基于C8051F020的密閉環(huán)境溫度恒溫控制系統(tǒng)設計

摘要：給出了一種基于C8051F020單片機實現(xiàn)密閉環(huán)境溫度自動控制的系統(tǒng)方案。將半導體制冷模塊置于一個密閉環(huán)境，通過C8051F020單片機實現(xiàn)對半導體制冷片的制冷、制熱和不同功率運行的控制，采用獨立按鍵完成溫控數(shù)據(jù)的輸入，分別利用DS18B20采集密閉環(huán)境溫度和實際環(huán)境溫度，并通過TS1602 LCD完成基本的狀態(tài)數(shù)據(jù)和控制實時顯示；通過PID算法編程實現(xiàn)密閉環(huán)境溫度恒溫控制。實驗結(jié)果表明，在按鍵輸入設定溫度后，系統(tǒng)能夠成功實現(xiàn)密閉環(huán)境溫度的恒溫控制，溫度控制精度為±0．2℃。
關鍵詞：C8051F020單片機；恒溫控制；PID算法；密閉環(huán)境

0 引言
溫度控制廣泛應用于社會生活的各個領域，如家電、汽車、材料、電力電子等，近幾年，在控制方法上，基于PID的溫度控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡、遺傳算法有了快速的發(fā)展。本文介紹了一種基于C8051F020單片機的環(huán)境溫度自動控制設計，利用PID算法，結(jié)合溫度傳感器
DS18B20、半導體制冷系統(tǒng)、開關電源和繼電器控制電路實現(xiàn)密閉環(huán)境溫度的自動控制。密閉環(huán)境溫度自動控制系統(tǒng)符合現(xiàn)代電子產(chǎn)品自動化、智能化、模塊化、人性化的設計要求，人機界面友好，可移植性好。

1 整體方案設計
方案的主要任務是根據(jù)用戶要求，實現(xiàn)對密閉環(huán)境的恒溫控制。手動設定密閉環(huán)境控制溫度后，C8051F020單片機通過DS18B20測得密閉環(huán)境溫度(被控環(huán)境)和實際環(huán)境溫度，將設定溫度和密閉環(huán)境溫度的差值送入單片機，返回指令控制繼電器電路實現(xiàn)半導體制冷系統(tǒng)的加熱或者制冷。單片機輸出的PWM經(jīng)IR2110功率放大，控制開關管1RF3808通斷，并利用PID算法實時改變單片機的PWM占空比，達到控制開關電源輸出電壓的目的，從而改變半導體制冷系統(tǒng)工作時的功率。

2 硬件電路設計
2．1 硬件總體設計
整個系統(tǒng)主要由系統(tǒng)電源電路、鍵盤電路、溫度采集電路、LCD顯示器、繼電器控制電路、開關電源電路、LM2575降壓電路、半導體制冷電路和單片機控制電路組成。其中，鍵盤電路用來輸入控制信號；溫度采集電路用于實時監(jiān)測實際環(huán)境溫度和密閉環(huán)境溫度；LCD是用來顯示用戶設定狀態(tài)信息和溫度數(shù)據(jù)、電流、電壓值；開關電源電路用于提供半導體制冷系統(tǒng)的工作電壓和電流；LM2575降壓電路用于提供單片機電源；半導體制冷電路是控制環(huán)境溫度的關鍵。C8051F020單片機是整個控制系統(tǒng)的核心，將各部分連成整體，正常工作。系統(tǒng)總體電路設計框圖如圖1所示。

2．2 半導體制冷電路
半導體制冷電路由半導體制冷片、散熱風扇、導熱金屬片組成。半導體制冷片是根據(jù)珀爾帖效應制作的溫差電制冷片，改變供電電壓極性，就可以達到制冷或者加熱的目的，并且重量輕、體積小，具有相對較高的制冷量。
2．3 控制電路
MCU控制電路包括三個部分：獨立按鍵電路、溫度采集電路、繼電器控制電路和數(shù)據(jù)顯示部分。
控制信號輸入部分主要由獨立鍵盤完成。使用獨立鍵盤，結(jié)構(gòu)清晰，編程簡單。兩個獨立按鍵：P1＾0：設定溫度值加1；P1＾1：設定溫度值減1。繼電器控制電路主要由MCU I／O端口P3口控制2個繼電器完成，同時斷開繼電器實現(xiàn)制冷，同時吸合繼電器實現(xiàn)制熱。以C8051F020的端口P2口作為數(shù)據(jù)線，與LCD1602進行數(shù)據(jù)通信并完成狀態(tài)顯示。溫度采集電路采用DS18B20電路。Dallas公司的DS18B20 1-wire數(shù)字溫度傳感器使用一根信號線即可實現(xiàn)信號的雙向傳輸，接口簡單，便于擴展和維護。
2．4 開關電源電路
開關電源采用BUCK拓撲結(jié)構(gòu)，PWM(脈寬調(diào)制)控制方式。最大輸出電壓達到15．3 V，最大輸出電流達到2 A，輸出電壓的紋波小于5mV，整個開關電源效率為75％，滿足系統(tǒng)供電要求。由于測量電源電壓、電流時采用差分放大電路，PWM波的頻率在21 kHz左右，頻率較高，造成電壓數(shù)據(jù)采集后轉(zhuǎn)化的AD值與實際的測量值存在一定的偏差，通過程序?qū)崿F(xiàn)電壓補償。
2．5 LM2575降壓電路和單片機供電電路
MCU部分電路正常工作需要+5 V和+3．3 V電壓供電。將市電220 V／50 Hz通過開關電源部分電路，經(jīng)過橋堆整流和濾波產(chǎn)生直流電17 V，通過LM2575穩(wěn)壓芯片輸出穩(wěn)定+5 V給LCD1602顯示模塊和繼電器供電，C8051F020和DS18B20由+5 V經(jīng)過ASM1117-3．3 V供電。