7705。
AD7705是美國(guó)AD公司推出的16位∑-△A／D轉(zhuǎn)換器。器件包括由緩沖器和增益可編程放大器(PGA)組成的前端模擬調(diào)節(jié)電路、∑-△調(diào)制器，可編程數(shù)字濾波器等部件。能直接將傳感器測(cè)量到的多路微小信號(hào)進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換。PGA可通過(guò)指令設(shè)定，對(duì)不同幅度的輸入信號(hào)實(shí)現(xiàn)1、2、4、8、16、32、64和128倍的放大，因此AD7705芯片既可接受從傳感器送來(lái)的低電平輸入信號(hào)，亦可接受高電平信號(hào)。它的輸出速度同樣可由指令設(shè)定，范圍由20～500 Hz。這種器件還具有高分辨率、寬動(dòng)態(tài)范圍、自校準(zhǔn)、優(yōu)良的抗噪聲性能以及低電壓低功耗等特點(diǎn)，非常適合儀表測(cè)量、工業(yè)控制等領(lǐng)域的應(yīng)用。它采用三線(xiàn)串行接口，有兩個(gè)全差分輸入通道，能達(dá)到0．003％非線(xiàn)性的16位無(wú)誤碼數(shù)據(jù)輸出，其增益和數(shù)據(jù)輸出更新率均可編程設(shè)定，還可選擇輸入模擬緩沖器，以及自校準(zhǔn)和系統(tǒng)校準(zhǔn)方式。工作電壓3 V或5 V。3 V電壓時(shí)，最大功耗為1 mW，等待模式下電源電流僅為8μA。
電路圖如圖2所示，Pt100即為熱敏電阻溫度傳感器。