基于单片机的温度控制箱研究与设计

戴畸哲，戴曙光

(上海理工大学 光电信息与计算机工程学院，上海 200093)



基于单片机的温度控制箱研究与设计

戴畸哲，戴曙光

(上海理工大学 光电信息与计算机工程学院，上海 200093)

针对粘弹性减振器在不同温度下性能试验需求，设计了温度控制箱，实现对箱体内温度的有效控制。温度控制箱的设计核心在于温度控制器，温度控制采用基于单片机数字PID控制算法实现，主要由5个模块组成，其核心模块为单片机处理模块，其他为温度测量模块、数码管显示模块、继电器控制模块和功能按键设置模块。基于单片机的温度控制箱结构简单实用、灵敏度高，与试验装置连线简洁、布局合理、能够及时启动制冷、加热装置，使得箱体内部能够保持恒定温度。

PID；温控箱；单片机；温度控制系统

各种新材料和新装置在开发阶段需对温度特性进行研究，不同环境温度对粘弹性减振器材料性能的影响也不同，所以需将粘弹性减振器放置于不同环境温度中，对其性能进行测试。试验用温度调控装置要求精度高、灵敏度好，能够及时反馈温度变化。基于单片机的智能化温度控制系统，不仅能够实现对当前环境温度实时有效监测，还能根据试验操作要求进行软件编程，设置当前环境温度警戒值对箱内温度进行控制[1-4]。利用单片机的重量轻、耗电少、安全性高等优点，设计能够实现对温度有效监测与控制的温度控制箱[5-8]。

1 箱体总体设计

温控箱由箱体和温度控制器组成，根据粘弹性减振器在疲劳机的装配要求设计温控箱外形结构，温度控制器设计主要包括系统模块设计和算法实现，在总体模块确定的基础上进行系统的硬件、软件设计。

1.1 箱体设计

箱体由半导体制冷器、硅橡胶加热板、铁镍合金钢板组成，在箱体内外两层铁镍合金钢板之间填充绝热材料，起到防止箱体内腔与外界进行热交换的作用。加热时，热量从加热板上分散到箱体内腔；制冷时，启动半导体制冷器对箱体内腔进行降温处理，其结构如图1所示。

图1 箱体结构示意图

图1中，1为半导体制冷器；2为硅橡胶加热板；3为箱体内壁的铁镍合金钢板；4为绝热材料；5为箱体外壁的铁镍合金钢板；6为装配孔；7为门把手；8为加热板连接导线。

1.2 温度控制器总体设计

温度控制器以单片机处理模块为核心，根据控制系统所需性能要求，进行模块设计和算法实现。系统包括5个模块，分别为单片机处理模块，温度测量模块，数码管显示模块，继电器控制模块和独立按键设置模块。系统模块设计如图2所示。

图2 系统模块结构

温度控制器由硬件和软件两部分组成，如图3所示。硬件组成依次为单片机最小系统，温度传感器、独立按键、继电器控制和数码管显示电路。系统软件设计的核心是采用数字PID控制算法，相应子程序有温度测量调控程序、数码管显示程序和按键设置程序等。

图3 系统组成描述框图

2 模块设计与算法实现

2.1 模块设计

温度控制器主要分为5个模块，其中以单片机处理模块，温度测量模块和温度控制模块为其核心模块。单片机处理模块是温度控制系统的核心。该模块控制着温度采集、处理、显示、报警，以及制冷器、加热器的启动。AT89C51是由Atmel公司生产的单片机，被广泛应用于各控制领域[9-11]。单片机处理模块电路连接如图4所示。

图4 单片机处理模块电路图

温度测量模块选用DS18B20作为其温度传感器，只需一根数据线就能与单片机实现双向通讯，能够直接读出数据量，其测量范围为-25～+125 ℃，分辨率为0.5 ℃，精度高、工作可靠，且通过编程可实现9～12位数字读出方式。温度测量模块电路连接如图5所示。

图5 温度测量模块电路连接图

温度控制模块主要是根据单片机处理模块发出的指令，使制冷器或加热器进行工作，主要由继电器，三极管，若干电阻构成。当单片机的引脚输出低电平时，显示相应的二极管指示灯，继电器导通，使得加热器、制冷器开始工作。

2.2 算法实现

采用数字增量式PID算法作为温度控制箱的核心算法[12-15]。数字PID离散后的表达式为

(1)

式中，KI=KI/TI为积分系数；KD=KP×TD为微分系数；k为采样序号，k=0,1,2…，U(k)为第k次采样时刻的计算机输出值；e(k)为第k次采样时刻的输入的偏差值。

根据上述表达式，通过递推原理得到

+KD[e(k-1)-e(k-2)]

(2)

用式(1)减式(2)，得

Δu(k)=Ae(k)-Be(k-1)+Ce(k-2)

(3)

式中，A=KP×(1+T/Tf+TD/T)；B=KP×(2TD/T)；C=KP×KD/T。A、B、C都是与采样周期、比例系数、积分时间常数、微分时间常数有关的系数。

图6 增量式PID控制算法流程框图

图6为增量式PID控制算法的流程框图，由式(3)和图6可得出，如果控制系统采用恒定的采样周期T，A、B、C确定后，得到前后3次测量的偏差值，可算出控制量。系统软件设计主流程如图7所示。

图7 系统软件主流程

首先对AT89C51芯片及外部连接设备初始化，设定相关参数，读取温控箱内的温度，然后进行键盘扫描，扫描后将设定温度与读取温度进行比较，执行加热或者制冷驱动，并利用数码管显示箱体内温度值和按键设定温度警戒值。

3 实验仿真

3.1 Proteus实验仿真

根据系统模块设计，在Proteus搭建电路原理图。同时根据主程序流程和数字增量PID算法在Keil中编写C语言程序，并将编译连接生成的16进制hex加载到单片机中，实现Proteus实验仿真，如图8所示。

图8 Proteus仿真实验原理图

3.2 实物实验

根据电路原理图和Proteus仿真图实物焊接元器件，箱体与电路板实物连接如图9所示

图9 电路板与箱体线路连接图

以Proteus仿真为理论基础，实物焊接，系统调试正常。运行该系统，能够在实际环境中达到设计基本要求。在初始化时，设置温度的下限为10 ℃，上限为30 ℃，测量所得内壁温度在警戒范围内，不会使得继电器导通、加热板或制冷器工作。当环境温度不断上升时，超过上限30 ℃时，控制半导体制冷器的继电器导通，使得制冷器开始工作降温。当测量温度低于10 ℃时，控制硅橡胶加热板的继电器导通，使得加热板开始工作升温，使得箱体温度基本能够稳定在所要求控制的±0.05 ℃左右。实验结果表明，增量式PID对于该系统控温效果较好，并且长时间运行稳定，能够满足粘弹性减振器温度性能检测的要求。

4 结束语

温度控制系统与箱体设计有效结合，使得温度控制精度得到进一步提高。对基于单片机AT89C51的温度监控系统，进行Proteus系统实验仿真，选用灵敏度高的DS18B20温度传感器采集箱体内温度，利用增量式PID算法作为主要控制手段，设计出具有高灵敏度，实时性效果好的温度控制箱。当所测温度范围在温度传感器DS18B20测量范围之内，都可以使用此温控系统，能够应用于温室控制、蔬菜大棚温度、机房温度监控等。

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The Research and Design of Temperature Control Box Based on MCU

DAI Jizhe，DAI Shuguang

(School of Optical-Electrical and Computer Engineering,University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093,China)

According to the test requirements of performance under different temperature viscoelastic damper,design the temperature control box to adjust the temperature in box.The core of temperature control box lies in temperature controller.It adopts PID arithmetic to realize the adjustment of temperature based on MCU.Temperature controller is composed by five modules,MCU AT89C51 as the control core,the rest are temperature-measuring module, digital tube display module, relay control module, button module.The structure of temperature control box is simple and practical with high sensitivity and start the refrigerator and heater in time,so that the inside of the box can keep a constant temperature.

PID;temperature control box;MCU;temperature control system

2016- 10- 16

戴畸哲(1993-)，男，硕士研究生。研究方向：测试信息获取与处理计算机视觉检测技术。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.08.046

TP273

A

1007-7820(2017)08-166-04