基于單片機AT89C51的溫度控制系統(tǒng)的設計摘要本文以單片機AT89C51為控制核心，溫度信號經(jīng)輸入模數(shù)轉換器ADC0809，轉換后的數(shù)字量輸入到單片機。單片機中采用PID控制算法對測量數(shù)據(jù)和設定數(shù)據(jù)進行處理，處理后的數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)模轉換器DAC0832轉換為模擬量，以此來控制全隔離單相交流調壓模塊，從而控制鍋爐水溫穩(wěn)定于設定值。關鍵詞單片機;溫度控制系統(tǒng)；PID控制引言隨著現(xiàn)代化科技的進步，在很多工業(yè)控制場合需要非常精確的控制溫度的變化，而在日常生活中，水溫的智能控制應用也非常廣泛，在這種環(huán)境下，便提出了智能水溫控制系統(tǒng)。本設計以單片機AT89C51為控制核心，用K型熱電偶作溫度傳感器，信號經(jīng)放大后輸入模數(shù)轉換器ADC0809，轉換后的數(shù)字量輸入到單片機AT89C51中。單片機中采用PID控制算法對測量數(shù)據(jù)和設定數(shù)據(jù)進行處理，處理后的數(shù)據(jù)經(jīng)模數(shù)轉換器DAC0832轉換為模擬量，以此來控制全隔離單相交流調壓模塊，從而控制鍋爐水溫穩(wěn)定于設定值。溫度控制系統(tǒng)方案設計采用K型熱電偶測量溫度，將溫度信號放大后通過A/D轉換后進入單片機，單片機進行數(shù)字濾波和PID運算處理后，結果經(jīng)DAC0832轉換為模擬量對全隔離單相交流調壓模塊進行控制，達到控制電爐水溫的目的。系統(tǒng)方案如圖1所示。溫度控制系統(tǒng)硬件設計溫度控制系統(tǒng)硬件包括：AT89C51單片機最小系統(tǒng)模塊、A/D轉換模塊、D/A轉換模塊、信號放大電路、溫控電路以及其他外圍電路。3.1單片機的選擇ATC89C51是ATMEL公司采用CMOS工藝生產(chǎn)的低功耗、高性能8位單片機，與MCS—51單片機兼容，其功能特點為：（1）4K字節(jié)閃爍存儲器（FLASH），可進行1000次寫。（2）靜態(tài)操作，外接OHZ—24MHZ晶振。（3）三層程序存儲器鎖。（4）128字節(jié)內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器RAM。（5）32根可編程輸入，輸出線。（6）兩個6位定時/計數(shù)器。（7）6個中斷源。（8）一個可編程串口。（9）支持低功耗模式和掉電模式。非常適用作控制系統(tǒng)設計。3.2傳感器電路和信號放大電路采用K型熱電偶作為溫度傳感器，它是一種能測量較高溫度的廉價熱電偶。它的價格便宜，重復性好，產(chǎn)生的熱電勢大，約為0.041Mv/度，因而靈敏度很高，而且它的線性很好。雖然其測量精度略低，但完全能滿足工業(yè)測量要求，所以它是工業(yè)上最常用的熱電偶。由于熱電偶輸出的電壓信號頻率較低、電壓弱，所以選用了一階有源低通濾波電路。放大電路用負反饋方式。3.3模數(shù)轉換器ADC0809與單片機的接口模數(shù)轉換器ADC0809是8位逐次逼近式A/D轉換芯片，具有地址鎖存控制的分時采集8路模擬開關，其模擬量輸入電壓為0-5V，對應的數(shù)字量輸出為00H—FFH，以及相應的通道地址鎖存用譯碼電路，其轉換時間為100US左右。溫度傳感器將溫度信號轉換為電信號經(jīng)放大后輸入模數(shù)轉換器ADC0809，轉換后的數(shù)字量輸入到單片機ATC89C51中，單片機ＡＴ８９Ｃ５１中與模數(shù)轉換器ＡＤＣ０８０９的接口電路２如圖所示。3.4數(shù)模轉換器DAC0832與單片機的接口DAC0832主要參數(shù)如下：分辨率為８位，轉換時間為１ＵＳ，滿量程誤差為＋－１ＬＳＢ，參考電壓為（+10—-10）V，供電電源為（+5—+15）V，邏輯電平輸入與TTL兼容。本設計只需一個模擬量輸出，因此，DAC0832的輸出采用單緩沖輸出方式。其接受從單片機送來的數(shù)字信號，并將其轉換為可在0V—+5V范圍內(nèi)變化的模擬信號，此信號輸出至下一級全隔離單相交流調壓模塊，從而調節(jié)該模塊的輸出功率。DAC0832與單片機AT89C51的接口電路如圖3所示。3.5功率驅動電路設計當水溫和設定值不等時，必須對其進行控制以穩(wěn)定于設定溫度。本設計用全隔離單相交流調壓模塊來響應DAC0832的輸出，以控制電阻絲的發(fā)熱功率，進而控制水溫。電路原理圖如圖4所示。PID溫度控制算法程序PID控制算法是溫度控制系統(tǒng)軟件的核心部分。本設計采用增量式PID控制算法，其算式如下：ΔU=Kp[(en-en-1)+(T/Ti)en+(Td/T)(en-2*en-1+en-2)]式中，enen-1en-2分別為第N次、n—1次和n-2次的偏差值；Kp，Ti，Td分別為比例系數(shù)、積分系數(shù)和微分系數(shù)；T為采樣周期?？刂颇K工作過程為：單片機每隔固定時間將現(xiàn)場溫度與用戶設定目標溫度的差值帶入增量式PID算法公式，由公式輸出量決定加熱器功率大小。如現(xiàn)場溫度與目標溫度的偏差大則電壓導通個數(shù)多，加熱電路的加熱功率大，使溫度的實測值與設定值的偏差迅速減少；反之，二者的偏差小則電壓導通個數(shù)小，加熱電路加熱功率減少，直至目標值與實測值相等，形成一個閉環(huán)調節(jié)系統(tǒng)。其控制流程如圖5所示。結論本系統(tǒng)以AT89C51單片機為控制核心利用熱電偶檢測溫度并配合PID控制算法提高了水溫的控制精度，使用PID控制算法和移相觸發(fā)可控硅調節(jié)方式實施自動控制系統(tǒng)，具有控制參數(shù)精度高、反應速度快和穩(wěn)定性好的特點。參考文獻清華大學電子學教研組閻石.數(shù)字電子技術基礎.4版.北京：高等教育出版社，2002.葉挺秀.電工電子學.北京：高等教育出版社，1999.張?zhí)O迦.脈沖與數(shù)字電路.北京：高等教育出版社，1995.丁元杰.單片微機原理及應用[M].北京；機械工業(yè)出版社.2008.1.黃立宏，李莉婭.一種PID的溫度控制系統(tǒng)設計[J].現(xiàn)代機械.2009.1.關平，曲穎，劉紅等.可實現(xiàn)的基于MCS—51單片機的恒溫控制系統(tǒng)的設計[J].自動化技術與應用.2008.10.喬元勛，曹衍龍?；贏T89C51的豆?jié){液溫度控制系統(tǒng)[J].組合機床與自動化加工技術.2008.5.錢學森，宋健.工程控制論.北京：科學出版社，1983.F.G.Shinskey.過程控制系統(tǒng)——應用、設計與整定.3版.蕭德云，呂伯明，譯.北京：清華大學出版社，2004.李小偉，鄭小兵，周磊等.基于單片機的精密溫控系統(tǒng)設計[J].微計算機信息，2007.3.基于單片機的溫度控制系統(tǒng)的設計專業(yè)：生產(chǎn)過程自動化班級：生專091班姓名：吳昆鵬