基于SPCE061A的高精度多通道溫度測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
主程序主要完成系統(tǒng)初始化、掃描鍵盤、溫度采樣并對(duì)采樣數(shù)值進(jìn)行運(yùn)算、顯示溫度及控制輸出等工作。主程序流程圖如圖2所示。定時(shí)器B用于定時(shí)控制采樣的時(shí)間。系統(tǒng)設(shè)定采樣周期為2 s，而控制周期為500μs。通過(guò)鍵盤設(shè)定控制溫度數(shù)值，輸入后做相應(yīng)的數(shù)據(jù)備份，即將參數(shù)存入單片機(jī)SPCE061A內(nèi)的FLASH ROM中。

系統(tǒng)采用數(shù)字PID算法來(lái)提高系統(tǒng)的控制精度，PID用增量式表示為：

由于溫度響應(yīng)具有遲滯性，屬于一階延時(shí)系統(tǒng)，若采用常規(guī)PID算法，控制效果不好，并且會(huì)出現(xiàn)較大的超調(diào)量。為了解決這一問(wèn)題．設(shè)計(jì)采用積分分離PID算法，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，性能指標(biāo)均有所提高。
當(dāng)被控量與設(shè)定值偏差較大時(shí)，取消積分作用；當(dāng)被控量與設(shè)定值偏差很小時(shí)，加入積分作用，即系統(tǒng)啟動(dòng)、停止或大幅度改變?cè)O(shè)定值時(shí)，只用比例控制和微分控制，然后才加入積分控制，這樣更有利于改善動(dòng)態(tài)特性和消除靜差。具體做法是：針對(duì)被控對(duì)象參量，設(shè)定一個(gè)偏差的門限e0，當(dāng)過(guò)程控制中偏差e(n)的絕對(duì)值大于e0時(shí)，系統(tǒng)不引入積分控制，只用PD控制；當(dāng)偏差e(n)的絕對(duì)值小于e0時(shí)，才引入積分控制，即采用PID控制。對(duì)計(jì)算公式的積分項(xiàng)，乘一個(gè)權(quán)系數(shù)μ，按式(3)取值：
μ=1，當(dāng)|e(n)|≤e0

3 系統(tǒng)調(diào)試
系統(tǒng)調(diào)試中，采用電加熱器對(duì)1 kg水進(jìn)行加熱，DS18B20將溫度信號(hào)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，讀入CPU，通過(guò)軟件對(duì)溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行校正，同時(shí)將所測(cè)溫度在LCD上進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。根據(jù)系統(tǒng)程序控制，進(jìn)行PID運(yùn)算以及輸出控制，最終由CPU給出控制加熱回路的有效電壓。PID參數(shù)整定：系統(tǒng)采用擴(kuò)充臨界比例度法來(lái)整定。
通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量，被控對(duì)象的純滯后時(shí)間為20 s左右，因此選擇采樣周期為2 s。通過(guò)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)比較，選擇控制度為1．2，采用PI控制，經(jīng)過(guò)對(duì)參數(shù)進(jìn)行微調(diào)，最后得出最佳PID參數(shù)，即KP=2．11，K1=0．043。在系統(tǒng)調(diào)試中實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明，控制器平均控制精度在士0．2℃之內(nèi)。表2為調(diào)試過(guò)程中3個(gè)通道的1次數(shù)據(jù)記錄。從數(shù)據(jù)可以看出，當(dāng)設(shè)定溫度為80℃時(shí)，最后穩(wěn)定溫度為80．2℃，控制精度比較高。

4 結(jié) 語(yǔ)
多通道溫度測(cè)控系統(tǒng)采用抗干擾性能強(qiáng)，功耗低的SPCE061A16位單片機(jī)和一線式數(shù)字溫度傳感器DS18B20，使系統(tǒng)的硬件電路結(jié)構(gòu)得到高度簡(jiǎn)化。軟件采用高精度的PID控制算法，使測(cè)量及控制性能得到顯著提高。經(jīng)實(shí)際使用證明，具有測(cè)量精度高．硬件電路合理，性價(jià)比高，使用方便等特點(diǎn)，克服了傳統(tǒng)溫度儀測(cè)量精度低，電路復(fù)雜，調(diào)試及標(biāo)定困難等缺點(diǎn)。該系統(tǒng)可應(yīng)用到大部分溫度、溫差的高精度控制場(chǎng)合中。