基于SPCE061A的高精度多通道溫度測量系統設計

2 系統軟件設計
主程序主要完成系統初始化、掃描鍵盤、溫度采樣并對采樣數值進行運算、顯示溫度及控制輸出等工作。主程序流程圖如圖2所示。定時器B用于定時控制采樣的時間。系統設定采樣周期為2 s，而控制周期為500μs。通過鍵盤設定控制溫度數值，輸入后做相應的數據備份，即將參數存入單片機SPCE061A內的FLASH ROM中。

系統采用數字PID算法來提高系統的控制精度，PID用增量式表示為：

由于溫度響應具有遲滯性，屬于一階延時系統，若采用常規PID算法，控制效果不好，并且會出現較大的超調量。為了解決這一問題．設計采用積分分離PID算法，從實驗結果來看，性能指標均有所提高。
當被控量與設定值偏差較大時，取消積分作用；當被控量與設定值偏差很小時，加入積分作用，即系統啟動、停止或大幅度改變設定值時，只用比例控制和微分控制，然后才加入積分控制，這樣更有利于改善動態特性和消除靜差。具體做法是：針對被控對象參量，設定一個偏差的門限e0，當過程控制中偏差e(n)的絕對值大于e0時，系統不引入積分控制，只用PD控制；當偏差e(n)的絕對值小于e0時，才引入積分控制，即采用PID控制。對計算公式的積分項，乘一個權系數μ，按式(3)取值：
μ=1，當|e(n)|≤e0

3 系統調試
系統調試中，采用電加熱器對1 kg水進行加熱，DS18B20將溫度信號變為數字信號，讀入CPU，通過軟件對溫度數據進行校正，同時將所測溫度在LCD上進行實時顯示。根據系統程序控制，進行PID運算以及輸出控制，最終由CPU給出控制加熱回路的有效電壓。PID參數整定：系統采用擴充臨界比例度法來整定。
通過實驗測量，被控對象的純滯后時間為20 s左右，因此選擇采樣周期為2 s。通過實測數據比較，選擇控制度為1．2，采用PI控制，經過對參數進行微調，最后得出最佳PID參數，即KP=2．11，K1=0．043。在系統調試中實測數據表明，控制器平均控制精度在士0．2℃之內。表2為調試過程中3個通道的1次數據記錄。從數據可以看出，當設定溫度為80℃時，最后穩定溫度為80．2℃，控制精度比較高。

4 結 語
多通道溫度測控系統采用抗干擾性能強，功耗低的SPCE061A16位單片機和一線式數字溫度傳感器DS18B20，使系統的硬件電路結構得到高度簡化。軟件采用高精度的PID控制算法，使測量及控制性能得到顯著提高。經實際使用證明，具有測量精度高．硬件電路合理，性價比高，使用方便等特點，克服了傳統溫度儀測量精度低，電路復雜，調試及標定困難等缺點。該系統可應用到大部分溫度、溫差的高精度控制場合中。