太陽能電池組件層壓機溫度控制系統設計

吉林大學物理學院 趙瑞雪

太陽能電池組件層壓機溫度控制系統設計

吉林大學物理學院 趙瑞雪

層壓溫度是層壓機重要的被控參數之一，環境溫度變化和電網電壓波動都會影響控制溫度，常規PID控制難以達到較高的控制精度。本文采用模糊增量式PID控制算法，利用AT89S52單片機的最小系統進行溫度實時采集與控制能夠達到溫度控制精度需求。溫度信號由0.75級K型熱電偶采集，控制信號經繼電器實現對層壓機水溫的控制。

AT89S52單片機；模糊PID；溫度控制

圖1 系統結構框圖

圖2 驅動控制電路

圖3 模糊PID控制器原理圖

我國是目前世界上最大的太陽能熱水器生產和銷售國，年產量幾乎達到了世界各國總產量之和。但是由于生產和控制技術落后，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，誤差達到10%以上。隨著電子和信息技術的發展，太陽能熱水器的溫度控制的精度要求越來越高。其中以單片機為核心實現的數字控制器因其體積小、功能強、成本低、易操作而得到廣泛應用。[1]本文介紹了一種以AT89S52單片機為核心的控制系統實現對太陽能層壓機溫度進行智能控制。該控制系統通過數字PID算法求出控制量，經脈沖調制傳給功率控制器，最終實現水溫控制。

1.系統結構設計

該系統以AT89S52作為控制中樞，用溫度傳感器（0.75級K型熱電偶）作為測量裝置，把太陽能層壓機的實際水溫測量出來，并將溫度信號轉換成電信號，通過單片機讀進，單片機控制系統對采集的數據進行分析，并將溫度測量值輸送給顯示電路顯示出來。同時，單片機控制系統根據輸入信號的大小與變化速度，按照數字PID算法，得出相應的加熱功率。最后，系統通過繼電器電路控制加熱設備實現控制溫度的目的。其硬件組成由溫度傳感器、單片機控制系統、人機界面、顯示電路、繼電器電路、電源等組成。系統的功能框圖如圖1所示。

其中，AT89S52單片機作為控制核心，根據溫度傳感器從層壓機熱水器中測量的溫度數據，以及人機交互界面設定的水溫數值，結合PID控制算法產生相應的控制信號，傳送給繼電器電路以控制加熱設備的工作強度和時長，使熱水器的水溫不斷逼近目標數值。

2.系統電路實現

根據層壓機水溫控制系統結構可以看出該系統的硬件模塊主要包括溫度測量模塊、繼電器驅動模塊、單片機控制模塊、溫度顯示模塊、人機交互的串口通信模塊以及電源模塊。

2.1 溫度測量模塊

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

2.2 單片機控制模塊

本系統的單片機采用AT89S52芯片，這是一種低功耗、高性能的CMOS8位微控制器，具有8K在系統可編程、可擦除的只讀存儲器。具有1000次擦寫周期、全靜態操作、三級加密程序、32個可編程輸入輸出接口線、6個中斷源、3個16位定時/計數器、全雙工串行通信以及掉電保護等功能。

2.3 繼電器驅動模塊

AT89S52是一個弱電器件，一般工作在5V[2]，不能直接用于驅動加熱設備，因此采用繼電器作為二者之間的負載，實現單片機對加熱設備的加熱控制。驅動控制電路如圖2所示。

在圖2中，Moc3041是光藕，用它來驅動雙向可控硅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。由于加熱執行器是電阻線圈，屬于感性負載，所以在開關器件上并上RC電路，作為保護電路并起加速導通關斷作用。R2、R3用于補償雙向可控硅，用R4限流保護MOC3041。JP1接控制端，VCC為+5VDC；JP2接220VAC，負載（LOAD）接在火線端（HEATPower）或零線端（NEUTRAL）均可。當單片機的P1.6引腳置1時，MOC3061內部發光管截止，其內部雙向晶閘管關斷，外部大功率晶閘管控制極G沒有觸發電流，T1不導通，加熱器RL斷電。反之，當P1.6引腳置0時，MOC3061內部發光管導通，加熱器開始加熱。[3]

2.4 其他模塊

本系統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，供系統電路使用；人機界面采用可操作鍵盤實現，用戶不僅可以通過鍵盤實現實際溫度與設定溫度之間切換，而且還能通過鍵盤改變設定水溫的數值；顯示電路采用74HC164來驅動數碼管，74HC164是比較典型的移位寄存器，有一個數據輸入端口、一個時鐘信號端口和8個輸出端口。這三個模塊與單片機控制中樞的接口連接關系為：電源模塊與單片機的P40端口相連，為單片機控制提供5V直流電壓；溫度顯示模塊與單片機的P00-P07和P20-P22相連，其中P20-P22為數碼管的位選控制信號，P0-P7為數碼管段驅動信號；人機交互界面的串口通信使用MAX232芯片實現，通過單片機的P13、P14的IO口與單片機相連，完成串口通信的電平轉換工作，實現單片機與上位機的串口通信。[4]

3.系統模型建立

本系統的控制器為PID控制器，被控對象為加熱設備，算法采用模糊PID算法實現，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為實際溫度與預定溫度的偏差值，ve為偏差變化率。應用模糊推理實現PID參數自整定的方法是，先找PID控制器的Kp、Ki、Kd與e和Ve之間的關系，然后在運行中不斷檢測e和Ve，再根據模糊控制規則進行模糊推理，查詢模糊矩陣表進行參數整定，對三個參量進行實時修改，以滿足e和Ve在不同變化情況下對PID控制器參數的不同要求。

其中Kp、Ki、Kd與e、Ve的關系為：

4.結束語

通過理論分析與實驗證明，基于AT89S52單片機的模糊增量式PID算法設計的太陽能層壓機水溫控制系統能夠獲得較好的溫度調節和控制效果，在實際生產和生活中具有一定的應用價值。

[1]鄭成霞.基于單片機的軟件實現PID溫度控制系統[J].寧波職業技術學院學報,2010,14(5):16-19．

[2]李亞杰,何群.基于GSM的遠程溫度監控系統設計與實現[J].制造業自動化,2009,17(6):1077-1079．

[3]于雷.基于單片機的水溫控制系統設計[J].長春大學學報,2011(8):28-30．

[4]王小雨,鄭偉,王一丁.基于AT89S52單片機的水溫控制系統設計與實現[J].電子世界,2012(9):32-33．

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