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基于C8051F020的密閉環(huán)境溫度恒溫控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

更新日期:2012-07-28  |  點(diǎn)擊率:3562

基于C8051F020的密閉環(huán)境溫度恒溫控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

給出了一種基于C8051F020單片機(jī)實(shí)現(xiàn)密閉環(huán)境溫度自動(dòng)控制的系統(tǒng)方案。將半導(dǎo)體制冷模塊置于一個(gè)密閉環(huán)境,通過C8051F020單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)半導(dǎo)體制冷片的制冷、制熱和不同功率運(yùn)行的控制,采用獨(dú)立按鍵完成溫控?cái)?shù)據(jù)的輸入,分別利用DS18B20采集密閉環(huán)境溫度和實(shí)際環(huán)境溫度,并通過TS1602LCD完成基本的狀態(tài)數(shù)據(jù)和控制實(shí)時(shí)顯示;通過PID算法編程實(shí)現(xiàn)密閉環(huán)境溫度恒溫控制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在按鍵輸入設(shè)定溫度后,系統(tǒng)能夠成功實(shí)現(xiàn)密閉環(huán)境溫度的恒溫控制,溫度控制精度為±0.2℃。
  
  關(guān)鍵詞:恒溫恒濕試驗(yàn)箱;恒溫控制;PID算法;密閉環(huán)境
  

  引言
  
  溫度控制廣泛應(yīng)用于社會(huì)生活的各個(gè)領(lǐng)域,如家電、汽車、材料、電力電子等,近幾年,在控制方法上,基于PID的溫度控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法有了快速的發(fā)展。本文介紹了一種基于C8051F020單片機(jī)的環(huán)境溫度自動(dòng)控制設(shè)計(jì),利用PID算法,結(jié)合溫度傳感器DS18B20、半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)、開關(guān)電源和繼電器控制電路實(shí)現(xiàn)密閉環(huán)境溫度的自動(dòng)控制。密閉環(huán)境溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)符合現(xiàn)代電子產(chǎn)品自動(dòng)化、智能化、模塊化、人性化的設(shè)計(jì)要求,人機(jī)界面友好,可移植性好。
  
  1、整體方案設(shè)計(jì)
  
  方案的主要任務(wù)是根據(jù)用戶要求,實(shí)現(xiàn)對(duì)密閉環(huán)境的恒溫控制。手動(dòng)設(shè)定密閉環(huán)境控制溫度后,C8051F020單片機(jī)通過DS18B20測(cè)得密閉環(huán)境溫度(被控環(huán)境)和實(shí)際環(huán)境溫度,將設(shè)定溫度和密閉環(huán)境溫度的差值送入單片機(jī),返回指令控制繼電器電路實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)的加熱或者制冷。單片機(jī)輸出的PWM經(jīng)IR2110功率放大,控制開關(guān)管1RF3808通斷,并利用PID算法實(shí)時(shí)改變單片機(jī)的PWM占空比,達(dá)到控制開關(guān)電源輸出電壓的目的,從而改變半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)工作時(shí)的功率。
  
  2、硬件電路設(shè)計(jì)
  
  2.1硬件總體設(shè)計(jì)
  
  整個(gè)系統(tǒng)主要由系統(tǒng)電源電路、鍵盤電路、溫度采集電路、LCD顯示器、繼電器控制電路、開關(guān)電源電路、LM2575降壓電路、半導(dǎo)體制冷電路和單片機(jī)控制電路組成。其中,鍵盤電路用來輸入控制信號(hào);溫度采集電路用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)實(shí)際環(huán)境溫度和密閉環(huán)境溫度;LCD是用來顯示用戶設(shè)定狀態(tài)信息和溫度數(shù)據(jù)、電流、電壓值;開關(guān)電源電路用于提供半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)的工作電壓和電流;LM2575降壓電路用于提供單片機(jī)電源;半導(dǎo)體制冷電路是控制環(huán)境溫度的關(guān)鍵。C8051F020單片機(jī)是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心,將各部分連成整體,正常工作。系統(tǒng)總體電路設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

  
  2.2半導(dǎo)體制冷電路
  
  半導(dǎo)體制冷電路由半導(dǎo)體制冷片、散熱風(fēng)扇、導(dǎo)熱金屬片組成。半導(dǎo)體制冷片是根據(jù)珀?duì)柼?yīng)制作的溫差電制冷片,改變供電電壓極性,就可以達(dá)到制冷或者加熱的目的,并且重量輕、體積小,具有相對(duì)較高的制冷量。
  
  2.3控制電路
  
  MCU控制電路包括三個(gè)部分:獨(dú)立按鍵電路、溫度采集電路、繼電器控制電路和數(shù)據(jù)顯示部分。
  
  控制信號(hào)輸入部分主要由獨(dú)立鍵盤完成。使用獨(dú)立鍵盤,結(jié)構(gòu)清晰,編程簡(jiǎn)單。兩個(gè)獨(dú)立按鍵:P1^0:設(shè)定溫度值加1;P1^1:設(shè)定溫度值減1。繼電器控制電路主要由MCUI/O端口P3口控制2個(gè)繼電器完成,同時(shí)斷開繼電器實(shí)現(xiàn)制冷,同時(shí)吸合繼電器實(shí)現(xiàn)制熱。以C8051F020的端口P2口作為數(shù)據(jù)線,與LCD1602進(jìn)行數(shù)據(jù)通信并完成狀態(tài)顯示。溫度采集電路采用DS18B20電路。Dallas公司的DS18B201-wire數(shù)字溫度傳感器使用一根信號(hào)線即可實(shí)現(xiàn)信號(hào)的雙向傳輸,接口簡(jiǎn)單,便于擴(kuò)展和維護(hù)。
  
  2.4開關(guān)電源電路
  
  開關(guān)電源采用BUCK拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),PWM(脈寬調(diào)制)控制方式。zui大輸出電壓達(dá)到15.3V,zui大輸出電流達(dá)到2A,輸出電壓的紋波小于5mV,整個(gè)開關(guān)電源效率為75%,滿足系統(tǒng)供電要求。由于測(cè)量電源電壓、電流時(shí)采用差分放大電路,PWM波的頻率在21kHz左右,頻率較高,造成電壓數(shù)據(jù)采集后轉(zhuǎn)化的AD值與實(shí)際的測(cè)量值存在一定的偏差,通過程序?qū)崿F(xiàn)電壓補(bǔ)償。
  
  2.5LM2575降壓電路和單片機(jī)供電電路
  
  MCU部分電路正常工作需要+5V和+3.3V電壓供電。將市電220V/50Hz通過開關(guān)電源部分電路,經(jīng)過橋堆整流和濾波產(chǎn)生直流電17V,通過LM2575穩(wěn)壓芯片輸出穩(wěn)定+5V給LCD1602顯示模塊和繼電器供電,C8051F020和DS18B20由+5V經(jīng)過ASM1117-3.3V供電。
  
  3、軟件設(shè)計(jì)
  
  基于C8051F020單片機(jī)密閉環(huán)境溫度恒溫控制流程圖如圖2所示。

  
  系統(tǒng)軟件部分主要完成以下功能:當(dāng)有按鍵按下時(shí),觸發(fā)中斷,改變?cè)O(shè)定溫度的值。單片機(jī)采集溫度,通過控制算法,產(chǎn)生控制命令改變PWM輸出,控制各個(gè)繼電器的動(dòng)作;利用單片機(jī)自帶的AD采樣,測(cè)量開關(guān)電源的輸出電壓和電流的大小并顯示。其中單片機(jī)控制指令是本系統(tǒng)的關(guān)鍵,密閉環(huán)境溫度和溫度設(shè)定值差值不應(yīng)大于15℃,以確保系統(tǒng)正常運(yùn)行。若設(shè)定溫度超出范圍,其值由系統(tǒng)自動(dòng)還原為當(dāng)前溫度;若溫差確定,進(jìn)入PID調(diào)節(jié),采用增量式PID。公式如下:

  
  式中:Kp為控制器的比例系數(shù);Ti為控制器的積分時(shí)間,也稱積分系數(shù);Td為控制器的微分時(shí)間,也稱微分系數(shù)。
  
  系統(tǒng)上電后,測(cè)得的密閉環(huán)境溫度,即為初始溫度設(shè)定值。例如實(shí)際密閉環(huán)境溫度為30℃,實(shí)際環(huán)境溫度為29℃,通過按鍵“-”,使溫度設(shè)定值為15℃,則此時(shí)溫差為+15℃。送入處理函數(shù),單片機(jī)返回控制指令,使繼電器斷開,并控制開關(guān)電源輸出5V電壓,使半導(dǎo)體制冷片在額定電壓下工作,系統(tǒng)全速制冷。當(dāng)密閉環(huán)境溫度改變,單片機(jī)將輸出不同控制指令。當(dāng)密閉環(huán)境溫度和設(shè)定值相同時(shí),控制結(jié)束,P5口燈閃爍,MCU控制開關(guān)電源輸出電壓0V。通過對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)際驗(yàn)證,LCD1602顯示效果如圖3所示。

  
  4、結(jié)語
  
  對(duì)于C8051F020單片機(jī)構(gòu)建的密閉環(huán)境溫度恒溫控制系統(tǒng)進(jìn)行功能驗(yàn)證,系統(tǒng)能夠成功實(shí)現(xiàn)密閉環(huán)境溫度恒溫控制,溫度控制精度為±0.2℃。系統(tǒng)人機(jī)界面友好,操作簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、可移植性好,可以應(yīng)用到商業(yè)領(lǐng)域。

 

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