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

更新日期:2012-07-28  |  點擊率:3900

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

給出了一種基于C8051F020單片機實現(xiàn)密閉環(huán)境溫度自動控制的系統(tǒng)方案。將半導體制冷模塊置于一個密閉環(huán)境,通過C8051F020單片機實現(xiàn)對半導體制冷片的制冷、制熱和不同功率運行的控制,采用獨立按鍵完成溫控數(shù)據的輸入,分別利用DS18B20采集密閉環(huán)境溫度和實際環(huán)境溫度,并通過TS1602LCD完成基本的狀態(tài)數(shù)據和控制實時顯示;通過PID算法編程實現(xiàn)密閉環(huán)境溫度恒溫控制。實驗結果表明,在按鍵輸入設定溫度后,系統(tǒng)能夠成功實現(xiàn)密閉環(huán)境溫度的恒溫控制,溫度控制精度為±0.2℃。
  
  關鍵詞:恒溫恒濕試驗箱;恒溫控制;PID算法;密閉環(huán)境
  

  引言
  
  溫度控制廣泛應用于社會生活的各個領域,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、神經網絡、遺傳算法有了快速的發(fā)展。本文介紹了一種基于C8051F020單片機的環(huán)境溫度自動控制設計,利用PID算法,結合溫度傳感器DS18B20、半導體制冷系統(tǒng)、開關電源和繼電器控制電路實現(xiàn)密閉環(huán)境溫度的自動控制。密閉環(huán)境溫度自動控制系統(tǒng)符合現(xiàn)代電子產品自動化、智能化、模塊化、人性化的設計要求,人機界面友好,可移植性好。
  
  1、整體方案設計
  
  方案的主要任務是根據用戶要求,實現(xiàn)對密閉環(huán)境的恒溫控制。手動設定密閉環(huán)境控制溫度后,C8051F020單片機通過DS18B20測得密閉環(huán)境溫度(被控環(huán)境)和實際環(huán)境溫度,將設定溫度和密閉環(huán)境溫度的差值送入單片機,返回指令控制繼電器電路實現(xiàn)半導體制冷系統(tǒng)的加熱或者制冷。單片機輸出的PWM經IR2110功率放大,控制開關管1RF3808通斷,并利用PID算法實時改變單片機的PWM占空比,達到控制開關電源輸出電壓的目的,從而改變半導體制冷系統(tǒng)工作時的功率。
  
  2、硬件電路設計
  
  2.1硬件總體設計
  
  整個系統(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、開關電源電路、LM2575降壓電路、半導體制冷電路和單片機控制電路組成。其中,鍵盤電路用來輸入控制信號;溫度采集電路用于實時監(jiān)測實際環(huán)境溫度和密閉環(huán)境溫度;LCD是用來顯示用戶設定狀態(tài)信息和溫度數(shù)據、電流、電壓值;開關電源電路用于提供半導體制冷系統(tǒng)的工作電壓和電流;LM2575降壓電路用于提供單片機電源;半導體制冷電路是控制環(huán)境溫度的關鍵。C8051F020單片機是整個控制系統(tǒng)的核心,將各部分連成整體,正常工作。系統(tǒng)總體電路設計框圖如圖1所示。

  
  2.2半導體制冷電路
  
  半導體制冷電路由半導體制冷片、散熱風扇、導熱金屬片組成。半導體制冷片是根據珀爾帖效應制作的溫差電制冷片,改變供電電壓極性,就可以達到制冷或者加熱的目的,并且重量輕、體積小,具有相對較高的制冷量。
  
  2.3控制電路
  
  MCU控制電路包括三個部分:獨立按鍵電路、溫度采集電路、繼電器控制電路和數(shù)據顯示部分。
  
  控制信號輸入部分主要由獨立鍵盤完成。使用獨立鍵盤,結構清晰,編程簡單。兩個獨立按鍵:P1^0:設定溫度值加1;P1^1:設定溫度值減1。繼電器控制電路主要由MCUI/O端口P3口控制2個繼電器完成,同時斷開繼電器實現(xiàn)制冷,同時吸合繼電器實現(xiàn)制熱。以C8051F020的端口P2口作為數(shù)據線,與LCD1602進行數(shù)據通信并完成狀態(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線即可實現(xiàn)信號的雙向傳輸,接口簡單,便于擴展和維護。
  
  2.4開關電源電路
  
  開關電源采用BUCK拓撲結構,PWM(脈寬調制)控制方式。zui大輸出電壓達到15.3V,zui大輸出電流達到2A,輸出電壓的紋波小于5mV,整個開關電源效率為75%,滿足系統(tǒng)供電要求。由于測量電源電壓、電流時采用差分放大電路,PWM波的頻率在21kHz左右,頻率較高,造成電壓數(shù)據采集后轉化的AD值與實際的測量值存在一定的偏差,通過程序實現(xiàn)電壓補償。
  
  2.5LM2575降壓電路和單片機供電電路
  
  MCU部分電路正常工作需要+5V和+3.3V電壓供電。將市電220V/50Hz通過開關電源部分電路,經過橋堆整流和濾波產生直流電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經過ASM1117-3.3V供電。
  
  3、軟件設計
  
  基于C8051F020單片機密閉環(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:當有按鍵按下時,觸發(fā)中斷,改變設定溫度的值。單片機采集溫度,通過控制算法,產生控制命令改變PWM輸出,控制各個繼電器的動作;利用單片機自帶的AD采樣,測量開關電源的輸出電壓和電流的大小并顯示。其中單片機控制指令是本系統(tǒng)的關鍵,密閉環(huán)境溫度和溫度設定值差值不應大于15℃,以確保系統(tǒng)正常運行。若設定溫度超出范圍,其值由系統(tǒng)自動還原為當前溫度;若溫差確定,進入PID調節(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為控制器的積分時間,也稱積分系數(shù);Td為控制器的微分時間,也稱微分系數(shù)。
  
  系統(tǒng)上電后,測得的密閉環(huán)境溫度,即為初始溫度設定值。例如實際密閉環(huán)境溫度為30℃,實際環(huán)境溫度為29℃,通過按鍵“-”,使溫度設定值為15℃,則此時溫差為+15℃。送入處理函數(shù),單片機返回控制指令,使繼電器斷開,并控制開關電源輸出5V電壓,使半導體制冷片在額定電壓下工作,系統(tǒng)全速制冷。當密閉環(huán)境溫度改變,單片機將輸出不同控制指令。當密閉環(huán)境溫度和設定值相同時,控制結束,P5口燈閃爍,MCU控制開關電源輸出電壓0V。通過對系統(tǒng)進行實際驗證,LCD1602顯示效果如圖3所示。

  
  4、結語
  
  對于C8051F020單片機構建的密閉環(huán)境溫度恒溫控制系統(tǒng)進行功能驗證,系統(tǒng)能夠成功實現(xiàn)密閉環(huán)境溫度恒溫控制,溫度控制精度為±0.2℃。系統(tǒng)人機界面友好,操作簡單、價格低廉、可移植性好,可以應用到商業(yè)領域。

 

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