基于STC89C52的水温自动控制系统设计

王宝刚，李东洁

WANG Bao-gang1, LI Dong- jie2

（1. 黑龙江农业工程职业学院，哈尔滨 150088；2. 哈尔滨理工大学，哈尔滨 150080）

0 引言

在现代化的工业生产中，水温控制被广泛应用于机械制造、食品加工、电力工程、化工生产等领域[1,2]。及时准确地获得水温信息并对其进行实时控制，在工业生产的诸多环节都是一项重要内容。水温控制系统性能的优劣直接影响着产品的生产品质[2,3]。传统的通过人工使用温度计测量后再用设备加热、降温等来控制温度的方法，速度慢、准确度低，不易及时发现温度变化而导致生产的变质，造成较大的经济损失[4]。因此，研究水温自动控制技术具有十分重要的现实意义。本文开发设计了一种基于STC89C52的水温自动控制系统，该系统能够极大地提高温度控制的技术指标，具有广阔的市场发展前景。

1 系统方案设计

本文所设计的系统硬件主要由核心控制模块、加热/制冷模块、温度采集处理模块和键盘与显示模块构成。各模块方案设计如下。

1.1 核心控制模块

所设计控制系统主要用于控制电热丝和制冷片的工作与否、对温度测量信号的接收和处理、控制显示电路对设定温度值、系统实际温度值和温度曲线的实时显示以及控制键盘实现对温度值的设定等。由于单片机运算功能强，软件编程灵活、自由度大，可用软件编程实现各种算法和逻辑控制，并且其具有功耗低、体积小、技术成熟和成本低等优点[5]。因此，采用STC89C52作为系统控制器。

1.2 加热/制冷控制模块

要实现任意设定点温度的控制，就必须能控制电加热器/制冷片的工作与否，因此要利用所选定的单片机控制加热器/制冷片电源的通断。因为加热器/制冷片的工作电压是220V和12V，对单片机来说都是“强电”，因此要用弱电实现对强电的控制。由于可控硅在电路中能够实现交流电的无触点控制，适合在高电压、大电流下工作。以小电流控制大电流，并且不像继电器那样控制时有火花产生，而且动作快、寿命长、可靠性好。在调速、调光、调压、调温以及其他各种控制电路中都有它的身影。由于单片制冷片电流在8～10A，电流较大，因此本文采用可控硅实现对加热器/制冷控制模块设计。

1.3 温度采集处理模块

通常要求温度静态误差小于等于±0.5ºC且对设定温度和当前温度进行显示，因此需要对温度进行闭环控制，又因温度信号为模拟信号，因此需要对温度进行检测和模/数转换。DS18B20为数字式温度传感器，分辨率为0.0625 ºC，满足要求且无需其他外加电路，直接输出数字量。可直接与单片机通信，读取测温数据，电路简单，控制方便。

1.4 键盘与显示模块

采用4×4矩阵键盘和并行液晶通讯方式。4×4矩阵键盘具有占用I/O口较少，可独立控制的优点。具有0～9全部十个数字及↑、↓、确定、取消等16个功能键，系统操作直观，人机交互性能好。液晶显示采用并口方式大大提高了数据传输速度和视觉效果。

2 温度控制算法设计

由于对温度的控制采用闭环方式，会存在振荡、超调和稳定性等问题，因此需加入适当的调节算法使系统达到目的。温控系统常用的调节算法是PID调节器，它是应用最为广泛的一种自动控制器，具有原理简单，易于实现，适用面广，控制参数相互独立，参数的选定比较简单等优点[6]。所以，本文采用PID算法来实现水温的稳定控制。

由于该系统需要采取PWM的脉宽周期作为控制量，故采取数字PID控制算法。数字PID控制算法又有位置式和增量式，由于增量式PID控制法与位置式PID控制算法相比较，具有诸多优点，因此，本文采用数字增量式PID控制算法实现对温度控制。

数字增量式PID控制算式为：

其中a0，a1，a2的值可先计算出。

比例控制器(Kp)有降低上升时间的作用，但是不能消除稳态误差；积分作用(Ki)有消除稳态误差的作用，但是它可能使瞬态响应变得更坏；微分控制(Kd)有增加系统稳定性，降低超调量，并且改善瞬态响应的作用。

基于PID的反馈控制策略需要根据系统动力特性和响应的要求，适当调节PID参数。在调节过程中，因为Kp、Ki和Kd彼此联系，改变这些参数中的任意一个，都会影响其他两个的作用。因此，PID控制器的调节需要相当小心。

3 系统硬件设计

在对设计的系统方案分析论证的基础上，设计了以STC89C52为核心的硬件控制系统，系统总体硬件结构框图如图1所示。加热/制冷电路采用光电耦合器进行强弱电隔离，减少干扰，提高系统稳定性。加热模块采用可控硅81A08和STC89C52的P2.5口协调控制。制冷模块采用大电流可控硅RF540和AT89C52的P2.6口协调控制三个完全相同的制冷模块。液晶显示选用LCD128×64，温度传感器采用DS18B20，另外加双色指示灯用于对系统加热或制冷的状态进行提示。另外考虑到普通液晶显示信息功能和刷新率有限，设计了单片机和PC通讯模块，借助VC++6.0平台在上位机对设定温度、当前温度和温度曲线进行实时显示。系统电路原理图如图2所示。

图1 系统硬件结构框图

4 系统软件设计

根据系统方案和所设计的硬件，采用MCS51语言对软件进行了设计。总体程序流程图如图3所示。

5 系统测试方案及结果

5.1 PID参数调节

因为PID调节是一个简单而复杂的过程，经过多次调节测试，得到了一组较优的参数：a0=50,a1=3, a2=1000 (因试验数据太多，在此未列出)。

5.2 温控性能测量

5.2.1 测量方式

接上系统的加热装置，装入1L室温的水，设定控温温度。记录调节时间、超调温度和稳态温度波动幅度等。

5.2.2 测量仪器

图2 系统电路原理图

图3 总体程序流程图

800W加热器，制冷量为78W的制冷片3片，环境温度28.5ºC。温控性能测量结果如表1所示，其中23ºC～60ºC的上位机温控曲线如图4所示。

5.3 测试结果分析

由测试结果可见，系统性能达到了所设计的指标。动态误差在1ºC范围内，静态误差基本上稳定在0.1ºC，全程的升温时间小于8min，而且还有液晶屏和上位机曲线显示的特色功能。该系统可用于工业温控中。

6 结论

本文提出了一种以STC89C52为核心，以双向可控硅和液晶显示为辅助控制单元，结合PWM控制的PID算法设计的水温自动控制系统。该系统能实现在10ºC～70ºC 量程范围内对每一点温度的自动控制，以保持设定的温度基本保持不变。并设计开发了与上位机通讯、利用上位机实时显示设定和当前温度曲线等人机交互功能。通过理论分析和实验验证，该水温自动控制系统能够获得良好的控制效果，在实际工业生产中具有一定的应用价值。

表1 温控性能测试结果

图4 23℃!60℃的上位机温控曲线图

[1]于光普, 黎东升, 尤传富. 智能水温控制系统的设计及实现[J]. 吉林工学院学报, 2011, (1).

[2]张开生, 郭国法. MCS 51单片机温度控制系统的设计[J].微计算机信息, 2005, (7), 68-69.

[3]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, 28(6), 1-2.

[4]刘健, 庞兴龙. 基于AT89S51的粮仓温度测控系统设计[J]. 制造业自动化, 2012, (5).

[5]张毅刚, 彭喜元, 董继成. 单片机原理及应用[M]. 北京:高等教育出版社, 2010.

[6]张德江. 计算机控制系统[M]. 北京: 机械工业出版社,2007.