基于单片机AT89C51的温度控制系统的设计

目标温度的偏差大则电压导通个数多，加 热电路的加热功率大，使温度的实测值与 设定值的偏差迅速减少；反之，二者的偏差 小则电压导通个数小，加热电路加热功率 减少，直至目标值与实测值相等，形成一 个闭环调节系统。其控制流程如图 ５ 所 示。
心，利用热电偶检测温度并配合 ＰＩＤ 控制 算法提高了水温的控制精度，使用 ＰＩＤ 控 制算法和移相触发可控硅调节方式实施自 动控制系统，具有控制参数精度高、反映 速度快和稳定性好的特点。
温度传感器将温度信号转换为电信号 经放大后输入模数转换器 ＡＤＣ０８０９，转换 后的数字量输入到单片机 ＡＴ８９Ｃ５１ 中，单 片机 ＡＴ８９Ｃ５１ 中与模数转换器 ＡＤＣ０８０９ 的接口电路 ２ 如图所示。
图 ２ ＡＤＣ０８０９ 与单片机 ＡＴ８９Ｃ５１ 的 接口电路
３．４ 数模转换器 ＤＡＣ０８３２ 与单片机的 接口
２． 温度控制系统方案设计
采用 Ｋ 型热电偶测量温度，将温度信 号放大后通过 Ａ／Ｄ 转换进入单片机，单片 机进行数字滤波和 ＰＩＤ 运算处理后，结果 经 ＤＡＣ０８３２ 转换为模拟量对全隔离单相交 流调压模块进行控制，达到控制电炉水温 的目的。系统方案如图 １ 所示。
图 １ 系统结构框图
３．温பைடு நூலகம்控制系统硬件设计
是一种能测量较高温度的廉价热电偶。它 的价格便宜，重复性好，产生的热电势 大，约为 ０．０４１ｍＶ／ 度，因而灵敏度很 高，而且它的线性很好。虽然其测量精度 略低，但完全能满足工业测温要求，所以 它是工业上最常用的热电偶。由于热电偶 输出的电压信号频率较低、电压弱，所以 选用了一阶有源低通滤波电路。放大电路 用同相放大、负反馈方式。
温度控制系统硬件包括：Ａ Ｔ ８ ９ Ｃ ５ １ 单片机最小系统模块、Ａ ／ Ｄ 转换模块、Ｄ ／ Ａ 转换模块、信号放大电路、温控电路 以及其它外围电路。
３．１ 单片机的选择 ＡＴ８９Ｃ５ｌ 是 ＡＴＭＥＬ 公司采用 ＣＭ０Ｓ 工艺生产的低功耗、高性能８ 位单片机，与 ＭＣＳ－５１ 单片机兼容，其功能特点为：（１） ４Ｋ 字节闪烁存储器（ＦＬＡＳＨ），可进行 １０００ 次写。（２）静态操作，外接 ＯＨＺ－２４ＭＨＺ 晶 振。（３）三层程序存储器琐。（４）１２８ 字节内部 数据存储器（ＲＡＭ）。（５）３２ 跟可编程输入，输 出线。（６）两个 ６ 位定时／计数器。（７）六个中 断源。（８）一个可编程串口。（９）支持低功耗模 式和掉电模式。非常适合用作控制系统设 计。 ３．２ 传感器电路和信号放大电路 采用 Ｋ 型热电偶作为温度传感器，它
３．３ 模数转换器 ＡＤＣ０８０９ 与单片机的 接口
模数转换器 ＡＤＣ０８０９ 是 ８ 位逐次比较 式 Ａ／Ｄ 转换芯片，具有地址锁存控制的 分时采集 ８ 路模拟开关，其模拟量输入电压 为 ０ ～５ Ｖ ，对应的数字量输出为 ０ ０ Ｈ － ＦＦＨ，以及相应的通道抵制锁存用译码电 路，其转换时间为 １００ μ ｓ 左右。
５．结论
本系统以 ＡＴ８９Ｃ５１ 单片机为控制核
参考文献 ［１］ 李晓伟，郑小兵，周磊等． 基于单片机的 精密温控系统设计［Ｊ］． 微计算机信息． ２００７．３２． ［２］ 杨丙聪，许忠仁，刘晓峰． 基于 ＡＴ８９Ｓ５２ 单片机的智能温度控制器的设计［Ｊ］． 测控 技术．２００７．１０． ［３］ 丁元杰．单片微机原理及应用［Ｍ］． 北 京：机械工业出版社．２００８．１． ［４］ 黄立宏，李莉娅． 一种 ＰＩＤ 的温度控 制系统设计［Ｊ］． 现代机械．２００９．１． ［５］ 关平，曲颖，刘红等． 可实现的基于 ＭＣＳ－５１ 单片机的恒温控制系统的设计［Ｊ］． 自动化技术与应用．２００８．１０． ［６］ 曹越 刘超 冯进良． 基于 ＡＶＲ 单片机 的精密温控系统设计 Ｊ］． 仪器仪表用户． ２００８．６． ［７］ 乔元劭 曹衍龙． 基于 ＡＴ８９Ｃ５１ 的豆浆 液温度控制系统［Ｊ］． 组合机床与自动化加 工技术． ２ ０ ０ ８ ． ５ ． 作者简介 罗 云 松（１ ９ ８ １ ～）：男，汉 族 ，四 川 攀 枝花市人，助理实验师，电子科技大学在读 硕士，研究方向：微计算机及控制。
图 ３ ＤＡＣ０８３２ 与单片机接口电路 ３．５ 功率驱动电路设计 当水温和设定值不等时，必须对其进 行控制以稳定于设定温度。本设计用全隔 离单相交流调压模块来响应 ＤＡＣ０８３２ 的输 出，以控制电阻丝的发热功率，进而控制 水温。电路原理图如图 ４ 所示。
图 ４ 全隔离单相交流调压模块实现水温 控制电路
－１ ７ ５ －
ＤＡＣ０８３２ 主要参数如下：分辨率为 ８ 位，转换时间为 １ μ ｓ ，满量程误差为± １ＬＳＢ，参考电压为（＋１０～－ １ ０ ） Ｖ，供电 电源为（＋５～＋１５）Ｖ，逻辑电平输入与 ＴＴＬ
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兼容。 本设计只需一个模拟量输出，因此，
ＤＡＣ０８３２ 的输出采用单缓冲输出方式。 其接受从单片机送来的数字信号，并将其 转换为可在 ０Ｖ～＋ ５Ｖ 范围内变化的模拟 信号，此信号输出至下一级全隔离单相交 流调压模块，从而调节该模块的输出功 率。ＤＡＣ０８３２ 与单片机 ＡＴ８９Ｃ５１ 的接口 电路如图 ３ 所示。
制 造
中国科技信息 ２００９ 年第 １２ 期 ＣＨＩＮＡ ＳＣＩＥＮＣＥ ＡＮＤ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮ Ｊｕｎ．２００９
基于单片机 ＡＴ８９Ｃ５１ 的
温度控制系统的设计
罗云松 李丹 攀枝花学院电气信息工程学院 ６１７０００
Ｔｈｅ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｓｙｓｔｅｍ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＡＴ８９Ｃ５１ Ｓｉｎｇｌｅ Ｃｈｉｐ Ｍｉｃｒｏｃｏｍｐｕｔｅｒ
Ｌｕｏ Ｙｕｎｓｏｎｇ Ｌｉ Ｄａｎ Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｏｆ Ｐａｎｚｈｉｈｕａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｐａｎｚｈｉｈｕａ ６１７０００，
Ｓｉｃｈｕａｎ
摘 要 本文以单片机 ＡＴ８９Ｃ５１ 为控制核心，温度信号 经输入模数转换器 ＡＤＣ０８０９，转换后的数字量 输入到单片机。单片机中采用 ＰＩＤ 控制算法对 测量数据和设定数据进行处理，处理后的数 据经数模转换器 Ｄ Ａ Ｃ ０ ８ ３ ２ 转换为模拟量，以 此来控制全隔离单相交流调压模块，从而控 制锅炉水温稳定于设定值。 关键词 单片机；温度控制系统；Ｐ Ｉ Ｄ 控制 Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｔａｋｅｓ ｔｈｅ ｓｉｎｇｌｅ ｃｈｉｐ ｍｉｃｒｏｃｏｍｐｕｔｅｒ ｏｆ ＡＴ８９Ｃ５１ ａｓ ｔｈｅ ｃｅｎｔｒａｌ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ， ａｎｄ ｔｈｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｓｉｇｎａｌ ｉｓ ｉｎｐｕｔｔｅｄ ｉｎｔｏ ｔｈｅ Ａ／Ｄ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ ＡＤＣ０８０９， ｔｈｅｎ ｔｈｅ ｃｏｎｖｅｒｔｅｄ ｄｉｇｉｔａｌ ｓｉｇｎａｌ ｉｓ ｉｍｐｏｒｔｔｅｄ ｉｎｔｏ ｔｈｅ Ｓｉｎｇｌｅ Ｃｈｉｐ Ｍｉｃｒｏｃｏｍｐｕｔｅｒ． Ｓｉｎｇｌｅ－ｃｈｉｐ Ｍｉｃｒｏｃｏｍｐｕｔｅｒ ｕｓｅ ＰＩＤ ｃｏｎｔｒｏｌ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｔｏ ｐｒｏｃｅｓｓ ｔｈｅ ｄａｔａ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ａｎｄ ｄａｔａ ｓｅｔｔｉｎｇｓ， ａｎｄ ｔｈｅ ｐｒｏｃｅｓｓｅｄ ｄａｔａ ｉｓ ｃｏｎｖｅｒｔｅｄ ｉｎｔｏ ａｎａｌｏｇ ｓｉｇｎａｌ ｂｙ ｔｈｅ Ｄ／Ａ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ ＤＡＣ０８３２． Ｔｈｅ ｓｉｇｎａｌ ｃｏｎｔｒｏｌｓ ｔｈｅ ｗｈｏｌｅ ｉｓｏｌａｔｉｏｎ ｓｉｎｇｌｅ－ｐｈａｓｅ ＡＣ ｖｏｌｔａｇｅ ｒｅｇｕｌａｔｏｒ ｍｏｄｕｌｅ， ａｎｄ ｔｈｅｎ ｃｏｎｔｒｏｌｓ ｔｈｅ ｂｏｉｌｅｒ ｗａｔｅｒ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｉｎ ｔｈｅ ｓｅｔｔｉｎｇｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ Ｓｉｎｇｌｅ Ｃｈｉｐ Ｍｉｃｒｏｃｏｍｐｕｔｅｒ； Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｓｙｓｔｅｍ； ＰＩＤ Ｃｏｎｔｒｏｌ
４．ＰＩＤ 温度控制算法程序
ＰＩＤ 控制算法是温度控制系统软件的 核心部分。本设计采用增量式 ＰＩＤ 控制算 法，其算式如下：
式中，ｅｎｅｎ－１ｅｎ－２ 分别为第 ｎ 次、 ｎ － １ 次和 ｎ － ２ 次的偏差值；Ｋ ｐ ，Ｔ ｉ ，Ｔ ｄ 分 别为比例系数、积分系数和微分系数；Ｔ 为 采样周期。
控制模块工作过程为：单片机每隔固 定时间将现场温度与用户设定目标温度的 差值带入增量式 ＰＩＤ 算法公式，由公式输 出量决定加热器功率大小。如现场温度与
图 ５ 软件控制流程
数字曾量式 ＰＩＤ 控制子程序关键代码 如下：
ｔｙｐｅｄｅｆ ｓｔｒｕｃｔ ＰＩＤ｛ ｄｏｕｂｌｅ ＳｅｔＰｏｉｎｔ；／／ 设定目标 Ｄｅｓｉｒｅｄ Ｖａｌｕｅ ｄｏｕｂｌｅ Ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎ；／／ 比例常数 Ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｓｔ ｄｏｕｂｌｅ Ｉｎｔｅｇｒａｌ；／／ 积分常数 Ｉｎｔｅｇｒａｌ Ｃｏｎｓｔ ｄｏｕｂｌｅ Ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅ；／／ 微分常数 Ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅ Ｃｏｎｓｔ ｄｏｕｂｌｅ ＬａｓｔＥｒｒｏｒ；／／Ｅｒｒｏｒ［－１］ ｄｏｕｂｌｅ ＰｒｅｖＥｒｒｏｒ；／／Ｅｒｒｏｒ［－２］ ｄｏｕｂｌｅ ＳｕｍＥｒｒｏｒ；／／Ｓｕｍｓ ｏｆ Ｅｒｒｏｒｓ ｝ＰＩＤ； ｄｏｕｂｌｅ ＰＩＤＣａｌｅ（ｓｔｒｕｃｔ ＰＩＤ ＊ｐｐ． ｄｏｕｂｌｅ ＮｅｘｔＰｏｉｎｔ） ｛ ｄｏｕｂｌｅ ｄＥｒｒｏｒ， Ｅｒｒｏｒ； Ｅｒｒｏｒ＝ＰＰ－＞ＳｅｔＰｏｉｎｔ－ＮｅｘｔＰｏｉｎｔ；／／ 偏 差 ＰＰ－＞ＳｕｍＥｒｒｏｒ＋＝Ｅｒｒｏｒ； ／／ 积分 ｄＥｒｒｏｒ＝ｐｐ－＞ＳｕｍＥｒｒｏｒ－２＊ｐｐ－＞ ＬａｓｔＥｒｒｏｒ＋ｐｐ－＞ＰｒｅｖＥｒｒｏｒ；／／ 当前微分 ＰＰ－＞ＰｒｅｖＥｒｒｏｒ＝ＰＰ－＞ＬａｓｔＥｒｒｏｒ； ＰＰ－＞ＬａｓｔＥｒｒｏｒ＝Ｅｒｒｏｒ； ｒｅｔｕｒｎ（ＰＰ－＞Ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎ＊Ｅｒｒｏｒ／／ 比例 项 ＋ｐｐ－＞Ｉｎｔｅｇｒａｌ＊ＰＰ－＞ＳｕｍＥｒｒｏｒ／／ 积 分项 ＋ｐｐ－＞Ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅ＊ｄＥｒｒｏｒ／／ 微分项 ）； ｝
１ ．引言
随着现代化科技的进步，在很多工业 控制场合需要非常精确的控制温度的变 化，而在日常生活中，水温的智能控制应用 也非常广泛，在这种环境下，便提出了智能 水温控制系统。
本设计以单片机 ＡＴ８９Ｃ５１ 为控制核 心，用 Ｋ 型热电偶作温度传感器，信号经
放大后输入模数转换器 ＡＤＣ０８０９，转换 后的数字量输入到单片机 ＡＴ８９Ｃ５１ 中。单 片机中采用 ＰＩＤ 控制算法对测量数据和设 定数据进行处理，处理后的数据经数模转 换器 ＤＡＣ０８３２ 转换为模拟量，以此来控 制全隔离单相交流调压模块，从而控制锅 炉水温稳定于设定值。