基于單片機(jī)恒溫控制系統(tǒng)的開發(fā)研究

【摘要】溫度是工業(yè)生產(chǎn)的過程中最為常見的工藝參數(shù)，其溫度控制的好壞直接影響工業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)品的質(zhì)量，特別在機(jī)械、冶金、化工、建材、石油等工業(yè)生產(chǎn)中溫度控制占據(jù)著重要的作用。雖然目前溫度的控制方式多種多樣的，但是在專業(yè)化和高指標(biāo)要求等方面還有待進(jìn)一步開發(fā)研究。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，單片機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，在恒溫控制系統(tǒng)中采用單片機(jī)技術(shù)進(jìn)行設(shè)計，能夠使恒溫控制系統(tǒng)更加可靠、靈活，控制的溫度范圍更加廣，其應(yīng)用價值更高，下面具體進(jìn)行研究基于單片機(jī)恒溫控制系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計。

【關(guān)鍵詞】單片機(jī);恒溫控制系統(tǒng);開發(fā)研究;

中圖分類號： TP273+5?????? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

引言：隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，計算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)不斷更新，溫度控制在很多工業(yè)控制場合都需要具有非常準(zhǔn)確的控制溫度的變化，所以溫度控制系統(tǒng)中采用單片機(jī)技術(shù)，不僅能夠保證溫度的控制的可靠性和靈活性，而且對滿足工業(yè)生產(chǎn)對溫度的要求也具有重要的作用和價值。本文主要進(jìn)行研究采用AT89C51單片機(jī)系統(tǒng)如何實現(xiàn)恒溫控制。

1單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)的工作原理及其組成

單片機(jī)是一種集CPU、I/O接口、ROM、RAM以及中斷系統(tǒng)等部分組成的器件，單片機(jī)系統(tǒng)只需要晶振和外加電源就能夠?qū)崿F(xiàn)對數(shù)字信息的控制和處理，所以單片機(jī)系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用現(xiàn)代工業(yè)控制系統(tǒng)，在恒溫控制系統(tǒng)中采用單片機(jī)系統(tǒng)將會極大的提高恒溫控制的靈活性和可靠性。單片機(jī)恒溫控制系統(tǒng)的硬件部分CPU系統(tǒng)主要采用AT89C51，其中電路部分主要有電源電路、溫度采集電路、按鍵顯示電路以及電熱絲控制電路，其主要是通過采用智能溫度傳感器集成芯片實現(xiàn)溫度的采集， 集成芯片能夠?qū)/D轉(zhuǎn)化器、溫度傳感器、接口電路和溫度傳感器等集成在一個芯片中，然后可以直接數(shù)字化進(jìn)行測量溫度和輸出，電源電路主要是通過TL431二極管實現(xiàn)穩(wěn)壓、按鍵電路是由芯片驅(qū)動共陰數(shù)碼管的顯示實現(xiàn)按鍵功能。 而電熱絲控制電路，能夠直接通過電熱絲接電源和繼電器，然后通過單片機(jī)控制繼電器的開關(guān)，以實現(xiàn)電熱絲的加熱。單片機(jī)工作原理圖如下圖1所示：

單片機(jī)控制恒溫系統(tǒng)的流程如下所示：

溫度傳感器→模擬電壓信號處理→放大器→A/D轉(zhuǎn)換器→數(shù)字信號處理→單片機(jī)→繼電器控制加熱設(shè)備→單片機(jī)對溫度的控制。

2單片機(jī)恒溫控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計

恒溫控制系統(tǒng)硬件主要包括AT89C51單片機(jī)最小系統(tǒng)， A/D轉(zhuǎn)換模塊、溫度控制電路、按鍵電路、顯示器以及報警電路等其他的電路模塊組成。

2.1單片機(jī)的選擇

在對基于單片恒溫系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計時，單片機(jī)主要采用AT89C51系統(tǒng)，AT89C51系統(tǒng)是高性能，低功耗的8位的單片機(jī)系統(tǒng)，是一種帶有4K字節(jié)FLASH的存儲器，并且與MCS— 51單片機(jī)兼容，AT89C51單片機(jī)的功能特點(diǎn)為：（1）AT89C51單片機(jī)具有4K字節(jié)閃爍存儲器，可以進(jìn)行1000次寫/擦循環(huán)，（2）其具有三層程序存儲器鎖，128×8位內(nèi)部RAM，32可編程I/O線，兩個六位計數(shù)/定時器.（3）內(nèi)部有6個中斷源，可以分為二個優(yōu)先級，并且每個中斷源優(yōu)先級都是可編程的。（4）系統(tǒng)還可以實現(xiàn)低功耗模式和掉電模式。AT89C51單片機(jī)系統(tǒng)作為控制系統(tǒng)是非常合適的。

2.2溫度控制電路

基于單片機(jī)的恒溫控制系統(tǒng)在開發(fā)設(shè)計的過程中，其溫度控制電路主要采用通斷控制，也就是通過改變給定的控制周期內(nèi)加熱器導(dǎo)通以及關(guān)閉時間，以實現(xiàn)溫度控制的目的。此溫度控制電路主要是由雙向可控硅BTA12和雙向可控硅輸出型光電耦合器MOC3061系統(tǒng)組成。如果單片機(jī)的P1.7口輸出低電平時，則同相驅(qū)動器7407輸出低電平，如下圖2所示，MOC3061的輸入端如果有電流輸入時，則輸出端的雙向可控硅就會導(dǎo)通，進(jìn)而使外部系統(tǒng)的雙向可控硅BTA12導(dǎo)通，則加熱器就會通電工作。如果單片機(jī)的P1.7口輸出高電平時，MOC3061的輸出端的雙向可控硅就會關(guān)閉，進(jìn)而使外部系統(tǒng)的雙向可控硅BTA12也斷開，則加熱器就會斷電停止工作。

2.3模數(shù)轉(zhuǎn)化器

在單片機(jī)恒溫控制系統(tǒng)開發(fā)研究設(shè)計的過程中，模數(shù)轉(zhuǎn)化器采用ADC0809是8位逐次逼近技術(shù)的A/D轉(zhuǎn)換芯片，這種系統(tǒng)具有地鎖存控制的分時采集模擬開關(guān)，輸出數(shù)字信號主要是由TTL三態(tài)緩沖器順序控制，其能夠直接與數(shù)據(jù)總線進(jìn)行連接，其時鐘頻率范圍在 10～128KHz之間，精度為7位，分辨率為8位，并且數(shù)據(jù)具有三態(tài)輸出能力，所以能夠與微處理器進(jìn)行連接。溫度傳感器能夠?qū)囟刃盘栟D(zhuǎn)換為電信號并且通過放大器放大后輸出模數(shù)轉(zhuǎn)化器ADC0809，然后將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量輸入到單片機(jī)系統(tǒng)中，單片機(jī)與模數(shù)轉(zhuǎn)換器的接口電路如下圖3所示：

2.4顯示和報警系統(tǒng)

單片機(jī)恒溫控制系統(tǒng)的顯示系統(tǒng)主要采用LED數(shù)碼顯示，如果系統(tǒng)停止加熱時，顯示設(shè)定的溫度，如果加熱器在啟動時，則顯示定時溫度。其中報警系統(tǒng)主要有蜂鳴器和三極管組成，其主要有單片機(jī)P1.6端口輸出高低電平進(jìn)行控制三極管的導(dǎo)通和斷開，三極管導(dǎo)通則蜂鳴器就會自動報警。

3單片機(jī)恒溫控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計

3.1單片機(jī)恒溫控制系統(tǒng)的控制規(guī)律

在單片機(jī)恒溫控制系統(tǒng)中，其主要采用數(shù)字PID調(diào)節(jié)器對電阻爐的爐溫進(jìn)行控制，通過調(diào)節(jié)比例系數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)溫度控制的效果，其控制主要是根據(jù)偏差的比例P、積分I和微分D進(jìn)行控制，這種控制形式被稱為是PID控制，是控制系統(tǒng)中應(yīng)用最為廣泛的一種控制方式。采用計算機(jī)實現(xiàn)PID控制，不僅僅是簡單的將模擬PID控制規(guī)律數(shù)字化，而是需要與計算機(jī)的邏輯判斷功能相互結(jié)合在一起，從而使PID控制系統(tǒng)應(yīng)用更加靈活，以進(jìn)一步滿足生產(chǎn)要求。其中電阻爐采用PID控制系統(tǒng)實現(xiàn)恒溫控制，首先是進(jìn)行比較實際電阻爐的溫度和需要電阻爐的溫度，然后可以從中得出一個偏差，通過對偏差的處理從而能夠獲得控制信號，再去進(jìn)行調(diào)節(jié)電阻爐的加熱功率，最后實現(xiàn)對電阻爐溫度的控制。

3.2主程序的設(shè)計

在單片機(jī)恒溫控制系統(tǒng)進(jìn)行開發(fā)研究設(shè)計中，其主程序主要包括控制程序和管理程序兩個部分，其中控制程序主要是對被控制對象進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)采樣、根據(jù)控制算法進(jìn)行計算和輸出等，控制程序主要包括PID計算，A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理等。管理程序主要是控制指示燈、LED顯示動態(tài)刷新、處理鍵盤的響應(yīng)和掃描、執(zhí)行中斷服務(wù)操作以及掉電保護(hù)的處理等，單片機(jī)恒溫控制系統(tǒng)的整體程序流程圖如下圖4所示：

3.3A/D轉(zhuǎn)換子程序

A/D轉(zhuǎn)換子程序主要是采用查詢法進(jìn)行設(shè)計，也就是不斷通過對ADC0809的EOC引腳進(jìn)行檢查，如果EOC為高電平，則A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束，如果EOC為低電平，則說明正在進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。并且因為AT89C51系統(tǒng)上的引腳P1.3通過非門與A/D轉(zhuǎn)換相連，所以AT98C51上的引腳P1. 3電平與EOC相反時在，A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束，反之說明正在進(jìn)行轉(zhuǎn)換，程序流程圖如下圖5所示：

4PID參數(shù)整定

在進(jìn)行數(shù)字PID控制器參數(shù)整定過程中，具有一定復(fù)雜性，一方面需要應(yīng)用經(jīng)驗，同時也需要依照現(xiàn)場實際情況進(jìn)行控制器參數(shù)Kp、Kt以及Kd進(jìn)行確定，并選擇合理的周期T，同樣以上環(huán)節(jié)也是進(jìn)行數(shù)字PID控制系統(tǒng)的一個重點(diǎn)問題。基于理論分析發(fā)現(xiàn)，采樣頻率越高失真也會隨之降低，但是基于控制器本身角度來看，其調(diào)節(jié)作用則需要借助于偏差信號E實施計算，采樣周期T過小則無法實現(xiàn)調(diào)節(jié)作用，采用周期T過大則容易出現(xiàn)誤差問題。但是在溫度控制中屬于響應(yīng)慢、滯后大的被控對象，所以在研究過程中則將采樣周期T確定為8s，雙向可控硅控制周期則與之保持一致。在進(jìn)行PID參數(shù)正定的時候，首先確定PID初始參數(shù)，本文在正交實驗基礎(chǔ)上，對其影響因素進(jìn)行分析，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行參數(shù)修訂，直到能夠滿足實際需求。其中本次試驗的初始參數(shù)值為：

Kp={14.0，16.0，18.0}

Kt={0.5，1.0，1.5}

Kd={16.0，18.0，20.0}

在進(jìn)行PID參數(shù)整定的時候，主要目的是能夠確定一組能夠確保恒溫控制系統(tǒng)超調(diào)值小、穩(wěn)定度高以及響應(yīng)快的參數(shù)值，初始實驗過程中各組參數(shù)超調(diào)值差距較小。所以在本次研究中穩(wěn)定在270℃±2℃時間則作為實驗指標(biāo)?；诓煌袠O差S進(jìn)行結(jié)果計算發(fā)現(xiàn)，對控制系統(tǒng)影響作用最明顯的是Kt，其次分別是Kp以及Kd，分析結(jié)果確定本次參數(shù)取值應(yīng)該為Kp=18.0，Kt=0.5，Kd=20.0，進(jìn)一步對其參數(shù)進(jìn)行精確度分析結(jié)果為Kp=18.3，Kt=0.5，Kd=21.8.

在某企業(yè)的恒溫控制系統(tǒng)應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，本次參數(shù)值應(yīng)用效果顯著優(yōu)于傳統(tǒng)應(yīng)用質(zhì)量，不但能夠顯著提高恒溫控制系統(tǒng)可靠性，并且操作方便靈活，溫度控制范圍有顯著擴(kuò)大，值得推廣應(yīng)用。

5總結(jié)

隨著社會的進(jìn)步，科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，在數(shù)字化日益普及的今天，在工業(yè)生產(chǎn)中溫度控制作為主要的參數(shù)之一，其溫度控制良好與否對工業(yè)生產(chǎn)具有很大的影響，所以在恒溫控制系統(tǒng)中中采用單片機(jī)技術(shù)，不僅控制的可靠性強(qiáng)、穩(wěn)定性高，而且控制簡單方便，靈活，并且還能夠提高控制的溫度的技術(shù)指標(biāo)，從而能夠極大的提高工業(yè)生產(chǎn)的效率，本文在對恒溫控制系統(tǒng)的過程中主要采用AT89C51系統(tǒng)并配合PID控制系統(tǒng)，經(jīng)過實驗驗證，該系統(tǒng)具有可靠性高，使用靈活、控制溫度精度高等特點(diǎn)，具有一定的實用價值。

參考文獻(xiàn)：

[1] 張東虞，曹衛(wèi)彬，楊弈卓等.基于模糊自整定 PID 控制的奶牛飼喂裝置溫控系統(tǒng)的設(shè)計[J].江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2015，（11）：492-494.DOI：10.15889/j.issn.1002-1302.2015.11.152.

[2] 陳偉.AT89C2051單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)設(shè)計方案的選擇[J].科學(xué)與財富，2015，（10）：374-374，375.DOI：10.3969/j.issn.1671-2226.2015.10.345.

[3] 陳偉.AT89C2051單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)硬件設(shè)計[J].科學(xué)與財富，2015，7（12）：107.DOI：10.3969/j.issn.1671-2226.2015.12.100.

[4] 馬麗萍.一種全自動食品安全快速檢測儀的恒溫控制系統(tǒng)設(shè)計[J].長春大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2015，（5）：41-45.

[5] 趙再軍.基于PIC16877A的具有通訊接口的智能恒溫控制系統(tǒng)開發(fā)[J].科技展望，2014，（18）：171-171.DOI：10.3969/j.issn.1672-8289.2014.18.151.

[6] 劉志鵬，朱耀麟.空氣源熱水器恒溫控制器數(shù)據(jù)通信的系統(tǒng)設(shè)計[J].西安工程大學(xué)學(xué)報，2015，（1）：110-114.DOI：10.13338/j.issn.1674-649x.2015.01.020.

[7] 黎運(yùn)宇，孔德榮.基于單片機(jī)AT89S52的蔬菜塑料大棚恒溫控制系統(tǒng)[J].廣西民族師范學(xué)院學(xué)報，2016，33（3）：17-19.

[8] 郭向蕾，楊本全，陳洪民等.基于C8051F020的密閉環(huán)境溫度恒溫控制系統(tǒng)設(shè)計[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2012，35（9）：159-160，163.

作者簡介：

盛英（1974年），女，漢族，甘肅酒泉人，大學(xué)本科，高校講師，主要從事電工電子技術(shù)應(yīng)用教育與研究工作。甘肅省教育廳職業(yè)院校英語教學(xué)改革研究項目（201830）