基于單片機(jī)及PC機(jī)的溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：給出了采用STC89C52單片機(jī)進(jìn)行自適應(yīng)控制來(lái)控制PWM波，進(jìn)而控制電爐的加熱，以實(shí)現(xiàn)溫度控制的設(shè)計(jì)方法。這套溫度測(cè)控系統(tǒng)彌補(bǔ)了傳統(tǒng)PID控制結(jié)構(gòu)在特定場(chǎng)合下性能下降的不足。與傳統(tǒng)的系統(tǒng)相比，該電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，測(cè)溫精度高，溫度控制誤差小，并在不同時(shí)間常數(shù)下均可達(dá)到技術(shù)指標(biāo)。文章同時(shí)給出了用串口調(diào)試精靈將PID控制器的輸出和溫度采樣值顯示在PC機(jī)上，以方便溫度的監(jiān)控的實(shí)現(xiàn)方法。
關(guān)鍵詞：溫度控制；自適應(yīng)；PID；PC機(jī)

0 引言
    目前，水溫控制被廣泛應(yīng)用于食品、醫(yī)藥、化工、家電等很多領(lǐng)域，水溫控制的好壞直接影響著產(chǎn)品的品質(zhì)，因此，水溫控制具有十分重要的意義。本設(shè)計(jì)的任務(wù)與要求為1 L水由1 kW的電爐加熱，要求水溫可以在一定范圍內(nèi)由人工設(shè)定，并能在環(huán)境溫度降低時(shí)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)整，以保持設(shè)定的溫度基本不變。主要性能指標(biāo)：溫度設(shè)定范圍為25．0～100℃，最小區(qū)分度為0．1℃，溫度控制的靜態(tài)誤差小于或等于0．1℃，用SMC1602A液晶顯示模塊顯示實(shí)際水溫和PID控制算法中的三個(gè)主要參數(shù)Kc、Ti、Td的賦值，用串口調(diào)試精靈將PID控制器的輸出和溫度采樣值顯示在PC機(jī)上。

1 系統(tǒng)方案
    本設(shè)計(jì)以STC89C52單片機(jī)為核心，采用了溫度傳感器DS18B20、RS232標(biāo)準(zhǔn)接口及PID控制算法對(duì)溫度進(jìn)行控制。
    該水溫控制系統(tǒng)是一個(gè)典型的檢測(cè)、控制型應(yīng)用系統(tǒng)，它要求系統(tǒng)完成從水溫檢測(cè)、信號(hào)處理、輸入、運(yùn)算，到輸出控制電爐加熱功率以實(shí)現(xiàn)水溫控制的全過(guò)程。本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了水溫的智能化控制以及提供完善的人機(jī)交互界面及PC機(jī)與單片機(jī)通信接口，系統(tǒng)由PC機(jī)與單片機(jī)通信模塊、溫度檢測(cè)及其顯示模塊、PID控制算法等模塊組成，其特點(diǎn)在于采用PC機(jī)與單片機(jī)通信，系統(tǒng)框圖如圖1所示。

2 硬件電路設(shè)計(jì)
    本電路總體設(shè)計(jì)包括四部分：主機(jī)控制部分(STC89C52)、溫度采樣與顯示電路、溫度控制電路、PC機(jī)與單片機(jī)通信電路。
2．1 主機(jī)控制部分
    主機(jī)控制部分是電路的核心，系統(tǒng)的控制采用單片機(jī)89C52。單片機(jī)89C52內(nèi)部有8 KB單元的程序存儲(chǔ)器以及512 B的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，因此，系統(tǒng)不必?cái)U(kuò)展外部程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，這樣就可以大大減少系統(tǒng)硬件部分的復(fù)雜度。
2．2 溫度采樣與顯示電路
    系統(tǒng)的信號(hào)采集與顯示電路主要由溫度傳感器DS18B20和SMC1602A液晶顯示模塊兩部分組成。
    DS18B20采用獨(dú)特的單線接口方式，在與微處理器連接時(shí)，僅需要一條口線即可實(shí)現(xiàn)微處理器與DS18B20的雙向通信。測(cè)溫范圍為-55～+125℃，固有測(cè)溫分辨率為0．5℃，工作電源為3～5 V／DC，在使用中不需要任何外圍元件，測(cè)量結(jié)果以9～12 b數(shù)字量方式串行傳送，適用于DN15～25、DN40～DN250各種介質(zhì)工業(yè)管道和狹小空問(wèn)設(shè)備的測(cè)溫。
    SMC1602液晶顯示器以其微功耗、小體積、使用靈活等諸多優(yōu)點(diǎn)在袖珍式儀表和低功耗應(yīng)用系統(tǒng)中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。液晶顯示器通常可分為兩大類(lèi)，一類(lèi)是點(diǎn)陣型，另一類(lèi)是字符型。點(diǎn)陣型液晶通常面積較大，可以顯示圖形；而一般的字符型液晶只有兩行，面積小，只能顯示字符和一些很簡(jiǎn)單的圖形，簡(jiǎn)單、易控制且成本低。目前，市面上的字符型液晶絕大多數(shù)是基于HD44780液晶芯片的，所以控制原理是完全相同的，為HD44780寫(xiě)的控制程序可以很方便地應(yīng)用于市面上大部分的字符型液晶。字符型LCD通常有14條引腳線(市面上也有很多16條引腳線的LCD，多出來(lái)的2條線是電源線VCC(15腳)和地線GND。
2．3 溫度控制電路
    此部分電路主要由光電耦合器、三極管和繼電器組成。光電耦合器的耐壓值為400 V，它的輸出級(jí)經(jīng)三極管將功率放大后控制繼電器常開(kāi)觸點(diǎn)的通斷，從而最終達(dá)到控制電爐子的目的，100 Ω電阻與0．01 μF電容組成雙向可控硅保護(hù)電路。
2．4 PC機(jī)與單片機(jī)通信電路
    為了使系統(tǒng)具有更好的人機(jī)交換界面，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中我們通過(guò)Visual Basic語(yǔ)言設(shè)計(jì)了微機(jī)控制界面。系統(tǒng)與微機(jī)的通信大大提高了系統(tǒng)的各方面陛能。
    由于單片機(jī)89C52串行口為T(mén)TL電平，而PC機(jī)為RS232電平，因此，系統(tǒng)采用了MAX232電平轉(zhuǎn)換芯片來(lái)進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。
    因?yàn)橄到y(tǒng)設(shè)計(jì)了通信功能，即主系統(tǒng)(89C52)和PC機(jī)的通信，所以在觀察PID控制器的輸出時(shí)更加明顯，很大程度上降低了參數(shù)整定的難度。另外，通過(guò)可視化窗口能夠看到系統(tǒng)的采樣值。

3 軟件設(shè)計(jì)
    本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要包括三大部分：PC機(jī)與單片機(jī)通信模塊的軟件設(shè)計(jì)、溫度采樣與顯示電路模塊的軟件設(shè)計(jì)、溫度控制模塊的軟件設(shè)計(jì)。
3．1 主程序流程圖
    主程序流程如圖2所示，程序主要完成以下的幾部分任務(wù)：

    (1)初始化：設(shè)定各參數(shù)的初始值，設(shè)定串行口、定時(shí)器以及液晶顯示模塊。
    (2)PC機(jī)與單片機(jī)通信：此部分程序主要完成數(shù)據(jù)在PC機(jī)和單片機(jī)間的相互發(fā)送，其主要通過(guò)89C52單片機(jī)的半雙工串行口完成，從而完成與微機(jī)控制接口RS232的連接及通信的控制。
    (3)溫度采集及其顯示：主要完成溫度信號(hào)的采集及其對(duì)轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量進(jìn)行處理，進(jìn)而用字符型液晶顯示模塊將實(shí)時(shí)溫度進(jìn)行顯示。
3．2 PID控制算法
    PID算法是此溫控系統(tǒng)性能好壞的決定性因素。其一般算式及模擬控制規(guī)律表達(dá)式如下：
   
    式中，u(t)為控制器的輸出；e(t)為偏差，即設(shè)定值與反饋值之差；Kc為控制器的放大系數(shù)，即比例增益；Ti為控制器的積分常數(shù)；Td為控制器的微分時(shí)間常數(shù)。PID算法的原理即調(diào)節(jié)Kc、Ti、Td三個(gè)參數(shù)，使系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定。
    由于PID的一般算式不易與單片機(jī)處理，因此，在設(shè)計(jì)中采用了增量型PID算法。將式(1)轉(zhuǎn)換成
   
    式(3)中的u(k)即輸出PWM波的導(dǎo)通時(shí)間。其控制算法如圖3所示。

4 測(cè)試方法與測(cè)試結(jié)果
4．1 測(cè)試方法
    在電爐子中放入1 L清水，電爐子和控制系統(tǒng)相連，給系統(tǒng)上電，系統(tǒng)進(jìn)入準(zhǔn)備工作狀態(tài)。分別設(shè)定溫度為35．3℃、40．2℃、45℃、60℃、74．0℃、81℃，觀察設(shè)定溫度和實(shí)際溫度，并記錄數(shù)據(jù)。填寫(xiě)表1，同時(shí)觀察水溫變化的動(dòng)態(tài)情況，并記錄溫度穩(wěn)定的時(shí)間，填寫(xiě)表2。
4．2 測(cè)試結(jié)果
    設(shè)定溫度與實(shí)測(cè)溫度的數(shù)據(jù)對(duì)比如表1所列。表2所列是溫度穩(wěn)定和時(shí)間的關(guān)系，表2中的設(shè)定溫度為50℃，每隔30 s記錄實(shí)測(cè)溫度。

5 結(jié)論
    從表1中的數(shù)據(jù)可知，系統(tǒng)的誤差基本穩(wěn)定在±0．3℃，因而能很好地滿足系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。從表2所得的數(shù)據(jù)可知，系統(tǒng)運(yùn)行5 min時(shí)，基本達(dá)到了穩(wěn)定，說(shuō)明系統(tǒng)能很好地控制溫度達(dá)到理想值，為需要精確控制溫度的任務(wù)提供了參考。同時(shí)，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了PC機(jī)與單片機(jī)的通信，把控制參數(shù)和控制結(jié)果顯示PC機(jī)上，方便監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)了溫度的控制和智能監(jiān)控。