基于STC89C52單片機的溫度控制系統

摘要： 討論了一個以STC89C52單片機為核心的溫度控制系統，給出了系統的單片機電路、控溫輸出電路、溫度檢測放大等電路的設計。實現了爐溫的自動控制，并提高控溫的精度，具有重要的工程應用價值。

關鍵詞：STC89C52單片機；溫度控制；溫度檢測

中圖分類號：TP273文獻標識碼：A文章編號：1009-3044(2011)04-0902-02

A Temperature Control System Based on STC89C52 MCU

WU Jian， HOU Wen， ZHENG Bin

(National Key Laboratory for Electronic Measurement Technology， North University of China， Taiyuan 030051， China)

Abstract: This paper discusses a STC89C52 MCU to increase the technical indexes of accused of temperature control system，Presented the design of the MCU circuitry of system， temperature control output circuit， temperature detecting amplifier circuit and so on. Realized of furnace temperature automatic control and improve the precision temperature control. Be provided with important engineering use value.

Key words: STC89C52 MCU; temperature control; temperature test

隨著工業技術的不斷發展，利用溫度控制表，溫度接觸器的控制方式已不能滿足高精度、高速度的控制要求，其主要缺點是溫度波動范圍大，受儀表本身誤差和交流接觸器壽命的限制，通斷頻率很低。本文設計了一種基于STC89C52單片機控制的溫度控制系統。它使用了較少的外圍器件和較為簡單的電路設計，因此具有成本低、控制方便，實用性強等特點。

1 系統設計

本系統是對電爐爐溫進行控制的微機控制系統。控制方式是單閉環控制形式。溫度控制系統是以STC89C52單片機為控制核心，其系統結構框圖如圖1所示。

鍵盤將溫度設定值和溫度反饋值送入單片機，然后經過運算得到輸出控制量，輸出控制量控制控溫輸出電路得到控制電壓，施加到驅動器上，從而控制電加熱爐內溫度。

2 系統硬件設計

硬件系統由單片機電路，溫度檢測放大電路，A/D、D/A轉換電路，控溫輸出電路等組成。下面分別給予介紹。

2.1 單片機電路

STC89C52是一個低功耗，高性能的51內核的CMOS 8位單片機， 具有在線編程功能，不再需要啟動像STC89C51那樣的12V的VPP編程高壓[1]。 使用簡單且價格非常低廉。故本文使用STC89C52為系統的主控制器。單片機發送溫度設定值和采集溫度反饋值，并據此調節I/O的輸出來控制溫度的值。

2.2 溫度檢測放大電路

溫度檢測電路承擔著檢測電阻爐溫度并將溫度數據傳輸到單片機的任務。鉑電阻最常應用于中低溫區，精度高，穩定性好，具有一定的非線性，溫度越高電阻變化率越小，測量范圍一般為-200～850℃。目前應用最廣泛的是Pt100。Pt100鉑熱電阻與溫度的關系如下：

(1)

其中：Rt——溫度為t℃時鉑電阻的電阻值（Ω）；R0——溫度為0℃時鉑電阻的電阻值（Ω）；A，B，C——常數，3.96847×10-3 （℃-1）；-5.847×10-7 （℃-2）；-4.22×10-12（℃-3）。

信號放大電路采用OP07E放大器，溫度信號輸入采用差動放大模式，輸入電壓范圍為+/-14V，輸出電壓范圍為+/-12V。設計電路如圖2所示。

U1放大器放大倍數為：

(2)

2.3 A/D轉換電路

溫度檢測電路采集到的溫度值為模擬信號，需要轉化為數字信號才能被單片機處理。溫度控制系統的A/D轉換模塊采用ADC0804型8位全MOS A/D轉換器。轉換時間約為100μs，轉換時鐘信號可以由內部施密特電路和外接RC電路構成的震蕩器產生，當/CS與/WR同時有效時便啟動A/D轉換，經DATA口送入單片機，再采集第二個模擬量進行轉換。

2.4 D/A轉換電路

溫度控制系統的D/A轉換芯片采用DAC0832。D/A轉換器由8位輸入鎖存器、8位DAC寄存器、8位D/A轉換電路及轉換控制電路構成[2]。DAC0832的主要特性參數：分辨率為8位；電流穩定時間1us；可單緩沖、雙緩沖或直接數字輸入；只需在滿量程下調整其線性度；單一電源供電，電壓范圍為+5V～+15V；低功耗，功耗為200mW。

2.5 可控硅調功控溫電路

溫度控制電路采用可控硅調功率方式。雙向可控硅串在50Hz交流電源和加熱絲電路中，在給定周期里改變可控硅開關的接通時間改變加熱功率，從而實現溫度調節[3]。如圖3所示。

可控硅驅動器MOC3041集光電隔離、過零檢測功能于一身，具有體積小、功耗低、抗干擾能力強，無噪聲等優點[4]，RS、CS為吸收電路，起保護作用。經驗公式如下：

Cs=（2～4）IT×10-3(uF)(3)

Rs=10～50Ω(4)

R17是觸發器輸出限流電阻，取51Ω。R16是驅動器的門極電阻，一般取值300-500Ω。

3 PID溫度控制算法

溫度控制技術大致可分為定值開關控溫法，PID線性控溫法。定值開關控溫法通過硬件電路或軟件計算判別，系統溫度上升至設定點時關斷電源，當系統溫度下降至設定點時開通電源，因而無法克服溫度變化過程的滯后性，致使被控溫度波動較大，精度低。當我們不完全了解被控對象，或不能通過有效的測量手段來獲得系統的參數時，最適合用PID控制技術。PID線性控溫法主要取決于比例值、積分值、微分值[5]。只要三參數選取的正確，其控制精度是比較令人滿意的。當執行機構需要的不是控制量的絕對值，而是控制量的增量時，需要用PID的“增量算法”。增量式PID控制算法可以通過（式5）推導出。

(5)

Uk——控制器的輸出值；ek——控制器輸入與設定值之間的誤差；Kp——比例系數；

Ti——積分時間常數；Td——微分時間常數；T——調節時間。由（式5）可以得到控制器的第k－1個采樣時刻的輸出值為：

(6)

將（式5）與（式6）相減并整理，就可以得到增量式PID控制算法公式：

(7)

其中：

由（式7）可以看出，如果計算機控制系統采用恒定的采樣周期T，一旦確定A、B、C，只要使用前后三次測量的偏差值，就可以由（式7）求出控制量。物理模型如圖4所示。

4 系統軟件設計

為了便于程序的調試與維護，系統全部程序采用模塊化結構。由一個主程序和若干子程序組成。子程序主要包括A/D轉換子程序、D/A轉換子程序、LED顯示子程序、增量式PID控制子程序、鍵盤控制子程序等，各子程序均能很快返回主程序，不會發生子程序時間過長等問題，子程序對相關事件的處理依靠標志位和判斷標志位來完成。主程序通過調用各個子程序來完成所有的溫度控制器功能。主程序的流程圖如圖5所示。

5 設計結果

設計的溫度控制系統基于STC89C52單片機，采用了信號放大，可控硅控制等簡單的外圍電路，經過焊接、 組裝、 調試后，可以很好實現控制功能，具有很強的實用性，尤其是具有體積小、 易移動等優點。 該方案也可以在功能上加以擴展，如加上LED電路，當到達我們想要的溫度時綠燈亮，當超過我們想要的溫度一定量程時紅燈亮。

參考文獻：

[1] 張俊謨.單片機中級教程[M].北京:北京航空航天大學出版社，1999:75-86.

[2] 小島郁太郎.實現數字電路與模擬電路及軟件的協調設計[J].電子設計應用，2009(6):15-20.

[3] 王海寧.基于單片機的溫度控制系統的研究[D].合肥:合肥工業大學，2008.

[4] 何小艇.電子系統設計[M].杭州:浙江大學出版社，2000:378-396.

[5] 劉娜.基于遺傳算法的PID參數尋優[J].計算機仿真，2002，19(2):70-73.