一種應(yīng)用于足浴器的溫控器的研制

摘要 介紹了一種基于單片機(jī)應(yīng)用于足浴器的自動控溫系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)原理及方法。該控溫系統(tǒng)利用51系列單片機(jī)，由開關(guān)電源高效穩(wěn)定供電，通過外圍引腳中斷、定時器、PID算法、DS18B20溫度傳感器，實(shí)現(xiàn)了溫度實(shí)時顯示，按鍵調(diào)節(jié)設(shè)定溫度功能，解決了加熱及冷卻過程中熱過沖與過冷問題。其成本低、控溫精度高、溫度可調(diào)、運(yùn)行穩(wěn)定可靠。
關(guān)鍵詞 單片機(jī)；PID；開關(guān)電源

足浴器的設(shè)計(jì)難點(diǎn)在于成本控制和溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。近年來，開關(guān)電源技術(shù)的逐漸成熟，為小功率電源供電提供了一個高效率且低成本的方案，摒棄了傳統(tǒng)的變壓器降壓、整流、三端穩(wěn)壓的低效率供電方式。而通過軟件算法完善，例如PID算法的運(yùn)用，可減少部分硬件開銷，降低成本及系統(tǒng)復(fù)雜度，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。設(shè)計(jì)結(jié)合以上技術(shù)，著眼于成本最小化，性能最大化，實(shí)現(xiàn)了LED溫度顯示，雙按鍵目標(biāo)溫度調(diào)節(jié)，高精度溫控功能。由于主控芯片AT89C2051只有兩組共16個IO引腳，2 kB的內(nèi)存，因此需合理運(yùn)用IO資源，程序設(shè)計(jì)簡潔，合理分配內(nèi)存空間。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
系統(tǒng)由供電、采樣、按鍵、顯示及單片機(jī)部分組成。

傳感器負(fù)責(zé)采集溫度值，傳遞給MCU，目標(biāo)值由按鍵設(shè)定，MCU將采樣值與目標(biāo)值進(jìn)行比較，經(jīng)過時間PID算法處理，根據(jù)每段時間不同的溫差值，計(jì)算出需要加熱的時間，接著通過IO口控制繼電器閉合與斷開，使加熱板工作，同時LED顯示實(shí)時溫度。

2 子模塊的設(shè)計(jì)
(1)供電模塊。供電部分采用開關(guān)電源技術(shù)，采用開關(guān)電源可以解決傳統(tǒng)變壓器所帶來的問題，整個設(shè)計(jì)可變得簡潔；供電效率高，且穩(wěn)定；并可減少系統(tǒng)結(jié)構(gòu)體積。由于傳統(tǒng)的基極驅(qū)動方式會將普通NPN型開關(guān)晶體管的安全工作電壓限定在BVceo，而采用射極驅(qū)動的方式，可將安全工作電壓從Vceo擴(kuò)大到Vcbo，由于BVcbo>BVceo，即可改善NPN型晶體管的安全工作范圍，對市電為220 V的電網(wǎng)電壓可用普通的NPN型功率開關(guān)管。該電路接通交流220 V經(jīng)整流橋后，形成直流電壓，R2為啟動電阻，開關(guān)管用NPN管，輸出電流及輸出電壓信號通過光隔U3反饋至射極驅(qū)動芯片U2，U2根據(jù)信號調(diào)節(jié)控制開關(guān)管的占空比，使得輸出保持穩(wěn)定。

(2)采樣模塊。采樣部分采用DS18B20，其為美國Dallas生產(chǎn)的一線可編程數(shù)字溫度傳感器。它不同于傳統(tǒng)的模擬溫度傳感器，其可產(chǎn)生對應(yīng)溫度的數(shù)字信號，與主控芯片只需單線通信，使得系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單可靠。由于通信線為雙向輸入輸出的OC門，因此需外加一個上拉電阻到VCC。DS18B20與MCU通信的時序要求嚴(yán)格，所以在采樣過程中有必要關(guān)閉MCU的中斷功能，防止外部干擾導(dǎo)致采集到錯誤數(shù)據(jù)。
(3)控制模塊?？刂撇糠帜贤瑧B(tài)繼電器(SSR)實(shí)現(xiàn)弱信號對強(qiáng)電的控制。由于固態(tài)繼電器內(nèi)部光耦合器的應(yīng)用，使其控制信號所需的功率較低，且所需工作電壓與TTL，CMOS等常用電平標(biāo)準(zhǔn)兼容，可實(shí)現(xiàn)直接連接。SSR工作時無機(jī)械動作，其具備了傳統(tǒng)的“線圈-簧片觸點(diǎn)式”繼電器(MER)所沒有的優(yōu)點(diǎn)，即工作可靠性高，壽命長，此外，SSR還具有可承受比額定電流高約10倍的浪涌電壓的特點(diǎn)?？紤]到51系列單片機(jī)IO口驅(qū)動能力較弱，在原理圖設(shè)計(jì)上需要外加PNP開關(guān)管，如圖3所示。

(4)算法模塊。熱電阻絲具有過沖過冷現(xiàn)象，采用軟件的PID算法可以彌補(bǔ)硬件部分的不足。PID算法是一種比例、積分、微分并聯(lián)應(yīng)用廣泛的一種模糊控制算法。PID算法的數(shù)學(xué)模型可用下式表示

其中，Kp為比例系數(shù)；Ti為積分系數(shù)；Td為微分系數(shù)；e(t)為采樣值與目標(biāo)值的偏差。比例部分由式Kp*e(t)表示。若Kp越大，則過渡過程越快，也易產(chǎn)生振蕩。因此Kp選擇恰當(dāng)，才能起到快速過渡且又穩(wěn)定的效果。積分部分為。從表達(dá)式可知，只要存在偏差，則積分部分的控制作用就會不斷增加，只有在偏差部分e(t)=0時，積分表達(dá)式才會為一個常數(shù)。其中積分時間Ti對積分控制的影響較大。Ti越大時，積分效果越弱，消除偏差需要的時間也越長。Ti越小，則積分效果較強(qiáng)，消除偏差需要時間也越短，但是容易在消除過程中產(chǎn)生振蕩。
微分部分表達(dá)式為
微分部分的作用為抑制偏差變化。Td越大，則抑制能力較強(qiáng)；Td越小，則抑制能力較弱。顯然微分部分對系統(tǒng)的穩(wěn)定性有較大的作用。