基于Cortex-M0智能水温监控系统的优化

莫秀英 陈坤

摘 要：系统主要设计基于Cortex-M0智能水温监控系统的优化，主要增加了远程控制部分，用现场控制电路处理实时温度采集、加热控制；用远程控制电路处理实时水温的显示、PID参数的设置、数据的保存、时间的显示等信息，另外增加了打印模块，可以实时打印温度信息。现场控制与远程控制电路通过无线进行通信，实现了对水温的智能监控。

关键词：Cortex-M0；无线通信；现场控制；远程控制

0 引言

水温控制在工业生产和日常生活中都有着广泛的应用，如恒温饮水机、淋浴系统都要用到温度控制。工业生产中水温控制系统应用更为广泛，如锅炉以及为一些化学反应提供恒温的水浴环境等，都要求系统能提供稳定精确的温度控制。

然而，在实际生活和工业生产中，很多水温控制系统并不能满足人们的要求。从国内来看，虽然温控系统在各行各业的应用已经很广泛，但总体水平却不是很高。使用者也不能根据需要设定任意的温度，人机交互不够友好。安全方面，现在主流的温度控制系统都是现场进行控制，一旦设备出现故障，操作人员的安全就可能受到威胁。

系统是模型论证性实验，通过MCU控制小型加热杯的加热功率来精确控制水温，从而验证该水温监控系统方案的可行性。在设计该控制系统时，从安全方面考虑，采用了控制现场和监控中心分离的设计思想，即在需要对水温进行控制的地方设计一个控制中心，在远离控制现场设计一个可移动、便携式监控中心。这样即使设备发生故障也不会对操作人员造成人身伤害。

1 系统总方案

系统采用温度传感器测量水温，将数据传送给处理器，经处理后在显示屏上实时显示。当实时水温与用户设定的温度不相等时，系统将自动进行调节（加热或散热）。测得的数据可长久保存，掉电不丢失，且可以将数据打印出来。通过控制算法控制加热电路，使控制精度更高。系统如图1所示。

1.1 硬件电路设计

系统中采用温度传感器测量水温，将数据传送给处理器，经过处理后在显示屏上实时显示。当实时水温与用户设定的温度不相等时系统将自动进行调节（加热或散热）。测得的数据可长久保存，掉电不丢失，且可以将数据打印出来。通过控制算法控制加热电路，使控制精度更高。系统硬件设计如图2所示。

● MCU。选择Cortex-M0的LPC1114作为主控制器。

● 人机接口电路。采用串口屏作为显示屏，型号为ZTM480272S43-0WT。集成了4.3寸触摸真彩屏、简易串口指令控制功能于一身，内置中英文字库，支持大容量存储图片数据，为用户提供更为多样性、实用性的显示终端平台。

● 数据打印电路。使用MTP58-FT4B-T1微型热敏打印机模块。

● 数据存取电路。选用MX25L1606E作为存储介质。MX25L1606D与MCU通过SPI协议进行通信。

● 实时时钟电路。选择NXP公司的PCF8563，其没有内置晶振，因此硬件设计时需要提供32.768 kHz的时钟。

● 无线通信电路。采用nRF24L01无线通信模块通过SPI与MCU通信。

● 温度采集电路。采用温度传感器DS18B20，可以通过VDD引脚接入一个外部电源供电，或者工作于寄生电源模式，DS18B20通过单总线与MCU连接。

● 加热控制电路。采用电磁继电器控制大功率加热电路，控制电路（弱电流）接1、2脚，被控制电路（强电流）接5脚。当控制电路断开时，衔铁受弹簧的弹力作用与4接通，输出电路断开；当控制电路导通时，铁芯在周围产生磁场，将衔铁下吸至5，输出电路导通，从而达到小信号控制大功率电路的目地。

1.2 系统软件设计

系统软件采用模块化编程思路，每个功能模块的驱动程序和应用程序分开设计。驱动程序包括：串口屏底层驱动、I2C总线协议驱动、单总线驱动、SPI驱动等。应用程序包括：人机界面、实时时钟和无线通信等。后台监控系统和现场控制系统的总软件流程分别如图4、图5所示。

在本设计中，根据测得的温度信号通过控制算法算出所需的控制信号量，再根据该信号量来控制加热装置，从而达到精确控制温度的目的，系统中用的是增量式PID控制。

PID控制算法中的难点和重点是参数的整定。在实际应用中，工程师们很少使用复杂的数学公式、算法来计算PID参数，更多的是利用经验来对PID的参数进行整定。传统的PID经验调节大体分为以下几步：

● 关闭控制器的I和D元件，加大P元件，使系统产生振荡；

● 减小P，使系统找到临界振荡点；

● 加大I，使系统达到设定值；

● 重新上电，观察超调、振荡和稳定时间是否符合系统要求；

● 针对超调和振荡的情况适当增加微分项。

在实际应用中寻找I和D的值并非易事，如果能根据经典的齊格勒-尼古拉斯公式（Ziegler-Nichols，简称ZN法）来初步确定I和D元件的参数，会对调试起很大的帮助作用。

经过多年的发展，Ziegler-Nichols方法已经发展成为一种在参数设定中，处于经验和计算法之间的中间方法。这种方法可以为控制器确定非常精确的参数，在此之后也可进行微调。Ziegler-Nichols方法分为以下两步：

● 构建闭环控制回路，确定稳定极限；

● 根据公式计算控制器参数。

实践表明，在调试PID控制器时，使用ZieglerNichols法可以快速、精确地算出各参数，之后再配以微调便可以得到理想的效果。

2 系统调试

在系统整体调试中，继电器输出口外接一个300 W的小型加热棒，通过加热1 L清水来检测系统的准确性、稳定性和可靠性。人机接口主界面如图6所示。经调试，界面上的各个按键功能都正常，时间可读可改，温度设置完成后通过无线模块自动发往控制现场，控制现场开始工作并返回实时水温。nRF24L01无线模块通信距离最远能达到100 m，操作人员可远离控制现场，提高了安全性。

通过系统调试，水温控制效果如表1所示。其中最小温度和最大温度是在实时水温第1次到达设置的水温时起，实时水温的最小值和最大值。

通过表1可以看出，在40～80 ℃区间水温能精确到±0.5 ℃以内，高于80 ℃时精度会有所降低，误差在±1.1 ℃左右，精度能够满足要求。

3 结束语

系统通过实际操作验证取得成功，从安全方面考虑，采用了控制现场和监控中心分离的设计思想，这样即使设备发生故障也不会对操作人员造成人身伤害，优化了整个水温监控过程。

参考文献：

[1] 曾凤.基于STM32及PID-PWM的智能水温监控系统设计[J].成都工业学院学报.2019（6）：24-28.

[2] 甄丽靖.基于选择PID算法的供热系统水温智能控制方法[J].自动化应用.2020（11）：13-14.

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[5] 周立功.C程序设计高级教程[M].北京：北京航空航天大学出版 社，2012，17-28.

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