秘海曉， 張曉杰

(1.天津航海儀器研究所，天津 300131；2.中國船舶工業(yè)綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)研究院，北京 100101)

現(xiàn)代信息技術(shù)的三大基礎(chǔ)是信息采集控制(溫度控制技術(shù))、信息傳輸控制(通信技術(shù))和信息處理(計(jì)算機(jī)技術(shù))[1]，其中溫度控制技術(shù)是表征工業(yè)生產(chǎn)和實(shí)驗(yàn)室研究過程狀態(tài)的關(guān)鍵參數(shù)[2-3]，因而溫度控制器作為一種有效采集控制溫度參數(shù)的設(shè)備獲得了廣泛應(yīng)用，在現(xiàn)代工業(yè)社會(huì)中的地位亦不斷攀升。但隨著社會(huì)對節(jié)能減排、可靠性指標(biāo)等技術(shù)要求的持續(xù)提高[4]，傳統(tǒng)溫度控制器存在的耗能高、可靠性低、安全性不高、經(jīng)濟(jì)性差、抗干擾能力弱以及缺乏智能化等諸多缺點(diǎn)日益突出[5-9]，越來越難以滿足當(dāng)前物質(zhì)生活發(fā)展的要求。為了改善這種狀況，設(shè)計(jì)一種新型的符合時(shí)代需求的智能溫度控制器就顯得尤為必要。

本文論述了一種基于瑞薩單片機(jī)的新型智能溫度控制器。為解決控制器綠色節(jié)能應(yīng)用的問題，研制中采用可靠性余度技術(shù)設(shè)計(jì)了電源模塊、晶振模塊等子系統(tǒng)；為提高控制器的抗干擾能力和可靠性水平，研制中應(yīng)用故障檢測與健康管理技術(shù)設(shè)計(jì)了主控制模塊、電源模塊等子系統(tǒng)。在探討控制器整體研究方案的基礎(chǔ)上，分析闡述了智能溫度控制器的主控制模塊、電源模塊、晶振模塊、溫度檢測模塊、存儲(chǔ)模塊、人機(jī)交互模塊、報(bào)警模塊、接口模塊和軟件算法等設(shè)計(jì)，給出了一種可靠性技術(shù)在溫度控制器研發(fā)中的設(shè)計(jì)應(yīng)用方法，也為產(chǎn)品研制中權(quán)衡設(shè)計(jì)性能與通用質(zhì)量特性提供了一種參考，在一定程度上減少了研制過程中兩張皮的現(xiàn)象。新型智能溫度控制器交付寧波五禾電器有限公司后成功通過試驗(yàn)鑒定驗(yàn)收，市場銷售表明該智能溫度控制器取得了一定的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

1 智能溫度控制器的總體設(shè)計(jì)

智能溫度控制器是一種低成本、高效益的可編程溫度控制器，其實(shí)物如圖1所示。該控制器具有多參數(shù)組合控制策略，其控制原理如圖2所示。

圖1 智能溫度控制器的實(shí)物圖

智能溫度控制器主要由主控制模塊、人機(jī)交互模塊、電源模塊、存儲(chǔ)模塊、晶振模塊、報(bào)警模塊、溫度檢測模塊和接口模塊組成，采用標(biāo)準(zhǔn)專用集成電路形式，其系統(tǒng)設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖2 智能溫度控制器的控制原理圖

圖3 智能溫度控制器的總體結(jié)構(gòu)框圖

針對智能溫度控制器的節(jié)能環(huán)保和可靠性、經(jīng)濟(jì)性設(shè)計(jì)要求，其與當(dāng)前社會(huì)市面上主流溫控器產(chǎn)品的部分參數(shù)對比，如表1所示。智能溫度控制器的研制方案由原理圖設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)圖設(shè)計(jì)兩部分構(gòu)成[10]，原理圖設(shè)計(jì)主要決定溫控器功能指標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)圖設(shè)計(jì)主要決定溫控器可靠性、測試性和經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

表1 基本參數(shù)的對比

2 智能溫度控制器的電路設(shè)計(jì)

2.1 主控制模塊的設(shè)計(jì)

智能溫度控制器的主控制模塊包括單片機(jī)、電源回路電路、調(diào)試電路、驅(qū)動(dòng)電路、采樣保持電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、存儲(chǔ)電路、比較電路和故障監(jiān)測電路等子電路，其中單片機(jī)采用瑞薩H8微處理器，如圖4所示。高性能的瑞薩單片機(jī)是使控制器成為集溫度檢測、信息轉(zhuǎn)換、控制輸出三位一體智能溫度控制器的基礎(chǔ)，它支持低至1.8 V工作電壓的超低功耗工作模式，配以電源回路保證了系統(tǒng)即使在斷電的情況下，控制器也能夠從任意工作狀態(tài)轉(zhuǎn)入休眠狀態(tài)或者程序狀態(tài)，完全符合智能溫度控制器“綠色”的節(jié)能應(yīng)用，達(dá)到了歐洲“能源之星”標(biāo)準(zhǔn)，滿足溫控器的經(jīng)濟(jì)性設(shè)計(jì)要求。

圖4 主控制電路設(shè)計(jì)圖

采樣保持電路實(shí)現(xiàn)了采樣數(shù)據(jù)的完整性，對當(dāng)前的環(huán)境溫度信號(hào)進(jìn)行取壓采樣；控制檢測電路的信號(hào)采樣時(shí)刻，用于管理和調(diào)度信號(hào)采樣的通斷時(shí)間。模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路采用單片機(jī)的內(nèi)置模塊單元，10位A/D轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)了采樣信號(hào)的高精度轉(zhuǎn)換，該模/數(shù)轉(zhuǎn)換采用逐次逼近法產(chǎn)生二進(jìn)制數(shù)據(jù)，將采樣信號(hào)轉(zhuǎn)換成A/D轉(zhuǎn)換范圍內(nèi)的數(shù)字量，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行線性化處理，處理后的數(shù)據(jù)將存入片內(nèi)寄存器。單片機(jī)內(nèi)寄存器用于主控制系統(tǒng)存入和讀取各種數(shù)據(jù)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了存儲(chǔ)電路與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊的數(shù)據(jù)交換，兩者相互構(gòu)成了工作備份，存儲(chǔ)電路中的數(shù)據(jù)經(jīng)線性化處理后，交由單片機(jī)進(jìn)行動(dòng)態(tài)管理，將當(dāng)前的實(shí)際溫度與目標(biāo)溫度進(jìn)行比較。比較電路是基于偏差控制的原理，通過對偏差值的處理獲得控制信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)對溫度的準(zhǔn)確調(diào)節(jié)。比較電路通過對基準(zhǔn)電源電壓進(jìn)行取樣，是進(jìn)行比較判定溫度變化的基準(zhǔn)。如果存儲(chǔ)電路中的數(shù)據(jù)與該基準(zhǔn)之間存在差值，則根據(jù)差值大小進(jìn)行相應(yīng)的溫度調(diào)節(jié)，使實(shí)際溫度保持在目標(biāo)值附近；如果兩者之間不存在差值，就保持狀態(tài)不變。調(diào)試電路主要用于控制器的在線調(diào)試，支持系統(tǒng)復(fù)位/運(yùn)行/調(diào)試狀態(tài)，驅(qū)動(dòng)兩個(gè)磁保持繼電器的置位/復(fù)位繞組，實(shí)現(xiàn)對執(zhí)行機(jī)構(gòu)電路的控制，方便控制器使用后期的保養(yǎng)和維護(hù)，達(dá)到了溫控器維修性和保障性設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

故障監(jiān)測電路設(shè)計(jì)通過采用可靠性設(shè)計(jì)中的故障預(yù)測與健康管理技術(shù)，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)可能出現(xiàn)的故障，進(jìn)而給出故障信息警告，縮短溫控器的故障定位和故障修復(fù)時(shí)間，是智能溫度控制器測試性設(shè)計(jì)的重要組成部分。

2.2 電源模塊的設(shè)計(jì)

為了提高智能溫度控制器供電的任務(wù)可靠性，電源模塊應(yīng)用了可靠性設(shè)計(jì)中的冗余方案[11-12]。由交流24 V電源電路靜態(tài)備份電池組電源電路組成電源模塊，系統(tǒng)默認(rèn)以電池組電源電路供電為主，如圖5所示。當(dāng)故障監(jiān)測電路檢測到電池組電源電路的供電電壓低于1.8 V時(shí)，自動(dòng)切換到交流24 V電源電路；當(dāng)然，也可以人工設(shè)置成以交流24 V電源電路供電為主，如圖6所示，以節(jié)約電池耗材的消耗量，提高智能控制器的保障性和經(jīng)濟(jì)性。

圖5 電池組電源電路圖

圖6 交流24V電源電路圖

電源模塊的電池組電路供電子系統(tǒng)采用兩組(四節(jié))堿性電池冗余熱備份給控制器供電，假設(shè)每組電壓為VBAT，以提升智能控制器使用過程中的平均間隔更換時(shí)間(MTTF)。電池組電源電路使用中電量會(huì)逐漸減少，雖然控制器采用的單片機(jī)在低至1.8 V時(shí)仍可工作，但人機(jī)交互模塊中液晶屏顯示電路卻已超過極限，故這里將2.6 V規(guī)定為一級門限電壓，將2.3 V規(guī)定為二級門限電壓，再設(shè)單片機(jī)的供電電壓為VCC，顯示電壓為VAC，則有：

① 當(dāng)2.6 V≤VBAT≤3 V時(shí)，溫控器處于正常工作狀態(tài)；

② 當(dāng)2.3 V≤VBAT<2.6 V時(shí)，有2.3 V≤VCC<2.6 V，2.3 V ≤VAC<2.6 V，此時(shí)背光屏不能正常顯示，液晶屏顯示缺電標(biāo)識(shí)，并間斷顯示故障代碼，提醒用戶更換電池；

③ 當(dāng)1.8 V≤VBAT<2.3 V時(shí)，有1.8 V≤VCC<2.3 V，此時(shí)液晶屏不能正常顯示，控制器進(jìn)入休眠狀態(tài)，必須更換電池；

④ 當(dāng)0 V≤VBAT<1.8 V時(shí)，有VCC<1.8 V，控制器停止工作。

為了確保智能溫度控制器運(yùn)行的穩(wěn)定，在電池組電源電路中還設(shè)計(jì)了電池電量檢測單元，實(shí)現(xiàn)控制器供電電壓的健康管理，以提高溫控器的任務(wù)可靠性。

設(shè)U1為電池組BT1和BT2的串聯(lián)電壓，U2為電池組BT3和BT4的串聯(lián)電壓。

電阻R4上的電壓為

(1)

電阻R5上的電壓為

UR5=U2-UD18

(2)

忽略二極管D18(=0.6-0.7 V)上的壓降，可得

UR5≈U2

(3)

則

(4)

取R3=10 kΩ，R4=10 kΩ，故

(5)

電池組BT1和BT2通過二極管D17輸出到分壓電阻網(wǎng)絡(luò)；電池組BT3和BT4通過二極管D18和分壓電阻網(wǎng)絡(luò)R4、R5和R3輸出電量檢測信號(hào)VBAT_OFF交單片機(jī)的故障監(jiān)測電路處理，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了智能溫控器的故障預(yù)測和健康管理。

2.3 晶振模塊的設(shè)計(jì)

晶振模塊是智能溫度控制器整個(gè)系統(tǒng)的時(shí)鐘源，它為主控制模塊及其外圍電路提供統(tǒng)一時(shí)鐘脈沖，如圖7所示。

圖7 晶振電路圖

晶振模塊應(yīng)用可靠性余度設(shè)計(jì)技術(shù)[13]，采用主時(shí)鐘電路和副時(shí)鐘電路熱備份，提高了溫控器系統(tǒng)的控制精度。

2.4 溫度檢測模塊的設(shè)計(jì)

溫度檢測模塊用于監(jiān)測周圍環(huán)境的當(dāng)前溫度值，實(shí)現(xiàn)了傳感器帶開關(guān)控制的高精度溫度采樣。如果周圍環(huán)境溫度發(fā)生變化，溫度傳感器隨之產(chǎn)生一個(gè)變化量，再通過采樣分壓電路的取壓，將周圍環(huán)境溫度的變化量轉(zhuǎn)換成熱敏電阻的電壓變化量，電壓變化量經(jīng)保持后送入單片機(jī)內(nèi)置的模/數(shù)轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

溫度檢測常表現(xiàn)出一定的滯后性，該特性可用一階環(huán)節(jié)的數(shù)學(xué)模型(式(6))來描述。

y=1-eαx

(6)

式中，α為慣性環(huán)節(jié)的時(shí)間參數(shù)，根據(jù)實(shí)際標(biāo)定取值。

為了提高控制器的控溫精度，在軟件的算法設(shè)計(jì)中采用了線性化處理，可以根據(jù)式(7)計(jì)算出傳感器和溫度的線性化對應(yīng)關(guān)系。

(7)

式中,Tt0=t0+273.15(其中t0=25 ℃為基準(zhǔn)溫度)，單位為K；Tt=tt+273.15(其中t為實(shí)際溫度，單位為℃)，單位為K；Rt0為環(huán)境t0=25 ℃時(shí)的標(biāo)稱阻值，單位為kΩ，一般為10 kΩ。

為使控制器的溫度測量值更精確，除了要在軟件算法上進(jìn)行線性化處理外，還要對電路進(jìn)行線性化處理，克服因個(gè)體元器件差異而引起的誤差，用標(biāo)準(zhǔn)測量設(shè)備對該值進(jìn)行標(biāo)定，就能在正常使用中用該值修正輸入電壓變化引起的溫度采樣誤差。

2.5 人機(jī)交互模塊的設(shè)計(jì)

人機(jī)交互模塊由顯示電路和按鍵電路兩部分組成，其中顯示電路由觸摸屏子電路、液晶屏子電路和背光屏子電路3部分構(gòu)成，主要完成用戶按照意愿設(shè)置參數(shù)或者實(shí)時(shí)監(jiān)視溫控狀態(tài)的功能。根據(jù)設(shè)計(jì)算法，其傳遞函數(shù)可用式(8)來表示。

(8)

式中,k為修正系數(shù)；A(x)、B(x)的描述形式是與用戶設(shè)置的被控溫度編程參數(shù)的類型、模型等有關(guān)的多項(xiàng)式；X為拉普拉斯算子；τ為延遲時(shí)間。

控制器的按鍵電路分3個(gè)按鈕鍵子電路和兩個(gè)撥動(dòng)鍵子電路，即主菜單按鍵子電路、編程按鍵子電路、復(fù)位按鍵子電路，以及功能撥動(dòng)鍵子電路和選擇撥動(dòng)鍵子電路。

2.6 報(bào)警模塊的設(shè)計(jì)

智能溫度控制器的報(bào)警模塊由報(bào)警電路和蜂鳴器組成，報(bào)警控制信號(hào)由主控制模塊的D/A轉(zhuǎn)換輸出控制，用以實(shí)現(xiàn)溫控器故障的預(yù)警管理。

2.7 接口模塊的設(shè)計(jì)

接口模塊由連接電路和控制輸出電路構(gòu)成，其中連接電路用于連接24 V交流電路板和3 V直流電路板，如圖8所示?？刂戚敵鲭娐坟?fù)責(zé)將控制信息輸出給負(fù)載，實(shí)現(xiàn)了以微控制信號(hào)直接驅(qū)動(dòng)大負(fù)載的功能。

圖8 連接電路圖

2.8 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊的設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊由數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路與主控制模塊中的存儲(chǔ)電路工作備份實(shí)現(xiàn)，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路采用總線規(guī)程連接的雙向通信，數(shù)據(jù)的傳送(接收/發(fā)送)均由主控制模塊管理，存儲(chǔ)從主控制模塊輸出的數(shù)據(jù)信號(hào)，由存儲(chǔ)器完成數(shù)據(jù)的貯存，存儲(chǔ)器的時(shí)鐘與晶振模塊的時(shí)鐘保持一致。

2.9 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

新型智能溫度控制器的軟件算法建立在功能實(shí)現(xiàn)的實(shí)用性基礎(chǔ)上，同時(shí)兼顧可靠性設(shè)計(jì)方法開發(fā)而成。根據(jù)控制器的專用質(zhì)量特性技術(shù)要求，其軟件設(shè)計(jì)在整體上可分為系統(tǒng)管理子程序、上電自檢子程序、系統(tǒng)調(diào)用子程序、用戶編程解釋子程序、檢測子程序、電源管理子程序、接口管理子程序、按鍵管理子程序、人機(jī)接口子程序、報(bào)警子程序和系統(tǒng)保護(hù)子程序等部分，系統(tǒng)的軟件總體流程圖如圖9所示。

圖9 智能溫度控制器軟件總體流程圖

在子程序中，用戶編程解釋子程序包括二線制熱控制模塊、三線制熱控制模塊、四線制熱/制冷控制模塊、五線制熱/制冷控制模塊、二級制熱和制冷混合控制模塊、閥控的三線區(qū)域供暖系統(tǒng)控制模塊、無輔助制熱功能的四線熱泵制熱控制模塊、具有輔助制熱功能的五線熱泵制熱控制模塊、童鎖模塊等程序模塊；檢測子程序包括溫度校準(zhǔn)模塊、溫度監(jiān)測模塊、溫控回差模塊等程序模塊；電源管理子程序包括電壓監(jiān)測模塊、自動(dòng)切換模塊、延時(shí)模塊等程序模塊；接口管理子程序包括連接控制模塊、控制輸出管理模塊等程序模塊；按鍵管理子程序包括操作模式選擇模塊和風(fēng)扇選擇模塊兩種；人機(jī)接口子程序包括液晶屏管理模塊、觸摸屏管理模塊、背光板管理模塊等程序模塊；報(bào)警子程序包括蜂鳴器報(bào)警模塊、低電壓報(bào)警模塊等程序模塊。

3 結(jié)束語

針對智能溫度控制器，通過對硬件電路和軟件算法的設(shè)計(jì)，研究出了新一代溫度控制器的設(shè)計(jì)方案，解決了當(dāng)前社會(huì)對溫控器綠色節(jié)能的需求，降低了溫控器使用中的安全隱患，提高了溫控器自身及其所屬控制系統(tǒng)的可靠性，實(shí)現(xiàn)了用戶根據(jù)自身意愿調(diào)控所需的參數(shù)，滿足了實(shí)際應(yīng)用中增加用戶體驗(yàn)的要求，達(dá)到了預(yù)期的研制目標(biāo)。經(jīng)寧波五禾電器有限公司試生產(chǎn)，表明該型智能溫度控制器設(shè)計(jì)取得了初步成功，為同類控制器的設(shè)計(jì)提供了借鑒和參考。