实验用恒温箱控制系统设计及其模型建立

科技创新与应用

众创空间实验用恒温箱控制系统设计及其模型建立*杨

明，杨

华，王

洋

（成都理工大学工程技术学院，四川乐山614000）

摘要：文章介绍了基于STC15F2K60S2单片机的恒温箱控制系统设计及其模型建立。由温度传感器DS18B20采集温度信号，传

送给单片机对信号进行处理，把数据传送给LCD1602显示，采用PWM方式的PID控制算法，调节风扇转速来散热从而达到恒温的目的。实物恒温箱模型主要用于本院学生实验教学。

关键词：恒温箱；温度传感器；PID；PWM中图分类号院TP273

文献标志码院A

文章编号院2095-2945渊2019冤34-0037-03

crocomputertoprocessthesignal.ThedataistransmittedtoLCD1602fordisplay.PIDcontrolalgorithminPWMmodeisadoptedtoadjustthefanspeedtodissipateheatsoastoachievethepurposeofconstanttemperature.Theconstanttemperatureboxmodelis

usedintheexperimentalteachingofthestudentsinourcollege.

Keywords:constanttemperaturebox;temperaturesensor;PID;PWM

trolleranditsmodelestablishment.TemperaturesignaliscollectedbytemperaturesensorDS18B20andtransmittedtosinglechipmi鄄

Abstract:ThispaperintroducesthedesignoftheconstanttemperatureboxcontrolsystembasedonSTC15F2K60S2microcon鄄

1概述

计算机控制技术是我院自动化专业和测控技术与仪

与器专业的一门专业核心课程，课程的特点是实践性强、网络与通信技术、检测与包括自动控制技术、计算机技术、传感器技术、显示技术、电子技术等[1-3]，故该课程的学习难度较大。为了提高教学质量，使学生更好的掌握计算机控制系统的硬件和软件的基础知识及其应用技术，进行教学

5]

改革，提出了项目式教学方法[4，。故设计此恒温箱控制系统，并以此为例，将其分解进行模块化授课，并建立其数学模型，以此为基础来验证学生自己编写的控制算法。

2恒温箱控制系统硬件设计

专业基础课密切相关，涉及的基础理论和知识面比较广，新型的FLASH单片机，与传统的8051系列单片机兼容，

在片内资源、操作性能和运行速度上做了很大的改进，同时还具有集成度高，系统结构简单，体积小，可靠性高，处理能力强，速度快，具有超低功耗等特点[6]。温度采集采用的是数字温度传感器DS18B20，采用单总线协议，即与单

片机接口仅需占用一个I/O端口，其内部集成A/D转换器，无需任何外接元件，可直接将温度转化成串行数字信号供处理器处理，达到温度采集的目的[7-9]。按键电路采用4个按键，用来设置被控温度给定值和PID参数。显示电

STC15F2K60S2单片机，是一种增强型的8051单片机，是

核心器件主控制器采用的是中国深圳宏晶

2.1主控电路设计

设定温度以恒温箱控制系统硬件主要由控制器、温度检测电路、路采用液晶显示屏LCD1602，显示当前温度、

按键电路、显示电路、声光报警电路和加散热模块等组成，及PID参数和恒温箱开机运行时间等。恒温箱控制系统的其系统框图如图1所示。

主控电路如图2所示。

温度传感器LCD显示加热装置由4个白炽灯组成，分成2组分别控制通断，来实现对恒温箱的恒定加热。散热装置由4个风扇组成，分别装在恒温箱的4个箱壁上，通过PWM（脉宽调制）技术来调节风扇转速，达到恒温的目的。IR2104是

一种高性能的半桥驱动芯片，该芯片

2.2风扇电机驱动电路设计

单片机驱动电路散热装置按键声光报警图1系统框图

*基金项目院成都理工大学工程技术学院教改项目渊编号院2018-JYJG-0228冤

（1979-）作者简介：杨明，男，硕士，讲师，研究方向：自动化教学及智能控制技术研究。内部是采用被动式泵荷升压原理，其内部自带死区时间设置[10]。在电路的应用过程中，利用单片机输出PWM

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众创空间TechnologyInnovationandApplication

VCCC50.1µFVCC10KΩ×4科技创新与应用

2019年34期 K1K2K3K4GNDVCCDS18B20R104.7KGNDR131.3KRDWRALE123456710111213141516LCD1602所示。

MOS轮流导通。其风扇电机驱动电路设计如图3

3恒温箱控制系统软件设计

PWM信号翻转时，芯片输出电平发生翻转，上下

信号，用于控制上下MOS管的导通与截止，当

C133pFC233pFVCCC322µFK5LED1LED2LED3BUZZERPWM1PWM2Y111.0592MP0.0/AD0P0.0/AD1P0.0/AD2P0.0/AD3P0.0/AD4P0.0/AD5P0.0/AD6P0.0/AD7P1.0/ADC0P1.1/ADC1P1.2/ADC2P2.7P2.6P2.5P2.4P2.3P2.2P2.1P2.0恒温箱温度计算机控制系统在完成硬件设计之后，以此为基础开始软件设计，软件设计将主要是对各个模块进行全面的使用与合理的配置，进而保证系统的实效性。系统主程序流程图如图4所示。系统上电后处于待机状态，按开机键后首先进行系统初始化，其包括设置RTC实时时钟、LCD1602显示初始化、按键初始化、PID此后进行按键参数初始化、PWM参数初始化等。扫描和液晶屏显示，采用中断方式来实现每隔1秒对温度的实时采集、偏差计算、PID控制算法计算、PWM输出控制电风扇转速。

4实物实现

VCCC4 0.1µFGNDVCCGNDP1.6/XTAL2P4.2/RDP1.7/XTAL1P5.4/RSTP4.2/WRVCCP4.1/MISO_3GNDSTC15F2K60S2RDWRALER11200ΩR121K图2系统电路图

根据设计思想，制作出实物，恒温箱主体及主控制器如图5所示。

使用时当接通电源，显示屏就会显示出设定下温度和当前箱内的温度，通过功能键和上升、降两个按键，可以来设置给定温度和PID控制参通过PWM调制、PID控制算法、控制电风扇的转速，从而达到恒温的目的。表1列出了恒温箱在工作了15分钟后恒温箱在3分钟内的温度波动情况，10秒钟测量一个数据。可见这3分钟内其

图3风扇电机驱动电路

温度波动极值为0.3益，此恒温箱控制系统控制精度可达依0.2益。

5数学模型的建立

数。根据设定温度与当前温度的偏差大小，采用

开始建立数学模型的方法有解析法和实验辨识

系统初始化Get_motor清零法两种。采用解析法建模的首要条件是对被控对象的特性和机理有较深入的理解，能准确地加以数学描述，对于机理复杂，难以完全了解内部变故化情况的被控对象的数学模型建立存在困难。本文采用实验辨识法，先给被控对象施加一个输入信号，然后记录输出的变化量，得到一系列实

偏差计算参数显示PID控制算法N温度采集键盘扫描验数据或响应曲线，最后再根据输入-输出试验

（包括模型形式、阶次与数据确定其模型的结构

纯滞后时间等）与模型的参数[11]。对于本恒温箱控制系统加热源采用4个白炽灯加热，可以认为是恒定不变的，先恒定控制器输出值使系统达到稳定，然后改变控制器的输出值并恒定不变，便

Get_motor是否等于1YPWM输出在实验过程可得到恒温箱控制系统的阶跃响应。

中，专门编写一段程序完成阶跃响应的采样记录和数据传送，便可得到阶跃响应的数据并通过通

图4主程序流程图信接口送给PC计算机，把各采样点的时间值和

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2019年34期TechnologyInnovationandApplication

科技创新与应用

众创空间本文详细地阐述了恒温箱控制系统的硬件组成和软件设计，恒温箱

温度检测控制系统主要由主控制器、声光报警电路、显示电路、按键电路、电路及加热散热等模块组成，软件编程采用C语言，并做出了设计的实物，经实验测试此系统控制精度达到依0.2益。采用实验辨识法建立其数

学模型，并以此模型为基础，验证学

图5恒温箱主体及主控制器表1恒温箱控制系统温度波动数据表

时间（s） 温度（℃） 时间（s） 温度（℃） 时间（s） 温度（℃） 15.00 15.10 15.20 15.30 15.40 15.50 16.00 27.0 27.0 27.1 27.1 27.1 27.2 27.1 16.10 16.20 16.30 16.40 16.50 17.00 17.10 27.0 27.0 27.0 26.9 27.0 27.0 27.0 17.20 17.30 17.40 17.50 18.00 18.10 18.20 27.0 27.1 27.1 27.1 27.0 27.0 27.1 参考文献院

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图6阶跃响应

“tdata”“Tdata”幅度值分别以数组名为和输入到MATLAB工作空间[12]，即可得到恒温箱控制系统的阶跃响应曲线如

图6所示。

根据阶跃曲线响应法确定增益K、时间常数T和纯滞后时间子便可得到恒温箱控制系统的传递函数模型为：

-4sG（S）=1.1e

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6结束语

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