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

作者：莫秀英,陳坤(廣州華商職業(yè)學院智能工程學院,廣州 511300) 時間：2021-11-23 來源：電子產(chǎn)品世界

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編者按：系統(tǒng)主要設計基于Cortex-M0智能水溫監(jiān)控系統(tǒng)的優(yōu)化，主要增加了遠程控制部分，用現(xiàn)場控制電路處理實時溫度采集、加熱控制；用遠程控制電路處理實時水溫的顯示、PID參數(shù)的設置、數(shù)據(jù)的保存、時間的顯示等信息，另外增加了打印模塊，可以實時打印溫度信息?，F(xiàn)場控制與遠程控制電路通過無線進行通信，實現(xiàn)了對水溫的智能監(jiān)控。

本文引用地址：http://2s4d.com/article/202111/429840.htm

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)應用更為廣泛，如鍋爐以及為一些化學反應提供恒溫的水浴環(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)控中心分離的設計思想，即在需要對水溫進行控制的地方設計一個控制中心，在遠離控制現(xiàn)場設計一個可移動、便攜式監(jiān)控中心。這樣即使設備發(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)設計總框架

1.1 硬件電路設計

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。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)軟件設計

系統(tǒng)軟件采用模塊化編程思路，每個功能模塊的驅動程序和應用程序分開設計。驅動程序包括：串口屏底層驅動、I₂C 總線協(xié)議驅動、單總線驅動、SPI 驅動等。應用程序包括：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。在實際應用中，工程師們很少使用復雜的數(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。