基于AT89C52的水温控制系统

冯洋

(渭南师范学院物理与电子工程系，陕西渭南714000)

基于AT89C52的水温控制系统

冯洋

(渭南师范学院物理与电子工程系，陕西渭南714000)

系统以AT89C52单片机为控制核心，单线数字温度传感器DS18B20构成前置信号采集电路，过零检测双向可控硅输出光电耦合器MOC3041构成后向控制电路，利用分段PID控制算法，通过调功法对加热系统的水温进行控制，可在40℃到100℃范围内任意设定目标温度，静态误差小于0.2℃.

AT89C52;MOC3041;PID算法;水温控制

0 引言

在现代的各种工业生产中，在很多的电子产品中用到温度检测和温度控制.在科研、生产中，常需要对某些系统进行温度的监测和控制.而随着温度控制器应用范围的日益广泛和多样性，各种适用于不同场合的智能温度控制器应运而生，智能化的控制系统成为一种发展的趋势［1－3］.本文所阐述的就是一种基于AT89C52单片机的温度控制系统.本温控系统可应用于温度范围(室温到100℃之间)不是很宽的场合.用这种方法控温，整个系统灵活、可靠性高，系统达到热平衡较快，而且精度较，电路结构不复杂.

1 系统设计及方案确定

假设水温自动控制系统，控制对象为1L的净水，要求温度设定范围40～90℃，最小区分度为1℃，温度控制的静态误差小于等于0.2℃.要求采用适当的控制方法，当设定温度突变(由40℃提高到60℃)时，减小系统的调节时间和超调量，并且系统实时显示实际温度，附加显示或者打印温度变化曲线.

根据设计要求，系统设计框图如图1所示:

系统以AT89C52单片机为控制核心，单线数字温度传感器DS18B20构成前置信号采集电路，过零检测双向可控硅输出光电耦合器MOC3041构成后向控制电路，利用分段PID控制算法，通过调功法对加热系统的水温进行控制，外接键盘预设温度和LCD实时显示实际温度，通过单片机串口可将温度发PC机显示和打印水温变换的实时曲线.

2 系统实现

(1)温度采集部分

DS18B20应用电路的外围电路比较简单，数据端口直接与单片机连接，使用单线通讯方式，但注意数据端口需要上拉电阻［4］.

(2)功率控制部分

使用电热杯加热水温，控制水温就需要控制电热杯的功率.继电器可以实现低电压控制高电压，但是由于继电器的机械特性，反应速度比较慢，使用寿命也相当有限，在多次通断后容易产生控制失灵现象.光耦可控硅不仅可以实现弱电对强电的控制，还能将弱电与强电隔离，去除级间窜扰.因此采用光耦可控硅实现功率控制.光耦合双向可控硅内部为一硅光敏双向可控硅，还带有过零触发检测器，以保证电压接近零时触发可控硅.

典型光耦合双向可控硅为MOC3041/3042/3043.具体实现电路如下图所示.

(3)串行通信

要能显示和打印水温变换的实时曲线，单片机应与PC机进行串口通信.单片机与PC机的串口通信的电平转换由MAX232实现，电路如图4所示.

(4)控制实现

本系统的核心就是控制算法和加热方法的确定［5－7］.控制算法主要有PID控制算法、大林算法、模糊算法以及分段拟合等方法.PID控制是过程控制领域中应用最普遍的控制规律，它是通过改变调节器参数来实现的.PID控制算法的典型控制框图如图5所示.

PID控制的三基本参数为比例调节参数kp、积分调节参数ki、微分调节参数kd.增大比例系数Kp，系统的动作变灵敏，速度加快，稳态误差减小;但振荡次数也会加多，调节时间加长.积分控制使系统的稳定性下降，但能消除稳态误差，提高系统的控制精度.微分控制可以改善动态特性，它对偏差的变化趋势进行超前调整，从而可以有效地提高系统的动态性能，加大阻尼，减小超调量.该方案理论成熟，但是实际实现起来较为复杂，比例、积分、微分三个控制环节的控制系数较难确定，因而调节周期可能会很长.本系统如果采用单纯的逼近是无法适应动态环境的要求的，当外部的环境温度有较大的改变时，必须加入微分环节进行快速反应，而在稳定很长一段时间后，加入积分环节则会大大提高平衡状态的稳定性.实际控制时，将PID算法的比例、积分、微分的思想融入其中，不断的调节各个温度段的系数，最终达到对温度的精确控制.

本系统在单片机在接收按键中断后判断输入数据，采用分段PID算法控制温度调节和稳定.分段PID控制将40℃～100℃均匀分成5℃的温度段，不同温度段的加热惯性不同，测试每段的加热时间和自然降温时间，然后算出维持的温度的比例关系，定出维持每段的维持温度控制量.段内根据温差进行细调，以及温度差的差进行趋势的预测与调节.

用调功法控制水温的实质是控制能量守恒，根据上升到某一特定温度和下降到某一特定温度的时间比来决定稳定在该温度所需的电热杯通断时间.采用调功法控制强电，将每个正弦波分为两份，每个半波为一个功率因子.由于市电为50Hz，当控制周期为960ms时，每个控制周期包含96个半波.FPGA输出控制周期序列，通过序列的高低电平控制这96个半波的通断，这样就实现了在一个控制周期中控制通过的正弦波的半波个数，从而调节输出的功率［8］.

3 软件部分

4 数据测试及分析

表1 水温控制测量结果(室温20.7℃)

5 结束语

实验结果表明，整个系统温度控制精度高，测温误差不超过±0.2℃，控温误差在达到温度平衡后也不超过±0.2℃，硬件成本低，系统运行稳定，可以方便用户远程控制和监视设备的工作，在温度调节阶段达到平衡温度时间相对较短，在现场的测试及应用中收到了相当好的效果.

［1］明鑫，陈可中，王戎丞，等.基于单片机的水温控制系统［J］.现代电子技术，2005，(6):1－2.

［2］彭建英，谢国庆.水温智能控制系统的设计［J］.中国仪器仪表，2005，(7):77－78.

［3］胡焱，周超，沈家庆，等.基于单片机的水温监控系统设计［J］.通信技术，2007，(8):31－33.

［4］陈良光，管聪慧.由数字式传感器DS18B20构成的多点测温系统［J］.传感器世界，1999，(9):32－35.

［5］文定都，谢永芳.基于模糊控制的水温控制系统［J］.自动化与仪器仪表，2006，(3):62－64.

［6］徐峰，张嫣华.数字控制系统的PID算法研究［J］.机床电器，2008，(6):8－10.

［7］潘笑，高玉玲，康亚娜.基于模糊PID的AT89C2051单片机智能温度控制系统［J］.兵工自动化，2006，(5):65－67.

［8］王金明，样吉斌.数字系统设计与Verilong HDL［M］.北京:电子工业出版社，2005.?

［责任编辑 牛怀岗］

Abstract:The system takes the AT89C52 single chip as its controlling core.Its hardware mainly consists of two parts.The single digital temperature sensor DS18B20 constitutes a pre-signal acquisition circuit，while the back controlling circuit is mainly composed of the crossing zero testing photoelectric coupling unit MOC3041 which ismade up of silicon availably controlled both in two directions.The system uses a controlling arithmetic that is called PID in differentsegment，and ituses the adjusting powermethod to control the water.The range of the system’s work temperature is from 40 centigrade to 100 centigrade，and the temperature can be discretionarily set in the region，the static error in the temperature is less than 0.2 centigrade.

Key words:AT89C52;MOC3041;PID arithmetic;water temperature controlling

Design of Tem perature Control System Based on AT89C52

FENG-Yang
(Department of Physics and Electronic Engineering，Weinan Teachers University，714000Weinan，China)

TP272

B

1009—5128(2011)02—0049—04

2011—01—17

渭南师范学院研究生专项科研项目(09YKZ015);渭南师范学院教学改革重点研究项目(JG200905)

冯洋(1982—)，女，四川资阳人，渭南师范学院物理与电子工程系教师，工学硕士.研究方向:光电成像与图像处理、目标跟踪.