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(yùn)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(shí)測(cè)，從而進(jìn)一步驗(yàn)證了設(shè)計(jì)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(jiǎn)單,、可靠性高,、易于操作等優(yōu)點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)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(dòng)運(yùn)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(duì)工件的溫度進(jìn)行控制。對(duì)于不同的控制系統(tǒng),，其適宜的溫度總是在一個(gè)范圍,，超過(guò)這個(gè)范圍，系統(tǒng)或許會(huì)停止運(yùn)行或遭受破壞,，因此必須能實(shí)時(shí)獲取溫度的變化,，對(duì)于超過(guò)適宜范圍的溫度能夠報(bào)警。同時(shí)也希望在適宜溫度范圍內(nèi)可以由檢測(cè)人員根據(jù)實(shí)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(jiàn),。
1 溫度控制系統(tǒng)的組成及硬件設(shè)計(jì)
本設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)用PID算法來(lái)控制PWM波形的產(chǎn)生，進(jìn)而控制加熱電阻以實(shí)現(xiàn)溫度控制,。該設(shè)計(jì)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(yàn)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(pán)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(guò)DS18B20傳感器模塊傳給控制器,，控制器根據(jù)檢測(cè)值與設(shè)定值的偏差,，計(jì)算PID控制值，其結(jié)果通過(guò)PWM模塊控制加熱電路功率,，實(shí)現(xiàn)對(duì)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(lái)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(duì)比度調(diào)整端,，接正電源時(shí)對(duì)比度最弱，接地電源時(shí)對(duì)比度最高,。RS為寄存器選擇,，高電平時(shí)選擇數(shù)據(jù)寄存器、低電平時(shí)選擇指令寄存器,。R/W為讀寫(xiě)信號(hào)線,，高電平時(shí)進(jìn)行讀操作，低電平時(shí)進(jìn)行寫(xiě)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(jì)
系統(tǒng)程序主要包括主程序,、初始化子程序、PID計(jì)算子程序,、溫度比較處理子程序,、延時(shí)子程序、T0中斷服務(wù)子程序和DS18B20驅(qū)動(dòng)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(jì)采用的STC89C52單片機(jī)雖然不具有4路16位的可編程計(jì)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(jì)中,，利用軟件編程,，通過(guò)PID控制，調(diào)整PWM占空比,，通過(guò)P1.5口輸出PWM信號(hào),，去控制外圍加熱電路。PWM的輸出頻率決定于PCA定時(shí)器的時(shí)鐘源,。PCA定時(shí)器的時(shí)鐘輸入源有4種可供選擇,，分別是Fosc/12、Fosc/2,、定時(shí)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(shí)鐘輸入頻率/256。本設(shè)計(jì)采用的是定時(shí)器0的溢出頻率作為PCA的時(shí)鐘輸入,，這樣可以通過(guò)設(shè)置定時(shí)器0的計(jì)數(shù)值改變PWM的頻率,。本設(shè)計(jì)先進(jìn)行溫度比較，再采用定時(shí)器0中斷來(lái)實(shí)現(xiàn)PWM輸出,，從而實(shí)現(xiàn)溫度的實(shí)時(shí)控制,。
2.2 PID算法設(shè)計(jì)
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(shí)際輸出值C（t）的偏差的比例（P）,、積分（I）,、微分（D）通過(guò)定值線性組合構(gòu)成控制量，對(duì)控制對(duì)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(xiàng)
+pp->Derivative*dError）,；//微分項(xiàng)
}
3 實(shí)驗(yàn)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(jì)要求。本設(shè)計(jì)制作了硬件設(shè)計(jì)實(shí)物,，通過(guò)PID控制,，當(dāng)加熱電阻靠近溫度傳感器時(shí)，測(cè)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(kāi)溫度傳感器,，測(cè)量溫度會(huì)降低,，當(dāng)實(shí)測(cè)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(shí)，測(cè)量溫度又明顯上升到設(shè)置溫度,。
為了更好地觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果,，證明仿真結(jié)果的可靠性,，體現(xiàn)本設(shè)計(jì)對(duì)溫度控制的穩(wěn)定性和精確性，經(jīng)過(guò)多次設(shè)置不同的溫度,，實(shí)驗(yàn)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(jì)達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)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(diǎn),，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(jì)的溫度閉環(huán)控制系統(tǒng)線路簡(jiǎn)單,、硬件少、成本低廉,、軟件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單,，尤其是其具有完善的單總線通信協(xié)議，無(wú)需復(fù)雜的布線,，只需3根連線就能很容易地組成多點(diǎn)測(cè)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]。
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