基于SPCE061A的高精度多通道温度测量系统设计

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。