基于C8051F020的密閉環境溫度恒溫控制系統的設計

給出了一種基于C8051F020單片機實現密閉環境溫度自動控制的系統方案。將半導體制冷模塊置于一個密閉環境，通過C8051F020單片機實現對半導體制冷片的制冷、制熱和不同功率運行的控制，采用獨立按鍵完成溫控數據的輸入，分別利用DS18B20采集密閉環境溫度和實際環境溫度，并通過TS1602LCD完成基本的狀態數據和控制實時顯示；通過PID算法編程實現密閉環境溫度恒溫控制。實驗結果表明，在按鍵輸入設定溫度后，系統能夠成功實現密閉環境溫度的恒溫控制，溫度控制精度為±0．2℃。
　　
　　關鍵詞：恒溫恒濕試驗箱；恒溫控制；PID算法；密閉環境
　　
　　引言
　　
　　溫度控制廣泛應用于社會生活的各個領域，如家電、汽車、材料、電力電子等，近幾年，在控制方法上，基于PID的溫度控制、模糊控制、神經網絡、遺傳算法有了快速的發展。本文介紹了一種基于C8051F020單片機的環境溫度自動控制設計，利用PID算法，結合溫度傳感器DS18B20、半導體制冷系統、開關電源和繼電器控制電路實現密閉環境溫度的自動控制。密閉環境溫度自動控制系統符合現代電子產品自動化、智能化、模塊化、人性化的設計要求，人機界面友好，可移植性好。
　　
　　1、整體方案設計
　　
　　方案的主要任務是根據用戶要求，實現對密閉環境的恒溫控制。手動設定密閉環境控制溫度后，C8051F020單片機通過DS18B20測得密閉環境溫度（被控環境）和實際環境溫度，將設定溫度和密閉環境溫度的差值送入單片機，返回指令控制繼電器電路實現半導體制冷系統的加熱或者制冷。單片機輸出的PWM經IR2110功率放大，控制開關管1RF3808通斷，并利用PID算法實時改變單片機的PWM占空比，達到控制開關電源輸出電壓的目的，從而改變半導體制冷系統工作時的功率。
　　
　　2、硬件電路設計
　　
　　2．1硬件總體設計
　　
　　整個系統主要由系統電源電路、鍵盤電路、溫度采集電路、LCD顯示器、繼電器控制電路、開關電源電路、LM2575降壓電路、半導體制冷電路和單片機控制電路組成。其中，鍵盤電路用來輸入控制信號；溫度采集電路用于實時監測實際環境溫度和密閉環境溫度；LCD是用來顯示用戶設定狀態信息和溫度數據、電流、電壓值；開關電源電路用于提供半導體制冷系統的工作電壓和電流；LM2575降壓電路用于提供單片機電源；半導體制冷電路是控制環境溫度的關鍵。C8051F020單片機是整個控制系統的核心，將各部分連成整體，正常工作。系統總體電路設計框圖如圖1所示。

　　
　　2．2半導體制冷電路
　　
　　半導體制冷電路由半導體制冷片、散熱風扇、導熱金屬片組成。半導體制冷片是根據珀爾帖效應制作的溫差電制冷片，改變供電電壓極性，就可以達到制冷或者加熱的目的，并且重量輕、體積小，具有相對較高的制冷量。
　　
　　2．3控制電路
　　
　　MCU控制電路包括三個部分：獨立按鍵電路、溫度采集電路、繼電器控制電路和數據顯示部分。
　　
　　控制信號輸入部分主要由獨立鍵盤完成。使用獨立鍵盤，結構清晰，編程簡單。兩個獨立按鍵：P1＾0：設定溫度值加1；P1＾1：設定溫度值減1。繼電器控制電路主要由MCUI／O端口P3口控制2個繼電器完成，同時斷開繼電器實現制冷，同時吸合繼電器實現制熱。以C8051F020的端口P2口作為數據線，與LCD1602進行數據通信并完成狀態顯示。溫度采集電路采用DS18B20電路。Dallas公司的DS18B201-wire數字溫度傳感器使用一根信號線即可實現信號的雙向傳輸，接口簡單，便于擴展和維護。
　　
　　2．4開關電源電路
　　
　　開關電源采用BUCK拓撲結構，PWM（脈寬調制）控制方式。zui大輸出電壓達到15．3V，zui大輸出電流達到2A，輸出電壓的紋波小于5mV，整個開關電源效率為75％，滿足系統供電要求。由于測量電源電壓、電流時采用差分放大電路，PWM波的頻率在21kHz左右，頻率較高，造成電壓數據采集后轉化的AD值與實際的測量值存在一定的偏差，通過程序實現電壓補償。
　　
　　2．5LM2575降壓電路和單片機供電電路
　　
　　MCU部分電路正常工作需要+5V和+3．3V電壓供電。將市電220V／50Hz通過開關電源部分電路，經過橋堆整流和濾波產生直流電17V，通過LM2575穩壓芯片輸出穩定+5V給LCD1602顯示模塊和繼電器供電，C8051F020和DS18B20由+5V經過ASM1117-3．3V供電。
　　
　　3、軟件設計
　　
　　基于C8051F020單片機密閉環境溫度恒溫控制流程圖如圖2所示。

　　
　　系統軟件部分主要完成以下功能：當有按鍵按下時，觸發中斷，改變設定溫度的值。單片機采集溫度，通過控制算法，產生控制命令改變PWM輸出，控制各個繼電器的動作；利用單片機自帶的AD采樣，測量開關電源的輸出電壓和電流的大小并顯示。其中單片機控制指令是本系統的關鍵，密閉環境溫度和溫度設定值差值不應大于15℃，以確保系統正常運行。若設定溫度超出范圍，其值由系統自動還原為當前溫度；若溫差確定，進入PID調節，采用增量式PID。公式如下：

　　
　　式中：Kp為控制器的比例系數；Ti為控制器的積分時間，也稱積分系數；Td為控制器的微分時間，也稱微分系數。
　　
　　系統上電后，測得的密閉環境溫度，即為初始溫度設定值。例如實際密閉環境溫度為30℃，實際環境溫度為29℃，通過按鍵“-”，使溫度設定值為15℃，則此時溫差為+15℃。送入處理函數，單片機返回控制指令，使繼電器斷開，并控制開關電源輸出5V電壓，使半導體制冷片在額定電壓下工作，系統全速制冷。當密閉環境溫度改變，單片機將輸出不同控制指令。當密閉環境溫度和設定值相同時，控制結束，P5口燈閃爍，MCU控制開關電源輸出電壓0V。通過對系統進行實際驗證，LCD1602顯示效果如圖3所示。

　　
　　4、結語
　　
　　對于C8051F020單片機構建的密閉環境溫度恒溫控制系統進行功能驗證，系統能夠成功實現密閉環境溫度恒溫控制，溫度控制精度為±0．2℃。系統人機界面友好，操作簡單、價格低廉、可移植性好，可以應用到商業領域。