基于单片机的恒温控制器的设计和实现1

第l8卷第l2期

2008年l2月

计算机技术与发展Vo1

．18N。．12

COMPUTERTECHNOLOGYANDDEVELOPMENTDec．2008

基于单片机的恒温控制器的设计和实现

李善寿一，方潜生一，肖本贤2，汪小龙，

(1．安徽建~x-,_tk学院电子与信．gcr_~g学院，安徽合肥230022；

2．合肥工业大学电气与自动4~_r-程学院，安徽合肥230009；

3．安徽省智能建筑重点实验室，安徽合肥230022)

摘要：为了实现微生物分析仪中的恒温控制，从而实现检测样品在恒温环境内的检测，介绍了基于PID算法和PWM(脉

冲宽度调制)技术的嵌入式恒温控制器的设计和实现方法。该系统采用新型单片机P89V51RD2作为系统控制器，采用基

于单总线协议的DSI8B20温度传感器作为检测元件，简化了系统的接口电路。该系统在微生物分析仪中的应用结果证明

了系统设计方法的有效性。

关键词：恒温控制；PID算法；PWM；单总线协议

中图分类号：T302．1文献标识码：A文章编号：1673—629x(2008)12—0197—03

DesignandImplementationofConstantTemperature

ControllerBasedonSinglechip

LIShan-shou，一，FANGQian—shenga一，XIAOBen-xianz，WANGXiao-long，。

(1．Coil．ofElectronics&InformationEng．，AnhuiInstituteofArchitecture&Industry，Hefei230022，China；

2．Sch．ofElectricEng．andAutomation，HefeiUniversityofTechnology，Hefei230009，China；

3．KeyLaboratoryofIntelligentBuildinginAnhuiProvince，Hefei230022，CNna)

Abstract：InordertoimplementthecontrolofconstanttemperatureininstrurnentofMicmbe，andtheexaminationofthesampleCanbe

pedo~init．thedesignandimplementationofembeddedcontrollerwhichbasedonthealgorithmofPmandthetechnologyofPWM

WaSintroduced．Inthesystem，themicro—controllerofP89V51RD2WaSused，andthetemperaturesensorofDS18B20whichisbased

onthesingle—busprotocolWaSusedaSthesensingpart．whichsimplifiedtheinterfacecircuitinthesystem．Theresultoftheapplication

ininstrumentofMicrobeindieatedthevalidityofthedesignandimplementationofembeddedconstanttemperaturecontroller．

Keywords：constanttemperaturecontrol；al~fithmofPID；pulse——widthmodulation；single——busprotocol

0引言

众多医疗仪器在检测过程中，常要求在恒温状态

下工作，因此需要进行精密的温度控制。为实现仪器

的智能化，～般在医疗仪器都嵌有微处理器。在温度

控制过程中，一般采用温度传感器作为检测元件，然后

经过A／D转换实现温度的数字检测和控制。采用一

个适当的温度传感器作为检测元件，可以简化系统的

软硬件设计，美国DALLAS公司生产的数字式温度传

感器DS18B20作为检测元件，可以直接将温度值转换

成数字量，不需要外加A／D转换电路，与微控制器的

收稿日期：2008—03—17

基金项目：建设部重点计划项目(06一K9—61)

作者简介：李善寿(1979一)，男，安徽金寨人，讲师，研究方向为嵌入

式系统；方潜生，教授，研究方向为智能建筑、计算机应用技术；肖本

贤，教授，研究方向为运动控制技术、嵌入式系统。

接口电路比较简单，在温度检测方面有着广泛的应

用[1，2l。

在本课题研究的微生物分析仪中，要求试样的温

度恒定保持在35～50℃之间，且精度要达到±0．5℃，

因此这里只需考虑加热控制而不考虑其制冷。在恒温

控制方面运用基于单总线多点循环技术进行温度采

样，并设计了软件实现的PID控制器，最终采用脉冲

宽度调制(PWM)技术控制加热器实现加热控制。另

外也可通过仪器控制面板实现温度的设定与显示。

1系统硬件设计

1．1系统工作原理

系统启动之后，根据预定的温度值，单片机首先控

制加热器以最大功率工作，以最短时间升至预定温度，

从而保证系统的动态性能。温度测量电路将采集到的

·l98·计算机技术与发展第l8卷

信号送入单片机，单片机通过串口再将温度值传到上

位机实时显示，并与所设置的温度期望值比较后产生

偏差信号，进而通过PID控制算法由偏差信号计算出

相应的PWM控制量，再由控制电路输出给执行元件，

控制温度的变化(见图1)。

P8gV51

图1系统结构图

1．2DS18B20简介

DS18B20[3J将传感器和数字转换电路都集成在一

起，利用在板专利技术来测量温度。测温范围：一55～

+125℃，在一10--+85℃时精度为±0．5℃，在转换结

果为12位(缺省值)时最大转换时间为750ms，可编程

的分辨率为9～12位，最小可分辨温度0．0625℃。每

个DS18B20都具有唯一的64位序列(ROM)号，采用

Dallas独有的单总线协议，CPU只需一根端口线就能

与诸多DS18B20进行通信，且只需简单的通信协议就

能加以识别，这样就节省了大量的引线和逻辑电路。

同时DS18B20具有多种封装形式，可以在多种环境下

应用。

本系统中，考虑到DS18B20本身的温度转换误

差，为保证温度控制效果，采用了单总线多点循环技术

对多个温度传感器进行温度的采集，然后进行平均以

将温度采集的误差降低到最小。

1．3单片机P89V51及PVVM实现

P89V51RD2_4J是一款80C51微控制器，包含64kB

Flash和1024字节的数据RAM，具有ISP(在系统编

程)和IAP(在应用中编程)功能，还具有3个16位定

时器斛数器，PWM和捕获／I：L较功能的PCA(可编程

计数器阵列)，SPI(串行外围接口)和UART等功能。

P89、1RD2中PWM实现的主要功能模块有：

(1)(P～PCA模块比较脯获寄存器

(CCAPM0～CCAPM4，其地址为：0xDAH～0xDEH)，

PCA的每个模块都对应一个特殊功能寄存器。它们

分别是：模块0对应CCAPM0，模块1对应CCAPM1，

依此类推。特殊功能寄存器包含了相应模块的工作模

式控制位，如表1所示(不可位寻址，复位值：0x00H)。

表1CCAPMn—PCA模块比较／捕获寄存器位分配表

位76543l210

符号D0MnC)P13CAPN13MATnl"[''OGrtPV，MnEC=cFn

当ECOMn=1时，使能比较器功能；当PWMn：1

时，使能CEXn脚(P1．3～P1．7)用作脉宽调节输出。

(2)每个PCA模块还对应另外两个寄存器，

CCAPnH(CCAPOH～CCAP4H，其地址为：0xFAH～

0xFEH)和CCAPnL(CCAI~L～CCAP4L，其地址为：

0xEAH～0xFEH)。当出现捕获或比较时，它们用来保

存16位的计数值。当PCA模块用在PWM模式中时，

它们用来控制输出的占空比。

(3)所有PCA模块都可用作PWM输出。输出频

率取决于PCA计数器的时钟源。由于所有模块共用

仅有的PCA定时器，所有它们的输出频率相同。

各个模块的输出占空比是独立变化的，与使用的

捕获寄存器CCAPnL有关。当PCA计数器低字节CL

(地址为0xE9H)的值小于CCAPnL时，输出为低，当

CL的值等于或大于CCAPnL时，输出为高。当CL的

值由FF变为o0溢出时，CCAPnH的内容装载到

CCAPnI中。这样就可实现无干扰地更新PWM。要

使能PWM模式，模块CCAPMn寄存器的PWM和E

COM位必须置位。

2系统软件设计

2．1系统主程序流程

本系统是新型微生物分析仪的一部分，为了和其

他部分融合实现恒温培养、细菌检测一体化，其实时温

度显示、温度控制的设定以及控制指令的发送都在上

位机软件中实现。考虑到温度对象的时滞以及

DS18B20的转换时间，上位机中温度采样周期取1s，

其流程图如图2、图3所示。

图2主程序流程图3温控子程序

2．2数据采集

2．2．1DS18]320与单片机之间的通讯

每一次访问DS18B20时必须遵循如下的顺序：第

第12期李善寿等：基于单片机的恒温控制器的设计和实现·l99·

一步：初始化；第二步：发送ROM命令；第三步：发送

功能命令。

初始化包括主机发出复位脉冲(通过将总线拉低

至少480来实现)，随即主机等待DS18B20发回的存

在脉冲，DS18B20则从检测到复位脉冲的上升沿开始

等待1660Vs后，通过将单总线拉低60～24O实现

存在脉冲的发送。初始化完成后即可发送ROM命

令，包括搜索ROM命令(FDH)，读ROM命令(33H)，

匹配ROM命令(55H)等共5条指令，随后发送功能命

令，包括温度变换命令(44H)，写暂存器命令(BEH)等

共6条指令，命令的传送是通过写时序实现，它们有严

格的时隙概念E1-3]。

2．2．2多个DS18B20的处理

对单总线中多个DS18B20的识别是通过其唯一

ROM号来匹配。但其内部通过二叉树的搜索算法来

获得单总线上各个DS18B20的ROM号，如果每次匹

配器件前都进行这样的搜索，不仅占用CPU处理时

间，而且没有必要。本系统中，先通过搜索算法获得各

个DS18B20的ROM号，以全局静态数组的形式存储

在ROM中，这样对某个DS18B20操作，只需发送该

DS18B20的ROM号进行匹配即可。

2．2．3温度采集

温度采集的子程序流程如图4所示。

开始

工

初始化

发SKIPR0M命令

发温度转换命令

发读温度命令

发匹配R0M命令

读取器件i的温度

值保存到内存

读完所有器件?

＼／

是J

．．．．．．．．．．．．．．．．．l：．．．．．．．一

将所得温度值作

平均得当前温度

否

图4温度采集子程序

2．3PID算法与PWM控制

2．3．1PID算法与PWM控制的原理

本系统设计了一套完全由软件实现的PID算

法_5l6J。PID调节的控制过程：单片机读出数字形式的

实际温度L，然后和设定温度相比较，得出差值

=—

，，调用PID公式(1)，计算得到输出的占空

比，根据该值改变PCA计数器的基数CCAPOL的值(本

系统选P1．3／CEXO脚，作PWM的输出)来更新PWM

脉宽E7,8]，低电平关断加热器，高电平导通加热器，调

节温度的升降。

u，：K[(e一P一1)+(T／)e，，+(／T)(e

一2P，r1+en_2)j(1)

其中ee一l，e一2分别为第，z次、一1次和”一2次

的偏差值，K，t，分别为比例系数、积分系数、微

分系数，了、为采样周期。

2．3．2PID参数的调整

先对加热器的模型进行辨识，设控制度为1．05，

通过扩充响应曲线法确定数字PID的参数[，。因为加

热器的功率是有限的，而且温度对象具有时滞的特点。

为能达到快速恒温，且恒温波动小的控制效果，可以设

定一个误差值etmx，当误差大于e一时，一直加热，即

使CCAPOL=255，PWM输出恒为高电平；当误差小于

一时，才采用数字PID控制。

3结束语

文中就恒温控制在医疗器械中应用展开研究，并

在合肥恒星科技开发有限公司生产的"I-IX一21A细菌

分析仪”第二代改进产品中加以应用，可使该系统在恒

温控制方面能够相对同类产品较快地达到恒温态。在

25℃的环境下，从开机到系统默认恒温指标的35℃，

仅需两分钟左右，且恒温段温度波动在±0．5℃的范围

内，控制效果良好。

参考文献：

[1]农静，郑宗亚，刘志杰．单总线数字温度传感器DS18B20

原理及应甩[J]．贵州师范大学学报：自然科学版，2007，25

(3)：119—122．

[2]刘俊伏，宗云．DS18B20与单片机的接口及编程技术

[J]．河北工业科技，2007，24(4)：227—229．

[3]DallasSczniconductor．DS18t320ProgrammableResolution

[M]．[s．1．]：[s．13．．]，2001．

[4]PhilipsSemiconductor．P89V51RD2Productdata[M]．[s．

1．]：[s．n．]，2004．

[5]ZieglerJG，NicholsNB．Opt~numsettingsforautomatic

controller[J]．Tram．SME，1942，65：433—444．

[6]何克忠，李伟．计算机控制系统[M]．北京：清华大学出

版社，1998．

[7]高春甫，艾学忠．微机测控技术[M]．北京：科学出版社，

2005．

[8]米根锁．在8031单片机应用系统中实现PWM的方法

[J]．电气传动自动化，2006，28(5)：52—53．

[9]罗冰洋．PID控制器参数自整定方法比较[J]．微机发展

(现名：计算机技术与发展)，2005，15(9)：99—101．

否一一