多功能水温控制系统

凌杰　徐俊南

[摘要]本文主要介绍了利用单片机实现温度控制系统的设计过程，在系统构建时选取了凌阳科技公司提供的一新款产品SPCE0614A芯片作为该控制系统的核心。由P1000和电压放大电路提供温度信号，通过PID算法实现对电炉功率和水温控制，使用SSR固态继电器作执行部件，使系统静态误差降低到最小。本次设计还充分利用了SPCE361A单片成熟的语音处理技术（具有较高的处理速度，能够快速地处理较复杂的数字信号）和PC机的图形处理功能，来实现了语音播报温度和打印温度变化曲线的要求。

[关键词]SPCE061A 单片机 Pt1000 SSR

1.方案设计与论证

本文要求设计制作一个水温控制系统，控制对象为1升净水，容器为搪瓷器皿，水温可以在范围内由人工设定，并能在环境温度降低时，实现自动调整，以保持设定温度基本不变。

静态控制精度为0.2摄氏度。并具有较好的快速性与较小的超调，以及十进制数码管显示、温度曲线打印、语音播报温度等功能。题目对控制温度要求较高，对调节时间和超调量也有要求，因而必须要用释放的控制算法，另外，还需要显示水温和打印水温变化曲线等。

2.总体方案设计

用单片机系统来实现。单片机软件编程灵活、自由度大，可用软件编程实现各种控制算法和逻辑控制。单片机系统可用数码管显示水温的实际值，能用键盘输入设定值，并可实现打印功能。本方案可选用SPCE061A单片机（内部含有KB的EEPROM），不需要外扩展存储器可使系统整体结构更为简单。

2.1驱动控制部分

此方案采用SPCE061A单片机实现。SPCE061A单片机除具有体积小，集成度高、易扩展、可靠性高、功耗低、结构简单、中断处理能力强等特点外，内置8路ADC，2路DAC。在实现控制系统中，采用SPCE061A为前端采集单元，具有较好的同步性和实时性。而且SPCE061A单片机内嵌32K字闪存FLASH，处理速度高，集成开发环境中，配有很多语音播报系数，实现语音播报极为方便，另外，比较方便的是该芯片内置在线仿真、编程接口，可以方便实现在线调试，这大大加快了系统的开发与调试。

2.2测量部分

任何温控制系统首先要采用温度传感器将温度转化为电信号，因此测温传感器的选择是系统设计必不可少的考虑问题。

采用温度传感器铂电阻Pt1000，由于铂电阻的物理和化学性能在高温和氧化介质中很稳定，价格又便宜，常用作工业测量元件。以铂电阻温度计作基准器，此元件线性较好，在0-100摄氏度时，最大非线性偏差小于0.5摄氏度。

2.3控制算法确定

控制算法即控制器的操作方式，是控制器对过程变量的实测值与设定值之间的误差信号的响应。温度控制在工业领域应用非常广泛，由于其具有工况复杂、参数多变、运行惯性大、控制滞后等特点，它对控制调节器要求较高。温度控制不好就可能引起生产安全，产品质量和产量等一系列问题。因此长期以来国内外科技工作者对温度控制器进行了广泛深入的研究，产生了大批温度控制器，如性能成熟应用广泛的PID调节器、智能控制PID调节器、自适应控制等。此处主要对一些控制器特性进行分析以便选择适合的控制方法应用于改造。

PID在温度控制中已使用数十年，是一种成熟的技术，它具有结构简单、易于理解和实现，且一些高级控制都是以PID为基础改进的。温度PID调节器有三个可设定参数，即比例放大系数、积分时间常数、微分时间常数。对一个控制系统而言，合理地设置这三个参数可取得较好的控制效果。

3.系统硬件设计

该系统设计目的为一实验系统，其控制对象为1L净水，容器为搪陶瓷皿，加热器为1千瓦电热炉。为实现系统设计要求，经过方案设计与论证，该系统采用了如下设计方案：

（1）采用凌阳十六位SPCE061A型单片机实现温度控制，能使系统电路简单，可靠性高。

（2）由Pt1000和电压放大电路提供温度信号。

（3）通过PID算法实现对电炉功率和水溫控制。

（4）利用凌阳十六位SPCE061A型单片机的特性来实现温度数字语音播报。

（5）借助PC机图形处理功能进行温度变化曲线的打印。

4.结束语

本系统以SPCE061A芯片为核心部件，由于SPCE061A的时钟最高可达49M，32个I/O口，而且具有一定的语音处理功能等，这些都为我们实现电路提供了非常便利的条件。同时也因为开发环境友好，易用，方便同时配有语音播放函数，这些大大加快系统开发设计。因此本系统利用了其完善的内部结构、优良的性能和强大的中断处理能力，使系统电路结构简单、程序简短、功耗低、可靠性高。同时还充分利用了SPCE061A单片机成熟的语音处理技术和PC机的图形处理功能，来实现了语音播报温度和打印温度变化曲线的要求。