摘  要： 該溫度控制系統(tǒng)以STC89C52單片機為核心，采用DS18B20數(shù)字溫度傳感器采集溫度，并以PWM形式輸出，確保溫度輸出的穩(wěn)定，再結合PID閉環(huán)控制，使系統(tǒng)能夠更穩(wěn)定地運行。先利用Proteus軟件結合Keil軟件仿真，再用STC89C52單片機進行實測，從而進一步驗證了設計的可靠性和準確性，所控制溫度的精度能達到±1 ℃范圍之內(nèi)。該系統(tǒng)具有靈活性強、電路簡單、可靠性高、易于操作等優(yōu)點，能夠實現(xiàn)對溫度的穩(wěn)定控制。
關鍵詞： STC89C52；DS18B20；PID閉環(huán)控制；Proteus

　溫度的變化影響各種系統(tǒng)的自動運作，例如冶金、機械、食品、化工等工業(yè)中，廣泛使用各種加熱爐、散熱處理、反應爐等，要求對工件的溫度進行控制。對于不同的控制系統(tǒng)，其適宜的溫度總是在一個范圍，超過這個范圍，系統(tǒng)或許會停止運行或遭受破壞，因此必須能實時獲取溫度的變化，對于超過適宜范圍的溫度能夠報警。同時也希望在適宜溫度范圍內(nèi)可以由檢測人員根據(jù)實際情況加以改變。溫度控制在工業(yè)及日常生活中應用廣泛，分類較多，不同溫度控制系統(tǒng)的控制方法也不盡相同，其中以PID控制法最為常見。
1 溫度控制系統(tǒng)的組成及硬件設計
　本設計采用STC89C52單片機為處理器，利用溫度傳感器DS18B20采集溫度，結合Keil軟件編程[1]，實現(xiàn)用PID算法來控制PWM波形的產(chǎn)生，進而控制加熱電阻以實現(xiàn)溫度控制。該設計利用Proteus仿真為基礎，再結合單片機最小系統(tǒng)調(diào)試驗證結果。系統(tǒng)的總體結構框架圖如圖1所示。

　本溫度閉環(huán)控制系統(tǒng)由溫度傳感器、控制器、PWM控制模塊、加熱電路、鍵盤和顯示模塊等部分組成。單片機選用宏晶科技推出的新一代高速、低功耗、超強抗干擾的單片機STC89C52RC[2]。溫度經(jīng)過DS18B20傳感器模塊傳給控制器，控制器根據(jù)檢測值與設定值的偏差，計算PID控制值，其結果通過PWM模塊控制加熱電路功率，實現(xiàn)對溫度的控制。系統(tǒng)硬件電路原理圖如圖2所示。

　LCD1602字符型LCD通常有14條引腳線或16條引腳線的LCD，多出來的兩條線是背光電源線。該模塊用D0~D7作為8 bit雙向數(shù)據(jù)線，4 bit數(shù)據(jù)分兩次傳送，可以節(jié)省CPU的I/O口資源[4]。
　VSS、VDD分別接地和5 V電源。VEE為液晶顯示器對比度調(diào)整端，接正電源時對比度最弱，接地電源時對比度最高。RS為寄存器選擇，高電平時選擇數(shù)據(jù)寄存器、低電平時選擇指令寄存器。R/W為讀寫信號線，高電平時進行讀操作，低電平時進行寫操作。E（或EN）端為使能（Enable）端，下降沿使能。DB0~DB7為雙向數(shù)據(jù)總線。
2 溫度控制系統(tǒng)軟件設計
　系統(tǒng)程序主要包括主程序、初始化子程序、PID計算子程序、溫度比較處理子程序、延時子程序、T0中斷服務子程序和DS18B20驅動程序等。主程序流程圖如圖6所示。

2.1 加熱功率PWM控制
　本設計采用的STC89C52單片機雖然不具有4路16位的可編程計數(shù)器陣列（SPA）或8位的可調(diào)制脈沖輸出（PWM）模塊，但在本設計中，利用軟件編程，通過PID控制，調(diào)整PWM占空比，通過P1.5口輸出PWM信號，去控制外圍加熱電路。PWM的輸出頻率決定于PCA定時器的時鐘源。PCA定時器的時鐘輸入源有4種可供選擇，分別是Fosc/12、Fosc/2、定時器0的溢出頻率以及P3.4/ECT的輸入頻率。由于PWM是8位的，因此PWM的輸出頻率＝PCA時鐘輸入頻率/256。本設計采用的是定時器0的溢出頻率作為PCA的時鐘輸入，這樣可以通過設置定時器0的計數(shù)值改變PWM的頻率。本設計先進行溫度比較，再采用定時器0中斷來實現(xiàn)PWM輸出，從而實現(xiàn)溫度的實時控制。
2.2 PID算法設計
　PID調(diào)節(jié)器是一種線性調(diào)節(jié)器，它將給定值R（t）與實際輸出值C（t）的偏差的比例（P）、積分（I）、微分（D）通過定值線性組合構成控制量，對控制對象進行控制。其模擬PID控制系統(tǒng)原理框圖如圖7所示。

void PIDInit（struct PID*pp）
{
……
{
unsigned int dError，Error；
Error=pp->SetPoint-NextPoint；//偏差
pp->SumError+=Error；//積分
dError=pp->LastError-pp->PrevError；//當前微分
pp->PrevError=pp->LastError；
pp->LastError=Error；
return（pp->Proportion*Error//比例
+pp->Integral*pp->SumError//積分項
+pp->Derivative*dError）；//微分項
}
3 實驗結果
　現(xiàn)利用Keil編輯程序結合Proteus所做的原理圖進行仿真處理，仿真結果可以達到設計要求。本設計制作了硬件設計實物，通過PID控制，當加熱電阻靠近溫度傳感器時，測量溫度明顯上升，并達到31℃（設置溫度）。此后加熱變緩，溫度維持在31℃，系統(tǒng)溫度誤差精度可達到±1℃之內(nèi)，并且用蜂鳴器發(fā)出鳴響。當加熱電阻離開溫度傳感器，測量溫度會降低，當實測溫度低于設置溫度，蜂鳴器不響。再次設置溫度，當加熱電阻再次靠近溫度傳感器時，測量溫度又明顯上升到設置溫度。
　為了更好地觀察實驗結果，證明仿真結果的可靠性，體現(xiàn)本設計對溫度控制的穩(wěn)定性和精確性，經(jīng)過多次設置不同的溫度，實驗記錄數(shù)據(jù)如表1所示。從記錄數(shù)據(jù)分析可知，本設計達到了預期的設計目標，控制溫度誤差范圍在±1℃之內(nèi)。

　本系統(tǒng)以單片機為控制核心，采用PID算法進行溫度閉環(huán)控制，具有控制精度高，能夠克服容量滯后的特點，特別適用于負荷變化大、容量滯后較大、控制品質(zhì)要求高的控制系統(tǒng)[6-7]。以DS18B20溫度傳感器設計的溫度閉環(huán)控制系統(tǒng)線路簡單、硬件少、成本低廉、軟件設計簡單，尤其是其具有完善的單總線通信協(xié)議，無需復雜的布線，只需3根連線就能很容易地組成多點測溫系統(tǒng)，因此在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和科學研究中有著廣闊的應用前景[8]。
參考文獻
[1] 胡壽松.自動控制原理[M].北京：科學出版社，2002.
[2] 馬淑華，王鳳文，張美金，等.單片機原理與接口技術[M]．北京：北京郵電大學出版社，2005.
[3] 黃建偉．基于DS18B20無線溫度測量系統(tǒng)[J].煤礦機械，2008，29（7）：118-119.
[4] 潘新民，王燕芳.微型計算機控制技術實用教程[M]．北京：電子工業(yè)出版社，2006.
[5] 譚浩強．C程序設計[M].北京：清華大學出版社，1991.
[6] 呂俊亞．一種基于單片機的溫度控制系統(tǒng)設計與實現(xiàn)[J].計算機仿真，2012，29（7）：230-233.
[7] 葉丹，齊國生，洪強寧，等.基于單片機的自適應溫度控制系統(tǒng)[J]．傳感器技術，2002，21（3）：27-30.
[8] 趙娜，趙剛，于珍珠，等.基于51單片機溫度測量系統(tǒng)[J]．微計算機信息，2007，（12）：146-148.