基于C8051F020的密閉環(huán)境溫度恒溫控制系統(tǒng)設(shè)計

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。