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基于单片机的PID调节脉动真空灭菌器上位机远程监控设计

news 2025/10/15 10:11:17

基于单片机的PID调节脉动真空灭菌器上位机远程监控设计

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1. 系统功能介绍

本设计以单片机为核心，构建一个具备温度、压力、真空控制及远程监控功能的脉动真空灭菌器智能控制系统。该系统在硬件上融合了温度传感、压力检测、PID闭环控制、电磁阀与真空泵执行机构、蜂鸣器报警模块及通信模块；在软件上实现了温度和压力信号采集、PID算法控制、数据实时显示及远程控制命令解析。整个系统稳定可靠，能够在医药、实验室及食品灭菌等领域实现智能化、可监控的灭菌过程管理。

系统的主要功能如下：

温度测量与PID控制：
使用数字温度传感器DS18B20实时检测灭菌室温度，数据经单片机处理后显示在LCD1602上。通过PID控制算法自动调节蒸汽阀门开度，实现恒温加热控制，确保灭菌过程温度稳定。
压力测量与安全控制：
采用MPX2200DP压力传感器检测腔体压力，经A/D转换后进入单片机进行实时监控。当压力超过安全设定阈值时，系统立即发出报警并开启排气阀释放多余蒸汽，防止设备超压。
真空环境维持：
真空泵控制电路实现对灭菌腔体的抽真空操作，保持灭菌所需的负压环境（约81kPa）。
远程监控与人机交互：
通过SIM800C模块与上位机建立串口通信连接，实现远程参数修改、设备状态查询及报警信息上传功能，支持远程监控与控制。
按键操作与本地调节：
三个按键用于系统启动、温度与压力设定调整及复位，方便用户在现场进行操作与调节。
报警与显示功能：
LCD1602液晶模块实时显示温度与压力值，蜂鸣器在超温、超压或灭菌完成时发出报警提示，保障操作安全。
系统初始化与保护：
上电后系统自动初始化硬件模块与参数，确保每次运行前设备处于安全可控状态。电路中加入滤波与过压保护元件，提升系统运行稳定性与抗干扰能力。

2. 系统电路设计

系统电路围绕单片机核心控制单元构建，主要包括单片机最小系统电路、温度采集电路、压力检测电路、PID控制执行电路、显示与报警电路、通信电路、按键输入电路及电源保护电路等模块。

2.1 单片机最小系统设计

本系统采用AT89C52单片机作为主控芯片。该芯片具备丰富的I/O资源、定时器/计数器和中断系统，能够满足多任务并行控制需求。

电源电路：
系统采用+5V直流稳压电源，7805稳压芯片提供稳定电压输出。为了防止电压波动导致系统复位或死机，电源输入端加有滤波电容与旁路电容。
时钟与复位电路：
晶振频率为12MHz，配合两只22pF电容构成振荡电路。复位部分采用电容、电阻与复位按键构成上电自动复位与手动复位功能，确保系统可靠启动。
I/O口分配：
P0口用于LCD1602与A/D转换接口；
P1口连接温度与压力采集电路；
P2口用于驱动继电器、蜂鸣器及电磁阀控制；
P3口用于按键与SIM800C通信模块接口。

2.2 温度采集电路设计

温度采集模块采用DS18B20数字温度传感器，它支持单总线通信，测量精度高达±0.5℃，无需A/D转换即可直接输出数字信号。

通信方式：
DS18B20与单片机通过单总线进行数据通信，采用拉高电阻实现上拉。单片机通过发送复位脉冲与命令字节读取温度寄存器中的数值。
信号处理：
DS18B20输出为16位温度数据，高字节和低字节拼接后进行换算，转换公式为：
```
T = (temp_H << 8 | temp_L) * 0.0625
```
功能实现：
单片机周期性读取温度数据，并与设定值进行比较，根据偏差值执行PID控制算法，调节加热阀门的导通时间，实现自动温控。

2.3 压力检测电路设计

压力采集部分采用MPX2200DP压阻式压力传感器，其输出为0~40mV的模拟电压信号。由于信号幅值较小，需要经过运算放大与A/D转换处理。

信号放大：
使用运算放大器（如LM358）对压力信号进行差分放大，将信号提升至0~5V范围，匹配单片机A/D接口输入范围。
A/D转换：
采用ADC0832两通道8位A/D转换芯片，将放大后的模拟电压转换为数字信号供单片机读取。
安全控制：
单片机根据设定压力阈值对实时压力进行比较，当检测值超过上限时，立即驱动排气继电器动作，并通过蜂鸣器报警提示。

2.4 PID控制执行电路设计

PID控制部分用于根据温度偏差调节蒸汽阀门的开度，实现自动恒温控制。

执行机构：
系统采用ULN2003驱动器控制继电器，继电器再驱动电磁阀，实现开关控制。通过PWM信号占空比调节阀门开启时间，实现模拟比例调节。
PID算法原理：
PID控制由比例（P）、积分（I）与微分（D）三项组成，其计算公式为：
```
u(k) = Kp * e(k) + Ki * ∑e(k) + Kd * [e(k) - e(k-1)]
```
其中 e(k) 为当前偏差，Kp、Ki、Kd 分别为比例、积分与微分系数。
控制逻辑：
单片机根据当前温度与设定温度差计算控制量，调整加热器通断时间，使温度趋于稳定。

2.5 显示与报警电路设计

LCD1602显示模块：
LCD1602采用8位并行通信方式，一行显示温度值，另一行显示压力值，并在屏幕右侧显示系统状态（加热/抽真空/报警等）。
蜂鸣器报警模块：
当系统出现超温、超压或灭菌完成时，单片机输出高电平信号至蜂鸣器驱动电路，产生声光报警提示。

2.6 通信电路设计

远程通信模块采用SIM800C GSM/GPRS模块，实现上位机与灭菌系统之间的无线通信。

通信接口：
SIM800C通过UART串口与单片机P3.0（RXD）和P3.1（TXD）连接，波特率设定为9600bps。
通信协议：
上位机发送控制指令（如“SET TEMP=120”），单片机解析后修改设定参数；
同时系统周期性上传温度、压力及运行状态至上位机，实现远程监测。

2.7 按键与复位电路设计

系统设置三个功能按键：

启动键：开始灭菌流程；
调整键：用于温度或压力阈值的升降；
复位键：清除报警状态，恢复初始参数。

所有按键均采用下拉接法，并加入软硬件消抖处理。

2.8 电源与保护电路

电源模块：
采用线性稳压芯片7805提供5V工作电压，输入端采用470µF电解电容与0.1µF瓷片电容进行滤波与抗干扰处理。
继电器保护：
在继电器线圈两端并联二极管，防止反电动势损坏驱动器件。

3. 系统程序设计

系统软件采用模块化结构设计，主要包括系统初始化、温度采集、压力采集、PID算法、显示控制、按键处理、报警判断及通信模块等功能模块。程序在Keil环境下编写，并在Proteus中仿真验证。

3.1 主程序结构设计

主程序负责系统流程控制与任务调度。

#include <REG52.H>
#include "ds18b20.h"
#include "lcd1602.h"
#include "adc0832.h"
#include "pid.h"
#include "sim800c.h"float temp, pressure;
float set_temp = 120.0, set_press = 0.8;
bit alarm_flag = 0;void main()
{LCD_Init();DS18B20_Init();ADC0832_Init();SIM800C_Init();PID_Init(1.2, 0.05, 0.1);  // 初始化PID参数while(1){temp = DS18B20_ReadTemp();pressure = ADC0832_Read(0)*5.0/255;  LCD_Show(temp, pressure);PID_Control(temp, set_temp); // 温度闭环调节if(pressure > set_press){alarm_flag = 1;Buzzer_On();Valve_Open();}else{Buzzer_Off();Valve_Close();}SIM800C_Upload(temp, pressure, alarm_flag);Key_Scan();  // 检测按键输入}
}

3.2 温度采集程序

float DS18B20_ReadTemp()
{unsigned int temp;uchar TH, TL;DS18B20_Start();DS18B20_WriteByte(0xCC);DS18B20_WriteByte(0x44);DS18B20_Start();DS18B20_WriteByte(0xCC);DS18B20_WriteByte(0xBE);TL = DS18B20_ReadByte();TH = DS18B20_ReadByte();temp = (TH << 8) | TL;return temp * 0.0625;
}

3.3 PID控制程序

float Kp, Ki, Kd, error, last_error, integral;void PID_Init(float p, float i, float d)
{Kp = p; Ki = i; Kd = d;error = last_error = integral = 0;
}void PID_Control(float current, float target)
{float output;error = target - current;integral += error;output = Kp*error + Ki*integral + Kd*(error - last_error);last_error = error;if(output > 0)Heater_On();elseHeater_Off();
}

3.4 按键与报警程序

void Key_Scan()
{if(Start_Key==0){Start_System();}if(Up_Key==0){set_temp += 1;}if(Down_Key==0){set_temp -= 1;}
}

3.5 通信程序

void SIM800C_Upload(float temp, float press, bit alarm)
{char buf[32];sprintf(buf, "TEMP=%.1f;PRESS=%.2f;ALARM=%d\r\n", temp, press, alarm);SIM800C_Send(buf);
}