一種應(yīng)用于足浴器的溫控器的研制

徐華榮，周漢義，古宏剛，王新豫

(1.合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，安徽合肥 230009;2.中航工業(yè)西安航空發(fā)動機(jī)集團(tuán)有限公司太陽能發(fā)電研制中心，陜西西安 710021)

一種應(yīng)用于足浴器的溫控器的研制

徐華榮1，周漢義1，古宏剛1，王新豫2

(1.合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，安徽合肥 230009;2.中航工業(yè)西安航空發(fā)動機(jī)集團(tuán)有限公司太陽能發(fā)電研制中心，陜西西安 710021)

介紹了一種基于單片機(jī)應(yīng)用于足浴器的自動控溫系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)原理及方法。該控溫系統(tǒng)利用51系列單片機(jī)，由開關(guān)電源高效穩(wěn)定供電，通過外圍引腳中斷、定時器、PID算法、DS18B20溫度傳感器，實(shí)現(xiàn)了溫度實(shí)時顯示，按鍵調(diào)節(jié)設(shè)定溫度功能，解決了加熱及冷卻過程中熱過沖與過冷問題。其成本低、控溫精度高、溫度可調(diào)、運(yùn)行穩(wěn)定可靠。

單片機(jī);PID;開關(guān)電源

足浴器的設(shè)計(jì)難點(diǎn)在于成本控制和溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。近年來，開關(guān)電源技術(shù)的逐漸成熟，為小功率電源供電提供了一個高效率且低成本的方案，摒棄了傳統(tǒng)的變壓器降壓、整流、三端穩(wěn)壓的低效率供電方式。而通過軟件算法完善，例如PID算法的運(yùn)用，可減少部分硬件開銷，降低成本及系統(tǒng)復(fù)雜度，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。設(shè)計(jì)結(jié)合以上技術(shù)，著眼于成本最小化，性能最大化，實(shí)現(xiàn)了LED溫度顯示，雙按鍵目標(biāo)溫度調(diào)節(jié)，高精度溫控功能。由于主控芯片AT89C2051只有兩組共16個IO引腳，2 kB的內(nèi)存，因此需合理運(yùn)用IO資源，程序設(shè)計(jì)簡潔，合理分配內(nèi)存空間。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)由供電、采樣、按鍵、顯示及單片機(jī)部分組成。

傳感器負(fù)責(zé)采集溫度值，傳遞給MCU，目標(biāo)值由按鍵設(shè)定，MCU將采樣值與目標(biāo)值進(jìn)行比較，經(jīng)過時間PID算法處理，根據(jù)每段時間不同的溫差值，計(jì)算出需要加熱的時間，接著通過IO口控制繼電器閉合與斷開，使加熱板工作，同時LED顯示實(shí)時溫度。

圖1 系統(tǒng)流程示意圖

2 子模塊的設(shè)計(jì)

(1)供電模塊。供電部分采用開關(guān)電源技術(shù)，采用開關(guān)電源可以解決傳統(tǒng)變壓器所帶來的問題，整個設(shè)計(jì)可變得簡潔;供電效率高，且穩(wěn)定;并可減少系統(tǒng)結(jié)構(gòu)體積［3，6］。由于傳統(tǒng)的基極驅(qū)動方式會將普通NPN型開關(guān)晶體管的安全工作電壓限定在BVceo，而采用射極驅(qū)動的方式，可將安全工作電壓從Vceo擴(kuò)大到Vcbo，由于BVcbo＞BVceo，即可改善 NPN型晶體管的安全工作范圍，對市電為220 V的電網(wǎng)電壓可用普通的NPN型功率開關(guān)管。該電路接通交流220 V經(jīng)整流橋后，形成直流電壓，R2為啟動電阻，開關(guān)管用NPN管，輸出電流及輸出電壓信號通過光隔U3反饋至射極驅(qū)動芯片U2，U2根據(jù)信號調(diào)節(jié)控制開關(guān)管的占空比，使得輸出保持穩(wěn)定。

圖2 開關(guān)電源模塊

(2)采樣模塊。采樣部分采用DS18B20，其為美國Dallas生產(chǎn)的一線可編程數(shù)字溫度傳感器［2］。它不同于傳統(tǒng)的模擬溫度傳感器，其可產(chǎn)生對應(yīng)溫度的數(shù)字信號，與主控芯片只需單線通信，使得系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單可靠。由于通信線為雙向輸入輸出的OC門，因此需外加一個上拉電阻到VCC。DS18B20與MCU通信的時序要求嚴(yán)格，所以在采樣過程中有必要關(guān)閉MCU的中斷功能，防止外部干擾導(dǎo)致采集到錯誤數(shù)據(jù)。

(3)控制模塊?？刂撇糠钟晒虘B(tài)繼電器(SSR)實(shí)現(xiàn)弱信號對強(qiáng)電的控制。由于固態(tài)繼電器內(nèi)部光耦合器的應(yīng)用，使其控制信號所需的功率較低，且所需工作電壓與TTL，CMOS等常用電平標(biāo)準(zhǔn)兼容，可實(shí)現(xiàn)直接連接。SSR工作時無機(jī)械動作，其具備了傳統(tǒng)的“線圈－簧片觸點(diǎn)式”繼電器(MER)所沒有的優(yōu)點(diǎn)，即工作可靠性高，壽命長，此外，SSR還具有可承受比額定電流高約10倍的浪涌電壓的特點(diǎn)。考慮到51系列單片機(jī)IO口驅(qū)動能力較弱，在原理圖設(shè)計(jì)上需要外加PNP開關(guān)管，如圖3所示。

圖3 固態(tài)繼電器控制模塊

(4)算法模塊。熱電阻絲具有過沖過冷現(xiàn)象，采用軟件的PID算法可以彌補(bǔ)硬件部分的不足。PID算法是一種比例、積分、微分并聯(lián)應(yīng)用廣泛的一種模糊控制算法。PID算法的數(shù)學(xué)模型［4］可用下式表示

其中，Kp為比例系數(shù);Ti為積分系數(shù);Td為微分系數(shù);e(t)為采樣值與目標(biāo)值的偏差。比例部分由式Kp*e(t)表示。若Kp越大，則過渡過程越快，也易產(chǎn)生振蕩。因此Kp選擇恰當(dāng)，才能起到快速過渡且又穩(wěn)定的效果。積分部分為。 從表達(dá)式可知，只要存在偏差，則積分部分的控制作用就會不斷增加，只有在偏差部分e(t)=0時，積分表達(dá)式才會為一個常數(shù)。其中積分時間Ti對積分控制的影響較大。Ti越大時，積分效果越弱，消除偏差需要的時間也越長。Ti越小，則積分效果較強(qiáng)，消除偏差需要時間也越短，但是容易在消除過程中產(chǎn)生振蕩。

微分部分的作用為抑制偏差變化。Td越大，則抑制能力較強(qiáng);Td越小，則抑制能力較弱。顯然微分部分對系統(tǒng)的穩(wěn)定性有較大的作用。

由于計(jì)算機(jī)無法像模擬控制那樣連續(xù)輸出控制量，進(jìn)行連續(xù)控制。所以上式需進(jìn)行離散化處理。離散化的思路為:以T作為采樣周期，將連續(xù)時間t分為k個采樣周期，即t=kT，將t代入式(1)可得到離散PID表達(dá)式

其中，e(k)為e(kT)的簡化。

本系統(tǒng)采用的是增量式的PID算法，根據(jù)Δu=u(k)－u(k－1)可得

采用增量式PID算法的優(yōu)勢在于可減少計(jì)算機(jī)的計(jì)算任務(wù)，并且增量式算法只取決于目前時刻，上一時刻，上上時刻的值，對起始參數(shù)不敏感。

3個系數(shù)的取值取決于實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，為達(dá)到較好的控制效果，因此在各溫度區(qū)域由實(shí)驗(yàn)測取了最佳PID控制參數(shù)值。系統(tǒng)PID算法流程如圖4所示。

由圖4可知，若輸出值為x，則2 s內(nèi)的需加熱時長為 x×20 ms，不加熱時長為(2 000－x·20)ms。

(5)PCB設(shè)計(jì)［1］。本著強(qiáng)電和弱點(diǎn)，模擬信號與數(shù)字信號需要分開的原則。在PCB設(shè)計(jì)時采取以下措施:

1)由于采用開關(guān)電源供電，因此需注意將高頻高壓部分和低壓直流部分隔離開。

圖4 PID計(jì)算流程圖

2)系統(tǒng)對噪聲較敏感，由于數(shù)字器件，尤其是MCU在開關(guān)動作時會引起電流變化，從而導(dǎo)致電壓噪聲，因此需在走線上用星型走線的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，對敏感器件單獨(dú)供電。

3)數(shù)字地需要進(jìn)行大面積鋪地處理，并且每個器件都要單獨(dú)接一個0.01 μF的高頻退藕電容，在大規(guī)模數(shù)字器件上(例如MCU)，需要外加一個47 μF的電解電容抑制干擾。模擬部分和數(shù)字部分進(jìn)行隔離，即在合適的地方與數(shù)字地單點(diǎn)連接。

3 試驗(yàn)結(jié)果

(1)設(shè)計(jì)要求。

1)從室溫開始加熱至40℃要求控制在30 min以內(nèi)。

2)開始PID控制以后，水溫的波動范圍需要在目標(biāo)溫度±0.5℃以內(nèi)。

(2)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，目標(biāo)溫度定為47℃，從46.5℃開始根據(jù) PID算法控制，穩(wěn)定后水溫變化范圍應(yīng)在±0.5℃之內(nèi)。

從室溫下開始加熱，水溫上升平穩(wěn)，每一分鐘約上升0.7℃，如表1所示。

表1 溫度與時間對應(yīng)表(室溫開始加熱至46.5℃)

到達(dá)47℃后，水溫被控制在46.5～47.5℃之間，如表2及圖3所示。

表2 溫度與時間對應(yīng)表(PID控制在±0.5℃以內(nèi))

圖5 達(dá)到目標(biāo)溫度47℃后的水溫走勢

4 結(jié)束語

此足浴器采用廉價的AT89C2051，并充分運(yùn)用了其所有資源，兩組IO引腳的其中11個引腳被用作LED數(shù)碼管顯示 溫度。剩下5個引腳分別作為繼電器控制引腳、復(fù)位按鍵、DS18B20溫度采集接口及兩個溫度調(diào)節(jié)按鍵。并用PID算法解決了熱電阻過沖過冷的問題，減少了硬件需求，從而降低了成本。經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，此控溫系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，且精度較高。

［1］何英主.PROTEL99入門與實(shí)踐［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出社，2001.

［2］楊振江，蔡德芳.新型集成電路使用指南與典型應(yīng)用［M］.西安:西安電子科技大學(xué)出版社，1998.

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［5］楊學(xué)昭.單片機(jī)原理接口技術(shù)及應(yīng)用［M］.西安:西安電子科技大學(xué)出版社，2009.

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Development of a Temperature Auto-Control System Used for Foot-Washing

XU Huarong1，ZHOU Hanyi1，GU Honggang1，WANG Xinyu2
(1.School of Materials Physics and Chemistry，Hefei University of Technology，Hefei 230009，China;2.Center of Materials Science and Engineering，Xi'an Aero Engine Group Co.，Ltd.of China Aviation Industry，Xi'an 710021，China)

This paper introduces the theory and methods of realizing an automatic temperature control system in a foot massage machine based on MCU implementations.This system achieves the functions of real-time temperature display and target temperature adjustment by buttons and solves the problem of over heating or cooling of the wire during the heating or cooling process with the perfect performance of traditional 51 series MCU，highly efficient and stable power supply，external pin interrupt，timers，PID algorithm and DS18B20 temperature sensor.It has the advantages of low cost，high precision of temperature control，adjustable target temperature and stable and reliable operating process.

MCU;PID;switching power supply

TN368

A

1007－7820(2012)06－091－04

2012-01-02

徐華榮(1986—)，男，碩士研究生。研究方向:計(jì)算機(jī)軟件。