基于Cortex-M0智能水溫監(jiān)控系統(tǒng)的優(yōu)化

0   引言

水溫控制在工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中都有著廣泛的應(yīng)用，如恒溫飲水機、淋浴系統(tǒng)都要用到溫度控制。工業(yè)生產(chǎn)中水溫控制系統(tǒng)應(yīng)用更為廣泛，如鍋爐以及為一些化學反應(yīng)提供恒溫的水浴環(huán)境等，都要求系統(tǒng)能提供穩(wěn)定精確的溫度控制。

然而，在實際生活和工業(yè)生產(chǎn)中，很多水溫控制系統(tǒng)并不能滿足人們的要求。從國內(nèi)來看，雖然溫控系統(tǒng)在各行各業(yè)的應(yīng)用已經(jīng)很廣泛，但總體水平卻不是很高。使用者也不能根據(jù)需要設(shè)定任意的溫度，人機交互不夠友好。安全方面，現(xiàn)在主流的溫度控制系統(tǒng)都是現(xiàn)場進行控制，一旦設(shè)備出現(xiàn)故障，操作人員的安全就可能受到威脅。

系統(tǒng)是模型論證性實驗，通過MCU 控制小型加熱杯的加熱功率來精確控制水溫，從而驗證該水溫監(jiān)控系統(tǒng)方案的可行性。在設(shè)計該控制系統(tǒng)時，從安全方面考慮，采用了控制現(xiàn)場和監(jiān)控中心分離的設(shè)計思想，即在需要對水溫進行控制的地方設(shè)計一個控制中心，在遠離控制現(xiàn)場設(shè)計一個可移動、便攜式監(jiān)控中心。這樣即使設(shè)備發(fā)生故障也不會對操作人員造成人身傷害。

1   系統(tǒng)總方案

系統(tǒng)采用溫度傳感器測量水溫，將數(shù)據(jù)傳送給處理器，經(jīng)處理后在顯示屏上實時顯示。當實時水溫與用戶設(shè)定的溫度不相等時，系統(tǒng)將自動進行調(diào)節(jié)（加熱或散熱）。測得的數(shù)據(jù)可長久保存，掉電不丟失，且可以將數(shù)據(jù)打印出來。通過控制算法控制加熱電路，使控制精度更高。系統(tǒng)如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計總框架

1.1 硬件電路設(shè)計

系統(tǒng)中采用溫度傳感器測量水溫，將數(shù)據(jù)傳送給處理器，經(jīng)過處理后在顯示屏上實時顯示。當實時水溫與用戶設(shè)定的溫度不相等時系統(tǒng)將自動進行調(diào)節(jié)（加熱或散熱）。測得的數(shù)據(jù)可長久保存，掉電不丟失，且可以將數(shù)據(jù)打印出來。通過控制算法控制加熱電路，使控制精度更高。系統(tǒng)硬件設(shè)計如圖2 所示。

●   MCU。選擇Cortex-M0 的LPC1114 作為主控制器。

●   人機接口電路。采用串口屏作為顯示屏，型號為ZTM480272S43-0WT。集成了4.3 寸觸摸真彩屏、簡易串口指令控制功能于一身，內(nèi)置中英文字庫，支持大容量存儲圖片數(shù)據(jù)，為用戶提供更為多樣性、實用性的顯示終端平臺。

●   數(shù)據(jù)打印電路。使用MTP58-FT4B-T1 微型熱敏打印機模塊。

●   數(shù)據(jù)存取電路。選用MX25L1606E 作為存儲介質(zhì)。MX25L1606D 與MCU 通過SPI 協(xié)議進行通信。

●   實時時鐘電路。選擇NXP 公司的PCF8563，其沒有內(nèi)置晶振，因此硬件設(shè)計時需要提供32.768 kHz的時鐘。

●   無線通信電路。采用nRF24L01 無線通信模塊通過SPI 與MCU 通信。

●   溫度采集電路。采用溫度傳感器DS18B20，可以通過VDD 引腳接入一個外部電源供電，或者工作于寄生電源模式，DS18B20 通過單總線與MCU 連接。

●   加熱控制電路。采用電磁繼電器控制大功率加熱電路，控制電路（弱電流）接1、2 腳，被控制電路（強電流）接5 腳。當控制電路斷開時，銜鐵受彈簧的彈力作用與4 接通，輸出電路斷開；當控制電路導通時，鐵芯在周圍產(chǎn)生磁場，將銜鐵下吸至5，輸出電路導通，從而達到小信號控制大功率電路的目地。

圖3 加熱控制電路

1.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件采用模塊化編程思路，每個功能模塊的驅(qū)動程序和應(yīng)用程序分開設(shè)計。驅(qū)動程序包括：串口屏底層驅(qū)動、I₂C 總線協(xié)議驅(qū)動、單總線驅(qū)動、SPI 驅(qū)動等。應(yīng)用程序包括：人機界面、實時時鐘和無線通信等。后臺監(jiān)控系統(tǒng)和現(xiàn)場控制系統(tǒng)的總軟件流程分別如圖4、圖5 所示。

圖4 后臺系統(tǒng)軟件流程圖

圖5 現(xiàn)場控制軟件流程圖

在本設(shè)計中，根據(jù)測得的溫度信號通過控制算法算出所需的控制信號量，再根據(jù)該信號量來控制加熱裝置，從而達到精確控制溫度的目的，系統(tǒng)中用的是增量式PID 控制。

PID 控制算法中的難點和重點是參數(shù)的整定。在實際應(yīng)用中，工程師們很少使用復(fù)雜的數(shù)學公式、算法來計算PID 參數(shù)，更多的是利用經(jīng)驗來對PID 的參數(shù)進行整定。傳統(tǒng)的PID 經(jīng)驗調(diào)節(jié)大體分為以下幾步：

●   關(guān)閉控制器的I 和D 元件，加大P 元件，使系統(tǒng)產(chǎn)生振蕩；

●   減小P，使系統(tǒng)找到臨界振蕩點；

●   加大I，使系統(tǒng)達到設(shè)定值；

●   重新上電，觀察超調(diào)、振蕩和穩(wěn)定時間是否符合

系統(tǒng)要求；

●   針對超調(diào)和振蕩的情況適當增加微分項。

在實際應(yīng)用中尋找I 和D 的值并非易事，如果能根據(jù)經(jīng)典的齊格勒- 尼古拉斯公式（Ziegler-Nichols，簡稱ZN 法）來初步確定I 和D 元件的參數(shù)，會對調(diào)試起很大的幫助作用。

經(jīng)過多年的發(fā)展，Ziegler-Nichols 方法已經(jīng)發(fā)展成為一種在參數(shù)設(shè)定中，處于經(jīng)驗和計算法之間的中間方法。這種方法可以為控制器確定非常精確的參數(shù)，在此之后也可進行微調(diào)。Ziegler-Nichols 方法分為以下兩步：

●   構(gòu)建閉環(huán)控制回路，確定穩(wěn)定極限；

●   根據(jù)公式計算控制器參數(shù)。

實踐表明，在調(diào)試PID 控制器時，使用Ziegler-Nichols 法可以快速、精確地算出各參數(shù)，之后再配以微調(diào)便可以得到理想的效果。

2   系統(tǒng)調(diào)試

在系統(tǒng)整體調(diào)試中，繼電器輸出口外接一個300 W的小型加熱棒，通過加熱1 L 清水來檢測系統(tǒng)的準確性、穩(wěn)定性和可靠性。人機接口主界面如圖6 所示。經(jīng)調(diào)試，界面上的各個按鍵功能都正常，時間可讀可改，溫度設(shè)置完成后通過無線模塊自動發(fā)往控制現(xiàn)場，控制現(xiàn)場開始工作并返回實時水溫。nRF24L01 無線模塊通信距離最遠能達到100 m，操作人員可遠離控制現(xiàn)場，提高了安全性。

圖6 主界面

通過系統(tǒng)調(diào)試，水溫控制效果如表1 所示。其中最小溫度和最大溫度是在實時水溫第1 次到達設(shè)置的水溫時起，實時水溫的最小值和最大值。

通過表1 可以看出，在40 ～ 80 ℃區(qū)間水溫能精確到±0.5 ℃以內(nèi)，高于80 ℃時精度會有所降低，誤差在±1.1 ℃左右，精度能夠滿足要求。

3   結(jié)束語

系統(tǒng)通過實際操作驗證取得成功，從安全方面考慮，采用了控制現(xiàn)場和監(jiān)控中心分離的設(shè)計思想，這樣即使設(shè)備發(fā)生故障也不會對操作人員造成人身傷害，優(yōu)化了整個水溫監(jiān)控過程。

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（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2021年11月期）