基于AT89S52单片机的水温控制系统建模与实现

基于AT89S52单片机的水温控制系统建模与实现

作者：王小雨 郑伟 王一丁

来源：《电子世界》2012年第18期

【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。

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/itfj.html