吉林大學(xué)物理學(xué)院 趙瑞雪

太陽能電池組件層壓機(jī)溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

吉林大學(xué)物理學(xué)院 趙瑞雪

層壓溫度是層壓機(jī)重要的被控參數(shù)之一，環(huán)境溫度變化和電網(wǎng)電壓波動(dòng)都會(huì)影響控制溫度，常規(guī)PID控制難以達(dá)到較高的控制精度。本文采用模糊增量式PID控制算法，利用AT89S52單片機(jī)的最小系統(tǒng)進(jìn)行溫度實(shí)時(shí)采集與控制能夠達(dá)到溫度控制精度需求。溫度信號(hào)由0.75級(jí)K型熱電偶采集，控制信號(hào)經(jīng)繼電器實(shí)現(xiàn)對(duì)層壓機(jī)水溫的控制。

AT89S52單片機(jī)；模糊PID；溫度控制

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

圖2 驅(qū)動(dòng)控制電路

圖3 模糊PID控制器原理圖

我國(guó)是目前世界上最大的太陽能熱水器生產(chǎn)和銷售國(guó)，年產(chǎn)量幾乎達(dá)到了世界各國(guó)總產(chǎn)量之和。但是由于生產(chǎn)和控制技術(shù)落后，很多太陽能控制器只具有溫度和液位顯示功能，而且精度還不高，誤差達(dá)到10%以上。隨著電子和信息技術(shù)的發(fā)展，太陽能熱水器的溫度控制的精度要求越來越高。其中以單片機(jī)為核心實(shí)現(xiàn)的數(shù)字控制器因其體積小、功能強(qiáng)、成本低、易操作而得到廣泛應(yīng)用。[1]本文介紹了一種以AT89S52單片機(jī)為核心的控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽能層壓機(jī)溫度進(jìn)行智能控制。該控制系統(tǒng)通過數(shù)字PID算法求出控制量，經(jīng)脈沖調(diào)制傳給功率控制器，最終實(shí)現(xiàn)水溫控制。

1.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)以AT89S52作為控制中樞，用溫度傳感器（0.75級(jí)K型熱電偶）作為測(cè)量裝置，把太陽能層壓機(jī)的實(shí)際水溫測(cè)量出來，并將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，通過單片機(jī)讀進(jìn)，單片機(jī)控制系統(tǒng)對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并將溫度測(cè)量值輸送給顯示電路顯示出來。同時(shí)，單片機(jī)控制系統(tǒng)根據(jù)輸入信號(hào)的大小與變化速度，按照數(shù)字PID算法，得出相應(yīng)的加熱功率。最后，系統(tǒng)通過繼電器電路控制加熱設(shè)備實(shí)現(xiàn)控制溫度的目的。其硬件組成由溫度傳感器、單片機(jī)控制系統(tǒng)、人機(jī)界面、顯示電路、繼電器電路、電源等組成。系統(tǒng)的功能框圖如圖1所示。

其中，AT89S52單片機(jī)作為控制核心，根據(jù)溫度傳感器從層壓機(jī)熱水器中測(cè)量的溫度數(shù)據(jù)，以及人機(jī)交互界面設(shè)定的水溫?cái)?shù)值，結(jié)合PID控制算法產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號(hào)，傳送給繼電器電路以控制加熱設(shè)備的工作強(qiáng)度和時(shí)長(zhǎng)，使熱水器的水溫不斷逼近目標(biāo)數(shù)值。

2.系統(tǒng)電路實(shí)現(xiàn)

根據(jù)層壓機(jī)水溫控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可以看出該系統(tǒng)的硬件模塊主要包括溫度測(cè)量模塊、繼電器驅(qū)動(dòng)模塊、單片機(jī)控制模塊、溫度顯示模塊、人機(jī)交互的串口通信模塊以及電源模塊。

2.1 溫度測(cè)量模塊

溫度測(cè)量與采集由主控電路AT89S52單片機(jī)和傳感器電路鎳鉻－鎳硅型熱電偶組成的電路實(shí)現(xiàn)。鎳鉻－鎳硅型熱電偶又稱0.75級(jí)K型熱電偶，它一般情況下與電子調(diào)節(jié)器、記錄儀表、顯示儀表配套使用，可以直接測(cè)量從-200℃~1200℃范圍的固體、液體和氣體介質(zhì)的表面溫度。

2.2 單片機(jī)控制模塊

本系統(tǒng)的單片機(jī)采用AT89S52芯片，這是一種低功耗、高性能的CMOS8位微控制器，具有8K在系統(tǒng)可編程、可擦除的只讀存儲(chǔ)器。具有1000次擦寫周期、全靜態(tài)操作、三級(jí)加密程序、32個(gè)可編程輸入輸出接口線、6個(gè)中斷源、3個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器、全雙工串行通信以及掉電保護(hù)等功能。

2.3 繼電器驅(qū)動(dòng)模塊

AT89S52是一個(gè)弱電器件，一般工作在5V[2]，不能直接用于驅(qū)動(dòng)加熱設(shè)備，因此采用繼電器作為二者之間的負(fù)載，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)對(duì)加熱設(shè)備的加熱控制。驅(qū)動(dòng)控制電路如圖2所示。

在圖2中，Moc3041是光藕，用它來驅(qū)動(dòng)雙向可控硅BTA16，控制雙向可控硅的通斷。BTA16是通用電子器件，工作電流為16A，耐壓400V、600V不等。由于加熱執(zhí)行器是電阻線圈，屬于感性負(fù)載，所以在開關(guān)器件上并上RC電路，作為保護(hù)電路并起加速導(dǎo)通關(guān)斷作用。R2、R3用于補(bǔ)償雙向可控硅，用R4限流保護(hù)MOC3041。JP1接控制端，VCC為+5VDC；JP2接220VAC，負(fù)載（LOAD）接在火線端（HEATPower）或零線端（NEUTRAL）均可。當(dāng)單片機(jī)的P1.6引腳置1時(shí)，MOC3061內(nèi)部發(fā)光管截止，其內(nèi)部雙向晶閘管關(guān)斷，外部大功率晶閘管控制極G沒有觸發(fā)電流，T1不導(dǎo)通，加熱器RL斷電。反之，當(dāng)P1.6引腳置0時(shí)，MOC3061內(nèi)部發(fā)光管導(dǎo)通，加熱器開始加熱。[3]

2.4 其他模塊

本系統(tǒng)的電源采用變壓器將220V的交流電降壓，并用7805整流橋整流為5V直流電，供系統(tǒng)電路使用；人機(jī)界面采用可操作鍵盤實(shí)現(xiàn)，用戶不僅可以通過鍵盤實(shí)現(xiàn)實(shí)際溫度與設(shè)定溫度之間切換，而且還能通過鍵盤改變?cè)O(shè)定水溫的數(shù)值；顯示電路采用74HC164來驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管，74HC164是比較典型的移位寄存器，有一個(gè)數(shù)據(jù)輸入端口、一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)端口和8個(gè)輸出端口。這三個(gè)模塊與單片機(jī)控制中樞的接口連接關(guān)系為：電源模塊與單片機(jī)的P40端口相連，為單片機(jī)控制提供5V直流電壓；溫度顯示模塊與單片機(jī)的P00-P07和P20-P22相連，其中P20-P22為數(shù)碼管的位選控制信號(hào)，P0-P7為數(shù)碼管段驅(qū)動(dòng)信號(hào)；人機(jī)交互界面的串口通信使用MAX232芯片實(shí)現(xiàn)，通過單片機(jī)的P13、P14的IO口與單片機(jī)相連，完成串口通信的電平轉(zhuǎn)換工作，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與上位機(jī)的串口通信。[4]

3.系統(tǒng)模型建立

本系統(tǒng)的控制器為PID控制器，被控對(duì)象為加熱設(shè)備，算法采用模糊PID算法實(shí)現(xiàn)，如圖3所示為模糊PID控制器原理圖。

其中Kp為比例增益，Ki為積分增益，Kd為微分增益，e為實(shí)際溫度與預(yù)定溫度的偏差值，ve為偏差變化率。應(yīng)用模糊推理實(shí)現(xiàn)PID參數(shù)自整定的方法是，先找PID控制器的Kp、Ki、Kd與e和Ve之間的關(guān)系，然后在運(yùn)行中不斷檢測(cè)e和Ve，再根據(jù)模糊控制規(guī)則進(jìn)行模糊推理，查詢模糊矩陣表進(jìn)行參數(shù)整定，對(duì)三個(gè)參量進(jìn)行實(shí)時(shí)修改，以滿足e和Ve在不同變化情況下對(duì)PID控制器參數(shù)的不同要求。

其中Kp、Ki、Kd與e、Ve的關(guān)系為：

4.結(jié)束語

通過理論分析與實(shí)驗(yàn)證明，基于AT89S52單片機(jī)的模糊增量式PID算法設(shè)計(jì)的太陽能層壓機(jī)水溫控制系統(tǒng)能夠獲得較好的溫度調(diào)節(jié)和控制效果，在實(shí)際生產(chǎn)和生活中具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

[1]鄭成霞.基于單片機(jī)的軟件實(shí)現(xiàn)PID溫度控制系統(tǒng)[J].寧波職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào),2010,14(5):16-19．

[2]李亞杰,何群.基于GSM的遠(yuǎn)程溫度監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].制造業(yè)自動(dòng)化,2009,17(6):1077-1079．

[3]于雷.基于單片機(jī)的水溫控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].長(zhǎng)春大學(xué)學(xué)報(bào),2011(8):28-30．

[4]王小雨,鄭偉,王一丁.基于AT89S52單片機(jī)的水溫控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電子世界,2012(9):32-33．

趙瑞雪（1990—），女，吉林大安人，吉林大學(xué)物理學(xué)院碩士研究生在讀，主要研究方向：半導(dǎo)體薄膜與太陽能電池研究。