基于單片機(jī)的恒溫測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

關(guān)貴清，林建平，肖順根 （寧德師范學(xué)院物理與電氣工程系，福建 寧德352100）

恒溫箱可以用來控制溫度，在工農(nóng)業(yè)及醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用，其關(guān)鍵技術(shù)是利用恒溫測(cè)控系統(tǒng)來保持溫度的穩(wěn)定，恒溫測(cè)控系統(tǒng)包括人工控制和自動(dòng)控制2種恒溫測(cè)控系統(tǒng)［1－3］。為了避免人工控制恒溫測(cè)控系統(tǒng)控制溫度不穩(wěn)定的缺點(diǎn)，筆者對(duì)基于單片機(jī)的恒溫測(cè)控系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)研究。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

以高速單片機(jī)STC89C52為核心控制器件，采用數(shù)字溫度計(jì)芯片DS18B20構(gòu)成測(cè)溫單元并將溫度顯示于1602液晶顯示器上，應(yīng)用固態(tài)繼電器構(gòu)建開關(guān)功放調(diào)節(jié)加熱器工作狀態(tài)，系統(tǒng)框圖如圖1所示。

1.1 STC89C52控制電路模塊

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

STC89C52單片機(jī)內(nèi)部有4KB單元的程序存儲(chǔ)器，不需外部擴(kuò)展程序存儲(chǔ)器，而且其I／O口也能夠滿足系統(tǒng)需求。STC89C52單片機(jī)最小系統(tǒng)模塊如圖2所示，其中P0口接10K的上拉電阻以便與顯示模塊進(jìn)行通訊。

圖2 控制器模塊電路圖

1.2 鍵盤與溫度檢測(cè)模塊電路

鍵盤和溫度檢測(cè)模塊電路圖如圖3所示。采用4×4矩陣鍵盤接單片機(jī)P1口，利用DS18B20模塊對(duì)水溫進(jìn)行采樣，并與單片機(jī)通訊以實(shí)現(xiàn)對(duì)水溫的控制。

1.3 繼電器模塊電路

繼電器模塊電路主要控制加熱器的通斷，其與單片機(jī)的P2.6口進(jìn)行通訊（見圖4）。

1.4 1602液晶顯示模塊電路

1602液晶顯示模塊按照總線接法來連接，其數(shù)據(jù)口接單片機(jī)的P0口 （見圖5）。

圖3 鍵盤與溫度檢測(cè)模塊電路圖

圖4 繼電器模塊電路圖

圖5 1602液晶顯示模塊電路圖

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

以傳統(tǒng)的PID控制算法為核心，通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試的方法獲得控制參數(shù)范圍，然后應(yīng)用試湊法進(jìn)行參數(shù)設(shè)定，最終達(dá)到較為快速、精確的控制。相關(guān)程序采用C語言編寫。

2.1 PID算法

模擬PID控制系統(tǒng)原理框圖如圖6所示。PID控制系統(tǒng)是將給定值r（t）與實(shí)際輸出值c（t）的偏差的比例 （P）、積分（I）、微分 （D）通過線性組合構(gòu)成控制量，從而對(duì)控制對(duì)象進(jìn)行控制。PID控制系統(tǒng)各校正環(huán)節(jié)類型及其作用如下［4－5］：①比例環(huán)節(jié)。即時(shí)成比例地反應(yīng)控制系統(tǒng)的偏差信號(hào)e（t），偏差一旦產(chǎn)生，調(diào)節(jié)器立即產(chǎn)生控制作用以減小偏差。②積分環(huán)節(jié)。主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無差度。積分作用的強(qiáng)弱取決于積分時(shí)間常數(shù)TI，TI越大，積分作用越弱，反之則越強(qiáng)。③微分環(huán)節(jié)。能反應(yīng)偏差信號(hào)的變化趨勢(shì) （變化速率），并能在偏差信號(hào)的值變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個(gè)有效的早期修正信號(hào)，從而加快系統(tǒng)的動(dòng)作速度并減小調(diào)節(jié)時(shí)間。

圖6 模擬PID控制系統(tǒng)原理框圖

2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

采用循環(huán)查詢方式來顯示和控制溫度，系統(tǒng)主要工作流程的程序如下：

3 試驗(yàn)分析

用繼電器模塊控制加熱器對(duì)1L水進(jìn)行加熱，用鍵盤設(shè)定需加熱溫度值，觀察1602液晶顯示器所顯示的穩(wěn)定時(shí)的水溫值和環(huán)境溫度降低時(shí)溫度控制的靜態(tài)誤差。多次調(diào)試并設(shè)定PID參數(shù)改善系統(tǒng)。試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。從表1可以看出，溫度設(shè)定范圍為20～80℃，最小區(qū)分度達(dá)到0.1℃；1602液晶顯示器顯示水的實(shí)際溫度和設(shè)定溫度值均很穩(wěn)定，且溫度穩(wěn)定時(shí)，溫度控制的靜態(tài)誤差≤0.5℃。

表1 測(cè)試數(shù)據(jù)表

4 結(jié) 語

設(shè)計(jì)的自動(dòng)恒溫控制系統(tǒng)采用了DS18B20單總線數(shù)據(jù)傳輸方式，并且合理搭建了STC89C52單片機(jī)平臺(tái)。采用傳統(tǒng)PID算法，使被控對(duì)象的溫度具有響應(yīng)時(shí)間小、超調(diào)量少、控制精度較高、穩(wěn)定性較好等優(yōu)點(diǎn)。因此，該系統(tǒng)可以廣泛應(yīng)用在電熱水壺、熱水器、暖水壺等小家電上，具有良好的市場(chǎng)開發(fā)前景。

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