闞永彪

摘要：為實(shí)現(xiàn)特定環(huán)境下的水溫調(diào)試功能，此研發(fā)系統(tǒng)使用PID算法的單片機(jī)調(diào)試功能。此系統(tǒng)采用STC89C52單片機(jī)作為系統(tǒng)的控制核心，并采用軟件編程，將PID算法與電力電子技術(shù)相結(jié)合以此控制PWM波的產(chǎn)生，繼而控制有加熱功能的電子器件來(lái)進(jìn)行溫度的控制，并需要以對(duì)各項(xiàng)參數(shù)的計(jì)算調(diào)整來(lái)寫出單片機(jī)各項(xiàng)程序，用來(lái)提升溫度的增長(zhǎng)速率等各項(xiàng)其他能力。

關(guān)鍵詞：PID算法 單片機(jī) PWM波 溫度控制

一、水溫調(diào)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)必要性

溫度控制，在很多場(chǎng)合下是確保生產(chǎn)過(guò)程及其他過(guò)程的順利進(jìn)行的基礎(chǔ)，可以更好地提高生產(chǎn)效率，節(jié)約資源能源。對(duì)于溫度信息的嚴(yán)格掌握和把控是很多生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)的重要步驟之一。一個(gè)合格的溫度檢測(cè)系統(tǒng)應(yīng)該具有從計(jì)算、測(cè)量以及調(diào)整等步驟再到通過(guò)控制電子器件的加熱功率以實(shí)現(xiàn)水溫控制為結(jié)束的全過(guò)程。

由于現(xiàn)在國(guó)內(nèi)外的市場(chǎng)上銷售的溫度控制系統(tǒng)基本是運(yùn)用模電加數(shù)字化電路組成，會(huì)有可控制性能差，電路復(fù)雜，外界環(huán)境影響較大，工作產(chǎn)生噪音等缺點(diǎn)。為了改善這些缺點(diǎn)，通過(guò)更加智能且便捷的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)水溫調(diào)試的功能，我們用AT89C51單片機(jī)作為系統(tǒng)核心，將PID算法加入單片機(jī)運(yùn)行中而構(gòu)建出溫度控制的專屬系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)水溫調(diào)試。

二、設(shè)計(jì)要求及主要內(nèi)容

（一）基本要求

人工設(shè)定在一千瓦的電熱爐在加熱一升水時(shí)有可控范圍，在外界環(huán)境的溫度變化時(shí)可以自主地進(jìn)行調(diào)整為最初設(shè)定范圍，保證系統(tǒng)初始溫度趨于初值。

（二）主要性能指標(biāo)

1.設(shè)定溫度的范圍在20～70℃。

2.若外界環(huán)境溫度變化，則內(nèi)部的溫度變化精度要小于等于0.1℃。

3.用十進(jìn)制數(shù)碼管顯示水的溫度。

（三）拓展功能

1.運(yùn)用合適的控制方法，在設(shè)定的溫度發(fā)生突變時(shí)，盡量以較少的時(shí)間恢復(fù)或者調(diào)整到溫度變化的初值。

2.溫度控制的靜態(tài)誤差小于等于0.2℃。

三、系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

（一）水溫控制系統(tǒng)總體框圖。

該框圖是水溫控制系統(tǒng)的主要運(yùn)轉(zhuǎn)模式，其主要分為溫度采樣轉(zhuǎn)換器、溫控電路、顯示電路以及STC89C52控制系統(tǒng)等四部分組成。

（二）總體方案設(shè)計(jì)

將單片機(jī)STC89C52作為系統(tǒng)的核心。單片機(jī)處理器可以在處理調(diào)整溫度的同時(shí)保證溫度穩(wěn)定，而且STC89C52編程簡(jiǎn)單，控制穩(wěn)定且靈活，能夠讓系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的溫度的控制及顯示，也可以利用軟件編程達(dá)到其他控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)。在溫度采樣部分我們采用數(shù)字溫度傳感器DS18B20。DS18B20在是通過(guò)一總線結(jié)構(gòu)去采集或者控制溫度，有經(jīng)濟(jì)實(shí)用，精度較高，采集速度快等適用于本系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)。DS18B20測(cè)量范圍為-55℃～+125℃，在-10℃～+85℃范圍內(nèi)。它自身內(nèi)部有ROM，溫度傳感器和其他寄存器，可直接進(jìn)行溫度的采樣和數(shù)字轉(zhuǎn)換，可以不用外接電路?？刂齐娐凡糠治覀兪褂肧TC89C52單片機(jī)。此單片機(jī)內(nèi)部擁有內(nèi)部存儲(chǔ)器和不同功能的各類寄存器額，且其I/O較多，便于控制電路的搭建。在加熱和功率電路方面可采用可控硅控制加熱器?？煽毓杓訜岬膶?dǎo)通關(guān)斷可以實(shí)現(xiàn)控制加熱的原理，可以使用在單片機(jī)控制下的PWM波的產(chǎn)生來(lái)控制可控硅晶閘管的導(dǎo)通關(guān)斷，這樣做還可以提高加熱效率，使溫度控制更加準(zhǔn)確。

四、硬件電路設(shè)計(jì)

（一）溫度采樣轉(zhuǎn)換電路

我們所設(shè)計(jì)的溫度采集和轉(zhuǎn)換電路由DS18B20芯片為核心，DS18B20的溫度采集范圍在-55℃～+125℃，并且在-10℃～+85℃范圍中，無(wú)需備用電源。該芯片采用單總線通信技術(shù)，通信功能穩(wěn)定不移，且電路不會(huì)復(fù)雜，所以方便于實(shí)現(xiàn)電路搭建。

DS18B20可以在采集并讀取的同時(shí)，還可以直接與單片機(jī)進(jìn)行通信，高效地直接輸出數(shù)字量，設(shè)計(jì)的重點(diǎn)放在單片機(jī)控制核心即可。

（二）溫度控制電路

采用雙向可控硅和光電耦合器的組合來(lái)搭建溫控電路，如圖MOC3041功率電路所示。并利用脈寬調(diào)制電路所輸出的濾波控制電熱爐和電源之間的接通斷開比。在光電耦合器MOC3041的內(nèi)部有發(fā)光晶閘管，檢測(cè)電路和一個(gè)雙向可控硅。如果單片機(jī)輸出高電平脈沖，那么光電耦合器MOC3041內(nèi)部的發(fā)光二極管就會(huì)導(dǎo)通發(fā)出光亮信號(hào)，然后同步作用于過(guò)0檢測(cè)電路，在過(guò)零檢測(cè)后，內(nèi)部可控硅檢測(cè)信號(hào)之后立即導(dǎo)通，這個(gè)線路導(dǎo)通可以觸發(fā)雙向可控硅晶閘管的導(dǎo)通，在負(fù)載中此時(shí)就會(huì)有電流存在。而如果單片機(jī)輸出低電平脈沖時(shí)，據(jù)上述一系列步驟光電耦合器內(nèi)部不會(huì)導(dǎo)通，不產(chǎn)生光亮信號(hào)然后截止雙向可控硅的導(dǎo)通，此時(shí)的負(fù)載中將不會(huì)存在電流。光電耦合器作為接受單片機(jī)信號(hào)的第一接受器同時(shí)要向雙向可控硅發(fā)出運(yùn)作信號(hào)，是一個(gè)關(guān)鍵的中間過(guò)渡裝置，通過(guò)過(guò)零觸發(fā)的雙向可控的晶閘管在此系統(tǒng)中是組成光電耦合的輸出級(jí)，同時(shí)負(fù)責(zé)關(guān)斷和導(dǎo)通電路的運(yùn)行，從而控制加熱溫度的時(shí)間段。

（三）單片機(jī)控制部分

單片機(jī)控制部分采用單片機(jī)STC89C52作為系統(tǒng)核心，這一部分也是整個(gè)系統(tǒng)的核心部分。該系統(tǒng)由于其不需要外部電路設(shè)計(jì)的拓展所以將會(huì)大大縮減硬件電路的設(shè)計(jì)。

（四）按鍵及顯示部分

采用LCD1602液晶顯示器作為顯示部分，此器件的顯示部分快速簡(jiǎn)單且易于編程控制，方便操控，并且其相對(duì)其他顯示模塊更適用于溫度顯示。

五、軟件設(shè)計(jì)

因?yàn)樾枰娐返挠布O(shè)計(jì)盡量簡(jiǎn)單化，所以該系統(tǒng)的編程將會(huì)作為主要的工程部分攻克。

程序流程圖如圖2所示。

PID算法控制PWM輸出

void timer0（） interrupt 1

{

uchar flag;

TH0=0xd8 ;

TL0=0xf0 ;

TR1=1 ;

24=1 ; //啟動(dòng)輸出

CJ++;

if（stemp>Wtemperature）

{

ei=stemp-Wtemperature;

E=E+ei;

ex=ej-ei;

ej=ei;

if（ei<6）

{Ui=U0-Kp*（ei+Ti*E-Td*ex）;}

else

Ui=U0-Kp*ei;

flag=Ui/100;

switch（flag）

{

case 9：{TH1=0xdc;TL1=0xd8;}break;

case 8：{TH1=0xe2;TL1=0xb4;}break;

case 7：{TH1=0xe8;TL1=0x90;}break;

case 6：{TH1=0xec;TL1=0x78;}break;

case 5：{TH1=0xf0;TL1=0x60;}break;

case 4：{TH1=0xf2;TL1=0x54;}break;

case 3：{TH1=0xf4;TL1=0x48;}break;

case 2：{TH1=0xf8;TL1=0x30;}break;

case 1：{TH1=0xfc;TL1=0x18;}break;

case 0：{TH1=0xfd;TL1=0xa8;}break;

default：{TH1=0xff;TL1=0xfa;}break;

}

}

else {TH1=0xff;TL1=0xfa;}

}

程序使用T0和T1的互相嵌套來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)PWM波的控制，T1是用來(lái)控制PWM波的占空比，T0被設(shè)定為控制PWM波的頻率。

18317.jpg

單片機(jī)軟件會(huì)實(shí)現(xiàn)PID控制PWM波的功能。我們使用T0和T1的相互嵌套設(shè)定定時(shí)器，其中將在程序中設(shè)定T0為10ms高電平，將T1作為低電平嵌套輸出PWM波，控制PWM波的輸出。

六、總結(jié)

設(shè)計(jì)過(guò)程的難題及解決，由于直接接入了220V電壓，導(dǎo)致當(dāng)電路通電時(shí)單片機(jī)的溫度突然升高，為了解決散熱問(wèn)題，在電路板上加入了散熱板。

由于溫度傳感器DS18B20的特性是無(wú)法直接在水中采集溫度，為了解決水中測(cè)溫問(wèn)題，將溫度傳感器包裹在導(dǎo)熱性能相對(duì)來(lái)說(shuō)不錯(cuò)且不會(huì)燒壞溫度傳感器的情況下，再進(jìn)入水中進(jìn)行測(cè)量。

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