陳玉敏，孟憲民，王德玉

（1．哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海），威海264209；2．山東卡爾電氣股份有限公司，威海264209）

基于C8051F500的溫度控制設(shè)計(jì)

陳玉敏1，孟憲民2，王德玉1

（1．哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海），威海264209；2．山東卡爾電氣股份有限公司，威海264209）

設(shè)計(jì)了溫度控制模塊。下位機(jī)部分包括單片機(jī)C8051F500控制模塊，溫度測量、加熱、通信等模塊，水溫控制采用邏輯規(guī)則算法進(jìn)行；上位機(jī)部分利用Matlab仿真軟件設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)窗口能夠?qū)囟戎祵?shí)時(shí)顯示，設(shè)置溫度穩(wěn)定值及相關(guān)參數(shù)控制溫度變化且便于觀察，建立Access數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)收到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果以備查詢。實(shí)踐結(jié)果證明，水溫控制模塊超調(diào)小，上升速度快，實(shí)驗(yàn)監(jiān)控界面良好，實(shí)驗(yàn)效果穩(wěn)定，具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

溫度控制；單片機(jī)；邏輯規(guī)則控制；Matlab仿真；溫度實(shí)時(shí)顯示

1 引 言

溫度控制較復(fù)雜，具有滯后、非線性等問題［1－2］。采用單片機(jī)C8051F500設(shè)計(jì)溫度控制模塊，把溫度控制在設(shè)定偏差允許范圍內(nèi)，具有溫度測量、加熱、通信等功能。同時(shí)控制模塊可以擴(kuò)展開放，完成對(duì)溫度控制等相關(guān)知識(shí)的實(shí)踐；利用Matlab仿真軟件設(shè)計(jì)上位機(jī)部分，進(jìn)行溫度值的變化及實(shí)時(shí)顯示，同時(shí)利用Access數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)。

2 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

溫度控制模塊分為上位機(jī)和下位機(jī)兩部分，上位機(jī)模塊將溫度實(shí)時(shí)用曲線和數(shù)字進(jìn)行顯示，還能對(duì)系統(tǒng)的控制品質(zhì)進(jìn)行設(shè)定，水溫可以在一定范圍內(nèi)通過上位機(jī)設(shè)定來滿足不同要求，環(huán)境溫度改變時(shí)能夠自動(dòng)控制，以維持目標(biāo)不變，具有較好的快速性與較小的超調(diào)。下位機(jī)模塊完成采集溫度信息，根據(jù)溫度設(shè)定值與當(dāng)前溫度利用一定的控制算法，最終控制溫度的變化。下位機(jī)的組成模塊包括通信模塊、溫度測量、控制、加熱等模塊。

3 下位機(jī)模塊設(shè)計(jì)

要想準(zhǔn)確控制某個(gè)量的變化，需帶有反饋的閉環(huán)控制，將被控量穩(wěn)定在設(shè)定值的偏差范圍內(nèi)，固本設(shè)計(jì)反饋環(huán)節(jié)加入溫度測量模塊。首先上位機(jī)設(shè)定要達(dá)到的溫度值以及其他控制算法所需要的控制參數(shù)，并啟動(dòng)本次溫度控制，然后下位機(jī)就根據(jù)設(shè)定的溫度值與當(dāng)前所測得的溫度值，采用一定的控制算法，驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作，這樣不斷的循環(huán)往復(fù)地檢測、算控制信號(hào)、驅(qū)動(dòng)加熱，直到溫度穩(wěn)定在設(shè)定值附近。

3．1 單片機(jī)模塊

硬件電路選擇處理速度與51單片機(jī)有質(zhì)的飛躍的C8051F500作為主控芯片，C8051F500的時(shí)鐘選擇晶振精度很高的內(nèi)部時(shí)鐘，芯片的工作溫度在－40到＋125℃之間，完全滿足實(shí)驗(yàn)要求［3］。復(fù)位電路與51單片機(jī)高電平復(fù)位相反，是低電平復(fù)位；電源電路便于擴(kuò)展需求，主控板電源電壓選擇＋5V，電源轉(zhuǎn)換芯片選具有防反接保護(hù)的LM2937，即在電源接反時(shí)也能不損壞芯片。下載電路中JTAG接口包括TMS、 TDI、TCK、TDO4線，分別為模式選擇、數(shù)據(jù)輸入、時(shí)鐘、數(shù)據(jù)輸出線。軟件編程時(shí)先固定器件到電路板上進(jìn)行在線編程，從而大大加快工程進(jìn)度。單片機(jī)仿真與下載是C2接口，且C2接口與JTAG接口兼容，設(shè)計(jì)用JTAG接口電路，清晰明了，防止接錯(cuò)線。加熱控制電路中采用通斷迅速的固態(tài)繼電器實(shí)現(xiàn)弱電控制強(qiáng)電，輸出電壓耐壓480V，最大電流10A。選用電熱絲的功率是500W，220V供電，適合在較小的容器內(nèi)加熱液體。三極管驅(qū)動(dòng)固態(tài)繼電器開始加熱，LED指示燈會(huì)亮起，當(dāng)固態(tài)繼電器輸出端呈高阻狀態(tài)時(shí)，加熱器不再加熱，LED指示燈會(huì)熄滅。當(dāng)然對(duì)于不同的應(yīng)用場合，可以根據(jù)需要選擇不同功率的加熱裝置。電源電路、下載電路、加熱控制電路分別如圖1、圖2、圖3所示。

圖1 C8051F500電源電路圖

圖2 下載電路圖

圖3 加熱控制電路圖

單片機(jī)輸出信號(hào)采用偏差相平面基礎(chǔ)上的邏輯規(guī)則控制，在此邏輯控制中，一方面通過一系列控制法則反映系統(tǒng)行為變化，另一方面借助這些規(guī)則對(duì)對(duì)象進(jìn)行有效控制。將工況劃為9種情況，通過設(shè)定參數(shù)改變動(dòng)態(tài)、靜態(tài)指標(biāo)，在9種狀態(tài)之間來回切換，最終達(dá)到穩(wěn)定。通過所測實(shí)時(shí)溫度與設(shè)定值得出的偏差得到溫度偏差變化率。最后根據(jù)偏差值和偏差變化率，選擇9種工況里面的一種執(zhí)行，然后一直循環(huán)往復(fù)的執(zhí)行，直到上位機(jī)發(fā)出終止命令［4］。設(shè)±e0為允許偏差，±e·0為允許偏差變化率。實(shí)驗(yàn)溫控規(guī)則如表1所示。而加熱模塊的固態(tài)繼電器無法識(shí)別模擬量，故將控制量做PWM轉(zhuǎn)換，控制其占空比來調(diào)節(jié)輸出功率值，實(shí)現(xiàn)水溫控制。采用兩個(gè)定時(shí)器分別計(jì)時(shí)來控制PWM波的占空比。定時(shí)器0控制工作周期，定時(shí)器2控制一個(gè)周期內(nèi)的占空比，即9種工況分別對(duì)應(yīng)不同的定時(shí)器2的計(jì)數(shù)初始值。通過0和2的狀態(tài)判斷需要的占空比是否已經(jīng)達(dá)到，若沒有則退出中斷繼續(xù)計(jì)時(shí)，若已達(dá)到則關(guān)閉計(jì)數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)占空比的調(diào)節(jié)。軟件設(shè)計(jì)采用Visual Studio開發(fā)環(huán)境的．net構(gòu)架，軟件開發(fā)語言為Visual C＃?？刂扑惴鞒倘鐖D4所示。

表1 實(shí)驗(yàn)溫控規(guī)則表

3．2 溫度測量模塊

溫度傳感器選用DS18B20，軟件設(shè)計(jì)編程平臺(tái)選用Keil軟件，由于該傳感器需要嚴(yán)格的時(shí)序才能正確的讀出溫度，在對(duì)該傳感器進(jìn)行操作的過程中，不能有中斷發(fā)生，以免影響讀到溫度值的正確性。溫度測量電路利用Keil進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，測量室溫。設(shè)置斷點(diǎn)，在Watch里面添加觀測變量觀察所得到的溫度值正是室溫。軟件運(yùn)行界面如圖5所示。

圖4 控制算法流程圖

圖5 Keil運(yùn)行界面

3．3 通信模塊

通信模塊中的串口類設(shè)為SerialPort，將要傳送的數(shù)據(jù)保存到一個(gè)數(shù)組，再利用SerialPort類的發(fā)送方法，就可以發(fā)送數(shù)據(jù)，如果有數(shù)據(jù)發(fā)來會(huì)暫存入緩沖區(qū)內(nèi)，然后從緩沖區(qū)內(nèi)就可以讀數(shù)據(jù)了。上位機(jī)軟件里，建立存放要發(fā)送的數(shù)據(jù)和接收到的數(shù)據(jù)兩個(gè)數(shù)組。在下位機(jī)里面也相應(yīng)建立兩個(gè)數(shù)組，將要發(fā)送的數(shù)據(jù)保存在一個(gè)數(shù)組中，接收到的數(shù)據(jù)保存到另一個(gè)數(shù)組中。上位機(jī)和下位機(jī)之間進(jìn)行軟件仿真，將下位機(jī)的程序編寫成將收到的數(shù)據(jù)原樣返回的功能，通過上位機(jī)來觀測發(fā)送和接收到的數(shù)據(jù)是否正確來判斷串口是否正常工作。串口數(shù)據(jù)處理采用查詢方式，要發(fā)送多個(gè)字節(jié)就要先將要發(fā)送的多字節(jié)數(shù)據(jù)保存在一個(gè)數(shù)組中，然后循環(huán)發(fā)送。串口通信中選EIA－RS－232C，由MAX232芯片完成TTL←→EIA雙向電平轉(zhuǎn)換［5－6］。發(fā)送一字節(jié)數(shù)據(jù)及接收數(shù)據(jù)流程如圖6所示。

4 上位機(jī)模塊設(shè)計(jì)

上位機(jī)模塊主要是使溫度變化可視化以及實(shí)現(xiàn)整個(gè)溫度控制的流程。上位機(jī)包括通信、控制參數(shù)設(shè)定、溫度實(shí)時(shí)顯示、控制流程幾個(gè)模塊。溫度實(shí)時(shí)顯示設(shè)計(jì)，模塊中利用Matlab生成COM組件，然后在上位機(jī)軟件中直接調(diào)用該組件就可以實(shí)現(xiàn)C＃與Matlab的組合。Matlab中也可對(duì)各種控制算法進(jìn)行編程擴(kuò)展溫度控制實(shí)驗(yàn)［7－8］。在file按鈕里，可以選擇將圖像保存下來，保存的同時(shí)可以選擇保存類型，包括常見的圖片格式以及Matlab文件格式。若保存為Matlab格式的圖像，那么相應(yīng)數(shù)據(jù)點(diǎn)的信息也保存下來了，就可以利用Matlab對(duì)該圖像進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)分析，得出關(guān)于該系統(tǒng)的相關(guān)結(jié)論等。溫度控制過程中，要對(duì)溫度穩(wěn)定目標(biāo)進(jìn)行設(shè)定，系統(tǒng)根據(jù)所設(shè)目標(biāo)進(jìn)行工作；根據(jù)單片機(jī)控制規(guī)則進(jìn)行計(jì)算，不斷調(diào)整溫度偏差及溫度偏差變化率，盡量減小誤差，要對(duì)其進(jìn)行限制設(shè)定；要記錄實(shí)驗(yàn)開始時(shí)間、結(jié)束時(shí)間、實(shí)時(shí)溫度值、溫度差、溫差變化率等量，所設(shè)計(jì)的軟件界面如圖7所示。

圖6 發(fā)送一字節(jié)數(shù)據(jù)及接收數(shù)據(jù)流程圖

圖7 實(shí)驗(yàn)軟件界面圖

數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，考慮到以后可能還要再查看某一次溫度的變化情況，加入數(shù)據(jù)庫。需要將溫度值、每次進(jìn)行控制所設(shè)置的控制參數(shù)及開始和結(jié)束的時(shí)間等量進(jìn)行存儲(chǔ)。數(shù)據(jù)量并不大，選用Access數(shù)據(jù)庫，通過編寫SQL語句來實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的目的。具體的存儲(chǔ)過程是，在將當(dāng)前時(shí)刻下位機(jī)上傳上來的溫度值顯示在屏幕上之后，調(diào)用Access的寫函數(shù)，將該點(diǎn)溫度存入到數(shù)據(jù)庫中。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

將各單元模塊連接上，上位機(jī)軟件設(shè)置要達(dá)到的溫度值以及控制參數(shù)，點(diǎn)擊開始按鈕，觀察溫度實(shí)時(shí)顯示界面確定溫度是否在實(shí)時(shí)顯示。經(jīng)測試系統(tǒng)能正常運(yùn)行，溫控運(yùn)行時(shí)所得一組溫度變化曲線如圖8所示，設(shè)定溫度值為30℃，溫度偏差0．5℃，加熱器是500W，偏差變化率設(shè)定上限是0．02。溫度控制模塊中只要適當(dāng)改變溫控模塊軟件里面的控制參數(shù)以及通過上位機(jī)設(shè)置的控制參數(shù)，系統(tǒng)就能發(fā)揮很好的控溫的功能。

圖8 溫度變化曲線

6 結(jié)束語

實(shí)驗(yàn)?zāi)K的下位機(jī)設(shè)計(jì)中利用數(shù)字化溫度傳感器實(shí)現(xiàn)硬件電路的簡化；采用邏輯規(guī)則算法實(shí)現(xiàn)控制超調(diào)小、精度高的目的；通過固態(tài)繼電器開關(guān)快速控制輸出功率。同時(shí)上位機(jī)軟件設(shè)置溫度穩(wěn)定值以及相關(guān)的控制參數(shù)，可以自己設(shè)定室溫以上，100℃以下的任意溫度值。在溫度控制過程中，具有良好的顯示界面，便于觀察，而且上位機(jī)Matlab中可以對(duì)各種溫度控制算法進(jìn)行實(shí)踐且性能良好，如將系統(tǒng)通信串口更換成RS485即構(gòu)成分布式溫度控制系統(tǒng)等。溫控模塊只需要稍作改動(dòng)即可應(yīng)用于其它更多領(lǐng)域，具有一定的開放性及實(shí)用價(jià)值。

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Design of Temperature Control Based on C8051F500

Chen Yumin1，Meng Xianmin2，Wang Deyu1
（1．Harbin Institute of Technology（WeiHai），Weihai 264209，China；2．Shandong Kaer Electric Co．，Ltd．，Weihai 264209，China）

The temperature control module is desighed in this paper，the machine consists of single chip microcomputer C8051F500 control module，temperature module，heating module and communication module，and the logical rules are used in the temperature control algorithm；Upper machine parts，using Matlab simulation software for design，can real－time display the experiment temperature and set up the stable temperature value and the related parameter for temperature change control，and set up the Access database to store received results for the query．The test results show that the water temperature control module is small overshoot，the temperature rise rapidly and has excellent monitoring experiment interface，and the experimental effect is stable and has good application value．

Temperature control；Single chip microcomputer；Logic rule control；Matlab simulation；Real－time display of temperature

10．3969／j．issn．1002－2279．2015．04．024

TN432

A

1002－2279（2015）04－0092－05

陳玉敏（1978－）女，黑龍江省哈爾濱市人，工程師，碩士研究生，主研方向：控制科學(xué)與工程。

2015－04－15