太阳能电池组件层压机温度控制系统设计

吉林大学物理学院 赵瑞雪

太阳能电池组件层压机温度控制系统设计

吉林大学物理学院 赵瑞雪

层压温度是层压机重要的被控参数之一，环境温度变化和电网电压波动都会影响控制温度，常规PID控制难以达到较高的控制精度。本文采用模糊增量式PID控制算法，利用AT89S52单片机的最小系统进行温度实时采集与控制能够达到温度控制精度需求。温度信号由0.75级K型热电偶采集，控制信号经继电器实现对层压机水温的控制。

AT89S52单片机；模糊PID；温度控制

图1 系统结构框图

图2 驱动控制电路

图3 模糊PID控制器原理图

我国是目前世界上最大的太阳能热水器生产和销售国，年产量几乎达到了世界各国总产量之和。但是由于生产和控制技术落后，很多太阳能控制器只具有温度和液位显示功能，而且精度还不高，误差达到10%以上。随着电子和信息技术的发展，太阳能热水器的温度控制的精度要求越来越高。其中以单片机为核心实现的数字控制器因其体积小、功能强、成本低、易操作而得到广泛应用。[1]本文介绍了一种以AT89S52单片机为核心的控制系统实现对太阳能层压机温度进行智能控制。该控制系统通过数字PID算法求出控制量，经脉冲调制传给功率控制器，最终实现水温控制。

1.系统结构设计

该系统以AT89S52作为控制中枢，用温度传感器（0.75级K型热电偶）作为测量装置，把太阳能层压机的实际水温测量出来，并将温度信号转换成电信号，通过单片机读进，单片机控制系统对采集的数据进行分析，并将温度测量值输送给显示电路显示出来。同时，单片机控制系统根据输入信号的大小与变化速度，按照数字PID算法，得出相应的加热功率。最后，系统通过继电器电路控制加热设备实现控制温度的目的。其硬件组成由温度传感器、单片机控制系统、人机界面、显示电路、继电器电路、电源等组成。系统的功能框图如图1所示。

其中，AT89S52单片机作为控制核心，根据温度传感器从层压机热水器中测量的温度数据，以及人机交互界面设定的水温数值，结合PID控制算法产生相应的控制信号，传送给继电器电路以控制加热设备的工作强度和时长，使热水器的水温不断逼近目标数值。

2.系统电路实现

根据层压机水温控制系统结构可以看出该系统的硬件模块主要包括温度测量模块、继电器驱动模块、单片机控制模块、温度显示模块、人机交互的串口通信模块以及电源模块。

2.1 温度测量模块

温度测量与采集由主控电路AT89S52单片机和传感器电路镍铬－镍硅型热电偶组成的电路实现。镍铬－镍硅型热电偶又称0.75级K型热电偶，它一般情况下与电子调节器、记录仪表、显示仪表配套使用，可以直接测量从-200℃~1200℃范围的固体、液体和气体介质的表面温度。

2.2 单片机控制模块

本系统的单片机采用AT89S52芯片，这是一种低功耗、高性能的CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程、可擦除的只读存储器。具有1000次擦写周期、全静态操作、三级加密程序、32个可编程输入输出接口线、6个中断源、3个16位定时/计数器、全双工串行通信以及掉电保护等功能。

2.3 继电器驱动模块

AT89S52是一个弱电器件，一般工作在5V[2]，不能直接用于驱动加热设备，因此采用继电器作为二者之间的负载，实现单片机对加热设备的加热控制。驱动控制电路如图2所示。

在图2中，Moc3041是光藕，用它来驱动双向可控硅BTA16，控制双向可控硅的通断。BTA16是通用电子器件，工作电流为16A，耐压400V、600V不等。由于加热执行器是电阻线圈，属于感性负载，所以在开关器件上并上RC电路，作为保护电路并起加速导通关断作用。R2、R3用于补偿双向可控硅，用R4限流保护MOC3041。JP1接控制端，VCC为+5VDC；JP2接220VAC，负载（LOAD）接在火线端（HEATPower）或零线端（NEUTRAL）均可。当单片机的P1.6引脚置1时，MOC3061内部发光管截止，其内部双向晶闸管关断，外部大功率晶闸管控制极G没有触发电流，T1不导通，加热器RL断电。反之，当P1.6引脚置0时，MOC3061内部发光管导通，加热器开始加热。[3]

2.4 其他模块

本系统的电源采用变压器将220V的交流电降压，并用7805整流桥整流为5V直流电，供系统电路使用；人机界面采用可操作键盘实现，用户不仅可以通过键盘实现实际温度与设定温度之间切换，而且还能通过键盘改变设定水温的数值；显示电路采用74HC164来驱动数码管，74HC164是比较典型的移位寄存器，有一个数据输入端口、一个时钟信号端口和8个输出端口。这三个模块与单片机控制中枢的接口连接关系为：电源模块与单片机的P40端口相连，为单片机控制提供5V直流电压；温度显示模块与单片机的P00-P07和P20-P22相连，其中P20-P22为数码管的位选控制信号，P0-P7为数码管段驱动信号；人机交互界面的串口通信使用MAX232芯片实现，通过单片机的P13、P14的IO口与单片机相连，完成串口通信的电平转换工作，实现单片机与上位机的串口通信。[4]

3.系统模型建立

本系统的控制器为PID控制器，被控对象为加热设备，算法采用模糊PID算法实现，如图3所示为模糊PID控制器原理图。

其中Kp为比例增益，Ki为积分增益，Kd为微分增益，e为实际温度与预定温度的偏差值，ve为偏差变化率。应用模糊推理实现PID参数自整定的方法是，先找PID控制器的Kp、Ki、Kd与e和Ve之间的关系，然后在运行中不断检测e和Ve，再根据模糊控制规则进行模糊推理，查询模糊矩阵表进行参数整定，对三个参量进行实时修改，以满足e和Ve在不同变化情况下对PID控制器参数的不同要求。

其中Kp、Ki、Kd与e、Ve的关系为：

4.结束语

通过理论分析与实验证明，基于AT89S52单片机的模糊增量式PID算法设计的太阳能层压机水温控制系统能够获得较好的温度调节和控制效果，在实际生产和生活中具有一定的应用价值。

[1]郑成霞.基于单片机的软件实现PID温度控制系统[J].宁波职业技术学院学报,2010,14(5):16-19．

[2]李亚杰,何群.基于GSM的远程温度监控系统设计与实现[J].制造业自动化,2009,17(6):1077-1079．

[3]于雷.基于单片机的水温控制系统设计[J].长春大学学报,2011(8):28-30．

[4]王小雨,郑伟,王一丁.基于AT89S52单片机的水温控制系统设计与实现[J].电子世界,2012(9):32-33．

赵瑞雪（1990—），女，吉林大安人，吉林大学物理学院硕士研究生在读，主要研究方向：半导体薄膜与太阳能电池研究。