摘  要： 为改善温控系统性能并简化结构，以PID控制算法为基础，通过SoC高性能、C8051F系列单片机设计并实现具有温度实时测量、闭环控制和实时显示等功能的智能温控系统。不仅简化了硬件结构，各电路模块之间相互独立使设计的复用及扩展成为可能，同时提高了系统的抗干扰性和可靠性。实测结果表明，本系统温度响应时间为3 s~5 s,温度控制的误差为1%,在需要恒温控制的场合有一定的推广价值。

　　关键词: 单片机; 温度控制; 闭环控制; PID; 实时显示

　　温度是工业生产中最普遍而又最关键的参数之一，其测量精度对产品的质量有直接的影响[1]。传统温控系统虽然温度控制精度较高(误差不超过±0.5 ℃,温度不均匀性不大于1 ℃)，但其电路复杂，发生温控故障时维修困难且温度显示不直观。而将智能控制和常规PID控制方法融合在一起从而形成的实时显示智能PID控制器能很好地解决此类问题[2]。

　　1 温度控制系统框图

　　温度控制系统框图如图1所示。此系统是一个典型的闭环控制系统，用于控制灯箱内的温度使其保持在恒定的温度设定值。系统通过PT100铂热电阻采集实时温度，通过变送器及输入电路反馈实时温度信号，再与设定值对比确定偏差值；偏差值经过PID算法运算输出，通过驱动电路和SSR控制发热装置控制温箱温度，以克服偏差，促使偏差趋近于零，实现恒温控制[3]。

　　2系统硬件设计

　　系统硬件原理图如图2所示，由电源模块、输入、输出模块、主芯片、显示模块等组成。

　　2.1 电源模块电路

　　电源模块由整流、滤波等电路以及稳压芯片组成。其中稳压芯片采用National Semiconductor的两款芯片,分别是输出电压为5 V的三端稳压器LM7805CT和500 mA低压差稳压器LM2937。

　　2.2 主芯片及周边电路

　　主芯片选用Silicon Laboratories公司出品的C8051Fxxx单片机,它是完全集成的混合信号系统级低功耗芯片(SoC),具有与8051指令集完全兼容的CIP-51内核[4]。大多数C8051F单片机具备控制系统设计所需的模拟及数字外设，包括Watch Dog、ADC、DAC、电压比较器、电压基准输出定时器、PWM、定时器捕捉等;并具备多种总线接口，包括UART、SPI、SMBUS(与C兼容I2C)总等。周边电路包括晶振电路、ADC外部参考电压电路以及复位电路等。

　　2.3 控制器电流输出分析

　　电路采用负载共地方式，由MAXIM公司的低失调、低漂移的精密运算放大器OP07，精密电阻R9、R8、R11、R10、R12、R13、R14以及Q1、Q2组成。设Vi为输入电压，即Vi=DAC1；Iout为输出电流；R13为采样反馈电阻；R11、R12为限流电阻；R14为负载电阻，用电位器可以实现阻值的变化。流过R13的采样电流信号以电压的形式加到运算放大器的输入端，而且极性与输入电压信号反相，形成一个电流并联负反馈电路。由于运算放大器的输入阻抗很高，流入运算放大器输入端的电流可以忽略。在R11>>R13且R10>>R13条件下,流经R11、R10的电流与流经Q2射极的电流相比可以忽略，此时Iout=IE。运算放大器正负输入端电位近似相等，设R9=R8=R11=R10，可得:

　　取R9=100 k?赘, R11=20 k?赘，R14为电位器,当Vi=2.5 V时，Iout=20 mA。为保证足够的V/I变换精度，电阻应当选用精密电阻；输入电压Vi>(R13+R14)×Imax,Imax是Iout的最大值[5]。

　　3 温控系统软件设计

　　3.1 温控系统软件主流程图

　　温控系统软件主流程图如图3所示。

　　系统经过初始化，进行键盘扫描，等待按键按下。当按键按下则进行参数设置，根据按键次数的不同设置相应的参数，设置完参数后再有按键按下时系统运行。此时，键盘继续扫描等待按键按下以便修改参数。

　　3.2 温控系统软件子流程图

　　3.2.1 系统初始化子程序

　　系统时钟的初始化通过对OSXCN和OSCICN寄存器的设置，选择24 MHz的外部振荡器为SYSCLK源并允许丢失时钟检测器。由于显示模块采用CH452数码管显示驱动和键盘扫描控制芯片，通过输出12 bit的操作命令进行相应的控制。输出12 bit串行数据0x0403使按键低电平中断，低速闪烁，同时启用按键扫描与显示驱动。当寄存器ADCOCN的最高位ADCEN=1时使能A/D转换,当寄存器DAC0CN=0x80(即DAC0EN为1)时使能DAC0[6]。

　　3.2.2 系统运行子程序

　　系统运行子程序流程图如图4所示。进入系统运行后，采集PT100铂电阻值，信号经过PT100温度变送器转换成4~20 mA电流信号通过输入电路到达主控芯片，再经过标度变换及A/D转换。在实现温度显示的同时得到温度设定值与实时温度值的差值。进行PID算法处理得到增量值，如果没有超边界值则根据输出量控制SSR来发热装置进而实现温箱温度的调节[7]。

　　3.3 PID调节

　　温度控制系统是一个惯性较大的系统，即当给温箱加热之后，并不能立刻观察到温度的明显上升，Pt100铂电阻对温度的检测与实际的温箱温度相比较，也存在一定的时滞特性[8]。为了合理地处理系统响应速度与系统稳定性之间的矛盾，温度控制可以分为两个阶段：

　　(1) PID调节前阶段

　　此时，温箱温度距离设定值很远，为了加速加热速度，SSR与发热装置处于满负荷输出状态，只有当温度上升速度超过控制参数“加速速率”，SSR才关闭输出。

　　(2) PID调节阶段

　　在这个阶段，PID调节器调节输出，根据偏差值计算输出值，保证偏差趋近于零，即使系统受到外部干扰时，也能使系统回到平衡状态。

　　PID控制的原理是基于下面算式，其中输出u(t)是比例项、积分项和微分项的函数:

　　　为了能让数字计算机处理这个算式，连续算式必须离散化为周期采样偏差式，才能用来计算输出值。在工业应用中，习惯上将式(3)中各项近似离散为:

　　通常,计算机输出的控制指令u(k)是直接控制执行机构。但由于累加误差，占用内存较多，并且安全性较差。一旦计算机出现故障，u(k)的大幅度变化引起执行机构的突变，可能造成重大事故，此时可采用增量式算法。它是位置算法的一种改进，如下式：

　　u(k)=u(k)-u(k-1)=KP[e(k)-e(k-1)]+KIe(k)+

　　KD[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)] (5)

　　将式(5)进一步整理，可得：

　　?驻u(k)=u(k)-u(k-1)=KP[(1+T/TI+TD/T)e(k)-

　　(1+2TD/T)e(k-1)+(TD/T)e(k-2)]

　　=KP[Ae(k)-Be(k-1)+Ce(k-2)](6)

　　式中A=1+T/TI+TD/T, B=1+2TD/T，C=TD/T。由式(6)可见，根据误差3个时刻采样值，调整加权值即可获得不同的控制品质和精度[9]。

　　4 系统调试

　　由稳压源提供电路所需的±12 V及变送器所需的24 V电压，SSR则由220 V供电，上电后通过按键设置参考温度为33℃，之后系统进入运行状态。实时温度曲线如图5所示，可见达到了预期控制效果，未来可配合更加优化的新型PID控制算法实现对多变量复杂对象的控制[10]。

　　由于系统选用了功能强大、低功耗的C8051F系列单片机作为核心器件，加之精心设计相互间独立的电路，增加信号处理单元，使其性能指标达到了温度响应时间为3 s~5 s,温度控制的误差为1%，满足了设计的要求，达到预期效果，能在需要恒温装置的场合有很好的应用前景。

　　参考文献

　　[1] 欧汉烈.数字式温度测量调节仪的研制 [J].广东工业大学学报，1999,16(3):57-60.

　　[2] 徐显海.一种电阻炉智能温度控制仪的研制[D].南京：东南大学，2006.

　　[3] 安宏, 姚彩虹, 蒋兴加.用于电热炉的智能温控仪的设计[J].自动化仪表，2008,29(10):64-66.

　　[4] 黄真合.基于C8051F单片机的电力系统智能测控装置的设计[J].工业控制计2010,23(7):101-103.

　　[5] 李孝利.单片机原理及接口技术[M].北京：高等教育出版社, 2010.

　　[6] 童长飞. C8051F系列单片机开发与C语言编程[M]. 北京：北京航空航天大学出版社, 2005.

　　[7] 唐洪富,张兴波.基于STC系列单片机的智能温度控制器设计[J].电子技术用,2013,39(5):86-88.

　　[8] 崔坤林,张翼飞.时滞系统的经典控制与智能控制[J].微计算机信息，2004，20(6):25-26.

　　[9] 姚栋伟，吴峰，杨志家,等.基于增量式数字PID的汽油怠速控制研究[J]. 浙江大学学报， 2010，44(6):1122-1126.

　　[10] 王蕾.PID控制[J]. 自动化仪表，2004,25(4):1-5.