智能溫控系統的設計

摘  要： 溫度是生產、生活及科學研究等方面中的一個重要參數，在很多場合起著極為關鍵的作用，需要精確控制。因此，高精度溫度控制器具有廣闊的市場前景和迫切的應用需求。研究和設計了一個由單片機控制的具有一定智能水平的溫度控制系統，能夠按照實際需要設定溫度控制的范圍，并根據在溫度調整過程中的溫度變化情況，輸出智能控制信號，實現溫度的精確控制。

關鍵詞： 溫度控制；單片機；STC89C52；智能

0 引言

　　隨著社會發展和科技進步，溫度的測量及控制在人們的生產、生活和科學研究中發揮著越來越重要的作用[1-3]。在現代社會中，對各種過程的控制要求日趨精密，對于溫度的測量和控制要求也進一步提高[4-9]。目前國內的傳統溫控箱控制精度低，價格高，難以滿足高精度溫度控制的要求，國外的溫度控制箱控制精度高，但價格昂貴，如德國西門子（Siemens）、恩德斯豪斯公司（Endress+Hauser）、美國江森（Johnson）、霍尼韋爾（Honeywell）、羅斯蒙特公司（Rosemount）、英國森威爾（Saswell）、瑞士ABB公司、日本松下公司（Panasonic）等都生產性能優良的溫度控制箱，在社會各行業中得到廣泛的應用。為滿足國內低成本溫度控制要求，本文研制了一個采用單片機控制的高精度智能溫度控制箱，它具有結構緊湊、工藝簡單、智能化等優點。

1 溫控系統硬件設計

　　溫度控制的基本原理是在需要進行溫度控制的場合用傳感器測量其溫度值，與控制器內存儲的溫度值進行比較，當測得的溫度高于或低于設定值時，啟動加熱或降溫設備，使溫度回歸到設定值范圍內。

　　1.1系統總體結構設計

　　本溫控箱以單片機STC89C52作為溫控中心，用溫度傳感器DS18B20作為溫度測量單元，將采集的溫度值經過串行通信方式傳輸到溫控中心進行判斷，并進行智能處理。當測得的溫度T低于設定的最低溫度Tl時，單片機發出控制信號，啟動加熱器件；當測得的溫度T高于設定的溫度Th時，單片機發出控制信號，啟動降溫器件，將溫度保持在設定的范圍內，完成溫控工作。本溫控器帶有LCD顯示模塊和按鍵輸入模塊，可顯示實時溫度值和現場設定溫度控制范圍。溫控系統主要由溫度檢測模塊、單片機控制模塊、溫度顯示模塊、溫控執行模塊（繼電器及加熱、降溫器件）等部分組成。

　　1.2 溫度檢測單元設計

　　為提高測溫精度，降低成本，本溫控箱采用較成熟的DS18B20溫度傳感器來完成溫控箱內部和外部的溫度檢測。DS18B20是由Dallas公司生產的一線式數字溫度傳感器，它將溫度感測、信號變換、數據存儲、A/D轉換等功能集成于一體，其溫度檢測范圍寬，達到-55℃～+125℃，可以用一線總線方式連接微處理器，以編程方式（9~12位）轉換精度，測溫分辨率達0.062 5 ℃。DS18B20溫度傳感器的工作電源可從外部輸入，也可采用寄生電源方式工作；多個DS18B20可以并聯連接到CPU，實現多個DS18B20與CPU的通信，因此連線少，可節省引線和邏輯電路，減少CPU端口的占用，但以增加軟件復雜性為代價，對讀寫的數據位有著嚴格的時序要求。

　　DS18B20溫度傳感器具有體積小、功能強、精度高、連接方便、抗干擾性好等優點，在工業控制、智能家居等環境中得到較廣泛的應用。

　　1.3 溫度控制執行部分設計

　　由于單片機的輸出功率較小，不宜直接驅動繼電器，否則會造成單片機功耗過大，加重單片機內部電源的負擔，易導致單片機工作不穩定。為安全平穩控制繼電器，本溫控系統采用固態繼電器SSR-40DA，固態繼電器也稱作固態開關SSR（Solid State Relay），它是利用現代微電子技術與電力電子技術相結合而發展起來的一種新型無觸點電子開關，集光電藕合、大功率雙向晶閘管及觸發電路、阻容吸收回路于一體，用于代替傳統的電磁式繼電器，實現對單相或者三相電動機的正反轉控制，或者其他控制。無觸點無動作噪音，具有開關速度快、無火花干擾和可靠性高等優點。

　　1.4 溫度顯示模塊

　　溫度顯示模塊采用1602C型字符型液晶顯示器。1602C型顯示器具有功耗低、體積小、顯示內容豐富、超薄輕巧等優點，在袖珍式儀表和低功耗應用系統中應用廣泛，是一種專門用于顯示字母、數字、符號等點陣式的LCD，顯示的格式為16×2行。在模塊內部已經存儲了160個不同的點陣字符圖形，這些字符包括：英文字母的大小寫、阿拉伯數字、常用的符號等，每一個字符都有一個固定的代碼。

　　1.5 加熱／通風執行機構

　　當單片機檢測到溫度不在調控范圍以內時，需要啟動加熱或降溫器件使溫度回到溫控范圍內。一般加熱的方式為電熱絲和風扇，本系統用電熱絲為加熱器件，以風扇為降溫器件。為使溫度變化過程平穩，通常要對加熱或降溫器件的功率進行調整。功率調整的方法一般用可控硅，具體的方式有調相和ＰＷＭ。調相就是調整加在負載上的電壓的導通角，ＰＷＭ是通過調整單位時間內加在負載上的電壓次數來改變負載功率。為降低對電網的污染和對其他用電器件的干擾，本系統采用PWM方式對溫控器件進行調整。

　　1.6 報警電路

　　本溫控箱采用聲光報警方式進行異常狀態報警，以晶體管和蜂鳴器構成聲音報警電路，以紅、綠色發光二極管構成光線報警電路。在系統正常工作時，只有綠色發光二極管點亮；當系統測得的溫度超出設定的溫度范圍，綠色發光二極管熄滅，紅色二極管點亮，同時由單片機控制蜂鳴器發出報警聲，10 s后停止聲音報警。

2 溫控系統軟件設計

　　2.1 控制流程圖

　　智能溫控系統控制流程如圖2所示。系統開機后首先初始化程序，接著進行溫度測量，將測得的溫度值通過顯示屏顯示；檢測是否有按鍵操作，若有則執行按鍵掃描及處理程序，存儲新輸入的溫度控制范圍，若無按鍵操作則直接顯示當前溫度及設定值；將測得的溫度值與設定值進行比較，若在設定范圍內，程序自動返回測量溫度，若不在設定范圍內，則程序根據測得的溫度與設定值，確定調溫停止的溫度，進行智能處理后輸出控制信號，啟動報警，運行加熱或降溫設備進行溫度調節。

　　2.2 軟件設計

　　為實現上述控制流程，達到溫度控制目的，本系統設計了溫度采集程序、LCD顯示程序、按鍵掃描及處理程序、溫度比較及計算程序、智能控制程序、報警程序等，其控制過程如圖2所示。

　　溫度采集程序用于將DS18B20所采集的溫控箱內部、外部溫度通過串行通信送入到指定地址；LCD顯示程序用于顯示測得的溫度值及設定溫度等數據；按鍵掃描及處理程序用于處理按鍵相關事項，即判斷是否有按鍵行為、記錄按鍵輸入值及將輸入值送往指定地址等。

　　傳統的溫控箱只是簡單地將測量得到的實時溫度值與設定值進行比較，控制加熱器件或降溫器件的通斷狀態進行溫度調整。這種控制方式很容易出現過沖現象，對控制精度造成嚴重影響。同時單片機的功能只使用了一小部分，造成了資源浪費。本系統利用單片機的計算和比較功能對加熱和降溫過程進行智能控制，能較好地解決過沖問題，減少加熱和降溫狀態的轉換次數，實現溫度的平穩控制，同時節省能源。

　　在進行智能控制時，根據設定的溫度范圍及探測到的系統溫度，確定加熱或降溫時的結束溫度，如果環境溫度高于設定溫度的上限，則降溫器件停止工作時的溫度由單片機根據公式Th-0.8（Th-Tl）計算出來。當環境溫度低于設定溫度的下限，則加熱器件停止工作時的溫度由單片機根據公式Tl+0.8（Th-Tl）計算出來。當環境溫度在設定溫度的上、下限之間，則降溫器件停止工作時的溫度由單片機根據公式Tl+0.5（Th+Tl）計算出來，通過此種方式進行溫度調控，能有效減少加熱或降溫器件的啟停次數，延長系統壽命，同時也使溫度變化過程更平穩。在調溫過程中以PID方式對系統溫度進行控制，即在控制過程中，將測得實際溫度值與設定值進行比較，經單片機計算后得到溫度的偏差值、偏差變化率等，根據溫度值、偏差值、偏差變化率算出控制增量，以控制加熱器件或風扇的導通時間，達到溫度控制的目的。

　　報警程序用于輸出報警信號，控制報警電路實現聲光報警。

3 總結

本溫控箱以單片機作為溫控系統的中央控制單元，充分利用了單片機的運算功能對溫控過程進行自動控制，實時性強，可實現高精度控制，同時本系統設計合理，結構簡單，具有可靠性高、運行穩定、成本較低、操作簡便等優點，適用于需要較高控制精度的各種場合。