基于SPCE061A的高精度多通道温度测量系统设计

0 引 言
    温度的测量与控制在工农业生产、日常生活及科学研究中有着广泛的应用。由于常用温度传感器的非线性输出及一致性较差，使温度的测量方法和手段相对较复杂，也给电路的调试增加了难度。为此，设计了以台湾凌阳公司生产的SPCE061A 16位高性能单片机为系统控制核心。采用DALLAS公司的DS18820作为温度传感器的三通道高精度温度测控仪，该测控仪实现了温度数据和日期、时间的显示与保存；可输出显示三组温度和三路控制信号，具有故障和报警状态提示等功能，保证了测试的精度以及系统的可靠性和控制要求。

1 系统硬件设计
    多通道智能温度测控仪的硬件电路原理框图如图1所示，测控仪主要由SPCE061A单片机、温度传感器DS18B20和LCD显示电路、键盘电路、串／并转换电路、时钟电路等组成。

    微处理器是系统的核心，它控制测量过程，进行数据处理。它的设计和选用要考虑传感器的测量速度、精度、分辨率及数据处理能力等。对于集成传感器，设计微处理器(Microprocessor)的功能要适当，设计时既要考虑产品质量、可靠性，又要考虑降低成本，简化结构，满足芯片尺寸的要求。因此，选用SPCE061A作为系统微处理器。
    SPCE061A芯片是凌阳公司推出的一款高性价比的16位单片机，其主要特性为：工作电压：CPU的内核工作电压VDD=3．0～3．6 V，I／O口的工作电压VDDH=VDD～5．5 V；CPU时钟的频率为：0．32～49．152 MHz；内置2 Kword SRAM和32 KB闪存ROM；系统处于备用状态下(时钟处于停止状态)，耗电小于2μA@3．6 V；具备触键唤醒的功能；32位通用可编程输入／输出端口；2个16位可编程定时器／计数器(可自动预置初始计数值)；7通道10位电压模／数转换器(ADC)和单通道声音模／数转换器；2个10位数／模转换(DAC)输出通道；14个中断源可来自定时器A／B，时基，2个外部时钟源输入，键唤醒；具备串行设备接口；低电压复位(LVR)和低电压监测(LVD)功能；内置在线仿真(In-Circuit Emulation，ICE)。另外16位单片机具有一套易学易用、效率较高的指令系统和集成开发环境。在此环境中，支持标准C语言，可以实现C语言与凌阳汇编语言的互相调用。
1．1 温度数据采集
    温度数据采集电路选用Dallas公司生产的DS18B20。DS18B20是“一线总线”数字化温度传感器，测量温度范围为-55～+125℃，在-10～+85℃范围内，精度为士O．5℃。该器件只有3个引脚(即电源VDD、地线GND、数据线DQ)，不需要外部元件，一条数据线进行通信。设计系统检测温度范围设计为-10～+85℃，精度为0．2℃，已经能够满足绝大多数工作环境的要求；用9 b数字量来表示温度；每次将温度转换成数字量需时200 ms。在单总线工作方式下，允许一条信号线上挂接多个DS18B20，DS18B20都有惟一的ROM代码(64位产品序列号)。在多点温度测控系统中，ROM代码是识别和操作DS18B20的基础；无论读取，还是选择对某一个传感器进行操作，主机必须发送64位ROM代码。
    为了保证测试精度，系统设计了A，B，C三个温度采集通道，以便测试温度场分布较大的环境。当温度达到设定要求时，控制电路可以产生相应的控制动作，比如切断加热电源或者发出告警信号。DS18B20温度与转换数值之间的关系见表1。

1．2 人机接口
    系统键盘由SPCE061A的IOB5～8组成，它们分别是功能键、增加键、减少键、复位键。用来实现温、度上、下限及控制时间的设置功能。测控仪采用驱动128段LCD显示器，用于显示现场的温度值、时间、故障和报警状态。HT1621是一个128(32×4)段、内存映射、多功能、I2C接口的LCD驱动器。这里利用其两线串行模式与单片机接口，简化了与单片机的接口电路设计，并减少了硬件资源的占用。

2 系统软件设计
    主程序主要完成系统初始化、扫描键盘、温度采样并对采样数值进行运算、显示温度及控制输出等工作。主程序流程图如图2所示。定时器B用于定时控制采样的时间。系统设定采样周期为2 s，而控制周期为500μs。通过键盘设定控制温度数值，输入后做相应的数据备份，即将参数存入单片机SPCE061A内的FLASH ROM中。

    系统采用数字PID算法来提高系统的控制精度，PID用增量式表示为：

    由于温度响应具有迟滞性，属于一阶延时系统，若采用常规PID算法，控制效果不好，并且会出现较大的超调量。为了解决这一问题．设计采用积分分离PID算法，从实验结果来看，性能指标均有所提高。
    当被控量与设定值偏差较大时，取消积分作用；当被控量与设定值偏差很小时，加入积分作用，即系统启动、停止或大幅度改变设定值时，只用比例控制和微分控制，然后才加入积分控制，这样更有利于改善动态特性和消除静差。具体做法是：针对被控对象参量，设定一个偏差的门限e0，当过程控制中偏差e(n)的绝对值大于e0时，系统不引入积分控制，只用PD控制；当偏差e(n)的绝对值小于e0时，才引入积分控制，即采用PID控制。对计算公式的积分项，乘一个权系数μ，按式(3)取值：
μ=1，当|e(n)|≤e0

3 系统调试
    系统调试中，采用电加热器对1 kg水进行加热，DS18B20将温度信号变为数字信号，读入CPU，通过软件对温度数据进行校正，同时将所测温度在LCD上进行实时显示。根据系统程序控制，进行PID运算以及输出控制，最终由CPU给出控制加热回路的有效电压。PID参数整定：系统采用扩充临界比例度法来整定。
    通过实验测量，被控对象的纯滞后时间为20 s左右，因此选择采样周期为2 s。通过实测数据比较，选择控制度为1．2，采用PI控制，经过对参数进行微调，最后得出最佳PID参数，即KP=2．11，K1=0．043。在系统调试中实测数据表明，控制器平均控制精度在士0．2℃之内。表2为调试过程中3个通道的1次数据记录。从数据可以看出，当设定温度为80℃时，最后稳定温度为80．2℃，控制精度比较高。

4 结 语
    多通道温度测控系统采用抗干扰性能强，功耗低的SPCE061A16位单片机和一线式数字温度传感器DS18B20，使系统的硬件电路结构得到高度简化。软件采用高精度的PID控制算法，使测量及控制性能得到显著提高。经实际使用证明，具有测量精度高．硬件电路合理，性价比高，使用方便等特点，克服了传统温度仪测量精度低，电路复杂，调试及标定困难等缺点。该系统可应用到大部分温度、温差的高精度控制场合中。