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基于单片机的智能温度控制系统设计
Jun Li，Xian-Lin Meng，Wen-Long Song
( 1． College of Mechanical and Electrical Engineering，Northeast Forestry University，Harbin 150040，China;
- School of Municipal and Environmental Engineering，Harbin Institute of Technology，Harbin 150001，China)
摘要：在本文中，我们提出了一种基于单片机的智能温度控制系统的设计方法。这种基于单片机的智能温度控制系统分为四个部分：监控部分，加热器部分，控制过程和反馈回路。其中，温度检测电路即反馈回路部分是通过传感器检测水所具有的导电性，通过不同温度下水的导电性不同来完成温度的检测，水的电离与温度有关,温度越高,电离度越大.因此,温度越高水的导电率越大。光耦合器MOC3041用于实现功率控制电路即加热器部分，其功率控制电路的控制对象为1 kW电加热器和220 V的交流电源;键盘和显示电路SMC1602A包括四个按钮和LCD显示，从而方便操作人员实时获取系统参数同时完成对系统的实时控制，实现人机交互;基于单片机系统STC89C52，我们可以实现传感器信号和键盘设定目标温度自动比较。当两者不同时，单片机系统STC89C52就会自动实现温度调节，以完成水温控制。通过静态数据测试和动态数据测试，测试结果表明我们所提出的基于单片机的智能温度控制系统的设计方法提供了一种实现温度实时采集和控制的有效方法。
关键词： 温度传感器; 功率控制; SCR
CLC number: TP29 Document code: A Article ID: 1005-9113( 2014) 03-0091-04
1.引言
温度是表示物体冷热程度的物理量，同时也是我们生产和生活中最基本的物理量之一。温度的测量涉及工业和农业生产的各个领域。温度控制对于确保工业生产的有效性和安全性至关重要。众所周知，温度控制系统也是真空冶炼工艺的重要组成部分。除此外，温度控制系统也被广泛应用于工业化养殖，绿色粮仓，熏蒸治疗，空调系统，等等。在温度控制系统中如何通过实时监测数据选择近似最优值的控制策略成为节能运行的关键因素。近年来，工控行业已经对温度控制系统应用了各种选择近似最优值的控制策略。其中，模糊自调节比例积分微分（PID）算法，易于实现同时效果显著，现在已经被工程人员广泛应用于各种温度控制系统。其中，工程人员所提出的最优的温度（OAT）控制策略建议每小时复位冷凝水温度，通过这种方法可以最大限度地发挥联合水冷却器和冷却塔系统的性能。而与此同时Zhen提出了一种针对典型的多变量，大时间延迟和非线性系统，可以自动提取规则模糊控制（SERFC）方法，通过这种模糊控制方法，我们可以在带有供气系统和热水系统的建筑环境中保持稳定的温度值，实现恒温控制。除此之外，工程人员基于修改的输出 - 输入反馈（OIF）Elman神经网络和预测原理，设计了自适应PID解耦控制器，通过该控制器我们可以实现对双级空气流动态真空（DAFDV）耦合系统的上游和下游温度的快速，精确和独立的控制。
本文中所提到的上述智能温度控制系统的设计方法研究主要集中于软件设计，其中包括温度控制系统针对不同应用领域实现精确的温度控制的方法和策略。但其中所出现的有关温度控制系统硬件设计的研究工作量相对较少。但是，我们应当注意到这一事实，如果没有相应的硬件支持，一个再好的温度控制方法也无法使用。 在本文中，我们的主要研究工作是为基于单片机的智能温度控制系统进行硬件电路设计。在本文所述的智能温度控制系统的设计方法中，我们使用单片机来开发智能温控系统，其优点诸多例，如具有控制方便，成本低，灵活性好等等优点。同时我们也在本文后半部分的仿真模拟中，通过实验证明了基于单片机的智能温度控制系统设计对所要求的技术指标有明显的调节效果，提高温度控制的精度。与此同时，我们关于温度控制系统的硬件设计可以作为硬件支持，这样该智能温度控制系统的硬件设计不仅可以作为下文中要提到的温度控制系统的硬件设计，也可以作为其他各种温度控制方法的硬件部分。
2系统结构设计
控制系统包括四个单元，例如监视器，加热器，受控过程（存储罐）和
反馈回路（温度检测电路）。图1示出了所设计的控制系统的图。如图1所示，水箱是受控对象;温度传感器检测水箱的温度，然后将信号传输到单片微型计算机。将反馈信号和预制信号与将给出温度控制量的SCM进行比较。加热器将接收加热指令。最后，功率控制器可以控制加热管的加热功率，并且温度将在我们的系统中控制。这里，干扰信号主要是由于与其他物体接触而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，我们可以建立电路原理图，如图2所示。
图2.系统电路图
在本文中，假设受控对象是一个封闭的罐。 该系统由温度检测电路，电源控制电路，水位检测电路，键盘和显示电路，报警电路和SCM ATP89C52组成。
3.1温度检测电路
在这部分，我们使用数字温度传感器DS18B20 来检测温度.图3所示为DS18B20的封装图。新一代的“总线”DS18B20是由达拉斯公司设计的用于生产数字温度传感器。它适用于各种恶劣环境具有连接方便，温度测量电路简单，体积小，价格低，抗干扰能力强等诸多优点.
图3 .DS18B20封装图
3.2电源控制电路
这里我们采用光耦合器MOC3041 [14]来实现功率控制电路，即耦合传输信号，并隔离干扰的影响。 图4示出了功率控制电路。热端口提供加热驱动器的输出信号; 通过74LS04变频器，反向信号将驱动光耦合器MOC3041。当热量输出高电平时，RP为低电平，电路处于ON状态，即双向晶闸管和热回路都通过，然后水箱通过电源管加热.
图4电源控制电路
3.3水位检测电路
为了节省成本，我们通过水的电导率设计水位检测电路,如图1所示。 如图5所示，三个金属杆分别安装在水箱的不同高度。杆A在水箱的底部并与之连接
5 V的电源; 条B和C表示最低和最高水平，其通过电阻接地。当水位低于B，B和C都高于水面，然后无电时，b和c的状态为“0”。同时，系统给出报警信号，并且少水指示灯工作，打开电磁水阀注水; 当水位上升到B，A和B连接; b的状态为“1”，c为“0”。报警信号消失，正常指示灯亮。 当水位升高到C，C和B连接，b和c的状态为“1”时，阀关闭，停止喷射。
图5.水位检测原理图
3.4键盘和显示电路
具有四个键的键盘与微控制器P1端口直接连接，作为图6（a）中的预制温度输入端口设置。我们选择LCD1602 （16times;2字符点阵液晶屏）作为液晶显示电路，可以实现人机交互，例如预制温度和实时温度检测，如图6（b）
图6.键盘和显示电路
3.5报警电路
蜂鸣器和发光二极管组成了报警电路，如图7所示。当水箱水位低于地面时，蜂鸣器发出报警，系统开启少水指示灯; 否则当水箱水位达到上限时，系统关闭较少水状态的灯，打开正常水位状态的灯。
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，例如双跟踪电压和电流稳定电源（DH1718E-5），数字示波器（泰克TDS1002），仿真器（WEIFUE6000 / L），多功能数字仪表（GDM-8145），PC P4 CPU2.4），温度计，电加热杯和秒表。
4.2试验结果
- 我们将1升水放入恒温电热杯中并改变其温度。 我们可以观察液晶显示器（LCD1602）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温度计的实际测量是一致的。 因此，温度传感器的测量结果是可靠的，系统可以符合设计要求。
图8静态温度结果
2）目标温度设定为75℃。 我们可以观察液晶显示器（LCD1602）的温度值，我们用温度计每30秒测量水温，并记录结果，如图9所示（加热前，温度为25℃）。
图9动态温度结果
通过比较，我们可以看出，在加热和误差的过程中测量的温度和实际温度一致在允许的范围内。 虽然有错误，但它们不会影响结果。 因此我们的系统达到设计要求。
5结论
本文重点介绍单片机在温度控制中的应用。 我们采用单片机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，达到了预期的效果。该系统实现了智能温度控制，同时具有易于控制，成本低，灵活性高等诸多优点。
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