摘 要： 該溫度控制系統(tǒng)以STC89C52單片機(jī)為核心，采用DS18B20數(shù)字溫度傳感器采集溫度，并以PWM形式輸出，確保溫度輸出的穩(wěn)定，再結(jié)合PID閉環(huán)控制，使系統(tǒng)能夠更穩(wěn)定地運行。先利用Proteus軟件結(jié)合Keil軟件仿真，再用STC89C52單片機(jī)進(jìn)行實測，從而進(jìn)一步驗證了設(shè)計的可靠性和準(zhǔn)確性，所控制溫度的精度能達(dá)到±1 ℃范圍之內(nèi)。該系統(tǒng)具有靈活性強(qiáng)、電路簡單、可靠性高、易于操作等優(yōu)點，能夠?qū)崿F(xiàn)對溫度的穩(wěn)定控制。
關(guān)鍵詞： STC89C52；DS18B20；PID閉環(huán)控制；Proteus
溫度的變化影響各種系統(tǒng)的自動運作，例如冶金、機(jī)械、食品、化工等工業(yè)中，廣泛使用各種加熱爐、散熱處理、反應(yīng)爐等，要求對工件的溫度進(jìn)行控制。對于不同的控制系統(tǒng)，其適宜的溫度總是在一個范圍，超過這個范圍，系統(tǒng)或許會停止運行或遭受破壞，因此必須能實時獲取溫度的變化，對于超過適宜范圍的溫度能夠報警。同時也希望在適宜溫度范圍內(nèi)可以由檢測人員根據(jù)實際情況加以改變。溫度控制在工業(yè)及日常生活中應(yīng)用廣泛，分類較多，不同溫度控制系統(tǒng)的控制方法也不盡相同，其中以PID控制法最為常見。
1 溫度控制系統(tǒng)的組成及硬件設(shè)計
本設(shè)計采用STC89C52單片機(jī)為處理器，利用溫度傳感器DS18B20采集溫度，結(jié)合Keil軟件編程[1]，實現(xiàn)用PID算法來控制PWM波形的產(chǎn)生，進(jìn)而控制加熱電阻以實現(xiàn)溫度控制。該設(shè)計利用Proteus仿真為基礎(chǔ)，再結(jié)合單片機(jī)最小系統(tǒng)調(diào)試驗證結(jié)果。系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框架圖如圖1所示。
本溫度閉環(huán)控制系統(tǒng)由溫度傳感器、控制器、PWM控制模塊、加熱電路、鍵盤和顯示模塊等部分組成。單片機(jī)選用宏晶科技推出的新一代高速、低功耗、超強(qiáng)抗干擾的單片機(jī)STC89C52RC[2]。溫度經(jīng)過DS18B20傳感器模塊傳給控制器，控制器根據(jù)檢測值與設(shè)定值的偏差，計算PID控制值，其結(jié)果通過PWM模塊控制加熱電路功率，實現(xiàn)對溫度的控制。系統(tǒng)硬件電路原理圖如圖2所示。
LCD1602字符型LCD通常有14條引腳線或16條引腳線的LCD，多出來的兩條線是背光電源線。該模塊用D0~D7作為8 bit雙向數(shù)據(jù)線，4 bit數(shù)據(jù)分兩次傳送，可以節(jié)省CPU的I/O口資源[4]。
VSS、VDD分別接地和5 V電源。VEE為液晶顯示器對比度調(diào)整端，接正電源時對比度最弱，接地電源時對比度最高。RS為寄存器選擇，高電平時選擇數(shù)據(jù)寄存器、低電平時選擇指令寄存器。R/W為讀寫信號線，高電平時進(jìn)行讀操作，低電平時進(jìn)行寫操作。E（或EN）端為使能（Enable）端，下降沿使能。DB0~DB7為雙向數(shù)據(jù)總線。
2 溫度控制系統(tǒng)軟件設(shè)計
系統(tǒng)程序主要包括主程序、初始化子程序、PID計算子程序、溫度比較處理子程序、延時子程序、T0中斷服務(wù)子程序和DS18B20驅(qū)動程序等。主程序流程圖如圖6所示。
2.1 加熱功率PWM控制
本設(shè)計采用的STC89C52單片機(jī)雖然不具有4路16位的可編程計數(shù)器陣列（SPA）或8位的可調(diào)制脈沖輸出（PWM）模塊，但在本設(shè)計中，利用軟件編程，通過PID控制，調(diào)整PWM占空比，通過P1.5口輸出PWM信號，去控制外圍加熱電路。PWM的輸出頻率決定于PCA定時器的時鐘源。PCA定時器的時鐘輸入源有4種可供選擇，分別是Fosc/12、Fosc/2、定時器0的溢出頻率以及P3.4/ECT的輸入頻率。由于PWM是8位的，因此PWM的輸出頻率＝PCA時鐘輸入頻率/256。本設(shè)計采用的是定時器0的溢出頻率作為PCA的時鐘輸入，這樣可以通過設(shè)置定時器0的計數(shù)值改變PWM的頻率。本設(shè)計先進(jìn)行溫度比較，再采用定時器0中斷來實現(xiàn)PWM輸出，從而實現(xiàn)溫度的實時控制。
2.2 PID算法設(shè)計
PID調(diào)節(jié)器是一種線性調(diào)節(jié)器，它將給定值R（t）與實際輸出值C（t）的偏差的比例（P）、積分（I）、微分（D）通過定值線性組合構(gòu)成控制量，對控制對象進(jìn)行控制。其模擬PID控制系統(tǒng)原理框圖如圖7所示。
void PIDInit（struct PID*pp）
{
……
{
unsigned int dError，Error；
Error=pp->SetPoint-NextPoint；//偏差
pp->SumError+=Error；//積分
dError=pp->LastError-pp->PrevError；//當(dāng)前微分
pp->PrevError=pp->LastError；
pp->LastError=Error；
return（pp->Proportion*Error//比例
+pp->Integral*pp->SumError//積分項
+pp->Derivative*dError）；//微分項
}
3 實驗結(jié)果
現(xiàn)利用Keil編輯程序結(jié)合Proteus所做的原理圖進(jìn)行仿真處理，仿真結(jié)果可以達(dá)到設(shè)計要求。本設(shè)計制作了硬件設(shè)計實物，通過PID控制，當(dāng)加熱電阻靠近溫度傳感器時，測量溫度明顯上升，并達(dá)到31℃（設(shè)置溫度）。此后加熱變緩，溫度維持在31℃，系統(tǒng)溫度誤差精度可達(dá)到±1℃之內(nèi)，并且用蜂鳴器發(fā)出鳴響。當(dāng)加熱電阻離開溫度傳感器，測量溫度會降低，當(dāng)實測溫度低于設(shè)置溫度，蜂鳴器不響。再次設(shè)置溫度，當(dāng)加熱電阻再次靠近溫度傳感器時，測量溫度又明顯上升到設(shè)置溫度。
為了更好地觀察實驗結(jié)果，證明仿真結(jié)果的可靠性，體現(xiàn)本設(shè)計對溫度控制的穩(wěn)定性和精確性，經(jīng)過多次設(shè)置不同的溫度，實驗記錄數(shù)據(jù)如表1所示。從記錄數(shù)據(jù)分析可知，本設(shè)計達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計目標(biāo)，控制溫度誤差范圍在±1℃之內(nèi)。
本系統(tǒng)以單片機(jī)為控制核心，采用PID算法進(jìn)行溫度閉環(huán)控制，具有控制精度高，能夠克服容量滯后的特點，特別適用于負(fù)荷變化大、容量滯后較大、控制品質(zhì)要求高的控制系統(tǒng)[6-7]。以DS18B20溫度傳感器設(shè)計的溫度閉環(huán)控制系統(tǒng)線路簡單、硬件少、成本低廉、軟件設(shè)計簡單，尤其是其具有完善的單總線通信協(xié)議，無需復(fù)雜的布線，只需3根連線就能很容易地組成多點測溫系統(tǒng)，因此在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究中有著廣闊的應(yīng)用前景[8]。
參考文獻(xiàn)
[1] 胡壽松.自動控制原理[M].北京：科學(xué)出版社，2002.
[2] 馬淑華，王鳳文，張美金，等.單片機(jī)原理與接口技術(shù)[M]．北京：北京郵電大學(xué)出版社，2005.
[3] 黃建偉．基于DS18B20無線溫度測量系統(tǒng)[J].煤礦機(jī)械，2008，29（7）：118-119.
[4] 潘新民，王燕芳.微型計算機(jī)控制技術(shù)實用教程[M]．北京：電子工業(yè)出版社，2006.
[5] 譚浩強(qiáng)．C程序設(shè)計[M].北京：清華大學(xué)出版社，1991.
[6] 呂俊亞．一種基于單片機(jī)的溫度控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J].計算機(jī)仿真，2012，29（7）：230-233.
[7] 葉丹，齊國生，洪強(qiáng)寧，等.基于單片機(jī)的自適應(yīng)溫度控制系統(tǒng)[J]．傳感器技術(shù)，2002，21（3）：27-30.
[8] 趙娜，趙剛，于珍珠，等.基于51單片機(jī)溫度測量系統(tǒng)[J]．微計算機(jī)信息，2007，（12）：146-148.