溫度控制無論在工業控制領域還是消費電子領域應用都非常廣泛，如工業控制中的鍋爐、加熱爐的控制，消費電子領域的熱水器、飲水機的控制。內部都涉及到溫度控制。且目前控制算法的豐富也為溫度控制提供了便利條件，應用較為普遍地有比例積分微分(PID)控制、模糊控制等。
1 系統硬件設計
本系統以SPCE061A為控制核心，包括傳感器電路、鍵盤和顯示電路、繼電器控制電路和UART通信電路4大模塊。利用SPCE061A自帶的10位A／D轉換器，結合PT100溫度傳感器完成對水溫的采樣，通過數字濾波等技術消除系統的干擾因素還原當前的溫度值，通過數碼管顯示出來，并且對采集到的溫度值進行PID運算處理．實現對水溫的控制。除此之外，系統還要實現PC機與單片機的上下位機通信功能，在PC機上實時顯示溫度加熱曲線。系統整體框圖如圖1所示。
1．1 SPCE061A核心控制器
SPCE061A是一款16位u'nspTM內核的微控制器，該微控制器不僅能夠實現基本控制功能同時還具有一些DSP功能。該芯片內嵌32k的Flas-hROM和2 k字的SRAM，同時還集成了ADC、DAC、AGC放大電路等，是一顆功能強大的SOC芯片。該芯片擁有8路10位精度的ADC，其中一路為音頻轉換通道，另外7路可作為普通的AD轉換通道。它可以實現簡單的加減運算，為了處理復雜的算術運算還添加了硬件乘法器，能夠進行n項內積運算。最高系統時鐘可達到49 MHz，較高的處理速度使SPCE061A能夠非常容易快速地進行復雜的算術邏輯運算。本系統所采用的是61板，而61板就是SPCE061的開發系統，61板除了具有單片機最小系統外，還有電源電路、音頻電路、復位電路和按鍵等。
1．2 傳感器電路
傳感器電路包括測量電橋和放大電路兩部分，如圖2所示。
本系統的溫度傳感器采用鉑熱電阻溫度傳感器PT100，鉑熱電阻的物理化學性能在高溫和氧化性介質中很穩定，它能用作工業測溫元件，且此元件線性較好，在0～100℃時，最大非線性偏差小于0．5℃。R2、R3、R和PT100組成傳感器測量電橋，為了保證電橋輸出電壓信號的穩定性，電橋的輸入電壓通過TL431穩至2．5 V。從電橋獲取的差分信號通過兩級運放放大后輸入單片機。電橋的一個橋臂采用可調電阻R3，通過調節R3可以調整輸入到運放的差分電壓信號大小，通常用于調整零點。
放大電路采用LM358集成運算放大器，為了防止單級放大倍數過高帶來的非線性誤差，放大電路采用兩級放大，如圖2所示，前一級約為10倍，后一級約為3倍。溫度在0～100℃變化，當溫度上升時，PT100阻值變大，輸入放大電路的差分信號變大，放大電路的輸出電壓AV對應升高。
1．3 鍵盤和顯示電路
鍵盤直接使用61板自帶的按鍵，不需要另外連接硬件即可使用。顯示電路采用LED鍵盤模組來實現，LED鍵盤模組采用DC 5 V供電，集成了LED、KEY、數碼管功能，作為SPCE061A外圍器件的擴展模塊來使用。LED模塊擴展了6位8段數碼管，最大顯示數據為999 999；有8個發光二極管，8個按鍵(可以組成1x8KEY也可組成2x4KEY)，1個電位器，可以提供0～5 V的模擬電壓信號或者0～3．3 V的模擬電壓，與模組輸入的VDD有關。鍵盤和顯示電路主要用來設定和顯示實時溫度。
1．4 繼電器控制電路
本系統的主要功率器件為一個交流220 V／1 000 W的電加熱器，采用繼電器來驅動該加熱器。繼電器選擇OMRONG6B—1174P型繼電器，該繼電器具有觸發電壓低(DC：5 V)，可控功率大(AC：8 A，250 V)，以及反應時間短等優點。采用NPN8050三極管驅動繼電器，當控制端Ctrl加載高電平信號時三極管導通，繼電器工作，當控制端Ctrl為低電平信號時三極管截止，繼電器停止工作。繼電器的周圍有續流保護電
路和工作指示電路，功率驅動部分電路如圖3所示。Ctrl為繼電器控制信號輸入端，通過單片機的IOA7控制。J2為控制加熱器的開關接口。
2 系統軟件設計
系統程序的控制思想：設置目標溫度后，系統采樣水溫，并通過預設溫度，當前溫度，歷史偏差等進行PID運算產生four輸出參數，通過該參數控制加熱時間，從而調節加熱器的平均功率，實現系統的PID控制。整體功能通過主程序和中斷服務程序配合實現。中斷服務包括IRQ5_2Hz中斷，IRQ5_4Hz中斷，IRQ2_TimerB中斷以及IRQ6_TMB2(1 024 Hz)中斷。這里主要介紹主程序流程和主要子程序流程。系統首先初始化I／O、TimerB、UART等部件，之后進入主循環，進行溫度采樣和相關處理。本系統軟件設計的核心思想就在于PID控制的實現，在系統運行過程中通過按KEY3鍵重新設置目標溫度。主程序流程如圖4所示。
2．1 A／D轉換子程序
A／D轉換：每間隔1s執行一次溫度采樣操作．每次采樣執行18次A／D轉換；在IRQ5_2Hz中斷服務程序中完成，IRQ5_2Hz用以提供1 s時間以確定AD采樣的時間間隔，A／D轉換子程序流程圖如圖5所示。
2．2 溫度PID控制的實現
本方案利用位置式PID算法，將溫度傳感器采樣輸入作為當前輸入，然后與設定值進行相減得偏差，然后再對之進行PID運算產生輸出結果four，然后讓four控制定時器的時間進而控制加熱器。IRQ2_TimerB提供溢出頻率為64 Hz的中斷信號，配合主程序的PID運算結果four確定加熱時間，實現加熱器功率調節，該部分子程序流程圖如下圖6所示。
3 系統運行性能測試
本系統的關鍵之處在于PID控制。對于PID系統來說，系統性能的好壞主要取決于PID控制的參數的設定。由PID控制原理知：比例(P)控制能迅速反應誤差，減小穩態誤差：比例作用的加大，會引起系統的不穩定。積分(I)控制的作用，只要系統有偏差存在，積分作用不斷地積累，輸出控制量以消除誤差；積分作用太強會使系統超調加大，甚至使系統出現振蕩。微分(D)控制可以減小超調量，克服振蕩，使系統的穩定性提高，同時加快系統的動態響應速度，減小調整時間，從而改善系統的動態性能。
本系統能夠實現的基本功能如下：
1)溫度的實時采集顯示：
2)對溫度的變化能夠做出及時的處理，能夠應用PID調節；
3)通過UART實現上下位機通信。并在上位機上顯示溫度的變化曲線。
在系統調試過程中，通過改變關鍵的PID系統參數Kp、Kd，觀察系統運行性能的變化，以使系統處于最佳運行狀態，以下是測試過程及測試結果。
1)Kp=1．5、Kd=1．0(溫升：20～40℃)對應的曲線如圖7所示，由圖形可以看出來，由于過大，造成超調量過大。
2)Kp=1．2、Kd=1．0(溫升：40～60℃)對應的曲線如圖8所示，由圖形可以看出來，由于過小，系統的快速性不好，反應比較遲鈍。
3)Kp=1．3、Kd=1．0(溫升：30～50℃)對應的曲線如圖9所示，由圖形可以看出來，由于過小，系統的超調量比較大，而且預測性不好，造成溫度長時間超調。
4)Kp=1．3、Kd=2．0((溫升：50～70℃))對應的曲線如圖10所示，由圖形觀察可知：選擇適中，系統的超調量很小，而且超調維持時間很短就會恢復平衡點。
通過以上幾次的測量曲線分析，最終選擇Kp=1．3、Kd=2．0。此時溫度控制指標如下：靜態誤差：T≤0．5℃；分辨率：0．1℃；超調量：T≤0.5℃。這樣的情況下，系統運行情況可以達到最好。
4 結論
基于16位單片機SPCE061A的DSP功能以及快速的處理能力，本系統的數據采集和運算處理十分的方便簡單，另外由于IDE支持標準的C語言函數庫，使得復雜的數學運算變得輕而易舉，大大減小了編程的難度。另外采用VC實現上下位機相互通信，在上位機直接顯示溫度的變化曲線，直接觀察控制的性能，并根據曲線適當的修改系統的PID參數，使控制達到最優化。