基于C8051F040单片机的温度遥测遥控系统

0 引言

　　温度遥控遥测是远程实现对温度的测量与控制，特别适合那些环境恶劣，测量人员不容易接近的场合，近年来在工农业生产中应用广泛。根据遥控遥测系统的特点，提出了对水温遥控遥测的设计方案。

　　1 总体方案设计

　　温度遥控遥测系统主要由微处理器系统、测温模块、加热模块、通信模块、液位模块以及上位机软件等组成。系统构成如图1所示。

　　测温模块测量液体温度后，把温度数值发送给微处理器，当温度变化达到一定值后，加热模块开始加热，首先可以在设定的时间内，加热到设定的温度并稳定在该温度一段时间。系统还可以按照设计好的各温度节点进行分段折线加热，精度很高。测液位模块实时测量液体液位，并传给微处理器。系统通过两个通信模块实现遥测遥控，上位机设好温度参数后，通过通信模块传给远处的微处理器，微处理器按照上位机设定好的温度控制加热模块进行加热，同时微处理器把液体温度和液位高度通过通信模块传给上位机软件，通过上位机软件界面可以实时显示和监测液体温度和高度。显示模块把系统的温度、高度等各项数据实时显示在液晶屏幕上。

　　程序采用PID算法，建立比例、积分、微分数学模型，控制TCA785移相触发器正负触发可控硅BAT-20对受热物质加热。移相触发双向可控硅调压精准，无级调压，较好地融合了超调和加热时间之间的矛盾；遥感遥测使用PTR-2000与上位机通信，在0到100℃范围内可任意设定、控制水温。PTR- 2000通信距离远，准确率高，PC机界面实时显示温度曲线，温度、液位上下限设定。并具有温度曲线采样率设定、温度曲线打印功能。

　　2 硬件设计

　　系统硬件主要由C8051F040单片机最小系统、PTR2000无线通信模块、TCA785移相调压控制模块、Ptl00测温模块、WDK505测液位模块等组成。

　　2．1 C8051F040单片机最小系统

　　最小系统以单片机C8051F04O为核心，包括晶体振荡电路、复位电路、抗干扰电路、电压基准电路和电源部分。C805lF040单片机是美国 Cygnal公司生产的完全集成的混合信号系统级芯SoC。它具有64kB Flash、4352BRAM、CAN控制器2．0、两个串行接口、5个16位定时器、12位A／D转换器、8位A／D转换器及12位D／A转换器等，它内部还带有JTAG接口，使调试变得非常方便。

　　2．2 PTR2000无线通信模块

　　该器件将接收和发射合接为一体，工作频率为国际通用的数传频段433MHz；采用FSK调制／解调，可直接进入数据输入／输出，抗干扰能力强。该模板块在内部集成了高频接收、PLL合成、FSK调制／解调、参量放大、功率放大、频道切换等功能。通信距离可以满足设计要求，设计电路中将PTR2000的一部分通过MAX232进行电平转换后与计算机串口连接，另一部分与最小系统连接。

　　2. 3 TCA 785移相调压控制模块

　　加热模块采用移相触发集成触发器来实现。触发器TCA785过零点的识别能力高，移相范围更宽，输出脉冲的整齐度更好，可使受控元件在0V到220V无级改变，常用于对精度要求高，受控环境恶劣的条件下。移相触发是通过改变电压调节导通角来实现调压，负载两端的电压及平均功率是随移相触发角的变化而变化的。在可控硅的每个正或负的周期中都有保持通、断的部分，即输出连续可调，能适应各种性质的负载。本系统为加热单元设置了总控开关，上位机可直接控制开关的通断，用灯泡显示开关状态。其控制原理图见图2。

　　2．4 Ptl00测温模块

　　Ptl00温度传感器为正温度系数热敏电阻传感器，具有抗振动、稳定性好、准确度高、耐高压等优点。铂热电阻的线性较好，在0到100℃之间变化时，最大非线性偏差小于0．5℃。铂热电阻阻值与温度关系为：

　　式中，A=0．00390802；B=-0．000000580；其阻值表达式可近似简化为：Rpt00=100×(1+At)，当温度变化 1℃，Ptl00阻值近似变化0．39 Ω。

　　2．5 WDK505测液位模块

　　采用WDK505压力变送器测量液位。该仪器具有防结露、防雷击设计，抗干扰能力强，长期稳定性好等优点。芯片置于全不锈钢壳体内坚固密封，可靠性好，精度高。

3 软件设计

　　此系统的主要任务是对C8051F040芯片的初始化和各种参数的设置和通信，并显示。重点是超调量控制、温度控制PID实现以及上位机软件的编写。

　　3．1 超调量控制

　　实验表明，水温控制系统中，采用一般的控制始终具有较大的超调，只能靠自然冷却，这就使得调节时间大大延长。因此，在水温控制系统中要缩短调节时间，就必须做到基本无超调。通过反复实验，采用在程序中加入PID算法以及模糊控制方法进行温度控制。实践证明，这种控制方式可以加快系统阶跃响应，减小超调量，并且具有较高的温度控制精度。