基于單片機及PC機的溫度控制系統(tǒng)設(shè)計

摘要：給出了采用STC89C52單片機進行自適應(yīng)控制來控制PWM波，進而控制電爐的加熱，以實現(xiàn)溫度控制的設(shè)計方法。這套溫度測控系統(tǒng)彌補了傳統(tǒng)PID控制結(jié)構(gòu)在特定場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)簡單，測溫精度高，溫度控制誤差小，并在不同時間常數(shù)下均可達到技術(shù)指標(biāo)。文章同時給出了用串口調(diào)試精靈將PID控制器的輸出和溫度采樣值顯示在PC機上，以方便溫度的監(jiān)控的實現(xiàn)方法。
關(guān)鍵詞：溫度控制；自適應(yīng)；PID；PC機

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)境溫度降低時實現(xiàn)自動調(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際水溫和PID控制算法中的三個主要參數(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機上。

1 系統(tǒng)方案
    本設(shè)計以STC89C52單片機為核心，采用了溫度傳感器DS18B20、RS232標(biāo)準(zhǔn)接口及PID控制算法對溫度進行控制。
    該水溫控制系統(tǒng)是一個典型的檢測、控制型應(yīng)用系統(tǒng)，它要求系統(tǒng)完成從水溫檢測、信號處理、輸入、運算，到輸出控制電爐加熱功率以實現(xiàn)水溫控制的全過程。本設(shè)計實現(xiàn)了水溫的智能化控制以及提供完善的人機交互界面及PC機與單片機通信接口，系統(tǒng)由PC機與單片機通信模塊、溫度檢測及其顯示模塊、PID控制算法等模塊組成，其特點在于采用PC機與單片機通信，系統(tǒng)框圖如圖1所示。

2 硬件電路設(shè)計
    本電路總體設(shè)計包括四部分：主機控制部分(STC89C52)、溫度采樣與顯示電路、溫度控制電路、PC機與單片機通信電路。
2．1 主機控制部分
    主機控制部分是電路的核心，系統(tǒng)的控制采用單片機89C52。單片機89C52內(nèi)部有8 KB單元的程序存儲器以及512 B的數(shù)據(jù)存儲器，因此，系統(tǒng)不必擴展外部程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器，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采用獨特的單線接口方式，在與微處理器連接時，僅需要一條口線即可實現(xiàn)微處理器與DS18B20的雙向通信。測溫范圍為-55～+125℃，固有測溫分辨率為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)管道和狹小空問設(shè)備的測溫。
    SMC1602液晶顯示器以其微功耗、小體積、使用靈活等諸多優(yōu)點在袖珍式儀表和低功耗應(yīng)用系統(tǒng)中得到越來越廣泛的應(yīng)用。液晶顯示器通?？煞譃閮纱箢?，一類是點陣型，另一類是字符型。點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單的圖形，簡單、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，它的輸出級經(jīng)三極管將功率放大后控制繼電器常開觸點的通斷，從而最終達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電路。
2．4 PC機與單片機通信電路
    為了使系統(tǒng)具有更好的人機交換界面，在系統(tǒng)設(shè)計中我們通過Visual Basic語言設(shè)計了微機控制界面。系統(tǒng)與微機的通信大大提高了系統(tǒng)的各方面陛能。
    由于單片機89C52串行口為TTL電平，而PC機為RS232電平，因此，系統(tǒng)采用了MAX232電平轉(zhuǎn)換芯片來進行電平轉(zhuǎn)換。
    因為系統(tǒng)設(shè)計了通信功能，即主系統(tǒng)(89C52)和PC機的通信，所以在觀察PID控制器的輸出時更加明顯，很大程度上降低了參數(shù)整定的難度。另外，通過可視化窗口能夠看到系統(tǒng)的采樣值。

3 軟件設(shè)計
    本系統(tǒng)的軟件設(shè)計主要包括三大部分：PC機與單片機通信模塊的軟件設(shè)計、溫度采樣與顯示電路模塊的軟件設(shè)計、溫度控制模塊的軟件設(shè)計。
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、定時器以及液晶顯示模塊。
    (2)PC機與單片機通信：此部分程序主要完成數(shù)據(jù)在PC機和單片機間的相互發(fā)送，其主要通過89C52單片機的半雙工串行口完成，從而完成與微機控制接口RS232的連接及通信的控制。
    (3)溫度采集及其顯示：主要完成溫度信號的采集及其對轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量進行處理，進而用字符型液晶顯示模塊將實時溫度進行顯示。
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為控制器的微分時間常數(shù)。PID算法的原理即調(diào)節(jié)Kc、Ti、Td三個參數(shù)，使系統(tǒng)達到穩(wěn)定。
    由于PID的一般算式不易與單片機處理，因此，在設(shè)計中采用了增量型PID算法。將式(1)轉(zhuǎn)換成
   
    式(3)中的u(k)即輸出PWM波的導(dǎo)通時間。其控制算法如圖3所示。

4 測試方法與測試結(jié)果
4．1 測試方法
    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)定溫度和實際溫度，并記錄數(shù)據(jù)。填寫表1，同時觀察水溫變化的動態(tài)情況，并記錄溫度穩(wěn)定的時間，填寫表2。
4．2 測試結(jié)果
    設(shè)定溫度與實測溫度的數(shù)據(jù)對比如表1所列。表2所列是溫度穩(wěn)定和時間的關(guān)系，表2中的設(shè)定溫度為50℃，每隔30 s記錄實測溫度。

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)計要求。從表2所得的數(shù)據(jù)可知，系統(tǒng)運行5 min時，基本達到了穩(wěn)定，說明系統(tǒng)能很好地控制溫度達到理想值，為需要精確控制溫度的任務(wù)提供了參考。同時，系統(tǒng)實現(xiàn)了PC機與單片機的通信，把控制參數(shù)和控制結(jié)果顯示PC機上，方便監(jiān)控，實現(xiàn)了溫度的控制和智能監(jiān)控。