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基于单片机的智能温控系统设计
Jun Li 1，Xian—Lin Meng2，Wen—Long Son1
- 机电工程学院,东北林业大学,哈尔滨 150040，中国；
- 市政与环境工程学院,哈尔滨理工学院，哈尔滨 150001，中国)
摘要：本文提出了基于单片机的智能温控系统设计。该智能温控系统分为四个部分：监控，加热器，控制电路和反馈回路。其中，温度监测电路是根据传感器监测到的水的电导率设计的。光学耦合器M0C3041用于实现光照控制电路，其控制对象是1千瓦电加热器与220 V交流电源；键盘和显示电路SMC1602A包括4个按钮,液晶显示器实现人机交互；基于STC89C52单片机系统,传感器信号和键盘设定目标温度与功率自动比较，以实现对水温的控制。通过静态和动态数据测试,结果表明,该方法提供了一个有效的方式来实现温度的实时采集和控制。
关键词：微型控制器；温度传感器；光照控制；单片机
CLC 编号：TP29 文件编码：A文章编号：1005-9113(2014)03-0091-04
1 介绍
温度是热和冷物体的物理量的表示，是我们生产和生活中最基本的物理量之一。温度测量与工业和农业生产的各个领域有关。温度控制对于确保工业生产的有效性至关重要。温度控制系统也是真空冶炼过程的一个重要组成部分。[1]因此，温度控制系统广泛应用于工业化文化[2]，温室大棚[3],熏蒸疗法[4],空调系统[5]等等。如何通过实时监测数据选择一个近似最优的控制策略，成为节能运行的关键因素[6-7]。
许多方法被应用于该温度控制系统。模糊自调整比例-积分-微分（PID）算法,容易实现且有效，已广泛应用于温度控制系统[8]。最优方法温度(OAT)控制策略提出了冷凝水温每小时重置,这样就能最大限度地发挥混合水冷却器和冷却塔系统的性能[9]。Zhen提出了一种典型多变量、大时延、非线性系统，自提取规则模糊控制(SERFC)方法，在带送风系统和热水系统的环境中保持一个稳定的温度值[10]。基于改良的输出输入反馈(OIF)的神经网络和预测原理，一种自适应的PID分离控制器的设计是为了达到快速，精确，尤其是对双级空气流场动态真空(DAFDV)耦合系统的上游和下游温度的独立控制[11]。
目前的研究重点是软件设计，包括控制不同应用领域温度变化的方法和策略，温度控制系统硬件设计的研究工作相对较少。然而,如果没有相应的硬件支持,一个好的方法也无法使用。本文的主要工作是为硬件电路设计。我们使用单片机来开发智能温度控制系统，它有控制更方便，低成本，灵活性的优势。实验证明，该设计对提高温度控制技术指标具有明显的效果。作为硬件支持，我们的控制系统将适用于其他温度控制方法。
2 系统结构设计
控制系统包括四个单位,如监控、加热器、控制过程(储罐)和反馈回路(温度检测电路)。图1为控制系统设计示意图。
在图1中，水箱是被控制的物体；水缸的温度被温度传感器检测到，然后信号就会传输到单片机上。将反馈信号和预制信号与将给出温度控制量的单片机进行比较。加热器将收到加热指示。最后。功率控制器可以控制加热管的加热功率，并且温度将被控制在我们的系统中。在这里，干扰信号主要是由于与其他物体接触引起的加热功率变化。
图1 系统结构图
3 系统电路设计
根据控制系统的结构图,我们可以构建电路原理图,如图2所示。
图2 系统电路图
在这篇文章中。假定被控制的物体是一个封闭的容器。系统由温度检测电路，光照控制电路，水位检测电路，一个键盘和显示电路，报警电路和单片机ATP89C52构成。
3.1温度监测电路
在这一部分中,我们使用数字温度传感器DS18B20检测温度。图3显示了DS18B20的包图。新一代的“总线”DS18B20是达拉斯公司为生产数字温度传感器设计的。它适用于各种恶劣的环境，它有很多优点，例如方便的连接，简单的温度测量电路，小尺寸，低价格以及强抗干扰能力。
3.2 光照控制电路
这里我们采用光耦合器MOC3041实现光照控制电路,耦合传输信号,隔离干扰的影响。图4显示了这个光照控制电路。加热端口提供了一个加热驱动的输出信号，通过74LS04转换器，反向信号将驱动光耦合器MOC3041。热输出高水平时,RP低,电路处于使用状态,也就是说,双向晶闸管和热电路接通,然后加热水箱的管道。
图3 DS18B20封装图
图4 光照控制电路
3.3 水位监测电路
为了节约成本，我们通过水的电导率来设计水位探测回路。如图5所示,三个金属棒分别安装在不同的水箱的高度。棒A处于水箱的底部并与5v的电源连接;棒B和C代表最低和最高的电平，通过电阻接地。当水位低于B时，B和C都高于水面，没有电流通过，B和C的状态为“0”。同时，系统会发出警报信号，低水量指示灯启动，电磁水阀开启注入水；当水位上升到B时，A和B相连，B的状态是“1”,c的状态是“0”。报警信号消失，指示灯正常工作。当水位上升到C时，C和B相连，b和c的数值为“1”，阀门关闭，停止注水。
图5 水位监测图
3.4键盘和显示电路
键盘有四个键直接与单片机P1端口作为预制温度输入端口设置在图6(a)。我们选择LCD1602(16 x2字符点阵液晶屏)作为液晶显示电路,它可以实现人机交互,如预制温度和温度的实时检测,如图6(b)所示。
- 键盘电路
- 显示电路
图6 键盘和显示电路
3.5 报警电路
报警电路由一个蜂鸣器和发光二极管组成，如图7所示。当水箱水位低于地面，蜂鸣器报警且系统打开低水指示灯；否则当水箱水位达到上面的阙值时，系统关闭低水指示灯，打开正常水位指示灯。
图7 报警电路
4 测试结果
4.1 系统测试仪器
我们的测试中使用了许多仪器，如双跟踪电压和电流稳定电源(DH1718E-5),数字示波器(Tektronix TDS1002)模拟器(WEIFUE6000 / L),多功能数字仪表(GDM一8145),PC(P4 CPU2.4)，温度计，电动加热杯和秒表。
4.2 测试结果
1）我们把1公升水放入恒温电热杯并改变它的温度。我们可以观察到液晶显示器(ll1602)上的温度值，同时用温度计测量实际温度并记录结果，如图8所示。
我们可以得出结论,静态温度传感器测量结果和实际测量的温度计是一致的。因此,温度传感器的测量结果是可靠的,系统符合设计要求。
图8 静态温度结果
- 目标温度是75℃。我们可以液晶显示器(LCD 1602)观察温度的值,而我们每30秒用温度计测量水温并记录结果,如图9所示(在加热之前,温度25℃)。
图9 动态温度结果
相比之下,我们可以看到,测量的温度和实际温度一致的过程中加热和误差都在允许的范围之内。尽管存在错误，但它们不会影响结果。因此我们的系统达到设计要求。
5 总结
本文关注的是单片机在温度控制中的应用。采用单片机AT89C52作为控制核心，设计了具有温度实时采集和控制的智能控制系统。测试结果表明，我们的设计是合理的，达到了预期效果。系统实现了智能温度控制,同时它有许多优点,如易于控制,成本低和高灵活性。
参考
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农业产品贮存温湿度控制系统的研究
Xingwang Wang 1,2 , Yue Liu1
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