水温控制实验系统设计

吕淑平， 王 潇

(哈尔滨工程大学自动化学院，黑龙江哈尔滨150001)

0 引言

采用单片机MC9SXS128设计了1种水温控制系统，该系统用于学生实验课里，集成了3种温度传感控制方案，实验时学生可任选1种或几种。这样不仅增加了系统的灵活性，也更好地扩大了学生的知识面［1］。

1 系统总体设计

系统采用MC9SXS128为主控芯片，包含PT100电桥、PT1000阻值-频率变换及DS12B20数字芯片等水温测定方案。经PID算法得到控制量，通过脉宽宽度调制(PWM)、过零触发方法控制加热棒功率从而控制水温。水温控制实验系统结构图如图1所示。

图1 水温控制系统结构图

2 硬件设计及分析

2.1 执行部分

执行部分采用过零触发固态继电器和加热棒。

继电器输入控制端为3～32 VDC，输出端为5 A 380 V，50～60 Hz，加热棒功率为500～1 000 W。固态继电器通过过零控制，在设定时间间隔内，改变固态继电器内部晶闸管导通的周波数实现对加热棒功率控制，配合PWM模块可方便实现。图2是实验测得继电器全导通下加热棒对一定量水加热温度曲线。

2.2 传感部分

2.2.1 PT100 电桥方案

PT100铂电阻测温元件和R4、R5、可调电阻R6组成单臂电桥，TL431为电桥提供2.5 V稳定电压。由于执行部分过零触发工作频率太小(10 Hz)，出现低频干扰，系统加入2阶低通滤波电路消除低频干扰，截频率为21 Hz(水温变化正常不会超过这个频率)。2级放大输出直接连接单片机ADC0口，如图3所示。

2.2.2 PT1000铂电阻阻值频率变换方案

图2 继电器全导通下一定量水加热温度曲线

图3 PT100电桥方案电路

方案如图4所示，利用NE555时基电路实现多谐振荡器产生矩形波，频率和矩形波占空比只与相关电阻值有关。输出方波脉冲振荡频率为:

由于PT1 000阻值随温度变化，通过NE555得到1个近似线性的频率变化，利用MC9SXS128内部增强型捕获定时器ECT捕获该频率大小和矩形波高电平脉宽，得到频率与温度之间的关系。

图4 PT1000铂电阻阻值频率变换方案电路

2.2.3 DS18B20 数字芯片方案

电路如图 5所示，采用美国 DALLAS公司DS18B20，单总线接口方式。该方案为数字信号传送，抗干扰能力强，温度不必标定。

图5 PT100铂电阻阻值频率变换方案

3 软件设计

软件部分包括基于MC9SXS128的嵌入式和基于C++Builder 6平台设计的上位机软件编程。

3.1 嵌入式软件设计

软件采用C语言编程、模块化结构，各硬件模块对应相应软件模块。主函数首先对功能寄存器等进行配置初始化，包括CPU倍频、ADT初始化、SCI初始化、ECT初始化、PWM初始化等。流程图如图6所示。

3.1.1 增强型定时器捕获脉冲频率

通过ECT捕获N个矩形波上升沿或下降沿数量，并读出n=0和n=N时ECT定时器寄存器值存于Count［0］和 Count［1］中。因为定时器在自加过程中可能会溢出，这样在相减得到N个脉冲的时间内需要

图6 嵌入式软件流程图

判断是否溢出，同时保证在采集0～N过程中，不会发生定时器2次溢出情况，程序设计如下:

if(Count［1］＞ Count［0］)

{period=Count［1］-Count［0］;//N 个周期}

else if(Count［0］ ＞ Count［1］)//显然是溢出了 16 的定时器计数范围

{period=0xffff-Count［0］ +1+Count［1］;//处理溢出}

3.1.2 改进增量式PID算法

算法程序如下:

int Pid_cal(int SetTemp){

e=(int)(SetTemp-Temp);

//求出偏差量，其SetTemp为期望温度值

de=e-ePast;//求出微分量

ePast=e;//记录偏差信号

Out=(e+de*Kd)*Kp+ie/Ki;//PID运算

OutPast［1］ =OutPast［0］;

OutPast［0］ =Out;

ie=OutPast［1］+OutPast［0］;//求出积分值

if(ie＞30000)ie=30000;//限制积分值上限

else if(ie＜=0)ie=0;//不做低温积分

if(Out＞=16500)Out=16500;//输出值进行限幅

else if(Out＜0)Out=0;//小于0的输出不计算

return Out;}

算法参数的确定首先采用阶跃曲线法建立系统数学模型，再通过MATLAB仿真确定控制参数。阶跃曲线如图7，8所示，由曲线得到:y(t1)=0.39y(∞)，y(t2)=0.632y(∞)时的 t1和 t2值。

一阶惯性延时数学模型设为

求出:K=y(∞)/x0，T=2(t2－t1)，τ=2t1－t2。

经多次计算验证得到系统数学模型为:

图7 阶跃响应曲线

利用Matlab得到PID阶跃曲线，经调试获得控制参数 KP=120，KI=0.2，KD=20。

图8 PID阶跃跟踪结果

3.2 上位机软件编程

上位机采用Borland公司C++Builder 6.0，主要使用YbCommDevice串口控件、TChart图表绘制控件和TTimer控件等。上位机软件主流程图如图9所示。

3.2.1 串口控件YbCommDevice

YbCommDevice控件具有串口自动识别和选择、奇偶校验、数据位控制、停止位设置，并且可以设置调制解调器功能，如数据流控和自动应答等功能。设置界面如图10所示。

读取串口数据代码如下:

unsigned char Buf［8192］;//收到的字节数不会超过串口缓存的容量

AnsiString s;//AnsiString数据类型代表一序列的数据字，容量可从4 bytes到2GB

int n=YbCommDevice1-＞Read(Buf，8192);//收到 n 个字节

写串口数据代码如下:

YbCommDevice1-＞ Write(Buffer，nBytes);

Buffer表示待发送数据所在数组，nBytes表示所需发送的数据长度。

3.2.2 TTimer 实现多线程操作

使用TTimer控件实现多线程操作或称分时操作。方法是，使用多个TTimer，设置每个TTimer在没有其他任务时的触发时间。图11为2个TTimer同时工作的流程图。

图9 上位机软件主要流程图

图10 YbCommDevice控件设置界面

图11 两个TTimer同时工作流程图

4 结语

研制了基于MC9SXS128水温控制实验系统，与目前实验室现有的基于PLC过程控制实验系统相比，该系统制作简单、成本低。学生在掌握检测传感、过程控制等理论基础上，可进行建模及不同算法研究。

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