智能温控系统的设计

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

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应用于实时温度控制的单片机设计

目前，水温控制被广泛应用于食品、医药、化工、家电等很多领域，水温控制的好坏直接影响着产品的品质，因此，水温控制具有十分重要的意义。本设计的任务与要求为1 L 水由1 kW的电炉加热，要求水温可以在一定范围内由人工设定，并能在环境温度降低时实现自动调整，以保持设定的温度基本不变。主要性能指标：温度设定范围为25.0~100 ℃，最小区分度为0.1 ℃，温度控制的静态误差小于或等于0.1 ℃，用SMC1602A 液晶显示模块显示实际水温和PID 控制算法中的三个主要参数Kc、Ti、Td 的赋值，用串口调试精灵将PID 控制器的输出和温度采样值显示在PC 机上。

1 系统方案

本设计以STC89C52 单片机为核心，采用了温度传感器DS18B20、RS232 标准接口及PID 控制算法对温度进行控制。

该水温控制系统是一个典型的检测、控制型应用系统，它要求系统完成从水温检测、信号处理、输入、运算，到输出控制电炉加热功率以实现水温控制的全过程。本设计实现了水温的智能化控制以及提供完善的人机交互界面及PC 机与单片机通信接口，系统由PC 机与单片机通信模块、温度检测及其显示模块、PID 控制算法等模块组成，其特点在于采用PC 机与单片机通信，系统框图如图1 所示。

2 硬件电路设计

本电路总体设计包括四部分：主机控制部分(STC89C52)、温度采样与显示电路、温度控制电路、PC 机与单片机通信电路。

2.1 主机控制部分

主机控制部分是电路的核心，系统的控制采用单片机89C52.单片机89C52 内部有8 KB 单元的程序存储器以及512 B 的数据存储器，因此，系统不必扩展外部程序存储器和数据存储器，这样就可以大大减少系统硬件部分的复杂度。

2.2 温度采样与显示电路

系统的信号采集与显示电路主要由温度传感器DS18B20和SMC1602A 液晶显示模块两部分组成。

DS18B20 采用独特的单线接口方式，在与微处理器连接时，仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20 的双向通信。测温范围为-55~+125 ℃，固有测温分辨率为0.5 ℃，工作电源为3~5 V/DC,在使用中不需要任何外围元件，测量结果以9~12 b 数字量方式串行传送，适用于DN15~25、DN40~DN250 各种介质工业管道和狭小空间设备的测温。

SMC1602 液晶显示器以其微功耗、小体积、使用灵活等诸多优点在袖珍式仪表和低功耗应用系统中得到越来越广泛的应用。液晶显示器通常可分为两大类，一类是点阵型，另一类是字符型。点阵型液晶通常面积较大，可以显示图形; 而一般的字符型液晶只有两行，面积小，只能显示字符和一些很简单的图形，简单、易控制且成本低。目前，市面上的字符型液晶绝大多数是基于HD44780 液晶芯片的，所以控制原理是完全相同的，为HD44780 写的控制程序可以很方便地应用于市面上大部分的字符型液晶。字符型LCD 通常有14 条引脚线( 市面上也有很多16 条引脚线的LCD,多出来的2 条线是电源线VCC(15 脚) 和地线GND.

2.3 温度控制电路

此部分电路主要由光电耦合器、三极管和继电器组成。

光电耦合器的耐压值为400 V,它的输出级经三极管将功率放大后控制继电器常开触点的通断，从而最终达到控制电炉子的目的，100 Ω电阻与0.01 μF 电容组成双向可控硅保护电路。

2.4 PC 机与单片机通信电路

为了使系统具有更好的人机交换界面，在系统设计中我们通过Visual Basic 语言设计了微机控制界面。系统与微机的通信大大提高了系统的各方面性能。

由于单片机89C52 串行口为TTL 电平， 而PC 机为RS232 电平，因此，系统采用了MAX232 电平转换芯片来进行电平转换。

因为系统设计了通信功能，即主系统(89C52)和PC 机的通信，所以在观察PID 控制器的输出时更加明显，很大程度上降低了参数整定的难度。另外，通过可视化窗口能够看到系统的采样值。

3 软件设计

本系统的软件设计主要包括三大部分：PC 机与单片机通信模块的软件设计、温度采样与显示电路模块的软件设计、温度控制模块的软件设计。

3.1 主程序流程图

(1) 初始化：设定各参数的初始值，设定串行口、定时器以及液晶显示模块。

(2) PC 机与单片机通信：此部分程序主要完成数据在PC 机和单片机间的相互发送，其主要通过89C52 单片机的半双工串行口完成，从而完成与微机控制接口RS232 的连接及通信的控制。

(3) 温度采集及其显示：主要完成温度信号的采集及其对转换后的数字量进行处理，进而用字符型液晶显示模块将实时温度进行显示。

3.2 PID 控制算法

PID 算法是此温控系统性能好坏的决定性因素。其一般算式及模拟控制规律表达式如下：

式中，u(t)为控制器的输出;e(t)为偏差，即设定值与反馈值之差;Kc 为控制器的放大系数，即比例增益;Ti 为控制器的积分常数;Td 为控制器的微分时间常数。PID 算法的原理即调节Kc、Ti、Td 三个参数，使系统达到稳定。

由于PID 的一般算式不易与单片机处理，因此，在设计中采用了增量型PID 算法。将式(1)转换成：

式(3)中的u(k) 即输出PWM 波的导通时间。其控制算法如图3 所示。

4 测试方法与测试结果

4.1 测试方法

在电炉子中放入1 L 清水，电炉子和控制系统相连，给系统上电，系统进入准备工作状态。分别设定温度为35.3 ℃、40.2 ℃、45 ℃、60 ℃、74.0 ℃、81 ℃，观察设定温度和实际温度，并记录数据。填写表1,同时观察水温变化的动态情况，并记录温度稳定的时间，填写表2.

4.2 测试结果

设定温度与实测温度的数据对比如表1 所列。表2 所列是温度稳定和时间的关系，表2 中的设定温度为50℃，每隔30 s 记录实测温度。

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