摘  要： 為改善溫控系統性能并簡化結構，以PID控制算法為基礎，通過SoC高性能、C8051F系列單片機設計并實現具有溫度實時測量、閉環控制和實時顯示等功能的智能溫控系統。不僅簡化了硬件結構，各電路模塊之間相互獨立使設計的復用及擴展成為可能，同時提高了系統的抗干擾性和可靠性。實測結果表明，本系統溫度響應時間為3 s~5 s,溫度控制的誤差為1%,在需要恒溫控制的場合有一定的推廣價值。

　　關鍵詞: 單片機; 溫度控制; 閉環控制; PID; 實時顯示

　　溫度是工業生產中最普遍而又最關鍵的參數之一，其測量精度對產品的質量有直接的影響[1]。傳統溫控系統雖然溫度控制精度較高(誤差不超過±0.5 ℃,溫度不均勻性不大于1 ℃)，但其電路復雜，發生溫控故障時維修困難且溫度顯示不直觀。而將智能控制和常規PID控制方法融合在一起從而形成的實時顯示智能PID控制器能很好地解決此類問題[2]。

　　1 溫度控制系統框圖

　　溫度控制系統框圖如圖1所示。此系統是一個典型的閉環控制系統，用于控制燈箱內的溫度使其保持在恒定的溫度設定值。系統通過PT100鉑熱電阻采集實時溫度，通過變送器及輸入電路反饋實時溫度信號，再與設定值對比確定偏差值；偏差值經過PID算法運算輸出，通過驅動電路和SSR控制發熱裝置控制溫箱溫度，以克服偏差，促使偏差趨近于零，實現恒溫控制[3]。

　　2系統硬件設計

　　系統硬件原理圖如圖2所示，由電源模塊、輸入、輸出模塊、主芯片、顯示模塊等組成。

　　2.1 電源模塊電路

　　電源模塊由整流、濾波等電路以及穩壓芯片組成。其中穩壓芯片采用National Semiconductor的兩款芯片,分別是輸出電壓為5 V的三端穩壓器LM7805CT和500 mA低壓差穩壓器LM2937。

　　2.2 主芯片及周邊電路

　　主芯片選用Silicon Laboratories公司出品的C8051Fxxx單片機,它是完全集成的混合信號系統級低功耗芯片(SoC),具有與8051指令集完全兼容的CIP-51內核[4]。大多數C8051F單片機具備控制系統設計所需的模擬及數字外設，包括Watch Dog、ADC、DAC、電壓比較器、電壓基準輸出定時器、PWM、定時器捕捉等;并具備多種總線接口，包括UART、SPI、SMBUS(與C兼容I2C)總等。周邊電路包括晶振電路、ADC外部參考電壓電路以及復位電路等。

　　2.3 控制器電流輸出分析

　　電路采用負載共地方式，由MAXIM公司的低失調、低漂移的精密運算放大器OP07，精密電阻R9、R8、R11、R10、R12、R13、R14以及Q1、Q2組成。設Vi為輸入電壓，即Vi=DAC1；Iout為輸出電流；R13為采樣反饋電阻；R11、R12為限流電阻；R14為負載電阻，用電位器可以實現阻值的變化。流過R13的采樣電流信號以電壓的形式加到運算放大器的輸入端，而且極性與輸入電壓信號反相，形成一個電流并聯負反饋電路。由于運算放大器的輸入阻抗很高，流入運算放大器輸入端的電流可以忽略。在R11>>R13且R10>>R13條件下,流經R11、R10的電流與流經Q2射極的電流相比可以忽略，此時Iout=IE。運算放大器正負輸入端電位近似相等，設R9=R8=R11=R10，可得:

　　取R9=100 k?贅, R11=20 k?贅，R14為電位器,當Vi=2.5 V時，Iout=20 mA。為保證足夠的V/I變換精度，電阻應當選用精密電阻；輸入電壓Vi>(R13+R14)×Imax,Imax是Iout的最大值[5]。

　　3 溫控系統軟件設計

　　3.1 溫控系統軟件主流程圖

　　溫控系統軟件主流程圖如圖3所示。

　　系統經過初始化，進行鍵盤掃描，等待按鍵按下。當按鍵按下則進行參數設置，根據按鍵次數的不同設置相應的參數，設置完參數后再有按鍵按下時系統運行。此時，鍵盤繼續掃描等待按鍵按下以便修改參數。

　　3.2 溫控系統軟件子流程圖

　　3.2.1 系統初始化子程序

　　系統時鐘的初始化通過對OSXCN和OSCICN寄存器的設置，選擇24 MHz的外部振蕩器為SYSCLK源并允許丟失時鐘檢測器。由于顯示模塊采用CH452數碼管顯示驅動和鍵盤掃描控制芯片，通過輸出12 bit的操作命令進行相應的控制。輸出12 bit串行數據0x0403使按鍵低電平中斷，低速閃爍，同時啟用按鍵掃描與顯示驅動。當寄存器ADCOCN的最高位ADCEN=1時使能A/D轉換,當寄存器DAC0CN=0x80(即DAC0EN為1)時使能DAC0[6]。

　　3.2.2 系統運行子程序

　　系統運行子程序流程圖如圖4所示。進入系統運行后，采集PT100鉑電阻值，信號經過PT100溫度變送器轉換成4~20 mA電流信號通過輸入電路到達主控芯片，再經過標度變換及A/D轉換。在實現溫度顯示的同時得到溫度設定值與實時溫度值的差值。進行PID算法處理得到增量值，如果沒有超邊界值則根據輸出量控制SSR來發熱裝置進而實現溫箱溫度的調節[7]。

　　3.3 PID調節

　　溫度控制系統是一個慣性較大的系統，即當給溫箱加熱之后，并不能立刻觀察到溫度的明顯上升，Pt100鉑電阻對溫度的檢測與實際的溫箱溫度相比較，也存在一定的時滯特性[8]。為了合理地處理系統響應速度與系統穩定性之間的矛盾，溫度控制可以分為兩個階段：

　　(1) PID調節前階段

　　此時，溫箱溫度距離設定值很遠，為了加速加熱速度，SSR與發熱裝置處于滿負荷輸出狀態，只有當溫度上升速度超過控制參數“加速速率”，SSR才關閉輸出。

　　(2) PID調節階段

　　在這個階段，PID調節器調節輸出，根據偏差值計算輸出值，保證偏差趨近于零，即使系統受到外部干擾時，也能使系統回到平衡狀態。

　　PID控制的原理是基于下面算式，其中輸出u(t)是比例項、積分項和微分項的函數:

　　　為了能讓數字計算機處理這個算式，連續算式必須離散化為周期采樣偏差式，才能用來計算輸出值。在工業應用中，習慣上將式(3)中各項近似離散為:

　　通常,計算機輸出的控制指令u(k)是直接控制執行機構。但由于累加誤差，占用內存較多，并且安全性較差。一旦計算機出現故障，u(k)的大幅度變化引起執行機構的突變，可能造成重大事故，此時可采用增量式算法。它是位置算法的一種改進，如下式：

　　u(k)=u(k)-u(k-1)=KP[e(k)-e(k-1)]+KIe(k)+

　　KD[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)] (5)

　　將式(5)進一步整理，可得：

　　?駐u(k)=u(k)-u(k-1)=KP[(1+T/TI+TD/T)e(k)-

　　(1+2TD/T)e(k-1)+(TD/T)e(k-2)]

　　=KP[Ae(k)-Be(k-1)+Ce(k-2)](6)

　　式中A=1+T/TI+TD/T, B=1+2TD/T，C=TD/T。由式(6)可見，根據誤差3個時刻采樣值，調整加權值即可獲得不同的控制品質和精度[9]。

　　4 系統調試

　　由穩壓源提供電路所需的±12 V及變送器所需的24 V電壓，SSR則由220 V供電，上電后通過按鍵設置參考溫度為33℃，之后系統進入運行狀態。實時溫度曲線如圖5所示，可見達到了預期控制效果，未來可配合更加優化的新型PID控制算法實現對多變量復雜對象的控制[10]。

　　由于系統選用了功能強大、低功耗的C8051F系列單片機作為核心器件，加之精心設計相互間獨立的電路，增加信號處理單元，使其性能指標達到了溫度響應時間為3 s~5 s,溫度控制的誤差為1%，滿足了設計的要求，達到預期效果，能在需要恒溫裝置的場合有很好的應用前景。

　　參考文獻

　　[1] 歐漢烈.數字式溫度測量調節儀的研制 [J].廣東工業大學學報，1999,16(3):57-60.

　　[2] 徐顯海.一種電阻爐智能溫度控制儀的研制[D].南京：東南大學，2006.

　　[3] 安宏, 姚彩虹, 蔣興加.用于電熱爐的智能溫控儀的設計[J].自動化儀表，2008,29(10):64-66.

　　[4] 黃真合.基于C8051F單片機的電力系統智能測控裝置的設計[J].工業控制計2010,23(7):101-103.

　　[5] 李孝利.單片機原理及接口技術[M].北京：高等教育出版社, 2010.

　　[6] 童長飛. C8051F系列單片機開發與C語言編程[M]. 北京：北京航空航天大學出版社, 2005.

　　[7] 唐洪富,張興波.基于STC系列單片機的智能溫度控制器設計[J].電子技術用,2013,39(5):86-88.

　　[8] 崔坤林,張翼飛.時滯系統的經典控制與智能控制[J].微計算機信息，2004，20(6):25-26.

　　[9] 姚棟偉，吳峰，楊志家,等.基于增量式數字PID的汽油怠速控制研究[J]. 浙江大學學報， 2010，44(6):1122-1126.

　　[10] 王蕾.PID控制[J]. 自動化儀表，2004,25(4):1-5.