基于AT89C51單片機(jī)的烤箱溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

趙恩

摘 要：控溫，作為當(dāng)今人們不斷創(chuàng)新與研究的新重點(diǎn)對(duì)象，在生活實(shí)際中起到了相當(dāng)重要的作用。電烤箱的誕生就是充分體現(xiàn)出當(dāng)今人類(lèi)智慧結(jié)晶的產(chǎn)物。本文著重將電烤箱研究模型，將單片機(jī)技術(shù)作為新鮮血液注入到電烤箱的設(shè)計(jì)中，從而起到精確、高效的控溫作用。本文以電烤箱為例，通過(guò)對(duì)單片機(jī)系統(tǒng)等硬件系統(tǒng)和PID算法等軟件模塊的設(shè)計(jì)，完成了電烤箱溫度控制系統(tǒng)。利用上述控溫系統(tǒng)可以顯著提升精確性與時(shí)效性，從而大大提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低成本，提高產(chǎn)率，以獲得高效的控溫產(chǎn)品。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)；溫度控制；A/D轉(zhuǎn)換；PID算法

中圖分類(lèi)號(hào)：TP273.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2017）04-0052-02

1 電烤箱溫度控制背景介紹

在近幾年里，電烤箱已逐漸成為許多家庭中的必備家電之一，由此觀之，電烤箱的需求量還是很高的。然而市場(chǎng)中電烤箱的生產(chǎn)與創(chuàng)新卻還有極大的提升空間，同時(shí)已經(jīng)擁有電烤箱的家庭也對(duì)電烤箱的性能與功能提出了更高的要求，如果能夠提高上述幾點(diǎn)，對(duì)于能源節(jié)約、方便與否這些方面上還是能夠起到相當(dāng)大的作用。其次電烤箱用途也較廣泛，烤雞烤鴨、烘焙蛋糕、烘烤制作蛋撻時(shí)也都會(huì)借助于電烤箱的運(yùn)行。本系統(tǒng)以單片機(jī)電路為設(shè)計(jì)核心，借此達(dá)到精確控制并及時(shí)反映的作用。

對(duì)國(guó)內(nèi)而言，電烤箱的發(fā)展仍處于逐漸提升與進(jìn)步的過(guò)程中，中國(guó)大多數(shù)家庭幾乎都缺乏對(duì)電烤箱這種家電的了解，這也與國(guó)人的飲食風(fēng)格有著密不可分的聯(lián)系。中國(guó)的飲食大多以煮、炒、蒸、煎、燉等為主，而“烤”在中國(guó)傳統(tǒng)文化當(dāng)中從未占有較重要的地位，因而鍋、微波爐與電器的普及程度要遠(yuǎn)大于電烤箱。然而近年來(lái)，隨著國(guó)內(nèi)外文化交流愈來(lái)愈密切，許多有別于傳統(tǒng)飲食的食品逐漸進(jìn)入中國(guó)人一貫的食譜中，致使中國(guó)家庭對(duì)電烤箱運(yùn)用的越來(lái)越頻繁，故而電烤箱的需求逐年上升，相比之下，國(guó)內(nèi)對(duì)電烤箱的供應(yīng)則落后了許多，品種大多較為單一，性能也參差不齊。這也正是一個(gè)良好的契機(jī)，為電烤箱在國(guó)內(nèi)初步發(fā)展與普及提供了良好的契機(jī)，反觀國(guó)外情況，“烤”在國(guó)外家庭中一直扮演著一個(gè)相當(dāng)重要的部分，故電烤箱在國(guó)外廚房中普及率絲毫不亞于國(guó)內(nèi)廚房的電飯鍋。而正因電烤箱的發(fā)展在國(guó)外成熟已久，創(chuàng)新與改良則成為了國(guó)外電烤箱進(jìn)一步發(fā)展中亟待解決的一個(gè)環(huán)節(jié)。向國(guó)外千篇一律的電烤箱中注入新鮮的設(shè)計(jì)與創(chuàng)新，同時(shí)加強(qiáng)細(xì)節(jié)的處理以及功能、性能上的進(jìn)一步完善可以使得電烤箱的發(fā)展迎來(lái)第二次巔峰。故研究電烤箱不論是國(guó)內(nèi)或是國(guó)外都是具有很高的研究?jī)r(jià)值的。

本文所研究的溫度控制系統(tǒng)以C51單片機(jī)為核心，以電烤箱為載體，硬件部分包括單片機(jī)電路，A/D轉(zhuǎn)換模塊，LED顯示器等硬件設(shè)備，軟件部分則由PID算法，溫度采集系統(tǒng)，溫度傳感器組成，從而達(dá)到實(shí)時(shí)控溫并及時(shí)反映。

2 電烤箱溫度控制系統(tǒng)的架構(gòu)

2.1 設(shè)計(jì)要求

（1）可以實(shí)現(xiàn)通過(guò)鍵盤(pán)輸入0—1000攝氏度溫度值，并能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)于溫度上限值、下限值及目標(biāo)值的任意設(shè)置。

（2）可以實(shí)現(xiàn)當(dāng)烤箱溫度小于下限值或大于上限值時(shí)聲、光報(bào)警，且在正常溫度值范圍內(nèi)聲、光不報(bào)警。

（3）可以實(shí)現(xiàn)對(duì)于溫度的設(shè)定，最終實(shí)際溫度和目標(biāo)溫度基本接近，滿(mǎn)足控制的穩(wěn)態(tài)誤差小于正負(fù)5%，調(diào)節(jié)時(shí)間在100-200s內(nèi)變化。

（4）可以實(shí)現(xiàn)1S內(nèi)對(duì)烤箱加熱情況進(jìn)行一次控制，使控制周期為1s內(nèi)，對(duì)于溫度控制有較好的作用。

2.2 變送器

此次所用傳感器為pt100，它是一種熱敏電阻，其工作原理為將溫度變化轉(zhuǎn)換為電阻阻值變化，與變送器一起將信號(hào)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)輸出。變送器原理如圖1和如圖2所示。

變送器將電阻信號(hào)轉(zhuǎn)換成與溫度成正比的電壓，當(dāng)溫度在0℃～+300℃時(shí)變送器輸出-5v～+5V左右的電壓。

2.3 AD574A（起反饋?zhàn)饔茫?/p>

AD轉(zhuǎn)換器也是對(duì)實(shí)時(shí)溫度檢測(cè)的準(zhǔn)確性起著重要的作用，經(jīng)過(guò)它將變送器送來(lái)的標(biāo)準(zhǔn)模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為12位數(shù)字信號(hào)，經(jīng)過(guò)標(biāo)度變換達(dá)到實(shí)現(xiàn)溫度檢測(cè)的目的。

設(shè)D為N位二進(jìn)制數(shù)字量，UA為電壓模擬量，UREF為參考電壓，無(wú)論A/D或D/A，其轉(zhuǎn)換關(guān)系為

UA=D×UREF/2N

（其中：D=D0×20+D1×21+…+DN-1×2N-1）

2.4 SSR固體繼電器（起執(zhí)行器作用）

該SSR固體繼電器在系統(tǒng)中有執(zhí)行器作用，當(dāng)P3.6口為低電平時(shí)，電路導(dǎo)通從而使電阻絲加熱而使烤箱加熱；當(dāng)P3.6口為高電平時(shí)，電路不導(dǎo)通，則電阻絲不產(chǎn)生熱量，烤箱停止加熱。SSR固體繼電器原理，如圖3所示。

2.5 系統(tǒng)工作流程

通過(guò)對(duì)以上各個(gè)模塊的深入研究，系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)可分為以下幾個(gè)方面：（1）鍵盤(pán)管理：實(shí)時(shí)監(jiān)控并測(cè)量鍵盤(pán)輸入，預(yù)設(shè)溫度值，控制系統(tǒng)開(kāi)始運(yùn)行；（2）顯示：顯示設(shè)置溫度及當(dāng)前溫度；（3）溫度檢測(cè)及溫度值變換：完成A/D轉(zhuǎn)換；（4）溫度控制：根據(jù)檢測(cè)到的溫度控制電爐工作；（5）報(bào)警：當(dāng)預(yù)設(shè)溫度與當(dāng)前實(shí)時(shí)爐溫超過(guò)最大設(shè)定限度時(shí)報(bào)警系統(tǒng)啟動(dòng)。

2.6 功能軟件設(shè)計(jì)

（1）溫度 PID 輸出模塊：用 PID 調(diào)節(jié)的時(shí)候誤差差不多控制在3%以?xún)?nèi)。但同時(shí)溫度過(guò)高后要等烤箱自然冷卻。（2）溫度檢測(cè)模塊：由ad轉(zhuǎn)換器將實(shí)時(shí)測(cè)量的電壓數(shù)值轉(zhuǎn)變對(duì)應(yīng)的電阻值再變成為實(shí)時(shí)溫度數(shù)值。（3）溫度PID控制模塊：通過(guò)采用位置式PID控制算法，在此次具體采用的PID算法與以往狀態(tài)相關(guān)聯(lián)，數(shù)值的偏差在每次工作后不斷積累，此時(shí)計(jì)算機(jī)的性能則格外重要，任何一出微小錯(cuò)誤都會(huì)最終導(dǎo)致輸出數(shù)值的偏差，因此通過(guò)不斷調(diào)整閥門(mén)具體位置，可以很大程度上降低生產(chǎn)危險(xiǎn)。（4）溫度報(bào)警模塊：當(dāng)烤箱實(shí)時(shí)溫度超出或低于最大和最低臨界值時(shí)，報(bào)警工具發(fā)生器則會(huì)立即反饋。（5）主程序模塊：不同功能的切換時(shí)對(duì)各個(gè)標(biāo)志位給定值的改變來(lái)實(shí)現(xiàn)的，flag1=1的作用是顯示測(cè)定設(shè)定值，flag=0是顯示最高和最低臨界值，flag2=1是改變給定輸入值，flag3=1是用來(lái)改變最高和最低臨界值，flag4=1是開(kāi)始測(cè)溫和PID控制，flag5=1結(jié)束。（6）定時(shí)1s中斷模塊：定時(shí)模塊本來(lái)是40ms采樣一次但是我們認(rèn)為采樣周期有點(diǎn)短，這里我們用flag6增加10倍變成400ms采樣一次。主程序模塊流程，如圖4所示。

3 系統(tǒng)測(cè)試與分析

本次系統(tǒng)控制中，我將系統(tǒng)程序主要分為以下幾個(gè)模塊：鍵盤(pán)設(shè)值、標(biāo)度變換、增量式PID計(jì)算、中斷產(chǎn)生PWM波、AD轉(zhuǎn)換、實(shí)時(shí)溫度顯示、越限報(bào)警等。在調(diào)試過(guò)程中，各部分都遇到了不同的問(wèn)題，但經(jīng)過(guò)老師指導(dǎo)和制定修改方案，都順利的解決了問(wèn)題，現(xiàn)將調(diào)試中遇到的困難和解決方法作歸納，以便日后查閱并引以為戒。

增量式PID計(jì)算調(diào)試。在此次烤箱溫度控制系統(tǒng)中，該部分相對(duì)于控制系統(tǒng)中的控制器，所以它工作的好壞決定了控制系統(tǒng)的性能，決定著溫度調(diào)節(jié)中的超調(diào)量和調(diào)節(jié)時(shí)間，故需要認(rèn)真對(duì)待。

問(wèn)題：對(duì)于PID，在查閱資料過(guò)程中有所了解，但對(duì)于其如何應(yīng)用不是特別清楚，對(duì)于程序編寫(xiě)也較為陌生，需要花大量時(shí)間來(lái)理解。

解決措施：我決定采用增量式PID來(lái)控制烤箱，對(duì)烤箱加熱與否，我知道，它受到高電平（單片機(jī)給1）則不加熱，受到低電平（單片機(jī)給0）則加熱，所以決定以控制占空比大小來(lái)控制其加熱散熱情況。我采用1S單片機(jī)產(chǎn)生一次中斷來(lái)進(jìn)行一次PID計(jì)算，并決定下一次占空比大小，根據(jù)實(shí)際中斷編寫(xiě)程序，我知道想控制占空比大小，實(shí)質(zhì)是控制temp值的大小，占空比 =temp/400（此處需參考實(shí)際中斷程序），所以增量式PID輸出值與u（k-1）決定輸出值，經(jīng)過(guò)一定處理即可得到temp值，達(dá)到控制目的。故在實(shí)際PID程序編寫(xiě)中，需要結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行設(shè)計(jì)，對(duì)于P、I、D參數(shù)的確定，由于未求實(shí)際傳遞函數(shù)，故經(jīng)多次試驗(yàn)得到基本參數(shù)，是一種經(jīng)驗(yàn)值（P=5，I=30，D=0），經(jīng)測(cè)試，實(shí)際效果較滿(mǎn)意。超調(diào)量在正負(fù)3攝氏度之間變化，基本滿(mǎn)足要求。

4 總結(jié)與展望

對(duì)于未來(lái)電烤箱的發(fā)展，我認(rèn)為更多LED設(shè)備會(huì)以更高科技少能耗的形式融入進(jìn)來(lái)，全電子觸屏并可遠(yuǎn)程控制，使電烤箱的動(dòng)作更加方便。同時(shí)，更多的電烤箱進(jìn)入千家萬(wàn)戶(hù)，而其功能也將更加豐富，兼并的功效又能夠滿(mǎn)足未來(lái)人們更多的要求。智能控溫的前景是一派光明的，而我認(rèn)為更多不同類(lèi)型的家電設(shè)施會(huì)逐漸合并，例如微波爐，電烤箱，蒸鍋，可融合成為一體，為以后的空間的節(jié)省與操作的方便提供了更多想像空間。

不斷改進(jìn)控溫系統(tǒng)，正所謂人類(lèi)的需求即是發(fā)展的方向，它終會(huì)順著人們更高的要求去不斷創(chuàng)新，去產(chǎn)生更大的社會(huì)效應(yīng)與經(jīng)濟(jì)效益，正是因?yàn)殡娍鞠渚哂袠O大的應(yīng)用價(jià)值。