基于单片机恒温控制系统的开发研究

【摘要】温度是工业生产的过程中最为常见的工艺参数，其温度控制的好坏直接影响工业生产产品的质量，特别在机械、冶金、化工、建材、石油等工业生产中温度控制占据着重要的作用。虽然目前温度的控制方式多种多样的，但是在专业化和高指標要求等方面还有待进一步开发研究。随着科学技术的进步，单片机技术的不断发展，在恒温控制系统中采用单片机技术进行设计，能够使恒温控制系统更加可靠、灵活，控制的温度范围更加广，其应用价值更高，下面具体进行研究基于单片机恒温控制系统的开发设计。

【关键词】单片机;恒温控制系统;开发研究;

中图分类号： TP273+5       文献标志码：A

引言：随着科学技术的快速发展，计算机技术和通信技术不断更新，温度控制在很多工业控制场合都需要具有非常准确的控制温度的变化，所以温度控制系统中采用单片机技术，不仅能够保证温度的控制的可靠性和灵活性，而且对满足工业生产对温度的要求也具有重要的作用和价值。本文主要进行研究采用AT89C51单片机系统如何实现恒温控制。

1单片机温度控制系统的工作原理及其组成

单片机是一种集CPU、I/O接口、ROM、RAM以及中断系统等部分组成的器件，单片机系统只需要晶振和外加电源就能够实现对数字信息的控制和处理，所以单片机系统被广泛应用现代工业控制系统，在恒温控制系统中采用单片机系统将会极大的提高恒温控制的灵活性和可靠性。单片机恒温控制系统的硬件部分CPU系统主要采用AT89C51，其中电路部分主要有电源电路、温度采集电路、按键显示电路以及电热丝控制电路，其主要是通过采用智能温度传感器集成芯片实现温度的采集， 集成芯片能够将A/D转化器、温度传感器、接口电路和温度传感器等集成在一个芯片中，然后可以直接数字化进行测量温度和输出，电源电路主要是通过TL431二极管实现稳压、按键电路是由芯片驱动共阴数码管的显示实现按键功能。 而电热丝控制电路，能够直接通过电热丝接电源和继电器，然后通过单片机控制继电器的开关，以实现电热丝的加热。单片机工作原理图如下图1所示：

单片机控制恒温系统的流程如下所示：

温度传感器→模拟电压信号处理→放大器→A/D转换器→数字信号处理→单片机→继电器控制加热设备→单片机对温度的控制。

2单片机恒温控制系统的硬件设计

恒温控制系统硬件主要包括AT89C51单片机最小系统， A/D转换模块、温度控制电路、按键电路、显示器以及报警电路等其他的电路模块组成。

2.1单片机的选择

在对基于单片恒温系统进行设计时，单片机主要采用AT89C51系统，AT89C51系统是高性能，低功耗的8位的单片机系统，是一种带有4K字节FLASH的存储器，并且与MCS— 51单片机兼容，AT89C51单片机的功能特点为：（1）AT89C51单片机具有4K字节闪烁存储器，可以进行1000次写/擦循环，（2）其具有三层程序存储器锁，128×8位内部RAM，32可编程I/O线，两个六位计数/定时器.（3）内部有6个中断源，可以分为二个优先级，并且每个中断源优先级都是可编程的。（4）系统还可以实现低功耗模式和掉电模式。AT89C51单片机系统作为控制系统是非常合适的。

2.2温度控制电路

基于单片机的恒温控制系统在开发设计的过程中，其温度控制电路主要采用通断控制，也就是通过改变给定的控制周期内加热器导通以及关闭时间，以实现温度控制的目的。此温度控制电路主要是由双向可控硅BTA12和双向可控硅输出型光电耦合器MOC3061系统组成。如果单片机的P1.7口输出低电平时，则同相驱动器7407输出低电平，如下图2所示，MOC3061的输入端如果有电流输入时，则输出端的双向可控硅就会导通，进而使外部系统的双向可控硅BTA12导通，则加热器就会通电工作。如果单片机的P1.7口输出高电平时，MOC3061的输出端的双向可控硅就会关闭，进而使外部系统的双向可控硅BTA12也断开，则加热器就会断电停止工作。

2.3模数转化器

在单片机恒温控制系统开发研究设计的过程中，模数转化器采用ADC0809是8位逐次逼近技术的A/D转换芯片，这种系统具有地锁存控制的分时采集模拟开关，输出数字信号主要是由TTL三态缓冲器顺序控制，其能够直接与数据总线进行连接，其时钟频率范围在 10～128KHz之间，精度为7位，分辨率为8位，并且数据具有三态输出能力，所以能够与微处理器进行连接。温度传感器能够将温度信号转换为电信号并且通过放大器放大后输出模数转化器ADC0809，然后将转换后的数字量输入到单片机系统中，单片机与模数转换器的接口电路如下图3所示：

2.4显示和报警系统

单片机恒温控制系统的显示系统主要采用LED数码显示，如果系统停止加热时，显示设定的温度，如果加热器在启动时，则显示定时温度。其中报警系统主要有蜂鸣器和三极管组成，其主要有单片机P1.6端口输出高低电平进行控制三极管的导通和断开，三极管导通则蜂鸣器就会自动报警。

3单片机恒温控制系统的软件设计

3.1单片机恒温控制系统的控制规律

在单片机恒温控制系统中，其主要采用数字PID调节器对电阻炉的炉温进行控制，通过调节比例系数进行调节温度控制的效果，其控制主要是根据偏差的比例P、积分I和微分D进行控制，这种控制形式被称为是PID控制，是控制系统中应用最为广泛的一种控制方式。采用计算机实现PID控制，不仅仅是简单的将模拟PID控制规律数字化，而是需要与计算机的逻辑判断功能相互结合在一起，从而使PID控制系统应用更加灵活，以进一步满足生产要求。其中电阻炉采用PID控制系统实现恒温控制，首先是进行比较实际电阻炉的温度和需要电阻炉的温度，然后可以从中得出一个偏差，通过对偏差的处理从而能够获得控制信号，再去进行调节电阻炉的加热功率，最后实现对电阻炉温度的控制。

3.2主程序的设计

在单片机恒温控制系统进行开发研究设计中，其主程序主要包括控制程序和管理程序两个部分，其中控制程序主要是对被控制对象进行数据处理、数据采样、根据控制算法进行计算和输出等，控制程序主要包括PID计算，A/D转换、数据处理等。管理程序主要是控制指示灯、LED显示动态刷新、处理键盘的响应和扫描、执行中断服务操作以及掉电保护的处理等，单片机恒温控制系统的整体程序流程图如下图4所示：

3.3A/D转换子程序

A/D转换子程序主要是采用查询法进行设计，也就是不断通过对ADC0809的EOC引脚进行检查，如果EOC为高电平，则A/D转换结束，如果EOC为低电平，则说明正在进行A/D转换。并且因为AT89C51系统上的引脚P1.3通过非门与A/D转换相连，所以AT98C51上的引脚P1. 3电平与EOC相反时在，A/D转换结束，反之说明正在进行转换，程序流程图如下图5所示：

4PID参数整定

在进行数字PID控制器参数整定过程中，具有一定复杂性，一方面需要應用经验，同时也需要依照现场实际情况进行控制器参数Kp、Kt以及Kd进行确定，并选择合理的周期T，同样以上环节也是进行数字PID控制系统的一个重点问题。基于理论分析发现，采样频率越高失真也会随之降低，但是基于控制器本身角度来看，其调节作用则需要借助于偏差信号E实施计算，采样周期T过小则无法实现调节作用，采用周期T过大则容易出现误差问题。但是在温度控制中属于响应慢、滞后大的被控对象，所以在研究过程中则将采样周期T确定为8s，双向可控硅控制周期则与之保持一致。在进行PID参数正定的时候，首先确定PID初始参数，本文在正交实验基础上，对其影响因素进行分析，并在此基础上进行参数修订，直到能够满足实际需求。其中本次试验的初始参数值为：

Kp={14.0，16.0，18.0}

Kt={0.5，1.0，1.5}

Kd={16.0，18.0，20.0}

在进行PID参数整定的时候，主要目的是能够确定一组能够确保恒温控制系统超调值小、稳定度高以及响应快的参数值，初始实验过程中各组参数超调值差距较小。所以在本次研究中稳定在270℃±2℃时间则作为实验指标。基于不同列极差S进行结果计算发现，对控制系统影响作用最明显的是Kt，其次分别是Kp以及Kd，分析结果确定本次参数取值应该为Kp=18.0，Kt=0.5，Kd=20.0，进一步对其参数进行精确度分析结果为Kp=18.3，Kt=0.5，Kd=21.8.

在某企业的恒温控制系统应用中发现，本次参数值应用效果显著优于传统应用质量，不但能够显著提高恒温控制系统可靠性，并且操作方便灵活，温度控制范围有显著扩大，值得推广应用。

5总结

随着社会的进步，科学技术的快速发展，在数字化日益普及的今天，在工业生产中温度控制作为主要的参数之一，其温度控制良好与否对工业生产具有很大的影响，所以在恒温控制系统中中采用单片机技术，不仅控制的可靠性强、稳定性高，而且控制简单方便，灵活，并且还能够提高控制的温度的技术指标，从而能够极大的提高工业生产的效率，本文在对恒温控制系统的过程中主要采用AT89C51系统并配合PID控制系统，经过实验验证，该系统具有可靠性高，使用灵活、控制温度精度高等特点，具有一定的实用价值。

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作者简介：

盛英（1974年），女，汉族，甘肃酒泉人，大学本科，高校讲师，主要从事电工电子技术应用教育与研究工作。甘肃省教育厅职业院校英语教学改革研究项目（201830）