基于C8051F的恒溫箱控溫系統(tǒng)

引 言

恒溫箱根據(jù)控制溫度可分為低溫（室溫以下）恒溫箱和高溫（室溫以上）恒溫箱[1]，加熱控制恒溫箱是高溫恒溫箱的一種，在工業(yè)、醫(yī)療以及科研實(shí)驗(yàn)中有廣泛的應(yīng)用。在一些特殊的恒溫箱控制系統(tǒng)中，對(duì)溫度測(cè)量、控制的精度要求非常高，本測(cè)控系統(tǒng)測(cè)溫范圍在18℃到60℃之間，測(cè)溫精度要求優(yōu)于±0.05℃。采用DSP、ARM等32位CPU可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)處理等較高的要求，但普通的控制系統(tǒng)中DSP、ARM的很多資源不能利用，造成資源的浪費(fèi)、“大才小用”。隨著微電子技術(shù)的快速發(fā)展，單片機(jī)的數(shù)據(jù)處理能力和功能得到了極大地提高，因此設(shè)計(jì)一個(gè)由高速單片機(jī)控制的高精度、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單并且成本低的溫度控制系統(tǒng)有著重要的實(shí)際意義和應(yīng)用價(jià)值。

1 恒溫箱控溫原理

本系統(tǒng)以鉑電阻作為溫度傳感器，通過基于恒流源的橋式測(cè)溫電路實(shí)現(xiàn)對(duì)恒溫箱內(nèi)的溫度測(cè)量，系統(tǒng)將實(shí)際溫度值與通過觸摸屏設(shè)定的溫度給定值比較，采用增量式PID算法進(jìn)行調(diào)節(jié)，使控制量以16位PWM波的形式輸出。通過濾波將PWM信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，控制晶閘管的導(dǎo)通角，從而控制加熱管加熱。系統(tǒng)的控制原理如圖1所示。

考慮到系統(tǒng)對(duì)測(cè)量精度以及穩(wěn)定性的要求，本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)特色包括：

1）控制器采用功能強(qiáng)大的高速SOC單片機(jī)C8051F021。

2）為提高A/D轉(zhuǎn)換精度，采用CS5532對(duì)此模擬電壓進(jìn)行轉(zhuǎn)換，輸出具有24位分辨率。

3）充分利用單片機(jī)的片上資源，以16位PWM形式輸出控制信號(hào)，提高控制精度。

2 硬件設(shè)計(jì)

該溫度控制系統(tǒng)包括C8051F021單片機(jī)、溫度采集電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、彩色液晶觸摸屏控制電路、晶閘管驅(qū)動(dòng)電路等。

另外，本系統(tǒng)具有了良好的人機(jī)對(duì)話功能，通過5.6英寸的彩色液晶顯示器與觸摸屏對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視和控制。該溫度控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.1 溫度采集與A/D轉(zhuǎn)換

在熱電阻溫度傳感器中，鉑電阻具有精度高、性能穩(wěn)定、耐腐蝕及使用方便等優(yōu)點(diǎn)，是工業(yè)測(cè)控系統(tǒng)廣泛使用的一種理想的測(cè)溫元件[2]。在本系統(tǒng)中測(cè)溫范圍在18℃~60℃之間，選用溫度傳感器Pt1000，其阻值隨著溫度的改變按一定規(guī)律變化，精度、穩(wěn)定性均較優(yōu)。

在以鉑電阻作為溫度傳感器的檢測(cè)電路，典型的測(cè)量方式是采用不平衡電橋測(cè)量[3]。但是，鉑電阻阻值與溫度之間的非線性以及不平衡電橋的非線性導(dǎo)致測(cè)量存在一定的誤差，為此，在本系統(tǒng)中對(duì)橋式測(cè)溫電路進(jìn)行了改進(jìn)。電橋采用恒流源供電，兩橋臂通過低噪聲、低溫度漂移的精密運(yùn)算放大器連接，使流過鉑電阻的電流恒定且等于恒流源的電流，采用4DH2構(gòu)成恒流源電路，設(shè)計(jì)輸出0.5mA的恒電流。

A/D轉(zhuǎn)換電路采用2路模擬量輸入，串行數(shù)據(jù)輸出的24位A/D轉(zhuǎn)換器CS5532與單片機(jī)接口，CS5532由多路開關(guān)、可編程增益放大器、程控多階數(shù)字濾波器以及串口、時(shí)鐘發(fā)生器、校準(zhǔn)控制系統(tǒng)和輸出鎖存器等組成。

2.2 C8051F片上資源

C8051Fxxx系列單片機(jī)是完全集成的混合信號(hào)系統(tǒng)級(jí)芯片（SOC），具有與8051指令集完全兼容的CIP-51內(nèi)核。它在一個(gè)芯片內(nèi)集成了（包括A/D轉(zhuǎn)換器、UART、定時(shí)器等）構(gòu)成一個(gè)單片機(jī)數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)所需要的幾乎所有模擬和數(shù)字外設(shè)及其他功能部件[4]。

本系統(tǒng)采用C8051F021作為MCU，進(jìn)行通訊、數(shù)據(jù)處理以及控制輸出。下面對(duì)本系統(tǒng)中用到的功能部件及應(yīng)用進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。

C8051F021MCU中有一個(gè)片內(nèi)可編程計(jì)數(shù)器/定時(shí)器陣列（PCA）。PCA包括一個(gè)專用的16位計(jì)數(shù)器/定時(shí)器時(shí)間基準(zhǔn)和5個(gè)可編程的捕捉/比較模塊。時(shí)間基準(zhǔn)的時(shí)鐘可以是系統(tǒng)時(shí)鐘/12、系統(tǒng)時(shí)鐘/4、定時(shí)器0溢出等六個(gè)時(shí)鐘源之一。每個(gè)捕捉/比較模塊有六種工作方式，本系統(tǒng)采用16位脈沖寬度調(diào)制器方式，即系統(tǒng)可以通過PCA產(chǎn)生16位PWM直接輸出至MCU的端口I/O引腳。

串行外設(shè)接口（SPI0）提供訪問一個(gè)4線、全雙工串行總線的能力。SPI0支持在同一總線上將多個(gè)從器件連接到一個(gè)主器件。當(dāng)SPI被配置成主器件時(shí)，最大數(shù)據(jù)傳輸率（位/秒）是系統(tǒng)時(shí)鐘頻率的二分之一。本系統(tǒng)中C8051F021為主器件，CS5532和觸摸屏控制芯片ADS7843為從器件，通過串行外設(shè)接口分時(shí)與MCU通訊。

2.3 濾波、變換電路

為了實(shí)現(xiàn)PWM信號(hào)到模擬量輸出的轉(zhuǎn)換，在本系統(tǒng)中采用二階低通濾波器濾掉高頻成分，保留直流分量，通過改變PWM信號(hào)的占空比即可得到不同電壓的輸出。如圖3所示，設(shè)計(jì)巴特沃斯濾波器，使PWM信號(hào)經(jīng)過濾波后產(chǎn)生0～2.5V的電壓[5]，控制晶閘管的導(dǎo)通角，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)加熱溫度的高精度控制。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 PID控制

在本溫度控制中采用了PID控制算法[7]，即比例、積分、微分控制，是工業(yè)過程控制中應(yīng)用廣泛的一種基本控制方法。增量式PID控制算法為：

但是若直接采用此算法時(shí)，在系統(tǒng)啟動(dòng)、停止或大幅調(diào)節(jié)時(shí)，容易產(chǎn)生很大的超調(diào)量，引起積分飽和，因此我們對(duì)PID算法進(jìn)行了改進(jìn)，采用積分分離法，可有效抑制這一現(xiàn)象的出現(xiàn)。

積分分離法在開始時(shí)(即實(shí)際溫度與設(shè)定溫度值es偏差較大時(shí))不積分；當(dāng)控制的實(shí)際溫度接近設(shè)定值時(shí)，投入積分算法以消除靜差，提高控制精度[8]。積分分離式PID算法框圖如圖4所示。

3.2 觸摸屏軟件設(shè)計(jì)

將觸摸屏引入本系統(tǒng)中可以直接在顯示屏上輸入控制信息，使系統(tǒng)的人機(jī)界面更加友好，操作快捷、方便。本系統(tǒng)選用AMT9532四線電阻式觸摸屏，通過專用控制芯片ADS7843與單片機(jī)接口，對(duì)觸摸信號(hào)進(jìn)行分析、處理。觸摸屏的軟件設(shè)計(jì)流程如圖5所示。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為測(cè)試實(shí)驗(yàn)結(jié)果，使用精度為0.001℃的標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)作為標(biāo)準(zhǔn)來標(biāo)定，測(cè)試結(jié)果如表1所示。

5 結(jié) 論

通過C8051F021片內(nèi)的16位PWM輸出，再加上簡(jiǎn)單的濾波、轉(zhuǎn)換電路及相應(yīng)的軟件設(shè)計(jì)以及浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算，可以實(shí)現(xiàn)16位的D/A轉(zhuǎn)換，這是普通單片機(jī)控制電路很難實(shí)現(xiàn)的高精度控制。

本系統(tǒng)的溫度控制范圍為18℃~60℃，16位的控制信號(hào)分辨率可達(dá)千分之一攝氏度，從實(shí)際實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出本系統(tǒng)完全可以實(shí)現(xiàn)測(cè)溫精度優(yōu)于±0.05℃的控制要求。實(shí)際應(yīng)用表明，此溫度控制系統(tǒng)具有控制精度高、功能強(qiáng)、簡(jiǎn)單靈活、節(jié)約成本、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，滿足于工業(yè)場(chǎng)合較高的精度要求。