肖永松

(江南大學(xué) 物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院，江蘇 無錫 214122)

基于LPC2132的多通道溫度控制器設(shè)計

肖永松

(江南大學(xué) 物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院，江蘇 無錫 214122)

針對眾多工業(yè)設(shè)備需要同步控制數(shù)量較多加熱設(shè)備的需求，給出了一種基于ARM處理器的多通道溫度控制器設(shè)計方案;各通道溫度傳感器信號經(jīng)由模擬選擇開關(guān)分時選用后送至儀表運放AD620放大，再由AD芯片AD7705轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號后傳送給ARM處理器LPC2132進行處理轉(zhuǎn)換成實際溫度;結(jié)合期望的目標(biāo)溫度，利用積分分離PID算法計算輸出控制量并以PWM方式驅(qū)動固態(tài)繼電器調(diào)節(jié)加熱器件在控制周期內(nèi)通電時間的占空比；實驗結(jié)果表明溫度控制器的測溫一致性和溫控性能均能得到有效提升。

溫度控制器；多通道；PID控制；ARM

0 引言

溫度作為工業(yè)生產(chǎn)過程中最基本的參數(shù)之一，其檢測與控制直接與產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率以及能耗等重大技術(shù)指標(biāo)密切相關(guān)，此外溫度也是眾多生產(chǎn)設(shè)備需要同時大量監(jiān)測和控制的變量之一，例如注塑機設(shè)備以及制袋機設(shè)備等。目前市面上可以輕易找到眾多專用或者通用的溫度控制器，且均能獲得較好的控制精度同時也有不少具有同時監(jiān)控多通道溫度的能力，但是不少產(chǎn)品也存在一定程度的改進空間。例如同時監(jiān)控的溫度通道數(shù)量較少[1]；過于追求較低的硬件成本導(dǎo)致模塊溫漂增大[2]；人機交互界面不太友好[3]；另有些方案設(shè)計的溫控器測溫范圍相對較窄且適用的溫度傳感器比較單一[4]，等等。

針對上述問題，本文設(shè)計方案決定采用具有較多內(nèi)置外設(shè)和GPIO口的ARM處理器作為主控芯片以滿足多通道擴展的需求，同時ARM芯片的高速處理能力也能夠有效提升控制算法的運算速度，滿足本溫度控制器適應(yīng)各種工業(yè)現(xiàn)場總線在通信方面的速度要求，因此本設(shè)計方案中具體采用在工業(yè)應(yīng)用中具有較好抗干擾性能的NXP公司LPC2100系列芯片作為主控芯片。在溫度信號檢測方面，選擇采用儀表放大器AD620對溫度傳感器信號進行放大然后再經(jīng)由16位AD轉(zhuǎn)換芯片AD7705轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號送主控芯片處理，以保證測量溫度的分辨率可以達到0.1 ℃?？刂扑惴ú糠謩t考慮采用積分分離的數(shù)字PID算法以縮短溫度企穩(wěn)時間和過程的平滑。

1 測溫原理及信號處理方案設(shè)計

測溫的方式可以按照接觸式和非接觸式兩種方式進行劃分，本方案重點考慮接觸式測溫方式，接觸式溫度傳感器中主要有測溫芯片、熱電阻和熱電偶三種類型。常見的測溫芯片如DS18B20，LM75A等均可以直接輸出數(shù)字信號供處理器直接采用，不需要額外的處理電路，使用簡便，不過它們一般測溫范圍比較窄，較多用于測量環(huán)境溫度；熱電阻是基于導(dǎo)體或半導(dǎo)體的電阻值隨著溫度的變化而變化的特性來測溫，其測溫范圍一般在-200～500℃之間；熱電偶是利用正負(fù)兩端的電勢差與探頭溫度成正比的原理來獲取溫度，隨著熱電偶類型的不同其測溫范圍也有一定差異，相對于熱電阻具有更大的測溫范圍，最高可以超過1 500℃。本系統(tǒng)重點考慮測溫范圍相對更寬，性能穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)也比較簡單的熱電偶作為測溫元件。

不同類型熱電偶的測溫范圍有一定的差異，所適用的環(huán)境也不盡相同，但是傳感器端輸出的信號均為毫伏級別的弱電壓差分信號，在實際應(yīng)用中均需要預(yù)先對信號進行調(diào)理，放大后再由主控芯片處理。對于差分信號的放大常見的有三種選擇，第一種選擇是使用專門的測溫芯片如MAX6675直接將熱電偶輸出的毫伏信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號并可以由處理器轉(zhuǎn)換成溫度值，冷端的溫度補償也是由MAX6675自己解決，但是它最大的缺陷是只能適用K型熱電偶一種測溫元件[1]；第二種選擇是類似于文獻[2]選用常規(guī)運算放大器自行搭建差分放大電路，此方案的主要優(yōu)勢就是成本低廉，但是缺點也很明顯，即電路結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜且隨著器件的溫漂影響可能會導(dǎo)致批量產(chǎn)品的一致性較差；第三種選擇是選用性能優(yōu)異的儀表放大器，雖然儀表運放的價格相對較高，但是其電路簡便帶來的穩(wěn)定性和一致性升高帶來的效益也非常明顯，具體選用的方案則還需根據(jù)實際需求確定，本設(shè)計針對第三種方案展開，具體是以AD620芯片為基礎(chǔ)搭建差分毫伏信號的放大電路。

對于熱電偶信號在傳送給放大器芯片之前相關(guān)的濾波抗干擾和保護措施則繼續(xù)選擇使用文獻[2]所述的處理方式。

2 熱電偶信號轉(zhuǎn)換設(shè)計

將熱電偶信號轉(zhuǎn)換成溫度的途徑一般有兩種，一是采用查詢由IEC584-1標(biāo)準(zhǔn)計算出的真值表方式，利用溫度和電勢值對應(yīng)關(guān)系獲取準(zhǔn)確的溫度，但是在單片機控制系統(tǒng)中存儲五位真值表需要耗費大量寶貴的存儲空間，尤其是當(dāng)系統(tǒng)設(shè)計為需要適用多種類型的熱電偶時凸顯的耗費內(nèi)存問題尤為突出，從而就要求在考慮主控芯片時需要選擇帶有更大容量內(nèi)存的器件才行[2]；第二種方式是采用一些盡可能簡單，階次相對較低的擬合公式，如利用最小二乘算法得出的擬合公式等實時計算得到?？紤]到本設(shè)計方案中的控制器除了需要檢測溫度外還需要進行精確的溫度控制以及滿足一定的通信要求，對主控芯片的內(nèi)部資源需求較多，因此希望溫度測量部分能盡量少的占用內(nèi)部存儲空間的寶貴資源，而且主控芯片內(nèi)部存儲空間的減少同時也意味著硬件成本的節(jié)約。

根據(jù)IEC584-1標(biāo)準(zhǔn)得到的熱電偶五位真值表中溫度和電勢的分辨率分別為0.5℃和0.5 μV ，文獻[5]在REMES算法基礎(chǔ)上做了一定的改進，得到一個弱REMES算法，在保證算法收斂速度和計算精度前提下，通過確立更接近真值的初始點的方式減少算法循環(huán)的次數(shù)，從而克服了原有算法計算量特別大的缺點，最終將K型熱電偶在0～1372℃的測溫范圍內(nèi)溫度轉(zhuǎn)換為電勢的關(guān)系用五段四階擬合公式表示，電勢轉(zhuǎn)換為溫度的關(guān)系用二段四階擬合公式進行表示；S型熱電偶的溫度轉(zhuǎn)換為電勢的關(guān)系同樣用五段四階擬合公式表示，電勢轉(zhuǎn)換為溫度的關(guān)系則用三段四階擬合公式表示。本設(shè)計方案將以K型熱電偶為例，將應(yīng)用上述擬合公式進行溫度測量并與文獻[2]中方案的測控效果進行比較。

3 功能模塊設(shè)計

溫度控制器準(zhǔn)確測量到溫度是最終達到預(yù)期控制效果的基礎(chǔ)，此外還需要多個其它諸如系統(tǒng)參數(shù)的掉電保存、電源監(jiān)控、站點地址設(shè)定、手動輸入、顯示輸出以及輸出驅(qū)動等多個功能模塊才能完成對溫度的有效控制，同時考慮到控制器需要有良好的人機交互性能以方便用戶根據(jù)實際情況實時對控制器進行參數(shù)設(shè)定和調(diào)整，還需要具備良好的通信功能。

綜合考慮控制器上述各種功能需求，本方案選擇采用的ARM處理器LPC2132包含有豐富的內(nèi)部外設(shè)資源，其內(nèi)嵌的64kB高速Flash存儲器保證了一定規(guī)模代碼的存儲和運行空間；多達47個通用I/O口除了提供多通道的控制輸出、狀態(tài)指示輸出、模擬開關(guān)的控制信號以及AD芯片的控制信號等大約20個I/O口的需求外還有充足余量供其它內(nèi)置外設(shè)如標(biāo)準(zhǔn)UART串口、I2C、SPI等通信串口以及擴展功能使用；2個32位定時器/計數(shù)器以及多達16個可動態(tài)分配的優(yōu)先級中斷向量為通信以及控制算法程序的設(shè)計提供了足夠的便利。其片內(nèi)Boot裝載的軟件可以實現(xiàn)在系統(tǒng)編程(ISP)功能，為控制器后期程序的維護和功能更新提供極大的便利。

基于上述對控制器各項功能的需求分析，給出系統(tǒng)總體如圖1所示。其中虛線框內(nèi)為單個多通道溫度控制器，觸摸屏通過RS485總線可以同時掛接多個同一類型的溫控器，從而實現(xiàn)同時對更多通道的溫控參數(shù)進行監(jiān)控。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

對于多通道信號的處理，選擇采用模擬開關(guān)對各通道信號進行輪番選擇并送至AD進行轉(zhuǎn)換的方式實現(xiàn)。本方案中將重點介紹四個通道的溫度控制實現(xiàn)方式，模擬開關(guān)采用雙4選1的模擬電子開關(guān)CD4052BE來實現(xiàn)對信號的選通。具體的電路如圖2所示。

圖2 多通道選擇電路

圖2中，INx+和INx-分別為4個通道的熱電偶信號的正負(fù)端，具體通道的選擇通過主控芯片控制AB兩個引腳電平來實現(xiàn)，選中的信號則從IN+和IN-兩個引腳送出。在實際應(yīng)用中可以根據(jù)實際需要增加相同的電路來擴展溫度通道數(shù)量，每增加一塊模擬電子開關(guān)芯片可擴展得到4個通道的溫度，同時僅需要主控芯片多分配一個I/O口用于通道的選擇控制信號即可。

由于熱電偶的電勢信號一般在零至幾十毫伏之間，對該信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換之前必須放大才便于處理，本方案采用的儀表運放AD620具有寬增益范圍以及高精度和低失調(diào)漂移特性，僅需要一個外部電阻即可設(shè)置增益，因此能夠以非常簡潔的電路完成信號放大的任務(wù)，并且能夠保證批量時的可靠性和一致性。同時，為了便于軟件上處理測量到的低于室溫的溫度值，在對信號進行前期處理時將其參考電壓提升到0.8 V并經(jīng)過一個電壓跟隨器緩沖后作為AD620的REF輸入，具體的放大電路設(shè)計如圖3所示，其中增益調(diào)節(jié)電阻R79可以選用50 ppm低溫漂的精密電阻以保證增益的穩(wěn)定性。

圖3 信號放大電路

根據(jù)AD620的增益計算公式：

(1)

可知，當(dāng)RG(R79)取值為2 kΩ時，信號的放大倍數(shù)為25.7倍。經(jīng)放大后的信號即可直接送至16位的∑-△模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7705轉(zhuǎn)換成數(shù)字量再給主控芯片處理。模數(shù)轉(zhuǎn)換部分的具體電路如圖4所示。

圖4 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路

對于人機交互部分的接口電路設(shè)計，本方案繼續(xù)采用文獻[2]所述的RS485接口設(shè)計，采用標(biāo)準(zhǔn)MODBUS總線協(xié)議實現(xiàn)與上位機之間的通信，并選擇觸摸屏顯示輸出運行參數(shù)以及實現(xiàn)對系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)定。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

運行可靠的硬件可確保準(zhǔn)確測量到被控對象的溫度，但這只是控制器有效發(fā)揮作用的基礎(chǔ)，而控制加熱器件快速準(zhǔn)確的響應(yīng)并穩(wěn)定在目標(biāo)值附近則需要有運行高效的算法和程序才能實現(xiàn)，這也是溫度控制的最終目的。

控制器軟件的主程序流程如圖5所示，在系統(tǒng)參數(shù)化階段完成的工作主要包括對所有用到的GPIO、I2C接口、定時器、通信串口、AD轉(zhuǎn)換芯片的初始化等等。加載參數(shù)階段主要完成從掉電非易失性存儲芯片AT24C16中加載控制器的默認(rèn)設(shè)置參數(shù)如各通道的PID參數(shù)、控制周期、溫度傳感器的類型以及通信串口參數(shù)等等。待系統(tǒng)正常運行后將優(yōu)先響應(yīng)上位機從串口傳遞過來的參數(shù)設(shè)置(修改)指令，隨后依次完成對當(dāng)前通道的溫度檢測以及控制任務(wù)，然后再切換到下一個通道。

圖5 主程序流程

在本設(shè)計方案圖5中所述控制算法采用積分分離的PID控制算法來實現(xiàn)。由于控制算法最終需要在單片機中編程實現(xiàn)，所以選擇使用的是離散PID算式，另外由于加熱器通過處理器輸出的PWM進行調(diào)節(jié)，其不具有記憶特性，所以只能使用位置式PID算法，具體算式表示如下:

(2)

其中:u(k)為控制算法的輸出，經(jīng)過歸一化處理后控制PWM輸出來調(diào)節(jié)一個周期內(nèi)加熱器的通電時間；e(k)=r(k)-c(k)，表示k時刻設(shè)定溫度值r(k)與當(dāng)前溫度值c(k)之差，為控制算法的輸入；Kp，Ki，Kd分別表示控制器的比例放大系數(shù)，積分系數(shù)和微分系數(shù)。

在PID控制中，積分環(huán)節(jié)的主要作用是消除靜差，提高控制的精度，但是在被控量與設(shè)定值相差較大的起始環(huán)節(jié)以及在結(jié)束環(huán)節(jié)或者在大幅度修改設(shè)定值的時候會產(chǎn)生比較大的積分積累量，非常容易使系統(tǒng)產(chǎn)生比較大的超調(diào)量，甚至產(chǎn)生振蕩從而導(dǎo)致算法無法收斂到設(shè)定值附近，這就是出現(xiàn)了所謂的積分飽和現(xiàn)象。因此，針對上述積分飽和現(xiàn)象，實際的算法對PID算法做一定的改進，積分分離PID控制算法即是需要根據(jù)系統(tǒng)偏差e(k)的大小來確定積分作用對算法的作用。在此我們可以為式(2)中的積分系數(shù)Ki引入一個關(guān)于偏差e(k)的函數(shù)β，

(3)

式中,a和b分別作為積分分離區(qū)間的界限，具體取值的大小跟實際被控對象的升溫特性和控制周期等參數(shù)密切相關(guān)，需根據(jù)對象通過實驗確定合適的值。通過后續(xù)實際運行效果可知這種方法設(shè)計的溫度控制策略具有較強的魯棒特性。

考慮到控制對象的不確定性，而不同對象對控制算法的參數(shù)要求也必定相去甚遠，或者是同一個對象隨著使用時間的增加自身特性逐漸發(fā)生漂移，導(dǎo)致原先的參數(shù)不再能夠保證控制器獲得最優(yōu)的控制效果，這就要求算法具有一定的參數(shù)自整定功能。參數(shù)的設(shè)定和自整定也是PID算法最困難的部分，不少文獻中提出的參數(shù)自整定方法往往是假定被控對象為一個一階加純滯后或者是二階加純滯后的模型然后采用一定的整定方法獲取參數(shù)[7]，或者也有不通過模型而直接基于數(shù)據(jù)對參數(shù)進行整定[8]，但是眾多文獻提出的方法更多的還是通過仿真軟件進行了驗證，并未在實際工業(yè)應(yīng)用環(huán)境中看到其效果，而且相對復(fù)雜的算法要在單片機中編程實現(xiàn)往往也會帶來更多額外的困難。所以在實際工業(yè)過程中，PID參數(shù)往往還是通過實驗試湊法獲取，在具體的生產(chǎn)工藝條件下該參數(shù)也相對比較穩(wěn)定，并不需要經(jīng)常調(diào)整。在本控制器的設(shè)計方案中也僅考慮控制器參數(shù)基本確定情況下，針對加熱器隨環(huán)境變化或自身老化帶來參數(shù)漂移后，算法對參數(shù)做出一定自適應(yīng)修正。

5 結(jié)語

系統(tǒng)經(jīng)過實際調(diào)試和運行，和文獻[2]所述方案相比，首先在溫度的采集方面，由于采用性能優(yōu)異的儀表放大器從而簡化了溫度信號的調(diào)理檢測電路，有效避免了器件溫漂帶來的影響。分別以20套控制器在室溫環(huán)境為16℃條件下選用K型熱電偶測量100℃開水的溫度進行試驗，文獻[2]所述方案的測量結(jié)果偏差為±3℃，而采用本方案設(shè)計的控制器測量的結(jié)果偏差在±1℃之內(nèi)，可以明顯看出在測量的一致性方面有明顯提升，基本可以省去對每個控制器進行零點校準(zhǔn)的步驟。

雖然放大電路部分在硬件成本方面明顯需要增加一定的投入(大約為7RMB)，但是由于本方案采用文獻[5]中所述擬合公式計算替代查表方式對溫度信號進行轉(zhuǎn)換能夠大幅度減少主控芯片所需的存儲空間(原先使用帶有512KB高速Flash的LPC2138可以使用帶有64 kB高速Flash的LPC2132替換)，相應(yīng)減少的硬件成本也完全可以彌補放大電路部分的增加投入，并且本設(shè)計方案能夠適用更多類型的熱電偶。

再對兩款溫度控制器最終的溫度控制效果進行比較，設(shè)定值溫度均定為200℃，分別選用1.5 kW、2 kW以及4 kW的燙刀作為被控對象，在使用相同的初始參數(shù)條件下，基于本設(shè)計方案的控制穩(wěn)態(tài)誤差平均要小1℃，此外控制的上升時間和超調(diào)量等特性均有一定的改善，整體控制效果得到了明顯的提升。

綜合考慮控制器的溫度檢測和控制效果以及整體成本核算可知，基于本方案設(shè)計的多通道溫度控制器在繼續(xù)保持了友好的人機交互功能基礎(chǔ)上，有效提高了控制精度，提升了控制器的整體性價比。

[1] 唐洪富, 張興波. 基于STC系列單片機的智能溫度控制器設(shè)計[J]. 電子技術(shù)應(yīng)用, 2013(5): 86-88.

[2] 翟 陽, 曹亦軒, 肖永松. 熱封切制袋機中多通道溫控系統(tǒng)的設(shè)計[J]. 包裝工程, 2013(17): 68-71.

[3] 羅 浩, 劉尚武, 王書易, 等. 基于STC12C5A60S多路溫度監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計[J]. 信陽師范學(xué)院學(xué)報自然科學(xué)版, 2014(1): 106-110.

[4] 鄔 琦, 楊江濤. 一種恒溫箱溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J]. 計算機測量與控制, 2014 (8): 2455-2458.

[5] 趙修文. 鉑銠10—鉑及鎳鉻—鎳硅熱電偶特性曲線的最佳擬合公式[J]. 化工自動化及儀表, 1992(3): 38-42.

[6] 楊久紅, 王小增. 積分分離PID算法的電阻爐溫度控制系統(tǒng)[J]. 計算機測量與控制, 2012, 20(1): 66-69.

[7] 劉兆坤, 李 燁, 王亞剛, 等. 基于階躍辨識的PID自整定研究及軟件開發(fā)[J]. 計算機測量與控制, 2014, 22(7): 2306-2308.

[8] 房 耀, 董學(xué)平, 張薛禮. 基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的PID自整定方法的研究[J]. 合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報自然科學(xué)版, 2016,39(1):46-49.

Design of Multi-channel Temperature Controller Based on LPC2132

Xiao Yongsong

(School of IoT Engineering, Jiangnan University, Wuxi 214122, China)

For the requirement of synchronous control of multiple heater in many industrial facilities, a design of multiple channel temperature controller based on ARM processor is introduced. Signals of temperature sensor from each channel are selected separately by analog switch and sent to instrumentation amplifier AD620. Amplified signals are transferred by AD chip AD7705 to digital signals which can be proceeded by ARM processor LPC2132. Combining the desired temperature, the output control variable which is obtained by using integral separated PID algorithm, is introduced to adjusting the duty ratio of powering time for heater. Results of the trail indicated that the consistency of temperature measurement and control performance can be promoted obviously.

temperature controller; multiple channel; PID control; ARM

2017-02-16；

2017-03-04。

國家自然科學(xué)基資助項目(61203111)。

肖永松(1982-)，男，江西萍鄉(xiāng)人，碩士，實驗師，主要從事系統(tǒng)建模、自適應(yīng)控制方向的研究。

1671-4598(2017)08-0064-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.08.017

TP273

A