基于AT89S52單片機的水溫控制系統電路設計與實現

李卓 王劍鋼

（吉林大學電子科學與工程學院，長春 130012）

隨著控制理論和電子技術的發展，工業控制器的高精度性要求越來越高。其中以單片機為核心實現的數字控制器因其體積小、成本低、功能強、簡便易行而得到廣泛應用。而電加熱控制卻因為其具有如時滯性、單向性和時變性等缺點，很難實現用傳統的模擬電路達到最佳控制狀態。本文描述了一種基于AT89S52單片機的最小系統對電阻爐溫度進行實時采集與調控的智能控制系統。該系統采用數字增量式PID算法得出溫度控制量，然后以脈沖調制波的形式輸送給功率控制器，最終實現對水溫的控制，系統通過研究、仿真和實驗，表明其具有較好的應用價值。

1 系統結構設計

控制系統的結構一般包括控制器、被控對象和反饋回路，水溫控制系統結構簡圖如圖1。

圖1 水溫控制系統結構簡圖

其中，干擾信號主要包括由于被加熱水表面溫度耗散和水與其他物體接觸引起的熱量散失造成的持續干擾以及由于加熱電源的毛刺所引起的瞬時干擾等。

根據水溫控制系統的一般結構圖可以設計出該系統的電路原理圖，如圖2所示。該系統主要由傳感器電路、控制電路、繼電器電路、人機交互界面、溫度顯示電路和電阻電爐組成。傳感器電路主要采用Dallas公司設計開發的數字式溫度傳感器DS18B20，它的主要作用是測量水溫，并將結果反饋給控制器。控制電路的核心是AT89S52單片機，這是一種高性能而低功耗的可編程CMOS微控制器，非常適用于嵌入式的控制系統，控制電路的作用主要是將讀取的實際水溫的數字值與程序中的設定值進行比較，算出差值，再將差值采用數字PID算法，得出對應的功率值，通過控制加熱功率達到控制溫度的目的。繼電器電路則為控制電路實現控制電阻電爐架設橋梁，它的作用是實現了小電流控制大功率的運作。人機交互界面的作用是調節設定溫度值和控制加熱器的工作狀態。此外，實際水溫和預設水溫都可以通過溫度顯示電路在液晶屏幕上顯示。

圖2 系統電路原理圖

2 控制電路設計

系統控制模塊采用單片機作為控制核心，在盡量精簡系統電路后，水溫控制系統的控制主電路如圖4所示：

圖3 系統控制主電路

其中，鍵盤的四個鍵直接接P1口，按下時是低電平；SMC1602A為16×2字符型點陣液晶模塊，可同時將設定溫度和實測溫度顯示出來，在P0口加上8×1K的上拉排阻是為了提高液晶模塊與單片機之間數據傳輸的可靠性，SMC1602A所接電位器用于調節液晶顯示的亮度；HEAT端表示加熱驅動信號輸出端，高電平有效，經過74HC14反相后驅動可控硅；COUNT表示過零檢測反饋接入口，上圖中是查詢式接法，如果使用中斷方式，則將其接到P3.2，發光二極管DS1用于顯示系統電源狀態，DS2用于顯示加熱信號通斷狀態；接頭JP1是在板下載口，JP2是接DS1820的溫度檢測端口，JP3是控制端口，JP4是電源接入端口。

3 系統實驗

首先估計系統參數，對于1000g水，采用周期為1.2s時，經過在離散條件下計算得：Kp≈3.4，Ki≈1.2，Kd≈1.8，由此，離散增量PID計算式為：

式中，E1(z)為當前誤差值，E2(z)為上一次誤差值，E3(z)為再上一次誤差值。將PID參數代入上式，讓系統工作，記錄實驗數據，看是否滿足設想要求，如果不滿足，通過實驗數據分析參數所要調整的方向，稍微調整后再投入運行，再經過對第二次結果分析，來確定下一次參數調整的幅值，將試驗數據在直角坐標系中繪制出來，如圖4所示。

圖4 實驗曲線

4 結束語

水溫控制系統是基于AT89S52單片機進行設計與實現的，通過預先估計需求功率，并調節PID參數達到無超調控制。

實驗表明，通過增量式PID算法設計實現的水溫控制系統具有工作穩定、運行可靠、簡單直觀、控制精度高等特性，可以較好的運用到工業生產和日常生活中。

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