吳 磊

(核工業(yè)大連應(yīng)用技術(shù)研究所，遼寧大連 116031)

基于MC9S12XS128的水溫加熱控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

吳 磊

(核工業(yè)大連應(yīng)用技術(shù)研究所，遼寧大連 116031)

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)以溫度傳感器DS18B20[3]、電橋測(cè)重傳感器和MC9S12XS128最小系統(tǒng)[2]為核心[1]，使用220V AC電源加熱水壺中的水。本設(shè)計(jì)具有溫度測(cè)量功能、液位測(cè)量功能，可顯示溫度和液位數(shù)值。測(cè)溫分辨誤差不大于0.5℃，液位測(cè)量誤差不大于5mm。具有液位上限、下限報(bào)警功能，可以設(shè)置報(bào)警點(diǎn)，液位低于下限或高于上限時(shí)，發(fā)出聲音報(bào)警并禁止加熱。具有分段程序控制功能，可分段設(shè)置控溫值和保溫時(shí)間，升溫速度不小于10℃·min-1，控溫誤差不大于0.5℃。

溫度傳感器 DS18B20；MC9S12XS128；PID控制

在生活中，人們?cè)絹碓疥P(guān)注家用電器的安全性能，相對(duì)應(yīng)的水位測(cè)量與報(bào)警也逐漸被重視起來。溫度控制在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用非常廣泛，對(duì)控制調(diào)節(jié)器要求較高。隨著計(jì)算機(jī)和傳感器技術(shù)的不斷改進(jìn)，用信息技術(shù)來實(shí)現(xiàn)水溫控制并提高控制的精確度以及水位的測(cè)量，不僅可以達(dá)到而且容易實(shí)現(xiàn)，對(duì)加強(qiáng)工業(yè)化建設(shè)和提高人民生活水平也有著重大意義。本文設(shè)計(jì)一個(gè)基于MC9S12XS128單片機(jī)的智能水溫加熱控制系統(tǒng)，以單片機(jī)為核心，基于溫度傳感器、壓力傳感器、信號(hào)處理電路、顯示電路、輸入電路、輸出控制電路等硬件電路，軟件選用C語言編程，實(shí)現(xiàn)測(cè)量水位、測(cè)量溫度、恒溫控制和報(bào)警等功能。

1 方案總體設(shè)計(jì)

圖1 基本模塊方框圖

本文構(gòu)建了一個(gè)由輸入、輸出和控制部分組成的系統(tǒng)[7-8]，總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)上電開始，顯示當(dāng)前水位值，之后由輸入裝置確定理想水溫溫度、水位下限報(bào)警值、水位上限報(bào)警值，完成后開始調(diào)節(jié)水溫。由測(cè)溫部分采集溫度值并把實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳給控制部分；同時(shí)控制部分不停地監(jiān)控按鍵，控制電路的發(fā)生信號(hào)，將按鍵設(shè)定值和當(dāng)前水溫送顯示器顯示。最終控制部分把設(shè)置溫度和當(dāng)前溫度作PID[4-6]計(jì)算后控制繼電器來控制加熱。系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)框圖

本次設(shè)計(jì)的主要思路是通過對(duì)單片機(jī)編程將由溫度傳感器DS18B20采集的溫度及電橋測(cè)重傳感器采集的水位外加驅(qū)動(dòng)電路顯示出來，包括對(duì)繼電器的控制，進(jìn)行升溫，當(dāng)溫度達(dá)到上下限蜂鳴器時(shí)進(jìn)行報(bào)警。該系統(tǒng)是典型的增量控制負(fù)反饋系統(tǒng)，因此必須引入信號(hào)的負(fù)反饋，以實(shí)現(xiàn)溫度的精確控制。另一方面，系統(tǒng)要求在精確控制的前提下提高響應(yīng)速度，還需引入溫度的負(fù)反饋。該系統(tǒng)利用PID算法(圖3)，實(shí)現(xiàn)了快速而精確的控制。

圖3 PID算法框圖

為了精確控制，需采用比例積分微分調(diào)節(jié)方法(PID調(diào)節(jié))。為了減小累積誤差，采用增量式PID調(diào)節(jié)，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為

ΔPK=KP[E(k)-E(k-1)]+KIE(k)+KD[E(k)-2E(k-1)+E(k-2)].

其中，T為采樣周期，E(k)為第k次采樣時(shí)的偏差值，P(k)為第k次采樣時(shí)調(diào)節(jié)器輸出，KP為比例系數(shù)，KI為積分系數(shù)，KD為微分系數(shù)。在采樣周期一定的情況下，調(diào)節(jié)比例系數(shù)、積分系數(shù)和微分系數(shù)即可獲得較高控制精度。

2 模塊設(shè)計(jì)

2.1 控制單元

MC9S12XS128微控制單元作為MC9S12系列的16位單片機(jī)，由標(biāo)準(zhǔn)片上外圍設(shè)備組成，包括16位中央處理器、128KB的Flash存儲(chǔ)器、8KB的RAM、2KB的EEPROM、兩個(gè)異步串行通訊接口、兩個(gè)串行外圍接口、一組8通道的輸入捕捉或輸出捕捉的增強(qiáng)型捕捉定時(shí)器、兩組8通道10路模數(shù)轉(zhuǎn)換器、一組8通道脈寬調(diào)制模塊、一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)鏈路控制器、29路獨(dú)立的數(shù)字I/O接口、20路帶中斷和喚醒功能的數(shù)字I/O接口、5個(gè)增強(qiáng)型CAN總線接口。同時(shí)，單片機(jī)內(nèi)的鎖相環(huán)電路可使能耗和性能適應(yīng)具體操作的需要。MC9S12XS128完全能夠滿足設(shè)計(jì)的需要，并使得電路更加緊湊。

2.2 溫度傳感器的選擇

采用DS18B20測(cè)量溫度。DS18B20是一種數(shù)字式的溫度傳感器, 其內(nèi)部使用了在板專利技術(shù)，使其具有以下特性：(1)精度為±0.5°C；(2)單線接口，只需一根口線與CPU連接；(3)不需要外部元件，不需要備份電源，可用數(shù)據(jù)線供電；(3)支持多點(diǎn)組網(wǎng)功能，多個(gè)DS18B20可以并聯(lián)在唯一的三線上；(4)溫度測(cè)量范圍為-50℃～125℃；(5)通過編程可實(shí)現(xiàn)四級(jí)精度轉(zhuǎn)換；(6)在93.75ms和750ms內(nèi)將溫度值轉(zhuǎn)化9位和12位的數(shù)字量。現(xiàn)場(chǎng)溫度直接以“一線總線”的數(shù)字方式傳輸，大大提高了系統(tǒng)的抗干擾性，無需其它外加電路，直接輸出數(shù)字量。

2.3 液位傳感器的選擇

采用稱重傳感器作為測(cè)量工具，一定液位的液體對(duì)應(yīng)一定質(zhì)量，故可以采用線性度較好的容器，使得稱重傳感器輸出與液位呈近似的線性關(guān)系。但是信號(hào)比較微弱，需要采用AD620模塊對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大，得到信號(hào)輸出與液位呈現(xiàn)一階線性關(guān)系，效果理想。

3 程序設(shè)計(jì)

此系統(tǒng)包括主控制程序、PID算法程序、LCD顯示及按鍵處理程序，流程圖如圖4所示。

圖4 流程圖

4 測(cè)試數(shù)據(jù)與結(jié)果分析

本設(shè)計(jì)測(cè)試從MC9SXS128最小系統(tǒng)開始，首先測(cè)試顯示屏；第二步測(cè)試DS18B20，并將其驅(qū)動(dòng)程序封裝為獨(dú)立文件以方便調(diào)用；第三步是測(cè)試雙臂電橋和放大電路部分。雙臂電橋的輸出信號(hào)特別小(最小5mV)，無法通過檢測(cè)輸出來判斷電橋是否正常，但是可以通過測(cè)量各個(gè)引線之間的電阻值進(jìn)行判斷；對(duì)于整個(gè)壓力檢測(cè)部分，可以直接使用萬用表2000mV檔進(jìn)行測(cè)試；對(duì)于靈敏度，可以使用硬幣(1元硬幣是6.3g)，通過顯示屏顯示相應(yīng)值的變化來測(cè)試。

本設(shè)計(jì)涉及溫度控制，需要對(duì)控制算法PID進(jìn)行參數(shù)整定。相關(guān)參數(shù)可通過顯示屏顯示，進(jìn)而確定參數(shù)的調(diào)節(jié)方向；液位檢測(cè)則通過測(cè)量多組數(shù)據(jù)進(jìn)行函數(shù)擬合，從而獲得AD采集值和實(shí)際液位之間的關(guān)系。

4.1 溫度測(cè)量傳感器標(biāo)定數(shù)據(jù)(表1，表2)

表1 溫度測(cè)試數(shù)據(jù)

表2 液位測(cè)量傳感器標(biāo)定數(shù)據(jù)

圖5為DS18b20傳回?cái)?shù)據(jù)標(biāo)定后的曲線，顯示傳感器傳回?cái)?shù)據(jù)和標(biāo)定溫度的線性關(guān)系。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)證明，數(shù)據(jù)擬合比較合理，對(duì)溫漂修正得不錯(cuò)；但是由于水銀溫度計(jì)比封裝好的18B20傳感器更加靈敏，故有一定的滯后。

圖5 DS18b20傳回?cái)?shù)據(jù)標(biāo)定后的曲線

圖6為AD采集的輸出值與液位的線性關(guān)系。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)證明，數(shù)據(jù)擬合比較合理，完全可以達(dá)到要求精度。

圖6 液位和AD輸出的線性關(guān)系

4.2 PID參數(shù)整定(表3)

表3 參數(shù)整定表

4.3 測(cè)試結(jié)果分析

調(diào)試整個(gè)系統(tǒng)，如圖7所示。

圖7 實(shí)物圖

綜上可知，溫度控制精度和響應(yīng)速度達(dá)到全部基礎(chǔ)要求和部分發(fā)揮要求，但溫度控制電路的特性和水溫度變化、檢測(cè)的遲滯性影響系統(tǒng)的控制精度和響應(yīng)速度。

5 結(jié)語

在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中，力求硬件簡(jiǎn)單實(shí)效，充分發(fā)揮了軟件編程方便、靈活的特點(diǎn)，并采用多種技術(shù)減小系統(tǒng)功耗，來滿足系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，對(duì)各種器件的優(yōu)化處理使得系統(tǒng)總體的安全性和穩(wěn)定性大幅提升。

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Design of Temperature Control System Based on MC9S12XS128

WU Lei

(China National Nuclear Corporation Dalian Institute of Applide Technology, Dalian Liaoning 116031, China)

The system design is based on a bridge weighing sensor and temperature sensor DS18B20,MC9S1-2XS128 minimum system as the core, the use of 220 V ac power to heat the water in the kettle, with functions of temperature measurement and liquid of level measurement. Temperature measuring resolution error is not more than 0.5℃, liquid level measurement error is not more than 5 mm. With functions of liquid level upper limit and lower limit alarm, emergency alarm can be set, liquid level below the lower or higher than the ceiling, sound alarm and banned heating. With segmented control functions, can be seg- mented setting value of temperature control and heat preservation time, heating speed is not less than 10℃·min-1, temperature control error is not more than 0.5℃.

temperature sensor; a bridge weighting sensor; MC9S12XS128; PID

2014-08-13

吳 磊(1980- )，女，遼寧大連人，核工業(yè)大連應(yīng)用技術(shù)研究所工程師，從事自動(dòng)化控制、計(jì)算機(jī)軟件開發(fā)、工業(yè)儀表應(yīng)用研究。

TP242.6

A

2095-7602(2014)06-0040-05