一種應(yīng)用于足浴器的溫控器的研制

摘要 介紹了一種基于單片機(jī)應(yīng)用于足浴器的自動(dòng)控溫系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)原理及方法。該控溫系統(tǒng)利用51系列單片機(jī)，由開關(guān)電源高效穩(wěn)定供電，通過(guò)外圍引腳中斷、定時(shí)器、PID算法、DS18B20溫度傳感器，實(shí)現(xiàn)了溫度實(shí)時(shí)顯示，按鍵調(diào)節(jié)設(shè)定溫度功能，解決了加熱及冷卻過(guò)程中熱過(guò)沖與過(guò)冷問(wèn)題。其成本低、控溫精度高、溫度可調(diào)、運(yùn)行穩(wěn)定可靠。
關(guān)鍵詞 單片機(jī)；PID；開關(guān)電源

    足浴器的設(shè)計(jì)難點(diǎn)在于成本控制和溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。近年來(lái)，開關(guān)電源技術(shù)的逐漸成熟，為小功率電源供電提供了一個(gè)高效率且低成本的方案，摒棄了傳統(tǒng)的變壓器降壓、整流、三端穩(wěn)壓的低效率供電方式。而通過(guò)軟件算法完善，例如PID算法的運(yùn)用，可減少部分硬件開銷，降低成本及系統(tǒng)復(fù)雜度，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。設(shè)計(jì)結(jié)合以上技術(shù)，著眼于成本最小化，性能最大化，實(shí)現(xiàn)了LED溫度顯示，雙按鍵目標(biāo)溫度調(diào)節(jié)，高精度溫控功能。由于主控芯片AT89C2051只有兩組共16個(gè)IO引腳，2 kB的內(nèi)存，因此需合理運(yùn)用IO資源，程序設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔，合理分配內(nèi)存空間。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)由供電、采樣、按鍵、顯示及單片機(jī)部分組成。

    傳感器負(fù)責(zé)采集溫度值，傳遞給MCU，目標(biāo)值由按鍵設(shè)定，MCU將采樣值與目標(biāo)值進(jìn)行比較，經(jīng)過(guò)時(shí)間PID算法處理，根據(jù)每段時(shí)間不同的溫差值，計(jì)算出需要加熱的時(shí)間，接著通過(guò)IO口控制繼電器閉合與斷開，使加熱板工作，同時(shí)LED顯示實(shí)時(shí)溫度。

2 子模塊的設(shè)計(jì)
    (1)供電模塊。供電部分采用開關(guān)電源技術(shù)，采用開關(guān)電源可以解決傳統(tǒng)變壓器所帶來(lái)的問(wèn)題，整個(gè)設(shè)計(jì)可變得簡(jiǎn)潔；供電效率高，且穩(wěn)定；并可減少系統(tǒng)結(jié)構(gòu)體積。由于傳統(tǒng)的基極驅(qū)動(dòng)方式會(huì)將普通NPN型開關(guān)晶體管的安全工作電壓限定在BVceo，而采用射極驅(qū)動(dòng)的方式，可將安全工作電壓從Vceo擴(kuò)大到Vcbo，由于BVcbo>BVceo，即可改善NPN型晶體管的安全工作范圍，對(duì)市電為220 V的電網(wǎng)電壓可用普通的NPN型功率開關(guān)管。該電路接通交流220 V經(jīng)整流橋后，形成直流電壓，R2為啟動(dòng)電阻，開關(guān)管用NPN管，輸出電流及輸出電壓信號(hào)通過(guò)光隔U3反饋至射極驅(qū)動(dòng)芯片U2，U2根據(jù)信號(hào)調(diào)節(jié)控制開關(guān)管的占空比，使得輸出保持穩(wěn)定。

    (2)采樣模塊。采樣部分采用DS18B20，其為美國(guó)Dallas生產(chǎn)的一線可編程數(shù)字溫度傳感器。它不同于傳統(tǒng)的模擬溫度傳感器，其可產(chǎn)生對(duì)應(yīng)溫度的數(shù)字信號(hào)，與主控芯片只需單線通信，使得系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠。由于通信線為雙向輸入輸出的OC門，因此需外加一個(gè)上拉電阻到VCC。DS18B20與MCU通信的時(shí)序要求嚴(yán)格，所以在采樣過(guò)程中有必要關(guān)閉MCU的中斷功能，防止外部干擾導(dǎo)致采集到錯(cuò)誤數(shù)據(jù)。
    (3)控制模塊?？刂撇糠帜贤瑧B(tài)繼電器(SSR)實(shí)現(xiàn)弱信號(hào)對(duì)強(qiáng)電的控制。由于固態(tài)繼電器內(nèi)部光耦合器的應(yīng)用，使其控制信號(hào)所需的功率較低，且所需工作電壓與TTL，CMOS等常用電平標(biāo)準(zhǔn)兼容，可實(shí)現(xiàn)直接連接。SSR工作時(shí)無(wú)機(jī)械動(dòng)作，其具備了傳統(tǒng)的“線圈-簧片觸點(diǎn)式”繼電器(MER)所沒有的優(yōu)點(diǎn)，即工作可靠性高，壽命長(zhǎng)，此外，SSR還具有可承受比額定電流高約10倍的浪涌電壓的特點(diǎn)。考慮到51系列單片機(jī)IO口驅(qū)動(dòng)能力較弱，在原理圖設(shè)計(jì)上需要外加PNP開關(guān)管，如圖3所示。

    (4)算法模塊。熱電阻絲具有過(guò)沖過(guò)冷現(xiàn)象，采用軟件的PID算法可以彌補(bǔ)硬件部分的不足。PID算法是一種比例、積分、微分并聯(lián)應(yīng)用廣泛的一種模糊控制算法。PID算法的數(shù)學(xué)模型可用下式表示
   
    其中，Kp為比例系數(shù)；Ti為積分系數(shù)；Td為微分系數(shù)；e(t)為采樣值與目標(biāo)值的偏差。比例部分由式Kp*e(t)表示。若Kp越大，則過(guò)渡過(guò)程越快，也易產(chǎn)生振蕩。因此Kp選擇恰當(dāng)，才能起到快速過(guò)渡且又穩(wěn)定的效果。積分部分為。從表達(dá)式可知，只要存在偏差，則積分部分的控制作用就會(huì)不斷增加，只有在偏差部分e(t)=0時(shí)，積分表達(dá)式才會(huì)為一個(gè)常數(shù)。其中積分時(shí)間Ti對(duì)積分控制的影響較大。Ti越大時(shí)，積分效果越弱，消除偏差需要的時(shí)間也越長(zhǎng)。Ti越小，則積分效果較強(qiáng)，消除偏差需要時(shí)間也越短，但是容易在消除過(guò)程中產(chǎn)生振蕩。
    微分部分表達(dá)式為
    微分部分的作用為抑制偏差變化。Td越大，則抑制能力較強(qiáng)；Td越小，則抑制能力較弱。顯然微分部分對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性有較大的作用。
由于計(jì)算機(jī)無(wú)法像模擬控制那樣連續(xù)輸出控制量，進(jìn)行連續(xù)控制。所以上式需進(jìn)行離散化處理。離散化的思路為：以T作為采樣周期，將連續(xù)時(shí)間t分為k個(gè)采樣周期，即t=kT，將t代入式(1)可得到離散PID表達(dá)式
   
    采用增量式PID算法的優(yōu)勢(shì)在于可減少計(jì)算機(jī)的計(jì)算任務(wù)，并且增量式算法只取決于目前時(shí)刻，上一時(shí)刻，上上時(shí)刻的值，對(duì)起始參數(shù)不敏感。
    3個(gè)系數(shù)的取值取決于實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，為達(dá)到較好的控制效果，因此在各溫度區(qū)域由實(shí)驗(yàn)測(cè)取了最佳PID控制參數(shù)值。系統(tǒng)PID算法流程如圖4所示。
    由圖4可知，若輸出值為x，則2 s內(nèi)的需加熱時(shí)長(zhǎng)為x×20 ms，不加熱時(shí)長(zhǎng)為(2 000-x·20)ms。

    (5)PCB設(shè)計(jì)。本著強(qiáng)電和弱點(diǎn)，模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)需要分開的原則。在PCB設(shè)計(jì)時(shí)采取以下措施：
    1)由于采用開關(guān)電源供電，因此需注意將高頻高壓部分和低壓直流部分隔離開。
    2)系統(tǒng)對(duì)噪聲較敏感，由于數(shù)字器件，尤其是MCU在開關(guān)動(dòng)作時(shí)會(huì)引起電流變化，從而導(dǎo)致電壓噪聲，因此需在走線上用星型走線的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，對(duì)敏感器件單獨(dú)供電。
    3)數(shù)字地需要進(jìn)行大面積鋪地處理，并且每個(gè)器件都要單獨(dú)接一個(gè)0．01μF的高頻退藕電容，在大規(guī)模數(shù)字器件上(例如MCU)，需要外加一個(gè)47μF的電解電容抑制干擾。模擬部分和數(shù)字部分進(jìn)行隔離，即在合適的地方與數(shù)字地單點(diǎn)連接。

3 試驗(yàn)結(jié)果
    (1)設(shè)計(jì)要求。
    1)從室溫開始加熱至40 ℃要求控制在30 min以內(nèi)。
    2)開始PID控制以后，水溫的波動(dòng)范圍需要在目標(biāo)溫度±0．5℃以內(nèi)。
    (2)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。
    根據(jù)設(shè)計(jì)要求，目標(biāo)溫度定為47℃，從46．5℃開始根據(jù)PID算法控制，穩(wěn)定后水溫變化范圍應(yīng)在±0．5℃之內(nèi)。

    從室溫下開始加熱，水溫上升平穩(wěn)，每一分鐘約上升0．7 ℃，如表1所示。

    到達(dá)47℃后，水溫被控制在46．5～47．5℃之間，如表2及圖5所示。

4 結(jié)束語(yǔ)
    此足浴器采用廉價(jià)的AT89C2051，并充分運(yùn)用了其所有資源，兩組IO引腳的其中11個(gè)引腳被用作LED數(shù)碼管顯示溫度。剩下5個(gè)引腳分別作為繼電器控制引腳、復(fù)位按鍵、DS18B20溫度采集接口及兩個(gè)溫度調(diào)節(jié)按鍵。并用PID算法解決了熱電阻過(guò)沖過(guò)冷的問(wèn)題，減少了硬件需求，從而降低了成本。經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，此控溫系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，且精度較高。