基于C8051F020的密闭环境温度恒温控制系统设计

摘要：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TS1602 LCD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：C8051F020单片机；恒温控制；PID算法；密闭环境

0 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MCU I／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DS18B20 1-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15．3 V，最大输出电流达到2 A，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21 kHz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。
2．5 LM2575降压电路和单片机供电电路
    MCU部分电路正常工作需要+5 V和+3．3 V电压供电。将市电220 V／50 Hz通过开关电源部分电路，经过桥堆整流和滤波产生直流电17 V，通过LM2575稳压芯片输出稳定+5 V给LCD1602显示模块和继电器供电，C8051F020和DS18B20由+5 V经过ASM1117-3．3 V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5 V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0 V。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。