【项目分享】基于LPC54114的管道清理控制器

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Mouser电子智造创新大赛

三等奖 作品

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在各类管道型设备中，常需要周期性进行清洗，以便保持管道内的通畅或清洁来保证工作的正常运行。管道清洗控制器正是为解决此类问题的控制装置，其主要任务就是进行多时段的定时控制及对清洗剂的温度控制，并对工作环境的温湿度进行检测和显示。

▌基于平台
使用LPC54114开发板与传感器、固态继电器进行配合实现系统的采集及控制  

▌简介
本系统是基于NXP LPC54110微控制器的管道清洗控制器，该控制器的核心功能在于多时段的管道清洗控制及清洗剂的温度控制，并对工作环境的温湿度进行检测和显示。其整个设计过程包括系统的软、硬件设计及功能测试，涉及需求分析，器件采购，硬件连接，硬件调试，软件模块编写，软件模块测试，系统整体测试等开发调试过程。

▌系统方案
系统设计的整体思路是充分利用LPC54114开发板上的资源以简化设计的工作量及硬件成本，系统构成的模块图如图1所示。


△ 图1 系统构成图

由于管道清洗控制器的核心是多时段控制，故在系统计时方面直接使用LPC54114内部的RTC。此外，为了减少对GPIO资源的占用，在设计中对相关器件进行了特别的筛选，如所用的温、湿度传感器均为单总线可编程型器件，所用的显示器件则为I2C型OLED显示屏。在输出控制方面，则是选用固态继电器来取代传统的继电器，从而能够有效地提高控制器件的寿命及控制精度，其控制的对象有2个，一个是控制电泵来驱动清洗剂冲刷管道，另一个则是控制清洗剂的温度。在温度控制方面，是以电热管来提升清洗剂的温度，并与温度传感器构成闭路控制环。

▌系统硬件设计
在系统的硬件设计中，依照应用的要求可分为6个部分，即核心处理部分、计时控制部分、温度控制部分、温湿度检测部分、键入与显示部分及电源部分。

核心处理部分：由LPC54114来承担，并利用其内部的RTC作为多时段计时控制的基准，再通过固态继电器来控制清洗泵的工作状态。

温度控制部分：采用单总线的温度传感器DS18B20来采集清洗剂的温度，经与设定温度的比较再通过固态继电器来控制电热管加热。

温湿度检测部分：采用单总线的温湿度传感器DHT11来检测工作环境的温湿度状态并借助OLED屏来显示。

由于所用的传感器皆为单总线器件，故十分节省GPIO接口。

设计中所选用的OLED屏为I2C接口的显示器件，故可以有效地节省GPIO接口。在自行配置下字库的情况下，可实现中文的显示。

关键部分的原理图如下：


△图2 关键模块原理图

▌系统软件设计
系统软件处理流程图如下：


△图3 软件处理流程图

多时段控制算法介绍：
在该管道清洗控制器的设置中，多时段控制是其核心内容，它是以RTC为系统计时的基准。由于RTC无法为其单独配置后背电源，因此在开机后需进行RTC的校时处理。控制器以每日的24小时为运行周期，其中起点其运行周期的控制起点，按指定模式对冲洗速度进行PWM调节。在每日的运行周期中，又分为多个工作手段，由参数来设置，其中间隔时间是每次清洗工作的时间间隔，而时长则是每次清洗的工作时长，其时间要小于间隔时间，并已通过程序来限制。

▌系统创新
该系统设计的创新点在于充分利用LPC54114内部的RTC作为系统运行的时间基准，并通过按键来设置系统运行的相应参数来达到多时段控制；其次是使用传感器与固态继电器相配合来进行清洗剂的温度控制；此外还通过温湿度传感器来进行工作环境的检测。由于在设计中所采用的温、湿度传感器均为单总线可编程器件，因此能有效地降低设计的成本。

▌评测与结论
由于该系统的核心任务是进行多时段控制，因此在测试时间准确性时会十分耗费时间，为了有效地缩减测试时间，特采用了以分代时，以秒代分的测试法，从而达到了缩减测试时间的目的。

在清洗剂的温度控制方面采用了不锈钢封装的防水型DS18B20 数字温度传感器探头，其温度检测范围可达-20~120度，由于液体沸点多在100度以下，故能够满足检测的要求。此外，对固态继电器的使用也有利于增强系统的使用寿命和控制精度的提高，在配以PID调节算法的情况下，其控制精度能够达到+/-0.15度。

▌作品实物图


△ 硬件构成


△ 工作界面、参数设置界面、多时段控制、温度控制

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