基于Cortex-M0智能水溫監控系統的優化

0   引言

水溫控制在工業生產和日常生活中都有著廣泛的應用，如恒溫飲水機、淋浴系統都要用到溫度控制。工業生產中水溫控制系統應用更為廣泛，如鍋爐以及為一些化學反應提供恒溫的水浴環境等，都要求系統能提供穩定精確的溫度控制。

然而，在實際生活和工業生產中，很多水溫控制系統并不能滿足人們的要求。從國內來看，雖然溫控系統在各行各業的應用已經很廣泛，但總體水平卻不是很高。使用者也不能根據需要設定任意的溫度，人機交互不夠友好。安全方面，現在主流的溫度控制系統都是現場進行控制，一旦設備出現故障，操作人員的安全就可能受到威脅。

系統是模型論證性實驗，通過MCU 控制小型加熱杯的加熱功率來精確控制水溫，從而驗證該水溫監控系統方案的可行性。在設計該控制系統時，從安全方面考慮，采用了控制現場和監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，在遠離控制現場設計一個可移動、便攜式監控中心。這樣即使設備發生故障也不會對操作人員造成人身傷害。

1   系統總方案

系統采用溫度傳感器測量水溫，將數據傳送給處理器，經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，系統將自動進行調節（加熱或散熱）。測得的數據可長久保存，掉電不丟失，且可以將數據打印出來。通過控制算法控制加熱電路，使控制精度更高。系統如圖1 所示。

圖1 系統設計總框架

1.1 硬件電路設計

系統中采用溫度傳感器測量水溫，將數據傳送給處理器，經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將自動進行調節（加熱或散熱）。測得的數據可長久保存，掉電不丟失，且可以將數據打印出來。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，內置中英文字庫，支持大容量存儲圖片數據，為用戶提供更為多樣性、實用性的顯示終端平臺。

●   數據打印電路。使用MTP58-FT4B-T1 微型熱敏打印機模塊。

●   數據存取電路。選用MX25L1606E 作為存儲介質。MX25L1606D 與MCU 通過SPI 協議進行通信。

●   實時時鐘電路。選擇NXP 公司的PCF8563，其沒有內置晶振，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 系統軟件設計

系統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。后臺監控系統和現場控制系統的總軟件流程分別如圖4、圖5 所示。

圖4 后臺系統軟件流程圖

圖5 現場控制軟件流程圖

在本設計中，根據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的整定。在實際應用中，工程師們很少使用復雜的數學公式、算法來計算PID 參數，更多的是利用經驗來對PID 的參數進行整定。傳統的PID 經驗調節大體分為以下幾步：

●   關閉控制器的I 和D 元件，加大P 元件，使系統產生振蕩；

●   減小P，使系統找到臨界振蕩點；

●   加大I，使系統達到設定值；

●   重新上電，觀察超調、振蕩和穩定時間是否符合

系統要求；

●   針對超調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，如果能根據經典的齊格勒- 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，會對調試起很大的幫助作用。

經過多年的發展，Ziegler-Nichols 方法已經發展成為一種在參數設定中，處于經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，在此之后也可進行微調。Ziegler-Nichols 方法分為以下兩步：

●   構建閉環控制回路，確定穩定極限；

●   根據公式計算控制器參數。

實踐表明，在調試PID 控制器時，使用Ziegler-Nichols 法可以快速、精確地算出各參數，之后再配以微調便可以得到理想的效果。

2   系統調試

在系統整體調試中，繼電器輸出口外接一個300 W的小型加熱棒，通過加熱1 L 清水來檢測系統的準確性、穩定性和可靠性。人機接口主界面如圖6 所示。經調試，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往控制現場，控制現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場，提高了安全性。

圖6 主界面

通過系統調試，水溫控制效果如表1 所示。其中最小溫度和最大溫度是在實時水溫第1 次到達設置的水溫時起，實時水溫的最小值和最大值。

通過表1 可以看出，在40 ～ 80 ℃區間水溫能精確到±0.5 ℃以內，高于80 ℃時精度會有所降低，誤差在±1.1 ℃左右，精度能夠滿足要求。

3   結束語

系統通過實際操作驗證取得成功，從安全方面考慮，采用了控制現場和監控中心分離的設計思想，這樣即使設備發生故障也不會對操作人員造成人身傷害，優化了整個水溫監控過程。

參考文獻：

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（本文來源于《電子產品世界》雜志2021年11月期）