陶躍進(jìn)　李雪純　廖冰潔　程望斌　梁娟　吳瓊　歐先鋒

摘要：針對(duì)目前中央空調(diào)系統(tǒng)存在的能耗高、調(diào)整不便等缺陷，基于單片機(jī)，設(shè)計(jì)了一套中央空調(diào)自調(diào)整溫度控制系統(tǒng)。以STC89C52硬件核心，輔以按鍵電路、DS18B20溫度采集電路、LCD顯示電路和加熱控制電路進(jìn)行硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)。同時(shí)提出了系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方案，使用KEIL 51進(jìn)行了功能模塊設(shè)計(jì)，采用Matlab實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的階躍響應(yīng)仿真，并通過(guò)PID控制參數(shù)設(shè)定完成了對(duì)加熱功率的控制。最后，對(duì)系統(tǒng)功能進(jìn)行了驗(yàn)證和分析。結(jié)果表明：該系統(tǒng)既可提高生活環(huán)境舒適度，又能提升能源利用率。

關(guān)鍵詞：溫控控制;STC89C52;DS18B20;PID控制

中圖分類號(hào)：TP23文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：2095-5383（2020）02-0036-04

Abstract： At present， the widely used central air conditioning system has the disadvantages of high energy consumption and inconvenient adjustment， so it is urgent to optimize the design. In this paper， a self-adjusting temperature control system of central air-conditioning was designed based on single-chip microcomputer. The hardware system was designed with STC89C52 as the core of the hardware， supplemented by button circuit， DS18B20 temperature acquisition circuit， LCD display circuit and heating control circuit. Then， the implementation scheme of the system software was proposed. The function module design was carried out with KEIL 51. The step response simulation of the system was realized based on Matlab， and the heating power was controlled by the PID control parameter setting. Finally， the system functions were verified and analyzed. The results show that the air conditioning temperature control system designed in this paper can not only improve the comfort of living environment， but also improve energy efficiency， and has certain social value and use value.

Keywords：

temperature control system; STC89C52; DS18B20; PID control

中央空調(diào)現(xiàn)被廣泛應(yīng)用到工業(yè)與民用建筑等領(lǐng)域，如各種大型商場(chǎng)、辦公樓等高樓大廈[1]，傳統(tǒng)溫控系統(tǒng)在控制溫度的同時(shí)，會(huì)消耗大量的電能，造成極大的能耗損失，為此對(duì)空調(diào)溫控系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)成為研究熱點(diǎn)。隨著社會(huì)的快速發(fā)展，人們對(duì)能源利用問(wèn)題也越來(lái)越重視。目前大量使用的家用電器都采用機(jī)械控溫，但這種控溫方式價(jià)格高昂，為此設(shè)計(jì)一種電子自動(dòng)化溫控系統(tǒng)具有較大的現(xiàn)實(shí)意義[2]。本文基于STC89C52單片機(jī)，設(shè)計(jì)了中央空調(diào)自調(diào)整溫度控制系統(tǒng)。基本思路是：利用PWM脈寬調(diào)制的加熱控制電路來(lái)控制系統(tǒng)輸出功率，采用溫度傳感器DS18B20及LCD1602液晶顯示屏，可將溫度設(shè)定在一定范圍內(nèi)，并根據(jù)設(shè)定的溫度進(jìn)行加熱系統(tǒng)調(diào)控，以實(shí)現(xiàn)溫度自動(dòng)控制。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)主要包含硬件設(shè)計(jì)模塊、軟件設(shè)計(jì)模塊、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)模塊3大模塊。系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)以STC89C52單片機(jī)為主控芯片，使用DS18B20溫度傳感器采集數(shù)據(jù)，LCD1602液晶顯示屏顯示溫度數(shù)據(jù)，按鍵電路進(jìn)行溫度設(shè)置，采用PWM脈寬調(diào)制的加熱控制電路來(lái)控制系統(tǒng)輸出功率，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自動(dòng)溫控調(diào)節(jié)。以溫度顯示報(bào)警程序和輸出控制程序設(shè)計(jì)進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)。采用PID控制器作為控制系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)溫控目的。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用STC89C52單片機(jī)作為主控模塊，并結(jié)合電源電路、復(fù)位電路、按鍵電路、LED顯示電路、報(bào)警電路、溫度傳感器DS18B20及加熱電路構(gòu)成了系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)。系統(tǒng)工作時(shí)，上電復(fù)位并初始化，人為設(shè)定溫度參數(shù)，傳感器采集室內(nèi)實(shí)時(shí)溫度并將數(shù)據(jù)傳輸至單片機(jī)，單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析后存儲(chǔ)。

電源電路具有高效率、高穩(wěn)定性、低成本等特點(diǎn)，采用通用USB接口供電，并使用按鍵開關(guān)控制電源的通斷。LCD1602溫度顯示電路采用字符型液晶顯示器，僅僅顯示ASCII碼字符，即數(shù)字、字母和符號(hào)等。其特點(diǎn)是體積小、功耗低、操作簡(jiǎn)單[3]。LCD1602主要用于進(jìn)行溫度參數(shù)和實(shí)時(shí)溫度的顯示。LED和蜂鳴器能顯示空調(diào)工作情況。DS18B20具有微型化、低功耗、高性能、抗干擾能力強(qiáng)、易配微處理器等優(yōu)點(diǎn)，可直接將溫度轉(zhuǎn)化成串行數(shù)字信號(hào)處理器處理[4]。通過(guò)對(duì)PID參數(shù)的解析來(lái)控制PWM脈寬信號(hào)，利用光耦隔離電路對(duì)脈寬信號(hào)進(jìn)行隔離并把控驅(qū)動(dòng)器的連通時(shí)間。用可控硅連接光耦輸出和加熱電路，實(shí)現(xiàn)低電壓控制高電壓的功能，提高了系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性和安全性。選用的雙向可控硅為BT138，用于交流開關(guān)和相位控制，通過(guò)控制其門極G的電平把控主電極的通斷實(shí)現(xiàn)開關(guān)。

系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)方案框圖如圖1所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要是由系統(tǒng)軟件程序設(shè)計(jì)方案、溫度顯示報(bào)警程序、輸出控制程序構(gòu)成。根據(jù)硬件需求對(duì)系統(tǒng)工作軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)。以實(shí)現(xiàn)溫度檢測(cè)、設(shè)定、輸出控制為目標(biāo)，系統(tǒng)工作流程如下：系統(tǒng)初始化復(fù)位，再通過(guò)按鍵改變所需的室內(nèi)溫度參數(shù)值，利用溫度傳感器采集數(shù)據(jù)并顯示溫度，與設(shè)定溫度進(jìn)行比較，加熱系統(tǒng)利用單片機(jī)輸出的PWM改變占空比控制。

溫度報(bào)警過(guò)程首先需要用戶通過(guò)按鍵設(shè)定溫度范圍，然后由溫度采集程序驅(qū)動(dòng)傳感器采集溫度值，得到溫度值后啟動(dòng)LCD顯示溫度，將實(shí)時(shí)溫度與設(shè)定溫度相比較是否超限，超限則啟動(dòng)聲光報(bào)警并返回，未超限則直接返回。

本次設(shè)計(jì)的溫控系統(tǒng)是非線性純滯后系統(tǒng)，因此系統(tǒng)的響應(yīng)慢于誤差的變化，需要利用微分項(xiàng)提前預(yù)測(cè)誤差變化并給與超前校正。設(shè)計(jì)中采取了增量式的PID控制算法，通過(guò)采集實(shí)時(shí)溫度數(shù)據(jù)與設(shè)定溫度數(shù)據(jù)比較，計(jì)算偏差后，根據(jù)偏差大小調(diào)節(jié)PWM占空比，達(dá)到控制功率的目的。系統(tǒng)軟件程序流程如圖2所示。

4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)控制方案

控制系統(tǒng)選擇閉環(huán)控制系統(tǒng)，由PID控制器以及被控制對(duì)象組成。

4.1 PID控制原理

PID是一種線性的控制器，其集比例、積分和微分的運(yùn)算于一體而形成獨(dú)特控制規(guī)律，又稱為比例-積分-微分控制器[5-7]。主要由3部分組成，分別是P比例單元（proportion）、I積分單元（integral）、D微分單元（derivative）。PID控制各模塊作用均不同，首先比例控制能使系統(tǒng)的響應(yīng)速度提高;積分控制能消除穩(wěn)態(tài)誤差，但也會(huì)增加系統(tǒng)的超調(diào)量;微分控制能使系統(tǒng)的響應(yīng)速度加快并降低系統(tǒng)超調(diào)量。PID控制基本原理模型如圖3所示。

4.2 單片機(jī)PWM的輸出控制

在控制系統(tǒng)中對(duì)輸出量的調(diào)控是最重要的，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的溫度控制系統(tǒng)輸出量是加熱功率。為更好控制加熱功率，在硬件部分采用光耦隔離雙向可控硅，再通過(guò)控制輸出的PWM脈寬調(diào)制占空比而調(diào)節(jié)輸出功率的大小。本次設(shè)計(jì)采用增量式PID算法，根據(jù)偏差大小調(diào)節(jié)PWM占空比，達(dá)到輸出控制功率的目的。系統(tǒng)上電初始化后，首先設(shè)定溫度參數(shù)，系統(tǒng)采集實(shí)時(shí)溫度數(shù)據(jù)后，數(shù)據(jù)傳輸至單片機(jī)進(jìn)行溫度比較并計(jì)算實(shí)時(shí)溫差，若溫差高于3 ℃，則系統(tǒng)輸出PWM開始運(yùn)轉(zhuǎn)，以最高加熱功率工作;若溫差在3 ℃以內(nèi)，系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)入PID控制程序。PWM程序PID控制算法流程圖如圖4所示。

4.3 溫控仿真模型的建立

在控制系統(tǒng)應(yīng)用中，基本的控制規(guī)律有PI、PD、PID、超前、滯后、前饋等。相較于PI控制器，PID控制器可以進(jìn)行微分運(yùn)算，既能加快系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)，又能提高系統(tǒng)的控制精度。本次設(shè)計(jì)的溫控系統(tǒng)是非線性純滯后系統(tǒng)，因此系統(tǒng)的響應(yīng)慢于誤差的變化，需要利用微分項(xiàng)提前預(yù)測(cè)誤差變化并給與超前校正。PID控制器比PD控制器多一個(gè)積分環(huán)節(jié)，可用來(lái)消除自控系統(tǒng)產(chǎn)生的穩(wěn)態(tài)誤差，以提高控制精度。PID控制器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便等優(yōu)點(diǎn)，因此在工程上得到廣泛應(yīng)用。

5 Simulink仿真分析

控制器參數(shù)的整定是設(shè)計(jì)控制器控制參數(shù)的必要過(guò)程，即通過(guò)對(duì)系統(tǒng)的比例、積分、微分控制系數(shù)優(yōu)化以便符合系統(tǒng)的特性參數(shù)。

控制器的參數(shù)整定方法有兩大類：

1）理論值計(jì)算整定法?；谙到y(tǒng)的控制模型和控制性能，采用理論值計(jì)算的方法確定PID控制參數(shù)。

2）工程整定。在控制參數(shù)方面，我們基于工程經(jīng)驗(yàn)然后作用于控制系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)，進(jìn)而得到最優(yōu)結(jié)果。該設(shè)計(jì)選用特性為一階純滯后溫控系統(tǒng)的控制模型，并采用齊格勒—尼克爾第二設(shè)計(jì)方法進(jìn)行理論值Simulink仿真，模擬實(shí)際得到優(yōu)化曲線，進(jìn)而確定符合的控制系統(tǒng)性能要求的最佳參數(shù)。齊格勒—尼克爾第二設(shè)計(jì)方法如表1所示。

系統(tǒng)程序編寫后燒錄到單片機(jī)可以正常運(yùn)行。LED燈與蜂鳴器能正常運(yùn)行，LCD1602能顯示檢測(cè)的實(shí)時(shí)溫度和設(shè)定的溫度參數(shù)，按鍵可調(diào)節(jié)設(shè)定溫度參數(shù)。通過(guò)仿真能得到PI、PD和PID控制響應(yīng)曲線如圖6所示。

圖6的仿真結(jié)果表明控制效果較好，基本可達(dá)到響應(yīng)快速、微分超前校正等效果。另外還增強(qiáng)了系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性、減小了超調(diào)量與穩(wěn)態(tài)誤差。

6 系統(tǒng)測(cè)試與功能實(shí)現(xiàn)

6.1 硬件電路調(diào)試

本文使用實(shí)驗(yàn)板進(jìn)行焊接調(diào)試。硬件電路焊接時(shí)需重點(diǎn)注意2點(diǎn)：1）首先焊接最小系統(tǒng)，再焊接其余外圍電路。2）根據(jù)原理圖保證各電路和MCU芯片I/O口對(duì)應(yīng)的連接一致，使后續(xù)程序便于調(diào)試。

6.2 系統(tǒng)軟件調(diào)試

系統(tǒng)硬件電路焊接完畢后按順序開始軟件調(diào)試：1）調(diào)試單片機(jī)最小系統(tǒng)。對(duì)單片機(jī)最小系統(tǒng)進(jìn)行燒錄讀寫操作，監(jiān)測(cè)最小系統(tǒng)能否正常運(yùn)行。2）控制系統(tǒng)按鍵、LED燈和蜂鳴報(bào)警器，在程序中錄入I/O命令，監(jiān)測(cè)按鍵、LED燈與蜂鳴報(bào)警器能否正常運(yùn)行。3）對(duì)LCD1602進(jìn)行讀寫操作，利用程序控制LCD1602顯示所需數(shù)據(jù)，監(jiān)測(cè)LCD1602能否運(yùn)行正常。4）對(duì)DS18B20溫度傳感器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)操作，測(cè)溫度采集電路能否正常運(yùn)行。5）監(jiān)測(cè)電路能正常運(yùn)行后再進(jìn)行系統(tǒng)程序編寫調(diào)試。系統(tǒng)程序編寫后燒錄到單片機(jī)可以正常運(yùn)行，系統(tǒng)上電初始化后工作界面如圖7所示。

在圖7中，LED燈與蜂鳴器能正常運(yùn)行，LCD1602能顯示檢測(cè)的實(shí)時(shí)溫度和設(shè)定的溫度參數(shù)，按鍵調(diào)節(jié)設(shè)定溫度參數(shù)。同時(shí)檢測(cè)光耦隔離電路輸出端口波形能得到一個(gè)穩(wěn)定正弦波，達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)效果，而且所得正弦波頻率能隨溫差變化而變化，進(jìn)而也說(shuō)明了系統(tǒng)PID控制程序能正常工作，輸出PWM脈寬調(diào)制控制加熱功率。

7 總結(jié)

文中設(shè)計(jì)的系統(tǒng)采用的控制核心元件是STC89C52單片機(jī)，利用DS18B20溫度傳感器采集實(shí)時(shí)溫度并顯示在LCD1602，設(shè)計(jì)光耦隔離電路控制高壓加熱功率，并通過(guò)編程計(jì)算輸出達(dá)到PID控制的目的。文中系統(tǒng)具有控制性好、電路簡(jiǎn)易穩(wěn)定、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)。此外系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有反應(yīng)靈敏、溫控精度高、控制單元體積小和成本低等值和市場(chǎng)應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)：

[1]殷斌.基于單片機(jī)的溫度控制系統(tǒng)的研究[J].?機(jī)電工程，2015，32（6）：887-890.

[2]陳勇，許亮，于海闊.基于單片機(jī)的溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].?計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2016，24（2）：77-79.

[3]齊磊.基于AT89C52單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[D].?呼和浩特：內(nèi)蒙古大學(xué)，2013.

[4]LIU， JUN Z.?Multi point temperature measurement system based on DS18B20[J].?Advanced Materials Research， 2013（756-759）：556-559.

[5]郝少杰，方康玲.基于模糊PID參數(shù)自整定的溫度控制系統(tǒng)的研究[J].?現(xiàn)代電子技術(shù)，2011，34（7）：196-198，204.

[6]程志楊.基于單片機(jī)的PID控制算法系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].?科學(xué)導(dǎo)報(bào)，2015（15）：219-220.

[7]杜井慶，高世橋，羅創(chuàng)，等.基于PID算法的控制量按任意函數(shù)變化的一種控制方法[J].儀器儀表學(xué)報(bào)，2011，32（6）：1317-1323.