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[導(dǎo)讀]摘要:給出了一種基于C8051F020單片機實現(xiàn)密閉環(huán)境溫度自動控制的系統(tǒng)方案。將半導(dǎo)體制冷模塊置于一個密閉環(huán)境,通過C8051F020單片機實現(xiàn)對半導(dǎo)體制冷片的制冷、制熱和不同功率運行的控制,采用獨立按鍵完成溫控數(shù)據(jù)

摘要:給出了一種基于C8051F020單片機實現(xiàn)密閉環(huán)境溫度自動控制的系統(tǒng)方案。將半導(dǎo)體制冷模塊置于一個密閉環(huán)境,通過C8051F020單片機實現(xiàn)對半導(dǎo)體制冷片的制冷、制熱和不同功率運行的控制,采用獨立按鍵完成溫控數(shù)據(jù)的輸入,分別利用DS18B20采集密閉環(huán)境溫度和實際環(huán)境溫度,并通過TS1602 LCD完成基本的狀態(tài)數(shù)據(jù)和控制實時顯示;通過PID算法編程實現(xiàn)密閉環(huán)境溫度恒溫控制。實驗結(jié)果表明,在按鍵輸入設(shè)定溫度后,系統(tǒng)能夠成功實現(xiàn)密閉環(huán)境溫度的恒溫控制,溫度控制精度為±0.2℃。
關(guān)鍵詞:C8051F020單片機;恒溫控制;PID算法;密閉環(huán)境

0 引言
    溫度控制廣泛應(yīng)用于社會生活的各個領(lǐng)域,如家電、汽車、材料、電力電子等,近幾年,在控制方法上,基于PID的溫度控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法有了快速的發(fā)展。本文介紹了一種基于C8051F020單片機的環(huán)境溫度自動控制設(shè)計,利用PID算法,結(jié)合溫度傳感器
DS18B20、半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)、開關(guān)電源和繼電器控制電路實現(xiàn)密閉環(huán)境溫度的自動控制。密閉環(huán)境溫度自動控制系統(tǒng)符合現(xiàn)代電子產(chǎn)品自動化、智能化、模塊化、人性化的設(shè)計要求,人機界面友好,可移植性好。

1 整體方案設(shè)計
    方案的主要任務(wù)是根據(jù)用戶要求,實現(xiàn)對密閉環(huán)境的恒溫控制。手動設(shè)定密閉環(huán)境控制溫度后,C8051F020單片機通過DS18B20測得密閉環(huán)境溫度(被控環(huán)境)和實際環(huán)境溫度,將設(shè)定溫度和密閉環(huán)境溫度的差值送入單片機,返回指令控制繼電器電路實現(xiàn)半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)的加熱或者制冷。單片機輸出的PWM經(jīng)IR2110功率放大,控制開關(guān)管1RF3808通斷,并利用PID算法實時改變單片機的PWM占空比,達(dá)到控制開關(guān)電源輸出電壓的目的,從而改變半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)工作時的功率。

2 硬件電路設(shè)計
2.1 硬件總體設(shè)計
    整個系統(tǒng)主要由系統(tǒng)電源電路、鍵盤電路、溫度采集電路、LCD顯示器、繼電器控制電路、開關(guān)電源電路、LM2575降壓電路、半導(dǎo)體制冷電路和單片機控制電路組成。其中,鍵盤電路用來輸入控制信號;溫度采集電路用于實時監(jiān)測實際環(huán)境溫度和密閉環(huán)境溫度;LCD是用來顯示用戶設(shè)定狀態(tài)信息和溫度數(shù)據(jù)、電流、電壓值;開關(guān)電源電路用于提供半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)的工作電壓和電流;LM2575降壓電路用于提供單片機電源;半導(dǎo)體制冷電路是控制環(huán)境溫度的關(guān)鍵。C8051F020單片機是整個控制系統(tǒng)的核心,將各部分連成整體,正常工作。系統(tǒng)總體電路設(shè)計框圖如圖1所示。


2.2 半導(dǎo)體制冷電路
    半導(dǎo)體制冷電路由半導(dǎo)體制冷片、散熱風(fēng)扇、導(dǎo)熱金屬片組成。半導(dǎo)體制冷片是根據(jù)珀爾帖效應(yīng)制作的溫差電制冷片,改變供電電壓極性,就可以達(dá)到制冷或者加熱的目的,并且重量輕、體積小,具有相對較高的制冷量。
2.3 控制電路
    MCU控制電路包括三個部分:獨立按鍵電路、溫度采集電路、繼電器控制電路和數(shù)據(jù)顯示部分。
    控制信號輸入部分主要由獨立鍵盤完成。使用獨立鍵盤,結(jié)構(gòu)清晰,編程簡單。兩個獨立按鍵:P1^0:設(shè)定溫度值加1;P1^1:設(shè)定溫度值減1。繼電器控制電路主要由MCU I/O端口P3口控制2個繼電器完成,同時斷開繼電器實現(xiàn)制冷,同時吸合繼電器實現(xiàn)制熱。以C8051F020的端口P2口作為數(shù)據(jù)線,與LCD1602進(jìn)行數(shù)據(jù)通信并完成狀態(tài)顯示。溫度采集電路采用DS18B20電路。Dallas公司的DS18B20 1-wire數(shù)字溫度傳感器使用一根信號線即可實現(xiàn)信號的雙向傳輸,接口簡單,便于擴展和維護(hù)。
2.4 開關(guān)電源電路
    開關(guān)電源采用BUCK拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),PWM(脈寬調(diào)制)控制方式。最大輸出電壓達(dá)到15.3 V,最大輸出電流達(dá)到2 A,輸出電壓的紋波小于5mV,整個開關(guān)電源效率為75%,滿足系統(tǒng)供電要求。由于測量電源電壓、電流時采用差分放大電路,PWM波的頻率在21 kHz左右,頻率較高,造成電壓數(shù)據(jù)采集后轉(zhuǎn)化的AD值與實際的測量值存在一定的偏差,通過程序?qū)崿F(xiàn)電壓補償。
2.5 LM2575降壓電路和單片機供電電路
    MCU部分電路正常工作需要+5 V和+3.3 V電壓供電。將市電220 V/50 Hz通過開關(guān)電源部分電路,經(jīng)過橋堆整流和濾波產(chǎn)生直流電17 V,通過LM2575穩(wěn)壓芯片輸出穩(wěn)定+5 V給LCD1602顯示模塊和繼電器供電,C8051F020和DS18B20由+5 V經(jīng)過ASM1117-3.3 V供電。

3 軟件設(shè)計
    基于C8051F020單片機密閉環(huán)境溫度恒溫控制流程圖如圖2所示。


    系統(tǒng)軟件部分主要完成以下功能:當(dāng)有按鍵按下時,觸發(fā)中斷,改變設(shè)定溫度的值。單片機采集溫度,通過控制算法,產(chǎn)生控制命令改變PWM輸出,控制各個繼電器的動作;利用單片機自帶的AD采樣,測量開關(guān)電源的輸出電壓和電流的大小并顯示。其中單片機控制指令是本系統(tǒng)的關(guān)鍵,密閉環(huán)境溫度和溫度設(shè)定值差值不應(yīng)大于15℃,以確保系統(tǒng)正常運行。若設(shè)定溫度超出范圍,其值由系統(tǒng)自動還原為當(dāng)前溫度;若溫差確定,進(jìn)入PID調(diào)節(jié),采用增量式PID。公式如下:
   
    式中:Kp為控制器的比例系數(shù);Ti為控制器的積分時間,也稱積分系數(shù);Td為控制器的微分時間,也稱微分系數(shù)。
    系統(tǒng)上電后,測得的密閉環(huán)境溫度,即為初始溫度設(shè)定值。例如實際密閉環(huán)境溫度為30℃,實際環(huán)境溫度為29℃,通過按鍵“-”,使溫度設(shè)定值為15℃,則此時溫差為+15℃。送入處理函數(shù),單片機返回控制指令,使繼電器斷開,并控制開關(guān)電源輸出5 V電壓,使半導(dǎo)體制冷片在額定電壓下工作,系統(tǒng)全速制冷。當(dāng)密閉環(huán)境溫度改變,單片機將輸出不同控制指令。當(dāng)密閉環(huán)境溫度和設(shè)定值相同時,控制結(jié)束,P5口燈閃爍,MCU控制開關(guān)電源輸出電壓0 V。通過對系統(tǒng)進(jìn)行實際驗證,LCD1602顯示效果如圖3所示。



4 結(jié)語
    對于C8051F020單片機構(gòu)建的密閉環(huán)境溫度恒溫控制系統(tǒng)進(jìn)行功能驗證,系統(tǒng)能夠成功實現(xiàn)密閉環(huán)境溫度恒溫控制,溫度控制精度為±0.2℃。系統(tǒng)人機界面友好,操作簡單、價格低廉、可移植性好,可以應(yīng)用到商業(yè)領(lǐng)域。

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