基于AT89C51單片機的烤箱溫度控制系統的設計

趙恩

摘 要：控溫，作為當今人們不斷創新與研究的新重點對象，在生活實際中起到了相當重要的作用。電烤箱的誕生就是充分體現出當今人類智慧結晶的產物。本文著重將電烤箱研究模型，將單片機技術作為新鮮血液注入到電烤箱的設計中，從而起到精確、高效的控溫作用。本文以電烤箱為例，通過對單片機系統等硬件系統和PID算法等軟件模塊的設計，完成了電烤箱溫度控制系統。利用上述控溫系統可以顯著提升精確性與時效性，從而大大提高產品質量，降低成本，提高產率，以獲得高效的控溫產品。

關鍵詞：單片機；溫度控制；A/D轉換；PID算法

中圖分類號：TP273.5 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）04-0052-02

1 電烤箱溫度控制背景介紹

在近幾年里，電烤箱已逐漸成為許多家庭中的必備家電之一，由此觀之，電烤箱的需求量還是很高的。然而市場中電烤箱的生產與創新卻還有極大的提升空間，同時已經擁有電烤箱的家庭也對電烤箱的性能與功能提出了更高的要求，如果能夠提高上述幾點，對于能源節約、方便與否這些方面上還是能夠起到相當大的作用。其次電烤箱用途也較廣泛，烤雞烤鴨、烘焙蛋糕、烘烤制作蛋撻時也都會借助于電烤箱的運行。本系統以單片機電路為設計核心，借此達到精確控制并及時反映的作用。

對國內而言，電烤箱的發展仍處于逐漸提升與進步的過程中，中國大多數家庭幾乎都缺乏對電烤箱這種家電的了解，這也與國人的飲食風格有著密不可分的聯系。中國的飲食大多以煮、炒、蒸、煎、燉等為主，而“烤”在中國傳統文化當中從未占有較重要的地位，因而鍋、微波爐與電器的普及程度要遠大于電烤箱。然而近年來，隨著國內外文化交流愈來愈密切，許多有別于傳統飲食的食品逐漸進入中國人一貫的食譜中，致使中國家庭對電烤箱運用的越來越頻繁，故而電烤箱的需求逐年上升，相比之下，國內對電烤箱的供應則落后了許多，品種大多較為單一，性能也參差不齊。這也正是一個良好的契機，為電烤箱在國內初步發展與普及提供了良好的契機，反觀國外情況，“烤”在國外家庭中一直扮演著一個相當重要的部分，故電烤箱在國外廚房中普及率絲毫不亞于國內廚房的電飯鍋。而正因電烤箱的發展在國外成熟已久，創新與改良則成為了國外電烤箱進一步發展中亟待解決的一個環節。向國外千篇一律的電烤箱中注入新鮮的設計與創新，同時加強細節的處理以及功能、性能上的進一步完善可以使得電烤箱的發展迎來第二次巔峰。故研究電烤箱不論是國內或是國外都是具有很高的研究價值的。

本文所研究的溫度控制系統以C51單片機為核心，以電烤箱為載體，硬件部分包括單片機電路，A/D轉換模塊，LED顯示器等硬件設備，軟件部分則由PID算法，溫度采集系統，溫度傳感器組成，從而達到實時控溫并及時反映。

2 電烤箱溫度控制系統的架構

2.1 設計要求

（1）可以實現通過鍵盤輸入0—1000攝氏度溫度值，并能夠實現對于溫度上限值、下限值及目標值的任意設置。

（2）可以實現當烤箱溫度小于下限值或大于上限值時聲、光報警，且在正常溫度值范圍內聲、光不報警。

（3）可以實現對于溫度的設定，最終實際溫度和目標溫度基本接近，滿足控制的穩態誤差小于正負5%，調節時間在100-200s內變化。

（4）可以實現1S內對烤箱加熱情況進行一次控制，使控制周期為1s內，對于溫度控制有較好的作用。

2.2 變送器

此次所用傳感器為pt100，它是一種熱敏電阻，其工作原理為將溫度變化轉換為電阻阻值變化，與變送器一起將信號轉換為標準信號輸出。變送器原理如圖1和如圖2所示。

變送器將電阻信號轉換成與溫度成正比的電壓，當溫度在0℃～+300℃時變送器輸出-5v～+5V左右的電壓。

2.3 AD574A（起反饋作用）

AD轉換器也是對實時溫度檢測的準確性起著重要的作用，經過它將變送器送來的標準模擬信號轉換為12位數字信號，經過標度變換達到實現溫度檢測的目的。

設D為N位二進制數字量，UA為電壓模擬量，UREF為參考電壓，無論A/D或D/A，其轉換關系為

UA=D×UREF/2N

（其中：D=D0×20+D1×21+…+DN-1×2N-1）

2.4 SSR固體繼電器（起執行器作用）

該SSR固體繼電器在系統中有執行器作用，當P3.6口為低電平時，電路導通從而使電阻絲加熱而使烤箱加熱；當P3.6口為高電平時，電路不導通，則電阻絲不產生熱量，烤箱停止加熱。SSR固體繼電器原理，如圖3所示。

2.5 系統工作流程

通過對以上各個模塊的深入研究，系統的功能設計可分為以下幾個方面：（1）鍵盤管理：實時監控并測量鍵盤輸入，預設溫度值，控制系統開始運行；（2）顯示：顯示設置溫度及當前溫度；（3）溫度檢測及溫度值變換：完成A/D轉換；（4）溫度控制：根據檢測到的溫度控制電爐工作；（5）報警：當預設溫度與當前實時爐溫超過最大設定限度時報警系統啟動。

2.6 功能軟件設計

（1）溫度 PID 輸出模塊：用 PID 調節的時候誤差差不多控制在3%以內。但同時溫度過高后要等烤箱自然冷卻。（2）溫度檢測模塊：由ad轉換器將實時測量的電壓數值轉變對應的電阻值再變成為實時溫度數值。（3）溫度PID控制模塊：通過采用位置式PID控制算法，在此次具體采用的PID算法與以往狀態相關聯，數值的偏差在每次工作后不斷積累，此時計算機的性能則格外重要，任何一出微小錯誤都會最終導致輸出數值的偏差，因此通過不斷調整閥門具體位置，可以很大程度上降低生產危險。（4）溫度報警模塊：當烤箱實時溫度超出或低于最大和最低臨界值時，報警工具發生器則會立即反饋。（5）主程序模塊：不同功能的切換時對各個標志位給定值的改變來實現的，flag1=1的作用是顯示測定設定值，flag=0是顯示最高和最低臨界值，flag2=1是改變給定輸入值，flag3=1是用來改變最高和最低臨界值，flag4=1是開始測溫和PID控制，flag5=1結束。（6）定時1s中斷模塊：定時模塊本來是40ms采樣一次但是我們認為采樣周期有點短，這里我們用flag6增加10倍變成400ms采樣一次。主程序模塊流程，如圖4所示。

3 系統測試與分析

本次系統控制中，我將系統程序主要分為以下幾個模塊：鍵盤設值、標度變換、增量式PID計算、中斷產生PWM波、AD轉換、實時溫度顯示、越限報警等。在調試過程中，各部分都遇到了不同的問題，但經過老師指導和制定修改方案，都順利的解決了問題，現將調試中遇到的困難和解決方法作歸納，以便日后查閱并引以為戒。

增量式PID計算調試。在此次烤箱溫度控制系統中，該部分相對于控制系統中的控制器，所以它工作的好壞決定了控制系統的性能，決定著溫度調節中的超調量和調節時間，故需要認真對待。

問題：對于PID，在查閱資料過程中有所了解，但對于其如何應用不是特別清楚，對于程序編寫也較為陌生，需要花大量時間來理解。

解決措施：我決定采用增量式PID來控制烤箱，對烤箱加熱與否，我知道，它受到高電平（單片機給1）則不加熱，受到低電平（單片機給0）則加熱，所以決定以控制占空比大小來控制其加熱散熱情況。我采用1S單片機產生一次中斷來進行一次PID計算，并決定下一次占空比大小，根據實際中斷編寫程序，我知道想控制占空比大小，實質是控制temp值的大小，占空比 =temp/400（此處需參考實際中斷程序），所以增量式PID輸出值與u（k-1）決定輸出值，經過一定處理即可得到temp值，達到控制目的。故在實際PID程序編寫中，需要結合實際情況進行設計，對于P、I、D參數的確定，由于未求實際傳遞函數，故經多次試驗得到基本參數，是一種經驗值（P=5，I=30，D=0），經測試，實際效果較滿意。超調量在正負3攝氏度之間變化，基本滿足要求。

4 總結與展望

對于未來電烤箱的發展，我認為更多LED設備會以更高科技少能耗的形式融入進來，全電子觸屏并可遠程控制，使電烤箱的動作更加方便。同時，更多的電烤箱進入千家萬戶，而其功能也將更加豐富，兼并的功效又能夠滿足未來人們更多的要求。智能控溫的前景是一派光明的，而我認為更多不同類型的家電設施會逐漸合并，例如微波爐，電烤箱，蒸鍋，可融合成為一體，為以后的空間的節省與操作的方便提供了更多想像空間。

不斷改進控溫系統，正所謂人類的需求即是發展的方向，它終會順著人們更高的要求去不斷創新，去產生更大的社會效應與經濟效益，正是因為電烤箱具有極大的應用價值。