基于AT89S52单片机的水温控制系统电路设计与实现

2013-09-14李卓王剑钢

电子测试 2013年6期

李卓王剑钢

（吉林大学电子科学与工程学院，长春 130012）

随着控制理论和电子技术的发展，工业控制器的高精度性要求越来越高。其中以单片机为核心实现的数字控制器因其体积小、成本低、功能强、简便易行而得到广泛应用。而电加热控制却因为其具有如时滞性、单向性和时变性等缺点，很难实现用传统的模拟电路达到最佳控制状态。本文描述了一种基于AT89S52单片机的最小系统对电阻炉温度进行实时采集与调控的智能控制系统。该系统采用数字增量式PID算法得出温度控制量，然后以脉冲调制波的形式输送给功率控制器，最终实现对水温的控制，系统通过研究、仿真和实验，表明其具有较好的应用价值。

1 系统结构设计

控制系统的结构一般包括控制器、被控对象和反馈回路，水温控制系统结构简图如图1。

图1 水温控制系统结构简图

其中，干扰信号主要包括由于被加热水表面温度耗散和水与其他物体接触引起的热量散失造成的持续干扰以及由于加热电源的毛刺所引起的瞬时干扰等。

根据水温控制系统的一般结构图可以设计出该系统的电路原理图，如图2所示。该系统主要由传感器电路、控制电路、继电器电路、人机交互界面、温度显示电路和电阻电炉组成。传感器电路主要采用Dallas公司设计开发的数字式温度传感器DS18B20，它的主要作用是测量水温，并将结果反馈给控制器。控制电路的核心是AT89S52单片机，这是一种高性能而低功耗的可编程CMOS微控制器，非常适用于嵌入式的控制系统，控制电路的作用主要是将读取的实际水温的数字值与程序中的设定值进行比较，算出差值，再将差值采用数字PID算法，得出对应的功率值，通过控制加热功率达到控制温度的目的。继电器电路则为控制电路实现控制电阻电炉架设桥梁，它的作用是实现了小电流控制大功率的运作。人机交互界面的作用是调节设定温度值和控制加热器的工作状态。此外，实际水温和预设水温都可以通过温度显示电路在液晶屏幕上显示。

图2 系统电路原理图

2 控制电路设计

系统控制模块采用单片机作为控制核心，在尽量精简系统电路后，水温控制系统的控制主电路如图4所示：

图3 系统控制主电路

其中，键盘的四个键直接接P1口，按下时是低电平；SMC1602A为16×2字符型点阵液晶模块，可同时将设定温度和实测温度显示出来，在P0口加上8×1K的上拉排阻是为了提高液晶模块与单片机之间数据传输的可靠性，SMC1602A所接电位器用于调节液晶显示的亮度；HEAT端表示加热驱动信号输出端，高电平有效，经过74HC14反相后驱动可控硅；COUNT表示过零检测反馈接入口，上图中是查询式接法，如果使用中断方式，则将其接到P3.2，发光二极管DS1用于显示系统电源状态，DS2用于显示加热信号通断状态；接头JP1是在板下载口，JP2是接DS1820的温度检测端口，JP3是控制端口，JP4是电源接入端口。

3 系统实验

首先估计系统参数，对于1000g水，采用周期为1.2s时，经过在离散条件下计算得：Kp≈3.4，Ki≈1.2，Kd≈1.8，由此，离散增量PID计算式为：

式中，E1(z)为当前误差值，E2(z)为上一次误差值，E3(z)为再上一次误差值。将PID参数代入上式，让系统工作，记录实验数据，看是否满足设想要求，如果不满足，通过实验数据分析参数所要调整的方向，稍微调整后再投入运行，再经过对第二次结果分析，来确定下一次参数调整的幅值，将试验数据在直角坐标系中绘制出来，如图4所示。