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基于C8051F020的密闭环境温度恒温控制系统的设计
点击次数:1574 发布时间:2012/7/28

基于C8051F020的密闭环境温度恒温控制系统的设计

给出了一种基于C8051F020单片机实现密闭环境温度自动控制的系统方案。将半导体制冷模块置于一个密闭环境,通过C8051F020单片机实现对半导体制冷片的制冷、制热和不同功率运行的控制,采用独立按键完成温控数据的输入,分别利用DS18B20采集密闭环境温度和实际环境温度,并通过TS1602LCD完成基本的状态数据和控制实时显示;通过PID算法编程实现密闭环境温度恒温控制。实验结果表明,在按键输入设定温度后,系统能够成功实现密闭环境温度的恒温控制,温度控制精度为±0.2℃。
  
  关键词:恒温恒湿试验箱;恒温控制;PID算法;密闭环境
  

  引言
  
  温度控制广泛应用于社会生活的各个领域,如家电、汽车、材料、电力电子等,近几年,在控制方法上,基于PID的温度控制、模糊控制、神经网络、遗传算法有了快速的发展。本文介绍了一种基于C8051F020单片机的环境温度自动控制设计,利用PID算法,结合温度传感器DS18B20、半导体制冷系统、开关电源和继电器控制电路实现密闭环境温度的自动控制。密闭环境温度自动控制系统符合现代电子产品自动化、智能化、模块化、人性化的设计要求,人机界面友好,可移植性好。
  
  1、整体方案设计
  
  方案的主要任务是根据用户要求,实现对密闭环境的恒温控制。手动设定密闭环境控制温度后,C8051F020单片机通过DS18B20测得密闭环境温度(被控环境)和实际环境温度,将设定温度和密闭环境温度的差值送入单片机,返回指令控制继电器电路实现半导体制冷系统的加热或者制冷。单片机输出的PWM经IR2110功率放大,控制开关管1RF3808通断,并利用PID算法实时改变单片机的PWM占空比,达到控制开关电源输出电压的目的,从而改变半导体制冷系统工作时的功率。
  
  2、硬件电路设计
  
  2.1硬件总体设计
  
  整个系统主要由系统电源电路、键盘电路、温度采集电路、LCD显示器、继电器控制电路、开关电源电路、LM2575降压电路、半导体制冷电路和单片机控制电路组成。其中,键盘电路用来输入控制信号;温度采集电路用于实时监测实际环境温度和密闭环境温度;LCD是用来显示用户设定状态信息和温度数据、电流、电压值;开关电源电路用于提供半导体制冷系统的工作电压和电流;LM2575降压电路用于提供单片机电源;半导体制冷电路是控制环境温度的关键。C8051F020单片机是整个控制系统的核心,将各部分连成整体,正常工作。系统总体电路设计框图如图1所示。

  
  2.2半导体制冷电路
  
  半导体制冷电路由半导体制冷片、散热风扇、导热金属片组成。半导体制冷片是根据珀尔帖效应制作的温差电制冷片,改变供电电压极性,就可以达到制冷或者加热的目的,并且重量轻、体积小,具有相对较高的制冷量。
  
  2.3控制电路
  
  MCU控制电路包括三个部分:独立按键电路、温度采集电路、继电器控制电路和数据显示部分。
  
  控制信号输入部分主要由独立键盘完成。使用独立键盘,结构清晰,编程简单。两个独立按键:P1^0:设定温度值加1;P1^1:设定温度值减1。继电器控制电路主要由MCUI/O端口P3口控制2个继电器完成,同时断开继电器实现制冷,同时吸合继电器实现制热。以C8051F020的端口P2口作为数据线,与LCD1602进行数据通信并完成状态显示。温度采集电路采用DS18B20电路。Dallas公司的DS18B201-wire数字温度传感器使用一根信号线即可实现信号的双向传输,接口简单,便于扩展和维护。
  
  2.4开关电源电路
  
  开关电源采用BUCK拓扑结构,PWM(脉宽调制)控制方式。最大输出电压达到15.3V,最大输出电流达到2A,输出电压的纹波小于5mV,整个开关电源效率为75%,满足系统供电要求。由于测量电源电压、电流时采用差分放大电路,PWM波的频率在21kHz左右,频率较高,造成电压数据采集后转化的AD值与实际的测量值存在一定的偏差,通过程序实现电压补偿。
  
  2.5LM2575降压电路和单片机供电电路
  
  MCU部分电路正常工作需要+5V和+3.3V电压供电。将市电220V/50Hz通过开关电源部分电路,经过桥堆整流和滤波产生直流电17V,通过LM2575稳压芯片输出稳定+5V给LCD1602显示模块和继电器供电,C8051F020和DS18B20由+5V经过ASM1117-3.3V供电。
  
  3、软件设计
  
  基于C8051F020单片机密闭环境温度恒温控制流程图如图2所示。

  
  系统软件部分主要完成以下功能:当有按键按下时,触发中断,改变设定温度的值。单片机采集温度,通过控制算法,产生控制命令改变PWM输出,控制各个继电器的动作;利用单片机自带的AD采样,测量开关电源的输出电压和电流的大小并显示。其中单片机控制指令是本系统的关键,密闭环境温度和温度设定值差值不应大于15℃,以确保系统正常运行。若设定温度超出范围,其值由系统自动还原为当前温度;若温差确定,进入PID调节,采用增量式PID。公式如下:

  
  式中:Kp为控制器的比例系数;Ti为控制器的积分时间,也称积分系数;Td为控制器的微分时间,也称微分系数。
  
  系统上电后,测得的密闭环境温度,即为初始温度设定值。例如实际密闭环境温度为30℃,实际环境温度为29℃,通过按键“-”,使温度设定值为15℃,则此时温差为+15℃。送入处理函数,单片机返回控制指令,使继电器断开,并控制开关电源输出5V电压,使半导体制冷片在额定电压下工作,系统全速制冷。当密闭环境温度改变,单片机将输出不同控制指令。当密闭环境温度和设定值相同时,控制结束,P5口灯闪烁,MCU控制开关电源输出电压0V。通过对系统进行实际验证,LCD1602显示效果如图3所示。

  
  4、结语
  
  对于C8051F020单片机构建的密闭环境温度恒温控制系统进行功能验证,系统能够成功实现密闭环境温度恒温控制,温度控制精度为±0.2℃。系统人机界面友好,操作简单、价格低廉、可移植性好,可以应用到商业领域。

 

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