基于单片机温度传感器智能温控系统的设计|产品概述|上海羊羽卓进出口贸易有限公司

智能温控系统的设计

摘要 ：温度是生产、生活及科学研究等方面中的一个重要参数，在很多场合起着极为关键的作用，需要精确控制。因此，高精度温度控制器具有广阔的市场前景和迫切的应用需求。研究和设计了一个由单片机控制的具有一定智能水平的温度控制系统，能够按照实际需要设定温度控制的范围，并根据在温度调整过程中的温度变化情况，输出智能控制信号，实现温度的精确控制。

0 引言

随着社会发展和科技进步，温度的测量及控制在人们的生产、生活和科学研究中发挥着越来越重要的作用[1-3]。在现代社会中，对各种过程的控制要求日趋精密，对于温度的测量和控制要求也进一步提高[4-9]。目前国内的传统温控箱控制精度低，价格高，难以满足高精度温度控制的要求，国外的温度控制箱控制精度高，但价格昂贵，如德国西门子（Siemens）、恩德斯豪斯公司（Endress+Hauser）、美国江森（Johnson）、霍尼韦尔（Honeywell）、罗斯蒙特公司（Rosemount）、英国森威尔（Saswell）、瑞士ABB公司、日本松下公司（Panasonic）等都生产性能优良的温度控制箱，在社会各行业中得到广泛的应用。为满足国内低成本温度控制要求，本文研制了一个采用单片机控制的高精度智能温度控制箱，它具有结构紧凑、工艺简单、智能化等优点。

1 温控系统硬件设计

温度控制的基本原理是在需要进行温度控制的场合用传感器测量其温度值，与控制器内存储的温度值进行比较，当测得的温度高于或低于设定值时，启动加热或降温设备，使温度回归到设定值范围内，其原理如图1所示。

1.1系统总体结构设计

本温控箱以单片机STC89C52作为温控中心，用温度传感器DS18B20作为温度测量单元，将采集的温度值经过串行通信方式传输到温控中心进行判断，并进行智能处理。当测得的温度T低于设定的最低温度Tl时，单片机发出控制信号，启动加热器件；当测得的温度T高于设定的温度Th时，单片机发出控制信号，启动降温器件，将温度保持在设定的范围内，完成温控工作。本温控器带有LCD显示模块和按键输入模块，可显示实时温度值和现场设定温度控制范围。温控系统主要由温度检测模块、单片机控制模块、温度显示模块、温控执行模块（继电器及加热、降温器件）等部分组成。

1.2 温度检测单元设计

为提高测温精度，降低成本，本温控箱采用较成熟的DS18B20温度传感器来完成温控箱内部和外部的温度检测。DS18B20是由Dallas公司生产的一线式数字温度传感器，它将温度感测、信号变换、数据存储、A/D转换等功能集成于一体，其温度检测范围宽，达到-55℃～+125℃，可以用一线总线方式连接微处理器，以编程方式（9~12位）转换精度，测温分辨率达0.062 5 ℃。DS18B20温度传感器的工作电源可从外部输入，也可采用寄生电源方式工作；多个DS18B20可以并联连接到CPU，实现多个DS18B20与CPU的通信，因此连线少，可节省引线和逻辑电路，减少CPU端口的占用，但以增加软件复杂性为代价，对读写的数据位有着严格的时序要求。

DS18B20温度传感器具有体积小、功能强、精度高、连接方便、抗干扰性好等优点，在工业控制、智能家居等环境中得到较广泛的应用。

1.3 温度控制执行部分设计

由于单片机的输出功率较小，不宜直接驱动继电器，否则会造成单片机功耗过大，加重单片机内部电源的负担，易导致单片机工作不稳定。为安全平稳控制继电器，本温控系统采用固态继电器SSR-40DA，固态继电器也称作固态开关SSR（Solid State Relay），它是利用现代微电子技术与电力电子技术相结合而发展起来的一种新型无触点电子开关，集光电藕合、大功率双向晶闸管及触发电路、阻容吸收回路于一体，用于代替传统的电磁式继电器，实现对单相或者三相电动机的正反转控制，或者其他控制。无触点无动作噪音，具有开关速度快、无火花干扰和可靠性高等优点。

1.4 温度显示模块

温度显示模块采用1602C型字符型液晶显示器。1602C型显示器具有功耗低、体积小、显示内容丰富、超薄轻巧等优点，在袖珍式仪表和低功耗应用系统中应用广泛，是一种专门用于显示字母、数字、符号等点阵式的LCD，显示的格式为16×2行。在模块内部已经存储了160个不同的点阵字符图形，这些字符包括：英文字母的大小写、阿拉伯数字、常用的符号等，每一个字符都有一个固定的代码。

1.5 加热／通风执行机构

当单片机检测到温度不在调控范围以内时，需要启动加热或降温器件使温度回到温控范围内。一般加热的方式为电热丝和风扇，本系统用电热丝为加热器件，以风扇为降温器件。为使温度变化过程平稳，通常要对加热或降温器件的功率进行调整。功率调整的方法一般用可控硅，具体的方式有调相和ＰＷＭ。调相就是调整加在负载上的电压的导通角，ＰＷＭ是通过调整单位时间内加在负载上的电压次数来改变负载功率。为降低对电网的污染和对其他用电器件的干扰，本系统采用PWM方式对温控器件进行调整。

1.6 报警电路

本温控箱采用声光报警方式进行异常状态报警，以晶体管和蜂鸣器构成声音报警电路，以红、绿色发光二极管构成光线报警电路。在系统正常工作时，只有绿色发光二极管点亮；当系统测得的温度超出设定的温度范围，绿色发光二极管熄灭，红色二极管点亮，同时由单片机控制蜂鸣器发出报警声，10 s后停止声音报警。

2 温控系统软件设计

2.1 控制流程图

智能温控系统控制流程如图2所示。系统开机后首先初始化程序，接着进行温度测量，将测得的温度值通过显示屏显示；检测是否有按键操作，若有则执行按键扫描及处理程序，存储新输入的温度控制范围，若无按键操作则直接显示当前温度及设定值；将测得的温度值与设定值进行比较，若在设定范围内，程序自动返回测量温度，若不在设定范围内，则程序根据测得的温度与设定值，确定调温停止的温度，进行智能处理后输出控制信号，启动报警，运行加热或降温设备进行温度调节。

2.2 软件设计

为实现上述控制流程，达到温度控制目的，本系统设计了温度采集程序、LCD显示程序、按键扫描及处理程序、温度比较及计算程序、智能控制程序、报警程序等，其控制过程如图2所示。

温度采集程序用于将DS18B20所采集的温控箱内部、外部温度通过串行通信送入到指定地址；LCD显示程序用于显示测得的温度值及设定温度等数据；按键扫描及处理程序用于处理按键相关事项，即判断是否有按键行为、记录按键输入值及将输入值送往指定地址等。

传统的温控箱只是简单地将测量得到的实时温度值与设定值进行比较，控制加热器件或降温器件的通断状态进行温度调整。这种控制方式很容易出现过冲现象，对控制精度造成严重影响。同时单片机的功能只使用了一小部分，造成了资源浪费。本系统利用单片机的计算和比较功能对加热和降温过程进行智能控制，能较好地解决过冲问题，减少加热和降温状态的转换次数，实现温度的平稳控制，同时节省能源。

在进行智能控制时，根据设定的温度范围及探测到的系统温度，确定加热或降温时的结束温度，如果环境温度高于设定温度的上限，则降温器件停止工作时的温度由单片机根据公式Th-0.8（Th-Tl）计算出来。当环境温度低于设定温度的下限，则加热器件停止工作时的温度由单片机根据公式Tl+0.8（Th-Tl）计算出来。当环境温度在设定温度的上、下限之间，则降温器件停止工作时的温度由单片机根据公式Tl+0.5（Th+Tl）计算出来，通过此种方式进行温度调控，能有效减少加热或降温器件的启停次数，延长系统寿命，同时也使温度变化过程更平稳。在调温过程中以PID方式对系统温度进行控制，即在控制过程中，将测得实际温度值与设定值进行比较，经单片机计算后得到温度的偏差值、偏差变化率等，根据温度值、偏差值、偏差变化率算出控制增量，以控制加热器件或风扇的导通时间，达到温度控制的目的。

报警程序用于输出报警信号，控制报警电路实现声光报警。

3 总结

本温控箱以单片机作为温控系统的中央控制单元，充分利用了单片机的运算功能对温控过程进行自动控制，实时性强，可实现高精度控制，同时本系统设计合理，结构简单，具有可靠性高、运行稳定、成本较低、操作简便等优点，适用于需要较高控制精度的各种场合。

参考文献

[1] 张瀚文，张博，杜岩，等.多路高精度扩散炉温度控制系统的设计[J].微型机与应用，2013，32（17）：83-86.

[2] 刘雷，张高飞，尤政.环境温度对RF-MEMS开关闭合电压影响研究[J].传感器与微系统，2013，32（5）：6-8.

[3] SELAK G V， PERICA S， BAN S G， et al. The effect of temperature and genotype on pollen performance in olive[J]. Scientia Horticulturae， 2013，156（1）：38-46.

[4] 陈新海，张侃健，魏海坤，等.无人值守的南极科考平台温控系统设计与实现[J].自动化仪表，2013，34（10）：23-27.

[5] VITEL G， SURU M G， PARASCHIV A L. Structural effects of training cycles in shape memory actuators for temperature control[J]. Materials and Manufacturing Processes， 2012， 28 （1）： 79-84.

[6] 李晓明，冯志书，徐刚，等.基于PC104的某型航空发动机排气温度测试系统[J].微型机与应用，2013，32（11）：95-96.

[7] COSTA B A， LEMOS J M， ROSA L G. Temperature control of a solar furnace for material testing[J]. International Journal of Systems Science， 2011，42（8）：1253-1264.

[8] 文春明，温志渝，尤政，等.硅基微型超级电容器三维微电极结构制备[J].电子元件与材料，2012，31（5）：42-45.

[9] ASTRAIN D， MART?魱NEZ A， GORRAIZ J， et al. Computational study on temperature control systems for thermoelectric refrigerators[J]. Journal of Electronic Materials， 2012， 41 （6）： 1081-1090.

基于机智云物联网平台的多功能大棚设计

文/李江勇纪力尧林晓智

潍坊技术学院

摘要：本文设计并制作了一款基于机智云物联网平台的多功能大棚的控制系统并制作了实物模型。本系统可通过网页端查看历史操作数据，通过手机APP进行对大棚的远程操作。物联网控制可实现远距离对大棚的各种功能的操作，无距离限制。设备配有网络摄像头，可远程观看大棚状态，使农业更加智能化。

【关键词】物联网前屈伸臂式卷帘机多点放风机构 PID 恒温多点温度采集

1 硬件结构

1.1 主控芯片及数据显示采用性能高、功耗低的 32 位微控制器 STM32F429 作为主控芯片，主频高达180MHz，能够进行比较高速的运算，使其能和物联网模块进行即时通讯，减少数据丢包的可能。数据显示采用 TFTLCD 电容触摸屏，该触摸屏屏幕分辨率为 800*480，16 位真彩显示，采用 NT35510 驱动，无需外加驱动器，可直接连接单片机进行驱动，屏幕刷新速度可达 78.9 帧 / 秒。

1.2 esp8266_12F WIFI芯片该模块核心处理器 ESP8266 在较小尺寸封装中集成了业界领先的 Tensilica L106 超低功耗 32 位微型 MCU，带有 16 位精简模式，主频支持 80 MHz 和 160 MHz，支持 RTOS，集成 Wi-Fi MAC/BB/RF/PA/LNA 板载天线。

1.3 前屈伸臂式大棚卷帘机构在进行机械结构设计方面，采用独特的前屈伸臂式卷帘机进行对卷帘的驱动，由变速箱和电动机，卷杆和支架三大部分组成，作业原理是经过主机转动卷杆，卷杆直接拉动草苫或保温被，而且拉放均有动力支撑，市场广泛应用。

1.4 多点放风机构放风机构目前棚户大多使用拉线式放风，需要人不断查看棚内的温度以进行大棚放风机构的拉开与关闭，而且放风机构是一体的。本设备的放风机构采用同步带传动带动风口动作，方便快捷，设有两处放风口，当棚内某点温度过高时，可只开启其中一个放风口进行通风降温，而另一处则不用开启，当达到棚内温度设定值时自动关闭放风口或者手机 APP操作关闭，多点的放风机构可有效的控制大棚温度。

设备整体效果图

1.5 多点温度采集目前大棚温度单点采集过于落后，所谓单点采集，就是将 ds18b20 的 DQ 与单片机的一个管脚相连，而多点采集就是将多个 ds18b20并联，因为每个 ds18b20 都有一个独特的 64位序列号，从而允许多个 ds18b20 同时连在一根单总线上。单片机依靠每个温度传感器独有的 64 位片序列号辨认总线上的器件，根据序列号分别进行采集，匹配序列号的程序如下：void Match_rom(u8 a)// 匹配 ROM{u8j;DS18B20_Write_Byte(0x55);if(a==1){for(j=0;j<8;j++) D S 1 8 B 2 0 _Write_Byte(ROM1[j]);}if(a==2){for(j=0;j<8;j++) D S 1 8 B 2 0 _Write_Byte(ROM2[j]);}if(a==3){for(j=0;j<8;j++) D S 1 8 B 2 0 _Write_Byte(ROM3[j]);}}

1.6 PID恒温及网络摄像头有效的控制大棚温度对植物的生长是极其重要的，故采用 PID 恒温方式控制执行器件电热丝进行对大棚温度的控制，本设备可在手机 APP 界面进行温度设置。本设备装有网络摄像头，可通过手机APP查看大棚的状态，摄像头亦采用物联网模式，可不受距离限制，随时随地查看，真正实现智能化农业。

1.7 供电方式考虑到制作的为大棚模型，为方便搬运以及不用市电供电，本设备的供电方式采用的是12V蓄电池供电。当本设备应用于实际大棚时，可采用市电 220V 转 12V 的 60W 的开关电源供电，安全可靠。

2 软件设计

2.1 设备与机智云物联网平台的数据交互流程使用移植机智云GAgent 的 Wi-Fi 模组建立桥梁，使本设备的数据与机智云互联互通。设备与机智云数据交互的基本数据流。

2.2 Wi-Fi模块传输协议处理

Wi-Fi 芯片与 STM32 的通讯方式为UART，波特率为 9600。传输字节序采用大端编码，即高字节在前，低字节在后，通讯的交互形式采用一问一答，即每条命令需要由接收方给出 ACK 应答确认信息，超时时间为200ms，超时后重发该命令，发送 3 次后不再尝试发送，丢弃该包数据。数据指令由包头（2B）、包长度（2B）、命令（1B）、包序号（1B）、Flags(2B)、有效负载以及校验和（1B）组成。

发送通用协议消息数据程序如下：static int32_t gizProtocolCommonAck(protocolHead_t *head){int32_t ret = 0;protocolCommon_t ack; i f ( N U L L = = head){G I Z W I T S _ L O G ( " E R R :gizProtocolCommonAck data is empty \n");return-1;}memcpy((uint8_t *)&ack, (uint8_t *)head,sizeof(protocolHead_t));ack.head.cmd = ack.head.cmd+1;ack.head.len = exchangeBytes(sizeof(protocolCommon_t)-4);ack.sum = gizProtocolSum((uint8_t *)&ack,sizeof(protocolCommon_t));r e t = u a r t Wr i t e ( ( u i n t 8 _ t * ) & a c k ,sizeof(protocolCommon_t));if(ret < 0){GIZWITS_LOG("ERR: uartwrite error %d \n", ret);}return ret;}

2.3 电机驱动电路及程序控制本设备大棚卷帘机的驱动电机采用的为直流减速电机，通过控制两个端口的信号输入，则可控制大棚卷帘机的打开与关闭。

电路设计图

其驱动程序如下：case EVENT_JUANLIAN: // 卷帘currentDataPoint.valueJUANLIAN =dataPointPtr->valueJUANLIAN;GIZWITS_LOG("Evt: EVENT_JUANLIAN%d \n", currentDataPoint.valueJUANLIAN);if(shou==0){if(0x01 == currentDataPoint.valueJUANLIAN){juan=1;HAL_GPIO_WritePin(GPIOC,GPIO_PIN_1,GPIO_PIN_RESET);HAL_GPIO_WritePin(GPIOC,GPIO_ PIN_6,GPIO_PIN_SET);}else{juan=0;HAL_GPIO_WritePin(GPIOC,GPIO_PIN_1,GPIO_PIN_RESET);HAL_GPIO_WritePin(GPIOC,GPIO_PIN_6,GPIO_PIN_RESET);}} break;

3 结语

本文所要制作的设备是在大棚发展过程中与现实科技相结合的成果。在越来越智能化，信息化的今天，大棚的物联网时代逐渐进入人们的视线，在经过多次实地调研后，加入了上述的功能，以后根据实际产生的问题，可进一步加入到本设备中，具有二次开发能力，真正实现大棚物联网时代的开发与应用。

参考文献[1] 孙光宇 , 张玲玲编著 .Android 物联网开发从入门到实战 [M]. 清华大学出版社 ,2014.[2] 刘军编著 . 物联网技术 [M]. 机械工业出版社 ,2007.[3] 刘火良 , 杨森编著 .STM32 库开发实战指南 - 基于 STM32F4[M]. 机械工业出版社 ,2011.

关于机智云

机智云AIoT自助开发平台提供多种在线自动开发工具、多型号Gagent固件（Wi-Fi、GPRS、4G等主流联网方式的固件）、[color=var(--weui-LINK)]多型号MCU代码自动生成器（51、STM32、arduino等）、[color=var(--weui-LINK)]开源跨平台APP SDK（iOS、Android、APiCloud)、[color=var(--weui-LINK)]开源案例和在线教程，以及社区及FAE支持，帮助开发者0成本、快速实现IoT设备远程控制、数据采集分析、设备及用户管理等应用开发，详见：www.gizwits.com