基于瑞萨微控制器的温度控制系统设计

摘要：为了提高传统温度控制系统的性能，将PID控制理论与嵌入式系统相结合，采用瑞萨电子公司的H8S／2166作为核心处理器，AD公司的AD7705以及热敏电阻温度传感器作为温度检测单元，利用4x6小键盘、LCD显示器和S1D13305液晶控制器达到良好的人机交互，设计出了一个应用于化工领域的嵌入式实时温度控剞系统。相比于传统温度控制系统，该系统提供了更强的计算能力和可扩展能力，采用增量PID控制算法实现复杂控制。通过实验，该系统能达到0．1℃的温度控制精度以及小于120 s的温度稳定时间。
关键词：温度控制系统；嵌入式；Renesas微控制器；PID控制器

温度的测量及控制在社会生产生活中有着广泛的应用，而在石油、化工、电力、冶金等重要工业领域中则担负着极其重要的测控任务，温度测控的及时、准确，直接关系到生产效率和作业安全。伴随着科技的快速发展，以51单片机为核心的智能测控系统得到了广泛的应用，基本上满足了大部分的需求，但是对于一些要求测量精度高、控制精度高、实时性要求高、系统复杂的温度控制系统，单片机就不能满足要求了，这就要求高精度和高速度的处理器。
本文提出一种基于Renesas H8S／2166徽控制器的温度控制系统的设计方案，通过4×6小键盘和128x64 LCD显示器提供良好的人机交互能力。该系统能有效地应用于化学反应温度控制系统，可提供一种自动化、安全，实时的测控方式。

1 系统硬件组成
系统主要由输入输出设备(键盘和LCD)，步进马达送液泵，温度传感器和Renesas H8S／2166微控制器构成。系统模块图如图1所示。

1．1 微控制器
Renesas H8S／2166是由瑞萨电子公司开发的16位微处理器，能很好的向上兼容H8／300和H8／300H系列的微处理器，拥有16个16位的通用寄存器，65条基本指令，以及各种外围设备及接口，诸如8位计时器，16位计时器，PWM，数据传输控制器，看门狗，异步或时钟同步串行通信接口(SCI)，I2C总线接口，LPC接口，8位D／A转换器和10位A／D转换器。
1．2 温度传感器模块
温度传感器模块是一个较为核心的模块，采用热敏电阻温度传感器，温度精度为0．1℃。并且为了提高转换精度，使用了一个外部的16位A／D转换器AD7705。
AD7705是美国AD公司推出的16位∑-△A／D转换器。器件包括由缓冲器和增益可编程放大器(PGA)组成的前端模拟调节电路、∑-△调制器，可编程数字滤波器等部件。能直接将传感器测量到的多路微小信号进行A／D转换。PGA可通过指令设定，对不同幅度的输入信号实现1、2、4、8、16、32、64和128倍的放大，因此AD7705芯片既可接受从传感器送来的低电平输入信号，亦可接受高电平信号。它的输出速度同样可由指令设定，范围由20～500 Hz。这种器件还具有高分辨率、宽动态范围、自校准、优良的抗噪声性能以及低电压低功耗等特点，非常适合仪表测量、工业控制等领域的应用。它采用三线串行接口，有两个全差分输入通道，能达到0．003％非线性的16位无误码数据输出，其增益和数据输出更新率均可编程设定，还可选择输入模拟缓冲器，以及自校准和系统校准方式。工作电压3 V或5 V。3 V电压时，最大功耗为1 mW，等待模式下电源电流仅为8μA。
电路图如图2所示，Pt100即为热敏电阻温度传感器。