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1設計原理
在溫度控制過程中，單一的定值開關控制方式會產生較大的溫度遲滯現象，對于加熱箱等干燥設備的干燥效果差、干燥品質低;但是在普通的干燥設備中，單純采用PID控制方式會使控制系統變得復雜，對于硬件的要求程度高，在持續高溫環境下精度也隨之降低，故障率高。為了解決這一問題，本文設計一種單片機溫度控制系統，該系統使用兩種功率大小不同的加熱方式。加熱元件使用紅外加熱管，功率大的加熱管起主要的加熱作用，正常工作時處于啟動狀態。功率較小的加熱管起輔助加熱作用，在測量溫度高于目標溫度時立即停止加熱，當溫度低于目標溫度時開啟加熱;但當溫度高于目標溫度上限一定值時，主加熱管也停止工作，同時引風機開啟，輔助降溫。對于一般的電加熱干燥設備而言，此方案能夠滿足實際生產的需要，并且溫度延遲效果低，節能效果顯著。
2系統硬件電路設計
2．1系統主結構設計
該溫度控制系統由主控制系統、溫度采集模塊、溫度顯示模塊、溫度動態控制系統、報警模塊和按鍵控制系統組成。
2．2單片機主控系統
作為溫度控制系統的核心部分，單片機承載著對溫度信息的處理、按鍵的掃描識別、溫度動態控制系統的協調、輸出顯示溫度和報警的任務。本文采用的AT89C52單片機是美國ATMEL公司生產的低電壓、高性能CMOS8位單片機。其內部有8k字節可重擦寫Flash閃存，成本低廉，兼容MCS－51系列的所有指令，程序語言豐富;與AT89C51相比，存儲空間更大，中斷源更多，方便后期其他模塊的添加;技術成熟，因此在自動控制等領域被廣泛采用。AT89C52單片機主控制系統與其他模塊連接原理圖如圖2所示。P1．0～P1．4口為鍵盤輸入端口，通過對應按鍵對目標溫度的上下限進行設定。數字溫度傳感器總線與單片機的P1．7口相接，經過單片機處理之后，測得的溫度輸出至P0口，通過LCD1602顯示出來。溫度動態控制信號通過單片機P2．4～P2．6口傳輸。加熱管和散熱風扇采用的是220V的交流電，溫度控制口接相應控制電路的繼電器，通過繼電器控制加熱、散熱部分的工作。
2．3溫度采集模塊
DS18B20是由美國DALLAS公司生產的數字溫度傳感器，它通過單總線協議依靠一個單線端口進行通訊。其僅占用一個單片機的I/O口，無需其他任何外部件，把環境溫度直接轉化成數字信號，以數字碼方式串行輸出，從而簡化了傳感器和微處理器之間的接口。該傳感器可以單個于單片機連接實現溫度采集功能，在需要采集多點溫度數據時，只需將多片DS18B20同時掛在一條總線上，由軟件對每個溫度傳感器的ROM編碼進行識別即可，具有成本低、結構簡單、供電方式多樣、方便擴展和可靠性高等優點。
2．4溫度動態控制系統
溫度動態控制系統主要由加熱管、引風機、繼電器等構成。單片機的P2．4口接主加熱管的控制繼電器，通過輸出高低電平來實現主加熱管的啟動和停止;單片機的P2．5口與控制調溫加熱管的繼電器相連;降溫風機控制繼電器控制端和高溫報警電路，與單片機的P2．6口相連。
3系統軟件設計
3．1主程序流程圖
系統開機啟動后，通過溫度控制按鍵設定干燥溫度范圍;由傳感器DS18B20采集實時溫度，通過控制系統的對比給出控制信號，同時定時對按鍵進行掃描，以隨時調整目標溫度范圍。
3．2溫度數據讀寫子程序設計
由于DS18B20單總線通訊方式的特殊性，傳感器讀寫溫度數據具有嚴格的時序要求。工作時序包括初始化、讀時序和寫時序。單片機的命令和溫度數據的傳輸都從執行單片機寫時序的指令時開始，對于單片機需要DS18B20送回數據，要在寫時序命令執行之后再啟動寫時序指令才能完成對數據的接收?？偩€通訊方式使得硬件電路的連接變得簡單，但也使得程序部分變得復雜。本文采用的是一個傳感器，因此在串口通訊時不需要識別傳感器的序列號，程序中寫入跳過讀ROM序列號步驟。
3．3按鍵掃描子程序
由于不同的加熱干燥對象對溫度的要求不同，加熱的溫度控制部分要能夠方便、快捷地設置溫度上、下限。在干燥物的不同階段，干燥的溫度有所不同，在干燥過程中溫度的范圍需要做出調整。這就要求溫度的上、下限設置在干燥的過程中也能夠執行。因此，單片機在執行溫度采集、顯示和控制的同時，也要時刻監視按鍵是否被按下，對溫度設定進行調整。針對這一問題，在程序中加入一個按鍵掃描子程序，定期執行按鍵的掃描功能，同時也要有中斷子程序保持設定完溫度之后單片機可以繼續剛才未完成的工作。因此，按鍵掃描程序設計的思路是:在開機啟動階段，通過按鍵對控制溫度范圍進行初設定;在工作過程中，單片機定期對按鍵進行掃描，判斷是否有按鍵被按下，如果有按鍵被按下，則加入一個外部中斷，單片機轉而執行干燥溫度范圍調整指令;待任務完成之后，繼續返回執行溫度控制命令。
4proteus仿真結果
溫度控制系統硬件電路設計部分在proteus軟件上完成，當C語言程序在keil軟件上編譯調試成功之后，導入單片機進行系統總調試。溫度采集模塊:DS18B20的溫度實時數據能夠有效地顯示出來;鍵盤控制模塊，相應按鍵按下之后，程序立即響應指定的動作指令;溫度控制模塊:采集的溫度低于設定低溫下限時加熱管工作，高于溫度上限時停止加熱并且風扇開啟降溫;報警模塊同樣工作正常。調試后的溫度顯示結果如圖4所示。LT、HT分別表示設定的溫度下限與上限，1602的第2行顯示實時溫度。
5結論
1)功率不同的加熱管承擔不同的功能，大功率紅外加熱管起主要加熱功能，小功率加熱管控溫，使得溫度滯后幅度變小，減少能源浪費，節電效果顯著。
2)本設計的溫度控制系統結構簡單、操作方便、成本低廉，可與現有的紅外干燥設備經過簡單的改裝之后配套使用，其有很好的應用前景。
作者：孫杰 張學軍 劉云 鄢金山 史曾錄 靳偉 李超新 劉立果 單位：新疆農業大學機械交通學院 新疆農業工程裝備創新設計實驗室重點實驗室 克拉瑪依五五機械制造有限責任公司
