吉林大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院 王小雨

吉林大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 61251部隊(duì) 鄭 偉

吉林大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院 王一丁

基于AT89S52單片機(jī)的水溫控制系統(tǒng)建模與實(shí)現(xiàn)

吉林大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院 王小雨

吉林大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 61251部隊(duì) 鄭 偉

吉林大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院 王一丁

用基于AT89S52單片機(jī)的最小系統(tǒng)進(jìn)行溫度實(shí)時(shí)采集與控制是該設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容。溫度信號(hào)由DS1820溫度傳感器采集，控制器采用數(shù)字增量式PID算法，控制信號(hào)經(jīng)繼電器實(shí)現(xiàn)對(duì)水溫的控制。功率控制部分采用光電耦合器件和雙向可控硅組成開關(guān)電路控制功率電阻加熱，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)電和弱電完全隔離。

AT89S52單片機(jī)；PID；水溫控制

隨著控制理論和電子技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)控制器的高精度性要求越來越高。其中以單片機(jī)為核心實(shí)現(xiàn)的數(shù)字控制器因其體積小、成本低、功能強(qiáng)、簡(jiǎn)便易行而得到廣泛應(yīng)用。[1]而電加熱控制由于其具有升溫單向性、時(shí)滯性、時(shí)變性等特點(diǎn)，很難用傳統(tǒng)的模擬電路實(shí)現(xiàn)最優(yōu)控制。本文介紹了一種以AT89S52單片機(jī)為核心的最小控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)電阻爐溫度進(jìn)行智能控制。該系統(tǒng)通過數(shù)字增量式PID算法得出控制量，經(jīng)脈沖調(diào)制輸送給功率控制器，實(shí)現(xiàn)水溫控制。

1.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)以AT89S52作為控制核心，用溫度傳感器DS18B20作為測(cè)量反饋裝置，把實(shí)際水溫的數(shù)字量測(cè)量出來，再用單片機(jī)讀進(jìn)，在程序中與溫度設(shè)定值比較，差值經(jīng)過數(shù)字PID算法，算出相應(yīng)的加熱功率，通過控制加熱功率達(dá)到控制溫度的目的。系統(tǒng)的功能模塊如圖1所示。

其中，AT89S52單片機(jī)作為控制核心，根據(jù)溫度傳感器從熱水杯中讀取的溫度數(shù)據(jù)，以及人機(jī)交互界面得到的水溫設(shè)定值，結(jié)合一定的控制算法產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號(hào)，傳送給繼電器電路以控制電阻電爐的工作狀態(tài)，使水溫不斷逼近設(shè)定溫度。

2.系統(tǒng)模型建立

2.1 執(zhí)行器的模型建立

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

系統(tǒng)的執(zhí)行器電阻電爐，可由一個(gè)電阻R和一個(gè)純電感L來等效。電阻的發(fā)熱功率P的計(jì)算公式為：2Pi (t) R＝。

其中 i(t)與電源電壓 u(t)的關(guān)系可表示為：

對(duì)上式進(jìn)行Laplace變換，可得：

則加熱線圈的傳遞函數(shù)為：

標(biāo)準(zhǔn)化后得：

其中， Kv為執(zhí)行器增益， Tv為執(zhí)行器慣性時(shí)間常數(shù)。

2.2 干擾的模型建立

由于加熱過程中，水溫與室溫有一定的差異，必然由此產(chǎn)生散熱，當(dāng)溫差較大時(shí)，為了保證控制精度，這個(gè)熱量散失必須考慮進(jìn)去。

根據(jù)溫度耗散的物理學(xué)模型，可得散失熱量的表達(dá)式：Qs( t) ＝ Ks·S( Tw( t) － Th( t ))。

其中，S為被加熱水的上表面積， Tw( t)為水溫， Th( t)為室溫， Ks為比例常數(shù)。由于室溫變化相當(dāng)緩慢，可將室溫視為常數(shù)，由此可以得到水的溫度耗散功率：

2.3 被控整體的模型建立

對(duì)于被控對(duì)象水而言，加熱所得熱量可表示為： Qc＝ C · m · ΔT 。

其中，C為水的比熱，m為水的質(zhì)量，Δ T 為水溫變化量，同耗散的分析相似，執(zhí)行器的功率可表示為： Pc( s) ＝ Kd·STc( s)，其中，Kd＝C· m。

相對(duì)控制器而言，被控對(duì)象與干擾可合并為一個(gè)被控整體，它的傳遞函數(shù)可表示為：

2.4 控制器的模型建立

系統(tǒng)采用PID控制器，是因?yàn)樗哂休^強(qiáng)的魯棒性，能夠在較大范圍內(nèi)適應(yīng)不同的工作條件，同時(shí)又簡(jiǎn)單易用，因此得到了廣泛的應(yīng)用，其傳遞函數(shù)為：

從上式可以看出，為了實(shí)現(xiàn)PID控制器，必須結(jié)合給定的受控對(duì)象，精心確定控制器的3個(gè)參數(shù)：比例增益Kp、積分增益 Ki和微分增益 Kd。

3.系統(tǒng)電路實(shí)現(xiàn)

根據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以及模型建立過程可以看出該系統(tǒng)的硬件模塊主要包括水溫信號(hào)采集模塊、繼電器驅(qū)動(dòng)模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊、人機(jī)交互的串口通信模塊。數(shù)據(jù)顯示模塊采用三位動(dòng)態(tài)數(shù)碼管顯示，可以顯示3位十進(jìn)制數(shù)字水溫信號(hào)，數(shù)碼管與單片機(jī)的P00-P07和P20-P22相連。其中P20-P22為數(shù)碼管的位選控制信號(hào)，P0-P7為數(shù)碼管段驅(qū)動(dòng)信號(hào)；人機(jī)交互則使用MAX232芯片實(shí)現(xiàn)。通過單片機(jī)的P13、P14的IO口與單片機(jī)相連，完成串口通信的電平轉(zhuǎn)換工作，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與上位機(jī)的串口通信。[2]因此系統(tǒng)主要模塊為溫度采集模塊和繼電器控制模塊。

圖2 驅(qū)動(dòng)控制電路

3.1 水溫信號(hào)采集模塊

溫度采集由主控電路AT89S52單片機(jī)和Dallas公司的數(shù)字式溫度傳感器DS18B20組成的電路實(shí)現(xiàn)。DS18B20為3引腳封裝器件，分別為接地、電源和數(shù)據(jù)線，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、功耗小，可自行設(shè)定預(yù)警上下限溫度等優(yōu)點(diǎn)，它可將-55～125℃范圍內(nèi)的溫度值按9位分辨率進(jìn)行量化，其中包括一個(gè)符號(hào)位，工作電壓范圍為3.3～5.5 V。本系統(tǒng)采用單總線方式傳輸溫度信號(hào)可以大大節(jié)省單片機(jī)有限的端口資源，也簡(jiǎn)化了測(cè)溫網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，同時(shí)也增強(qiáng)了系統(tǒng)的擴(kuò)展能力。因?yàn)閱慰偩€通信具有獨(dú)特的電源和信號(hào)復(fù)合功能，僅使用一條口線、每個(gè)芯片唯一編碼并支持聯(lián)網(wǎng)尋址等特點(diǎn)。[3]

3.2 繼電器驅(qū)動(dòng)模塊

AT89S52是一個(gè)弱電器件，一般工作在5V[4]，接用來驅(qū)動(dòng)熱電爐，因此采用繼電器作為單片機(jī)與熱電爐之間的負(fù)載接入。驅(qū)動(dòng)控制電路如圖2所示

在圖2中，Moc3041是光藕，用它來驅(qū)動(dòng)雙向可控硅BTA16，控制雙向可控硅的通斷。BTA16是通用電子器件，工作電流為16A，耐壓400V、600V不等。由于加熱執(zhí)行器是電阻線圈，屬于感性負(fù)載，所以在開關(guān)器件上并上RC電路，作為保護(hù)電路并起加速導(dǎo)通關(guān)斷作用。R2、R3用于補(bǔ)償雙向可控硅，用R4限流保護(hù)MOC3041。JP1接控制端，VCC為+5VDC；JP2接220VAC，負(fù)載（LOAD）接在火線端（HEATPower）或零線端（NEUTRAL）均可。當(dāng)單片機(jī)的P1.6引腳置1時(shí)，MOC3061內(nèi)部發(fā)光管截止，其內(nèi)部雙向晶閘管關(guān)斷，外部大功率晶閘管控制極G沒有觸發(fā)電流，T1不導(dǎo)通，加熱器RL斷電。反之，當(dāng)P1.6引腳置0時(shí)，MOC3061內(nèi)部發(fā)光管導(dǎo)通，加熱器開始加熱。[5]

4.結(jié)束語

水溫控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法比較傳統(tǒng)，但如果要實(shí)現(xiàn)其無超調(diào)控制，可以在確定系統(tǒng)各參數(shù)的前提下，預(yù)先估計(jì)需求功率，快速而準(zhǔn)確地控制加熱功率的變化，實(shí)現(xiàn)無超調(diào)控制。此外，可以在軟件上實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自學(xué)習(xí)控制，根據(jù)系統(tǒng)自身對(duì)水溫的實(shí)際上升規(guī)律，來確定控制系統(tǒng)在各工作階段的控制參數(shù)。

實(shí)驗(yàn)證明，采用增量式PID算法實(shí)現(xiàn)的水溫控制系統(tǒng)具有運(yùn)行可靠、簡(jiǎn)單直觀、測(cè)溫、控溫精度高、等優(yōu)點(diǎn)，并且能夠獲得較好的控制效果，在實(shí)際生活以及工業(yè)生產(chǎn)中都具有較好的運(yùn)用價(jià)值。

[1]鄭成霞.基于單片機(jī)的軟件實(shí)現(xiàn)PID溫度控制系統(tǒng)[J].寧波職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào),2010.14(5):16-19.

[2]曾崢,吳新淮.基于AT89S52單片機(jī)的水溫控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].科技廣場(chǎng),2011(3):157-159.

[3]劉永春,張鋒,王秀碧.基于單片機(jī)的水溫控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].儀器儀表學(xué)報(bào),2008(8):331-333.

[4]李亞杰,何群.基于GSM的遠(yuǎn)程溫度監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].制造業(yè)自動(dòng)化,2009,17(6):1077-1079.

[5]于雷.基于單片機(jī)的水溫控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].長春大學(xué)學(xué)報(bào),2011(8),28-30.

王小雨（1986—），女，黑龍江齊齊哈爾人，吉林大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院碩士研究生在讀，主要研究方向：利用單片機(jī)和FPGA進(jìn)行電路的設(shè)計(jì)與開發(fā)。

王一?。?956—），男，吉林長春人，博士，吉林大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院教授，博士生導(dǎo)師，研究方向：紅外氣體傳感器的研究與開發(fā)。