基于STC89C52的水溫自動控制系統設計

王寶剛，李東潔

WANG Bao-gang1, LI Dong- jie2

（1. 黑龍江農業(yè)工程職業(yè)學院，哈爾濱 150088；2. 哈爾濱理工大學，哈爾濱 150080）

0 引言

在現代化的工業(yè)生產中，水溫控制被廣泛應用于機械制造、食品加工、電力工程、化工生產等領域[1,2]。及時準確地獲得水溫信息并對其進行實時控制，在工業(yè)生產的諸多環(huán)節(jié)都是一項重要內容。水溫控制系統性能的優(yōu)劣直接影響著產品的生產品質[2,3]。傳統的通過人工使用溫度計測量后再用設備加熱、降溫等來控制溫度的方法，速度慢、準確度低，不易及時發(fā)現溫度變化而導致生產的變質，造成較大的經濟損失[4]。因此，研究水溫自動控制技術具有十分重要的現實意義。本文開發(fā)設計了一種基于STC89C52的水溫自動控制系統，該系統能夠極大地提高溫度控制的技術指標，具有廣闊的市場發(fā)展前景。

1 系統方案設計

本文所設計的系統硬件主要由核心控制模塊、加熱/制冷模塊、溫度采集處理模塊和鍵盤與顯示模塊構成。各模塊方案設計如下。

1.1 核心控制模塊

所設計控制系統主要用于控制電熱絲和制冷片的工作與否、對溫度測量信號的接收和處理、控制顯示電路對設定溫度值、系統實際溫度值和溫度曲線的實時顯示以及控制鍵盤實現對溫度值的設定等。由于單片機運算功能強，軟件編程靈活、自由度大，可用軟件編程實現各種算法和邏輯控制，并且其具有功耗低、體積小、技術成熟和成本低等優(yōu)點[5]。因此，采用STC89C52作為系統控制器。

1.2 加熱/制冷控制模塊

要實現任意設定點溫度的控制，就必須能控制電加熱器/制冷片的工作與否，因此要利用所選定的單片機控制加熱器/制冷片電源的通斷。因為加熱器/制冷片的工作電壓是220V和12V，對單片機來說都是“強電”，因此要用弱電實現對強電的控制。由于可控硅在電路中能夠實現交流電的無觸點控制，適合在高電壓、大電流下工作。以小電流控制大電流，并且不像繼電器那樣控制時有火花產生，而且動作快、壽命長、可靠性好。在調速、調光、調壓、調溫以及其他各種控制電路中都有它的身影。由于單片制冷片電流在8～10A，電流較大，因此本文采用可控硅實現對加熱器/制冷控制模塊設計。

1.3 溫度采集處理模塊

通常要求溫度靜態(tài)誤差小于等于±0.5oC且對設定溫度和當前溫度進行顯示，因此需要對溫度進行閉環(huán)控制，又因溫度信號為模擬信號，因此需要對溫度進行檢測和模/數轉換。DS18B20為數字式溫度傳感器，分辨率為0.0625 oC，滿足要求且無需其他外加電路，直接輸出數字量?？芍苯优c單片機通信，讀取測溫數據，電路簡單，控制方便。

1.4 鍵盤與顯示模塊

采用4×4矩陣鍵盤和并行液晶通訊方式。4×4矩陣鍵盤具有占用I/O口較少，可獨立控制的優(yōu)點。具有0～9全部十個數字及↑、↓、確定、取消等16個功能鍵，系統操作直觀，人機交互性能好。液晶顯示采用并口方式大大提高了數據傳輸速度和視覺效果。

2 溫度控制算法設計

由于對溫度的控制采用閉環(huán)方式，會存在振蕩、超調和穩(wěn)定性等問題，因此需加入適當的調節(jié)算法使系統達到目的。溫控系統常用的調節(jié)算法是PID調節(jié)器，它是應用最為廣泛的一種自動控制器，具有原理簡單，易于實現，適用面廣，控制參數相互獨立，參數的選定比較簡單等優(yōu)點[6]。所以，本文采用PID算法來實現水溫的穩(wěn)定控制。

由于該系統需要采取PWM的脈寬周期作為控制量，故采取數字PID控制算法。數字PID控制算法又有位置式和增量式，由于增量式PID控制法與位置式PID控制算法相比較，具有諸多優(yōu)點，因此，本文采用數字增量式PID控制算法實現對溫度控制。

數字增量式PID控制算式為：

其中a0，a1，a2的值可先計算出。

比例控制器(Kp)有降低上升時間的作用，但是不能消除穩(wěn)態(tài)誤差；積分作用(Ki)有消除穩(wěn)態(tài)誤差的作用，但是它可能使瞬態(tài)響應變得更壞；微分控制(Kd)有增加系統穩(wěn)定性，降低超調量，并且改善瞬態(tài)響應的作用。

基于PID的反饋控制策略需要根據系統動力特性和響應的要求，適當調節(jié)PID參數。在調節(jié)過程中，因為Kp、Ki和Kd彼此聯系，改變這些參數中的任意一個，都會影響其他兩個的作用。因此，PID控制器的調節(jié)需要相當小心。

3 系統硬件設計

在對設計的系統方案分析論證的基礎上，設計了以STC89C52為核心的硬件控制系統，系統總體硬件結構框圖如圖1所示。加熱/制冷電路采用光電耦合器進行強弱電隔離，減少干擾，提高系統穩(wěn)定性。加熱模塊采用可控硅81A08和STC89C52的P2.5口協調控制。制冷模塊采用大電流可控硅RF540和AT89C52的P2.6口協調控制三個完全相同的制冷模塊。液晶顯示選用LCD128×64，溫度傳感器采用DS18B20，另外加雙色指示燈用于對系統加熱或制冷的狀態(tài)進行提示。另外考慮到普通液晶顯示信息功能和刷新率有限，設計了單片機和PC通訊模塊，借助VC++6.0平臺在上位機對設定溫度、當前溫度和溫度曲線進行實時顯示。系統電路原理圖如圖2所示。

圖1 系統硬件結構框圖

4 系統軟件設計

根據系統方案和所設計的硬件，采用MCS51語言對軟件進行了設計。總體程序流程圖如圖3所示。

5 系統測試方案及結果

5.1 PID參數調節(jié)

因為PID調節(jié)是一個簡單而復雜的過程，經過多次調節(jié)測試，得到了一組較優(yōu)的參數：a0=50,a1=3, a2=1000 (因試驗數據太多，在此未列出)。

5.2 溫控性能測量

5.2.1 測量方式

接上系統的加熱裝置，裝入1L室溫的水，設定控溫溫度。記錄調節(jié)時間、超調溫度和穩(wěn)態(tài)溫度波動幅度等。

5.2.2 測量儀器

圖2 系統電路原理圖

圖3 總體程序流程圖

800W加熱器，制冷量為78W的制冷片3片，環(huán)境溫度28.5oC。溫控性能測量結果如表1所示，其中23oC～60oC的上位機溫控曲線如圖4所示。

5.3 測試結果分析

由測試結果可見，系統性能達到了所設計的指標。動態(tài)誤差在1oC范圍內，靜態(tài)誤差基本上穩(wěn)定在0.1oC，全程的升溫時間小于8min，而且還有液晶屏和上位機曲線顯示的特色功能。該系統可用于工業(yè)溫控中。

6 結論

本文提出了一種以STC89C52為核心，以雙向可控硅和液晶顯示為輔助控制單元，結合PWM控制的PID算法設計的水溫自動控制系統。該系統能實現在10oC～70oC 量程范圍內對每一點溫度的自動控制，以保持設定的溫度基本保持不變。并設計開發(fā)了與上位機通訊、利用上位機實時顯示設定和當前溫度曲線等人機交互功能。通過理論分析和實驗驗證，該水溫自動控制系統能夠獲得良好的控制效果，在實際工業(yè)生產中具有一定的應用價值。

表1 溫控性能測試結果

圖4 23℃!60℃的上位機溫控曲線圖

[1]于光普, 黎東升, 尤傳富. 智能水溫控制系統的設計及實現[J]. 吉林工學院學報, 2011, (1).

[2]張開生, 郭國法. MCS 51單片機溫度控制系統的設計[J].微計算機信息, 2005, (7), 68-69.

[3]明鑫, 陳可中, 王戎丞, 等. 基于單片機的水溫控制系統[J]. 現代電子技術, 2005, 28(6), 1-2.

[4]劉健, 龐興龍. 基于AT89S51的糧倉溫度測控系統設計[J]. 制造業(yè)自動化, 2012, (5).

[5]張毅剛, 彭喜元, 董繼成. 單片機原理及應用[M]. 北京:高等教育出版社, 2010.

[6]張德江. 計算機控制系統[M]. 北京: 機械工業(yè)出版社,2007.