智能温控系统设计

杨晓光， 王一桐

（1.中国电子科学研究院， 北京 100041；2.首都信息股份有限公司， 北京 100032）

引言

食品烘烤机已成为很多家庭必不可少的厨房设备之一，温度的精确控制对烘烤食品的味道和口感有着很大影响。随着科技的发展，智能家居、智能控制等概念已经融入到人们的生活。将智能温度控制技术引入到厨房，利用智能化技术来降低食品制作的难度，减少家务，增加休闲与娱乐的时间，已成为一种潮流[1]。本文利用单片机作为主控制器来设计食品烘烤机的智能温控系统，相较于以FPGA、PLC作主控器的系统方案来说，本文的方案具有成本低、易于开发的优点[2-4]。

1 系统方案设计

1.1 系统组成

食品烘烤机智能温控系统要求满足如下技术指标：烘烤温度为180～195℃；控制精度为±5℃。

按照以上指标要求，本文设计的系统由五大模块组成：主控制器模块、温度采集模块、按键输入模块、显示模块和基于PID算法的温控执行模块。系统总体设计如图1所示。

图1 总体框图

各模块的硬件选型如下：主控制器选用STC生产的STC12C5A60S2单片机，此款单片机具有高速、低耗和强抗干扰能力的特点，指令代码完全兼容传统8051，其专用复位电路是集成的MAX810，有2路PWM和8路高速的10位A/D转换通道。

温度采集模块中传感器选用铂热电阻Pt100，其阻值随着温度上升而近似匀速增长。PT100的温度测量范围为-200～850℃，在0℃时，PT100的阻值为100 Ω，当温度上升到100℃时，PT100的阻值约为138.5 Ω。PT100热电阻传感器在检测温度后产生的信号为模拟信号，需要连接AD转换模块对检测到的温度实现数字化。在本系统中，PT100热电阻连接了LM358放大电路，对所检测到的温度进行放大，通过调节放大器内部的电阻可实现对放大倍数的调节。PT100热电阻所检测到的温度经过放大后，读数更为准确。

键盘输入模块采用1*4矩阵键盘，它的主要作用是设定温度，保证整个系统的正常运作。1*4矩阵键盘由1条行线和4条列线组成，分别连接单片机的5个引脚。

温度显示模块选用LCD1602液晶显示屏，用来显示食品烘烤机桶内的摄氏温度，LCD1602液晶模块采用HD44780控制器，HD44780通过功能强大的指令集来实现字符的移动、闪烁等功能。它采用+5 V的电压驱动，工作电流2.0 mA,显示容量为16×2个字符,每行可以显示16个字符，共显示两行，带背光。

PID温控模块中，采用继电器来控制加热设备。继电器会根据输入到的信号而发生变化，控制电路的断开或者接通，实现对外接设备的开关作用。继电器的VCC和GND，分别连接整个电路的正极和负极。

电源模块采用降压开关型集成稳压芯片LM2596，LM2596芯片拥有良好的线性和负载调节特性，能够输出3A的驱动电流，也可调节输出小于37 V的各种电压。LM2596芯片的内部集成了频率补偿器件和固定频率发生器，可产生高达150 KHZ的开关频率。

1.2 软件流程

为了达到对烘烤机桶内温度实时监控的目的，本系统以单片机为中央处理器，通过温度传感器对烘烤机桶内温度信号进行采集，将采集到的信号传输给单片机，再由单片机控制显示，同时通过将采集的温度值与设定的温度值相比较，来向温控执行模块发送不同控制信号，实现智能温控的目的。本设计的流程图如图2所示。

图2 系统总体流程

2 PID控制算法

数字PID控制可以快速准确地调整烘烤机桶内温度，对PID参数的确定是系统设计的一个重点。

2.1 PID控制流程

比例控制是最简单的控制算法，也是在实际中最常用到的手段，但是因其滞后性，会严重影响控制效果。比如设定温度为70℃，当只使用比例控制时，会出现实际温度在70℃上下一定范围内振荡的情况。所以在比例控制的基础上加入了积分控制，积分控制的存在能帮助消除静态误差，达到准确控制温度的目的。但与此同时也带来了一些负面的影响，会使整个控制系统的响应速度降低。所以又加入了微分项，主要用来解决系统的响应速度。PID控制流程如图3所示。

比例、积分、微分三种控制各有所长。比例（P）控制实质上是一个增益可调的放大器，它仅对被调信号的幅值进行调整，而不影响信号的相位。当P控制的增益增加时，系统开环增益也会提高，同时系统稳态误差降低，提高了控制精度。P控制的缺点是不能消除稳态误差，而且当增益增加时，系统相对稳定性会降低。积分（I）控制的优点是可以消除稳态误差，缺点是控制速度慢，而且可能造成系统稳定性下降。微分（D）控制的优点是控制速度快，缺点是不能消除稳态误差。

图3 PID控制流程

实际应用中，要根据需求对几种控制律加以组合，一般采用PI、PD或者PID控制。对于PID系统的调试，通常遵循以下几个步骤：第一步，将I（积分）和（微分）的值设定为0；第二步，加大P（比例）值，使系统产生振荡；第三步，减小P（比例）值，找到振荡的临界点；第四步，加大I（积分）值，使它达到目标值；第五步，重新上电，检查超调、振荡和稳定时间是否达到要求；第六步，如果超调和振荡不满足要求，则增加D（微分）值。为了保证在全工作范围内调试完的结果都有效，应当选择在最大负载的情况下进行调试。

2.2 增量式PID控制

增量式PID控制的原理是：通过对实际测量的数值与预设的数值进行对比运算，从而得到一个控制量。

在增量式的控制算法中，求解控制量的公式如下:

由式（1）可以看到，在增量式PID算法中，每次控制增量Δu（t）的计算仅仅用到3次采样值，控制算法比较简单；由于增量式PID算法的输出结果是控制增量，即对应执行机构位置的变化量，因此对机器故障不敏感，鲁棒性好。

系统采用增量式PID控制算法，利用控制量的增量进行加热器的PID控制。温度值被采集转换后，被送至PID控制器的输入端，并与其给定值进行比较得到偏差值，然后按照此偏差值以预先设定的规律发出控制信号，去控制加热器的开度增加或减少，从而使现场温度值发生改变，并趋于给定值，达到控制目的。

3 结语

本设计采用单片机作为主控制器，温度传感器作为数据采集模块，对烘烤机桶内温度数据实时采集；采用液晶显示屏显示所测温度值；系统中加入PID控制算法，以保证桶内温度达到技术指标，并将温度控制在±5℃。经过对智能食品烘烤机系统设计的论证，本设计方案可行。