基于AT89S52单片机的水温控制系统建模与实现

【摘要】用基于AT89S52单片机的最小系统进行温度实时采集与控制是该设计的主要内容。温度信号由DS1820温度传感器采集，控制器采用数字增量式PID算法，控制信号经继电器实现对水温的控制。功率控制部分采用光电耦合器件和双向可控硅组成开关电路控制功率电阻加热，实现强电和弱电完全隔离。

【关键词】AT89S52单片机；PID；水温控制

随着控制理论和电子技术的发展，工业控制器的高精度性要求越来越高。其中以单片机为核心实现的数字控制器因其体积小、成本低、功能强、简便易行而得到广泛应用。[1]而电加热控制由于其具有升温单向性、时滞性、时变性等特点，很难用传统的模拟电路实现最优控制。本文介绍了一种以AT89S52单片机为核心的最小控制系统实现对电阻炉温度进行智能控制。该系统通过数字增量式PID算法得出控制量，经脉冲调制输送给功率控制器，实现水温控制。

1.系统结构设计

本系统以AT89S52作为控制核心，用温度传感器DS18B20作为测量反馈装置，把实际水温的数字量测量出来，再用单片机读进，在程序中与温度设定值比较，差值经过数字PID算法，算出相应的加热功率，通过控制加热功率达到控制温度的目的。系统的功能模块如图1所示。

其中，AT89S52单片机作为控制核心，根据温度传感器从热水杯中读取的温度数据，以及人机交互界面得到的水温设定值，结合一定的控制算法产生相应的控制信号，传送给继电器电路以控制电阻电炉的工作状态，使水温不断逼近设定温度。

2.系统模型建立

2.1 执行器的模型建立

系统的执行器电阻电炉，可由一个电阻R和一个纯电感L来等效。电阻的发热功率P的计算公式为：。

其中与电源电压的关系可表示为：

对上式进行Laplace变换，可得：

则加热线圈的传递函数为：

标准化后得：

其中，为执行器增益，为执行器惯性时间常数。

2.2 干扰的模型建立

由于加热过程中，水温与室温有一定的差异，必然由此产生散热，当温差较大时，为了保证控制精度，这个热量散失必须考虑进去。

根据温度耗散的物理学模型，可得散失热量的表达式：。

其中，S为被加热水的上表面积，为水温，为室温，为比例常数。由于室温变化相当缓慢，可将室温视为常数，由此可以得到水的温度耗散功率：

令，则经过拉氏变换可得：。

2.3 被控整体的模型建立

对于被控对象水而言，加热所得热量可表示为：。

其中，C为水的比热，m为水的质量，为水温变化量，同耗散的分析相似，执行器的功率可表示为：，其中，。

相对控制器而言，被控对象与干扰可合并为一个被控整体，它的传递函数可表示为：

2.4 控制器的模型建立

系统采用PID控制器，是因为它具有较强的鲁棒性，能够在较大范围内适应不同的工作条件，同时又简单易用，因此得到了广泛的应用，其传递函数为：

从上式可以看出，为了实现PID控制器，必须结合给定的受控对象，精心确定控制器的3个参数：比例增益、积分增益和微分增益。

3.系统电路实现

根据系统结构以及模型建立过程可以看出该系统的硬件模块主要包括水温信号采集模块、继电器驱动模块、数据显示模块、人机交互的串口通信模块。数据显示模块采用三位动态数码管显示，可以显示3位十进制数字水温信号，数码管与单片机的P00—P07和P20—P22相连。其中P20—P22为数码管的位选控制信号，P0—P7为数码管段驱动信号；人机交互则使用MAX232芯片实现。通过单片机的P13、P14的IO口与单片机相连，完成串口通信的电平转换工作，实现单片机与上位机的串口通信。[2]因此系统主要模块为温度采集模块和继电器控制模块。

3.1 水温信号采集模块

温度采集由主控电路AT89S52单片机和Dallas公司的数字式温度传感器DS18B20组成的电路实现。DS18B20为3引脚封装器件，分别为接地、电源和数据线，具有结构简单、体积小、功耗小，可自行设定预警上下限温度等优点，它可将—55～125℃范围内的温度值按9位分辨率进行量化，其中包括一个符号位，工作电压范围为3.3～5.5V。本系统采用单总线方式传输温度信号可以大大节省单片机有限的端口资源，也简化了测温网络的网络结构，同时也增强了系统的扩展能力。因为单总线通信具有独特的电源和信号复合功能，仅使用一条口线、每个芯片唯一编码并支持联网寻址等特点。[3]

3.2 继电器驱动模块

AT89S52是一个弱电器件，一般工作在5V[4]，接用来驱动热电炉，因此采用继电器作为单片机与热电炉之间的负载接入。驱动控制电路如图2所示

在图2中，Moc3041是光藕，用它来驱动双向可控硅BTA16，控制双向可控硅的通断。BTA16是通用电子器件，工作电流为16A，耐压400V、600V不等。由于加热执行器是电阻线圈，属于感性负载，所以在开关器件上并上RC电路，作为保护电路并起加速导通关断作用。R2、R3用于补偿双向可控硅，用R4限流保护MOC3041。JP1接控制端，VCC为+5VDC；JP2接220VAC，负载（LOAD）接在火线端（HEATPower）或零线端（NEUTRAL）均可。当单片机的P1.6引脚置1时，MOC3061内部发光管截止，其内部双向晶闸管关断，外部大功率晶闸管控制极G没有触发电流，T1不导通，加热器RL断电。反之，当P1.6引脚置0时，MOC3061内部发光管导通，加热器开始加热。[5]

4.结束语

水温控制系统的设计方法比较传统，但如果要实现其无超调控制，可以在确定系统各参数的前提下，预先估计需求功率，快速而准确地控制加热功率的变化，实现无超调控制。此外，可以在软件上实现系统的自学习控制，根据系统自身对水温的实际上升规律，来确定控制系统在各工作阶段的控制参数。

实验证明，采用增量式PID算法实现的水温控制系统具有运行可靠、简单直观、测温、控温精度高、等优点，并且能够获得较好的控制效果，在实际生活以及工业生产中都具有较好的运用价值。

参考文献

[1]郑成霞.基于单片机的软件实现PID温度控制系统[J].宁波职业技术学院学报，2010.14（5）：16—19.

[2]曾峥，吴新淮.基于AT89S52单片机的水温控制系统设计[J].科技广场，2011（3）：157—159.

[3]刘永春，张锋，王秀碧.基于单片机的水温控制系统设计[J].仪器仪表学报，2008（8）：331—333.

[4]李亚杰，何群.基于GSM的远程温度监控系统设计与实现[J].制造业自动化，2009，17（6）：1077—1079.

[5]于雷.基于单片机的水温控制系统设计[J].长春大学学报，2011（8），28—30.