基于單片機恒溫控制系統的開發研究

【摘要】溫度是工業生產的過程中最為常見的工藝參數，其溫度控制的好壞直接影響工業生產產品的質量，特別在機械、冶金、化工、建材、石油等工業生產中溫度控制占據著重要的作用。雖然目前溫度的控制方式多種多樣的，但是在專業化和高指標要求等方面還有待進一步開發研究。隨著科學技術的進步，單片機技術的不斷發展，在恒溫控制系統中采用單片機技術進行設計，能夠使恒溫控制系統更加可靠、靈活，控制的溫度范圍更加廣，其應用價值更高，下面具體進行研究基于單片機恒溫控制系統的開發設計。

【關鍵詞】單片機;恒溫控制系統;開發研究;

中圖分類號： TP273+5?????? 文獻標志碼：A

引言：隨著科學技術的快速發展，計算機技術和通信技術不斷更新，溫度控制在很多工業控制場合都需要具有非常準確的控制溫度的變化，所以溫度控制系統中采用單片機技術，不僅能夠保證溫度的控制的可靠性和靈活性，而且對滿足工業生產對溫度的要求也具有重要的作用和價值。本文主要進行研究采用AT89C51單片機系統如何實現恒溫控制。

1單片機溫度控制系統的工作原理及其組成

單片機是一種集CPU、I/O接口、ROM、RAM以及中斷系統等部分組成的器件，單片機系統只需要晶振和外加電源就能夠實現對數字信息的控制和處理，所以單片機系統被廣泛應用現代工業控制系統，在恒溫控制系統中采用單片機系統將會極大的提高恒溫控制的靈活性和可靠性。單片機恒溫控制系統的硬件部分CPU系統主要采用AT89C51，其中電路部分主要有電源電路、溫度采集電路、按鍵顯示電路以及電熱絲控制電路，其主要是通過采用智能溫度傳感器集成芯片實現溫度的采集， 集成芯片能夠將A/D轉化器、溫度傳感器、接口電路和溫度傳感器等集成在一個芯片中，然后可以直接數字化進行測量溫度和輸出，電源電路主要是通過TL431二極管實現穩壓、按鍵電路是由芯片驅動共陰數碼管的顯示實現按鍵功能。 而電熱絲控制電路，能夠直接通過電熱絲接電源和繼電器，然后通過單片機控制繼電器的開關，以實現電熱絲的加熱。單片機工作原理圖如下圖1所示：

單片機控制恒溫系統的流程如下所示：

溫度傳感器→模擬電壓信號處理→放大器→A/D轉換器→數字信號處理→單片機→繼電器控制加熱設備→單片機對溫度的控制。

2單片機恒溫控制系統的硬件設計

恒溫控制系統硬件主要包括AT89C51單片機最小系統， A/D轉換模塊、溫度控制電路、按鍵電路、顯示器以及報警電路等其他的電路模塊組成。

2.1單片機的選擇

在對基于單片恒溫系統進行設計時，單片機主要采用AT89C51系統，AT89C51系統是高性能，低功耗的8位的單片機系統，是一種帶有4K字節FLASH的存儲器，并且與MCS— 51單片機兼容，AT89C51單片機的功能特點為：（1）AT89C51單片機具有4K字節閃爍存儲器，可以進行1000次寫/擦循環，（2）其具有三層程序存儲器鎖，128×8位內部RAM，32可編程I/O線，兩個六位計數/定時器.（3）內部有6個中斷源，可以分為二個優先級，并且每個中斷源優先級都是可編程的。（4）系統還可以實現低功耗模式和掉電模式。AT89C51單片機系統作為控制系統是非常合適的。

2.2溫度控制電路

基于單片機的恒溫控制系統在開發設計的過程中，其溫度控制電路主要采用通斷控制，也就是通過改變給定的控制周期內加熱器導通以及關閉時間，以實現溫度控制的目的。此溫度控制電路主要是由雙向可控硅BTA12和雙向可控硅輸出型光電耦合器MOC3061系統組成。如果單片機的P1.7口輸出低電平時，則同相驅動器7407輸出低電平，如下圖2所示，MOC3061的輸入端如果有電流輸入時，則輸出端的雙向可控硅就會導通，進而使外部系統的雙向可控硅BTA12導通，則加熱器就會通電工作。如果單片機的P1.7口輸出高電平時，MOC3061的輸出端的雙向可控硅就會關閉，進而使外部系統的雙向可控硅BTA12也斷開，則加熱器就會斷電停止工作。

2.3模數轉化器

在單片機恒溫控制系統開發研究設計的過程中，模數轉化器采用ADC0809是8位逐次逼近技術的A/D轉換芯片，這種系統具有地鎖存控制的分時采集模擬開關，輸出數字信號主要是由TTL三態緩沖器順序控制，其能夠直接與數據總線進行連接，其時鐘頻率范圍在 10～128KHz之間，精度為7位，分辨率為8位，并且數據具有三態輸出能力，所以能夠與微處理器進行連接。溫度傳感器能夠將溫度信號轉換為電信號并且通過放大器放大后輸出模數轉化器ADC0809，然后將轉換后的數字量輸入到單片機系統中，單片機與模數轉換器的接口電路如下圖3所示：

2.4顯示和報警系統

單片機恒溫控制系統的顯示系統主要采用LED數碼顯示，如果系統停止加熱時，顯示設定的溫度，如果加熱器在啟動時，則顯示定時溫度。其中報警系統主要有蜂鳴器和三極管組成，其主要有單片機P1.6端口輸出高低電平進行控制三極管的導通和斷開，三極管導通則蜂鳴器就會自動報警。

3單片機恒溫控制系統的軟件設計

3.1單片機恒溫控制系統的控制規律

在單片機恒溫控制系統中，其主要采用數字PID調節器對電阻爐的爐溫進行控制，通過調節比例系數進行調節溫度控制的效果，其控制主要是根據偏差的比例P、積分I和微分D進行控制，這種控制形式被稱為是PID控制，是控制系統中應用最為廣泛的一種控制方式。采用計算機實現PID控制，不僅僅是簡單的將模擬PID控制規律數字化，而是需要與計算機的邏輯判斷功能相互結合在一起，從而使PID控制系統應用更加靈活，以進一步滿足生產要求。其中電阻爐采用PID控制系統實現恒溫控制，首先是進行比較實際電阻爐的溫度和需要電阻爐的溫度，然后可以從中得出一個偏差，通過對偏差的處理從而能夠獲得控制信號，再去進行調節電阻爐的加熱功率，最后實現對電阻爐溫度的控制。

3.2主程序的設計

在單片機恒溫控制系統進行開發研究設計中，其主程序主要包括控制程序和管理程序兩個部分，其中控制程序主要是對被控制對象進行數據處理、數據采樣、根據控制算法進行計算和輸出等，控制程序主要包括PID計算，A/D轉換、數據處理等。管理程序主要是控制指示燈、LED顯示動態刷新、處理鍵盤的響應和掃描、執行中斷服務操作以及掉電保護的處理等，單片機恒溫控制系統的整體程序流程圖如下圖4所示：

3.3A/D轉換子程序

A/D轉換子程序主要是采用查詢法進行設計，也就是不斷通過對ADC0809的EOC引腳進行檢查，如果EOC為高電平，則A/D轉換結束，如果EOC為低電平，則說明正在進行A/D轉換。并且因為AT89C51系統上的引腳P1.3通過非門與A/D轉換相連，所以AT98C51上的引腳P1. 3電平與EOC相反時在，A/D轉換結束，反之說明正在進行轉換，程序流程圖如下圖5所示：

4PID參數整定

在進行數字PID控制器參數整定過程中，具有一定復雜性，一方面需要應用經驗，同時也需要依照現場實際情況進行控制器參數Kp、Kt以及Kd進行確定，并選擇合理的周期T，同樣以上環節也是進行數字PID控制系統的一個重點問題。基于理論分析發現，采樣頻率越高失真也會隨之降低，但是基于控制器本身角度來看，其調節作用則需要借助于偏差信號E實施計算，采樣周期T過小則無法實現調節作用，采用周期T過大則容易出現誤差問題。但是在溫度控制中屬于響應慢、滯后大的被控對象，所以在研究過程中則將采樣周期T確定為8s，雙向可控硅控制周期則與之保持一致。在進行PID參數正定的時候，首先確定PID初始參數，本文在正交實驗基礎上，對其影響因素進行分析，并在此基礎上進行參數修訂，直到能夠滿足實際需求。其中本次試驗的初始參數值為：

Kp={14.0，16.0，18.0}

Kt={0.5，1.0，1.5}

Kd={16.0，18.0，20.0}

在進行PID參數整定的時候，主要目的是能夠確定一組能夠確保恒溫控制系統超調值小、穩定度高以及響應快的參數值，初始實驗過程中各組參數超調值差距較小。所以在本次研究中穩定在270℃±2℃時間則作為實驗指標。基于不同列極差S進行結果計算發現，對控制系統影響作用最明顯的是Kt，其次分別是Kp以及Kd，分析結果確定本次參數取值應該為Kp=18.0，Kt=0.5，Kd=20.0，進一步對其參數進行精確度分析結果為Kp=18.3，Kt=0.5，Kd=21.8.

在某企業的恒溫控制系統應用中發現，本次參數值應用效果顯著優于傳統應用質量，不但能夠顯著提高恒溫控制系統可靠性，并且操作方便靈活，溫度控制范圍有顯著擴大，值得推廣應用。

5總結

隨著社會的進步，科學技術的快速發展，在數字化日益普及的今天，在工業生產中溫度控制作為主要的參數之一，其溫度控制良好與否對工業生產具有很大的影響，所以在恒溫控制系統中中采用單片機技術，不僅控制的可靠性強、穩定性高，而且控制簡單方便，靈活，并且還能夠提高控制的溫度的技術指標，從而能夠極大的提高工業生產的效率，本文在對恒溫控制系統的過程中主要采用AT89C51系統并配合PID控制系統，經過實驗驗證，該系統具有可靠性高，使用靈活、控制溫度精度高等特點，具有一定的實用價值。

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作者簡介：

盛英（1974年），女，漢族，甘肅酒泉人，大學本科，高校講師，主要從事電工電子技術應用教育與研究工作。甘肅省教育廳職業院校英語教學改革研究項目（201830）