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基于XS128的温度控制系统

摘要：本设计是由飞思卡尔单片机MC9S12XS128和DS18B20温度传感器组成的温度控制系统。本系统以MC9S12XS128为控制核心，以DS18B20为温度传感器对水温进行实时采样，将温度值传给单片机处理，采用PID算法进行调整，由单片机控制继电器的通断，来控制220V市电对保温杯的加热，从而达到设定温度。系统利用PID算法实现了快速而精确的控制，达到了1℃的控制精度和稳定响应。

关键词：MC9S12XS128，温度传感器DS18B20，PID，继电器

一、系统方案

1方案论证与比较

（1）温度传感器的选择

方案一：采用热敏电阻，可满足35℃--95℃的测量范围，但热敏电阻精度、重复性和可靠性都比较差，对于检测精度小于1℃的温度信号是不适用的。

方案二：采用AD590作为传感器，AD590产生的电流与绝对温度成正比，它可接收的工作电压为4V－30V，检测的温度范围为－55℃－＋150℃，它有非常好的线性输出性能，温度每增加1℃，其电流增加1uA。

方案三：采用DS18B20测量温度，测量温度范围为 -55°C~+125°C，在-10~+85°C范围内,精度为±0.5°C。现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性，无需其他外加电路，直接输出数字量。

方案比较：虽然AD590温度传感器有非常好的线性输出性能，但相对来DS18B20更便宜，更方便，适合于恶劣环境的现场温度测量。 （2）加热设备的选择

方案一：采用继电器控制。使用继电器可以通过较高的电压和电流，在正常条件下，工作十分可靠。

方案二：采用双向可控硅控制，由单片机控制着过零触发的双向可控硅的导通和关闭，从而控制加热装置。

方案三：采用由光电耦合器TIL1117和继电器组成，由晶体管8050做开关进行控制。

方案比较：我们采用方案三，其效果比单用继电器要好，便于控制；又省去了用双向可控硅而要采用的保护电路，方便、简单。 2．控制理论与方案

该系统是典型的增量控制负反馈系统，因此必须引入信号的负反馈，以实现温度的精确控制。另一方面，系统要求在精确控制的前提下提高响应速度，所以，还需引入温度的负反馈。因此，该系统利用PID算法实现了快速而精确的控制。系统结构框图如图2所示。

图1 PID算法框图

为了精确控制，需采用比例积分微分调节方法（PID调节），为了减小累积误差，采用增量式PID调节，其数学表达式为：

TP(k)KP{E(k)TIE(j)TDj0kE(k)E(k1)} (7)

TPKKP[E(k)E(k1)]KIE(k)KD[E(k)2E(k1)E(k2)] (8)

其中，T为采样周期，E(k)为第k次采样时的偏差值，P(k)为第k次采样时调节器输出，KP为比例系数，KI为积分系数，KD为微分系数。在采样周期一定的情况下，调节比例系数，积分系数和微分系数即可获得较高控制精度。

二、硬件电路结构及分析

1.硬件分析及框架：

水温控制系统由DS18S20 采集温度值并把实时数据传给主控制器MC9S12XS128 ，XS128把温度送LCD显示器显示。同时xs128不停地监控按键控制电路的发生信号。将按键设定值送LCD显示器显示，最终xs128把设置温度和当前温度做PID计算后做出温度控制，并将加热信号送给继电器控制加热。系统电路结构图如图2：

DS18B20 温度传感器 按键设定

图2系统结构框图 开关控制 MC9S12XS128 1602 液晶显示 2.硬件电路图

系统由单片机模块、温度传感器模块、继电器控制模块、按键模块及液晶显示模块五大模块组成。

（1）单片机模块：

本电路以XS128单片机为基础核心，最小系统结构如图3：

图3单片机最小系统

（2）温度传感器模块：

电路如图4:

DS18B20 的特性如下：

DS18B20 是一种数字式的温度传感器, 在其内部使用了在板专利技术。使其具有以下特性:

·单线接口, 只需一根口线与CPU 连接; ·不需要外部元件, 不需要备份电源, 可用数据线供电;

·支持多点组网功能, 多个DS18B20 可 以并联在唯一的三线上;

·温度测量范围从- 50℃～ 125℃;

·通过编程可实现1ö 2～ 1ö16 的四级精度转换; 图4 DS18B20接线图 ·在93. 75m s 和750m s 内将温度值转化9 位和12 位的数字量; ·用户可自设定非易失性的报警上下限值;

·报警搜索命令可以识别哪片DS18B20 温度超限; ·芯片本身带有命令集和存储器。 （3）开关控制模块：

此部分电路主要由光电耦合器TIL1117和继电器组成，由晶体管8050做开关进行控制。单片机对反馈回的温度进行处理后，通过控制继电器的通断，从而控制温度的升降，当温度设定值大于当前值时，继电器导通，给水加热；否则，关断。电路如图5。

图5 继电器模块电路

（4）按键模块：

由于单片机IO口资源相对丰富，我们采用直 接连接三个按键来设定想要控制的温度，从而实 现温度的可控可调性。 各个按键的功能为： S1 十位加一 S2 个位加一 S3 确认并保存 电路如图6。 图6按键模块电路 （5）液晶显示模块：

单片机把实时采样的温度值以及通过三个按键设定的温度值通过LCD1602实时的显示出来，以便于在进行PID调程序时便于控制。 电路如图7 ：

图7液晶显示电路

三、系统软件设计

此系统包括主控制程序， PID算法程序，LCD显示及按键处理程序。

系统初始化 键盘设定目标值 采样现在温度，与目标值比较 PID计算 Y 是否到达设定值 继电器控制 N

图8主程序流程路

四、测试数据与结果分析

1．测试数据：

表一 测试数据 目标温度（℃） 现在温度（℃） 超调量（℃） 30 24.2 1.4 36 31 0.6 42 36.6 0.6 50 42 1.5 52 46 -0.2 2．测试结果分析

综上测试数据可知，温度控制精度和响应速度达到全部基础要求和部分发挥要求。但是由于温度控制电路的特性以及水温度变化和检测的迟滞性，影响系统的控制精度和响应速度。

参考文献

[1] 邵贝贝，.HCS12单片机原理与应用，北京航空航天大学出版社，2008.4. [2] 康华光，陈大钦.电子技术基础模拟部分（第4版），高等教育出版社，2003.4 [3] 谢自美，电子线路设计实验测试（第2版），华中科技大学出版社，2001.9.

[4] 黄智伟，全国大学生电子设计竞赛系统设计，北京航空航天大学出版社，2006.12. [5] 邵贝贝，学做智能车------挑战飞思卡尔杯，北京航空航天大学出版社，2006.12.