智能溫控系統(tǒng)的設(shè)計

文春明，覃　曉，黃開連，馬伏花（1.廣西民族大學(xué)　信息科學(xué)與工程學(xué)院，廣西　南寧 530006；2.廣西混雜計算與集成電路設(shè)計分析重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 南寧 530006）

智能溫控系統(tǒng)的設(shè)計

文春明1，2，覃曉1，2，黃開連1，2，馬伏花1，2
（1.廣西民族大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，廣西南寧 530006；2.廣西混雜計算與集成電路設(shè)計分析重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 南寧 530006）

溫度是生產(chǎn)、生活及科學(xué)研究等方面中的一個重要參數(shù)，在很多場合起著極為關(guān)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(yīng)用需求。研究和設(shè)計了一個由單片機(jī)控制的具有一定智能水平的溫度控制系統(tǒng)，能夠按照實(shí)際需要設(shè)定溫度控制的范圍，并根據(jù)在溫度調(diào)整過程中的溫度變化情況，輸出智能控制信號，實(shí)現(xiàn)溫度的精確控制。

溫度控制；單片機(jī)；STC89C52；智能

0　引言

隨著社會發(fā)展和科技進(jìn)步，溫度的測量及控制在人們的生產(chǎn)、生活和科學(xué)研究中發(fā)揮著越來越重要的作用［1-3］。在現(xiàn)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(jìn)一步提高［4-9］。目前國內(nèi)的傳統(tǒng)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(chǎn)性能優(yōu)良的溫度控制箱，在社會各行業(yè)中得到廣泛的應(yīng)用。為滿足國內(nèi)低成本溫度控制要求，本文研制了一個采用單片機(jī)控制的高精度智能溫度控制箱，它具有結(jié)構(gòu)緊湊、工藝簡單、智能化等優(yōu)點(diǎn)。

1　溫控系統(tǒng)硬件設(shè)計

溫度控制的基本原理是在需要進(jìn)行溫度控制的場合用傳感器測量其溫度值，與控制器內(nèi)存儲的溫度值進(jìn)行比較，當(dāng)測得的溫度高于或低于設(shè)定值時，啟動加熱或降溫設(shè)備，使溫度回歸到設(shè)定值范圍內(nèi)，其原理如圖1所示。

圖1　溫度控制系統(tǒng)基本原理圖

1.1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

本溫控箱以單片機(jī) 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(jīng)過串行通信方式傳輸?shù)綔乜刂行倪M(jìn)行判斷，并進(jìn)行智能處理。當(dāng)測得的溫度T低于設(shè)定的最低溫度Tl時，單片機(jī)發(fā)出控制信號，啟動加熱器件；當(dāng)測得的溫度T高于設(shè)定的溫度Th時，單片機(jī)發(fā)出控制信號，啟動降溫器件，將溫度保持在設(shè)定的范圍內(nèi)，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(shí)時溫度值和現(xiàn)場設(shè)定溫度控制范圍。溫控系統(tǒng)主要由溫度檢測模塊、單片機(jī)控制模塊、溫度顯示模塊、溫控執(zhí)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(shè)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(nèi)部和外部的溫度檢測。DS18B20是由Dallas公司生產(chǎn)的一線式數(shù)字溫度傳感器，它將溫度感測、信號變換、數(shù)據(jù)存儲、A/D轉(zhuǎn)換等功能集成于一體，其溫度檢測范圍寬，達(dá)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(zhuǎn)換精度，測溫分辨率達(dá)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(lián)連接到CPU，實(shí)現(xiàn)多個 DS18B20與CPU的通信，因此連線少，可節(jié)省引線和邏輯電路，減少CPU端口的占用，但以增加軟件復(fù)雜性為代價，對讀寫的數(shù)據(jù)位有著嚴(yán)格的時序要求。

DS18B20溫度傳感器具有體積小、功能強(qiáng)、精度高、連接方便、抗干擾性好等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)控制、智能家居等環(huán)境中得到較廣泛的應(yīng)用。

1.3溫度控制執(zhí)行部分設(shè)計

由于單片機(jī)的輸出功率較小，不宜直接驅(qū)動繼電器，否則會造成單片機(jī)功耗過大，加重單片機(jī)內(nèi)部電源的負(fù)擔(dān)，易導(dǎo)致單片機(jī)工作不穩(wěn)定。為安全平穩(wěn)控制繼電器，本溫控系統(tǒng)采用固態(tài)繼電器SSR-40DA，固態(tài)繼電器也稱作固態(tài)開關(guān) SSR（Solid State Relay），它是利用現(xiàn)代微電子技術(shù)與電力電子技術(shù)相結(jié)合而發(fā)展起來的一種新型無觸點(diǎn)電子開關(guān)，集光電藕合、大功率雙向晶閘管及觸發(fā)電路、阻容吸收回路于一體，用于代替?zhèn)鹘y(tǒng)的電磁式繼電器，實(shí)現(xiàn)對單相或者三相電動機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制，或者其他控制。無觸點(diǎn)無動作噪音，具有開關(guān)速度快、無火花干擾和可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。

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(nèi)容豐富、超薄輕巧等優(yōu)點(diǎn)，在袖珍式儀表和低功耗應(yīng)用系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛，是一種專門用于顯示字母、數(shù)字、符號等點(diǎn)陣式的LCD，顯示的格式為16×2行。在模塊內(nèi)部已經(jīng)存儲了160個不同的點(diǎn)陣字符圖形，這些字符包括：英文字母的大小寫、阿拉伯?dāng)?shù)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(fēng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)

當(dāng)單片機(jī)檢測到溫度不在調(diào)控范圍以內(nèi)時，需要啟動加熱或降溫器件使溫度回到溫控范圍內(nèi)。一般加熱的方式為電熱絲和風(fēng)扇，本系統(tǒng)用電熱絲為加熱器件，以風(fēng)扇為降溫器件。為使溫度變化過程平穩(wěn)，通常要對加熱或降溫器件的功率進(jìn)行調(diào)整。功率調(diào)整的方法一般用可控硅，具體的方式有調(diào)相和PWM。調(diào)相就是調(diào)整加在負(fù)載上的電壓的導(dǎo)通角，PWM是通過調(diào)整單位時間內(nèi)加在負(fù)載上的電壓次數(shù)來改變負(fù)載功率。為降低對電網(wǎng)的污染和對其他用電器件的干擾，本系統(tǒng)采用PWM方式對溫控器件進(jìn)行調(diào)整。

1.6報警電路

本溫控箱采用聲光報警方式進(jìn)行異常狀態(tài)報警，以晶體管和蜂鳴器構(gòu)成聲音報警電路，以紅、綠色發(fā)光二極管構(gòu)成光線報警電路。在系統(tǒng)正常工作時，只有綠色發(fā)光二極管點(diǎn)亮；當(dāng)系統(tǒng)測得的溫度超出設(shè)定的溫度范圍，綠色發(fā)光二極管熄滅，紅色二極管點(diǎn)亮，同時由單片機(jī)控制蜂鳴器發(fā)出報警聲，10 s后停止聲音報警。

2　溫控系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.1控制流程圖

智能溫控系統(tǒng)控制流程如圖2所示。系統(tǒng)開機(jī)后首先初始化程序，接著進(jìn)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(zhí)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(dāng)前溫度及設(shè)定值；將測得的溫度值與設(shè)定值進(jìn)行比較，若在設(shè)定范圍內(nèi)，程序自動返回測量溫度，若不在設(shè)定范圍內(nèi)，則程序根據(jù)測得的溫度與設(shè)定值，確定調(diào)溫停止的溫度，進(jìn)行智能處理后輸出控制信號，啟動報警，運(yùn)行加熱或降溫設(shè)備進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)。

圖2　溫控流程圖

2.2軟件設(shè)計

為實(shí)現(xiàn)上述控制流程，達(dá)到溫度控制目的，本系統(tǒng)設(shè)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(nèi)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(shè)定溫度等數(shù)據(jù)；按鍵掃描及處理程序用于處理按鍵相關(guān)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(tǒng)的溫控箱只是簡單地將測量得到的實(shí)時溫度值與設(shè)定值進(jìn)行比較，控制加熱器件或降溫器件的通斷狀態(tài)進(jìn)行溫度調(diào)整。這種控制方式很容易出現(xiàn)過沖現(xiàn)象，對控制精度造成嚴(yán)重影響。同時單片機(jī)的功能只使用了一小部分，造成了資源浪費(fèi)。本系統(tǒng)利用單片機(jī)的計算和比較功能對加熱和降溫過程進(jìn)行智能控制，能較好地解決過沖問題，減少加熱和降溫狀態(tài)的轉(zhuǎn)換次數(shù)，實(shí)現(xiàn)溫度的平穩(wěn)控制，同時節(jié)省能源。

在進(jìn)行智能控制時，根據(jù)設(shè)定的溫度范圍及探測到的系統(tǒng)溫度，確定加熱或降溫時的結(jié)束溫度，如果環(huán)境溫度高于設(shè)定溫度的上限，則降溫器件停止工作時的溫度由單片機(jī)根據(jù)公式Th-0.8（Th-Tl）計算出來。當(dāng)環(huán)境溫度低于設(shè)定溫度的下限，則加熱器件停止工作時的溫度由單片機(jī)根據(jù)公式Tl+0.8（Th-Tl）計算出來。當(dāng)環(huán)境溫度在設(shè)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(jī)根據(jù)公式 Tl+0.5（Th+Tl）計算出來，通過此種方式進(jìn)行溫度調(diào)控，能有效減少加熱或降溫器件的啟停次數(shù)，延長系統(tǒng)壽命，同時也使溫度變化過程更平穩(wěn)。在調(diào)溫過程中以PID方式對系統(tǒng)溫度進(jìn)行控制，即在控制過程中，將測得實(shí)際溫度值與設(shè)定值進(jìn)行比較，經(jīng)單片機(jī)計算后得到溫度的偏差值、偏差變化率等，根據(jù)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(fēng)扇的導(dǎo)通時間，達(dá)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(shí)現(xiàn)聲光報警。

3　總結(jié)

本溫控箱以單片機(jī)作為溫控系統(tǒng)的中央控制單元，充分利用了單片機(jī)的運(yùn)算功能對溫控過程進(jìn)行自動控制，實(shí)時性強(qiáng)，可實(shí)現(xiàn)高精度控制，同時本系統(tǒng)設(shè)計合理，結(jié)構(gòu)簡單，具有可靠性高、運(yùn)行穩(wěn)定、成本較低、操作簡便等優(yōu)點(diǎn)，適用于需要較高控制精度的各種場合。

［1］張瀚文，張博，杜巖，等.多路高精度擴(kuò)散爐溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計［J］.微型機(jī)與應(yīng)用，2013，32（17）：83-86.

［2］劉雷，張高飛，尤政.環(huán)境溫度對RF-MEMS開關(guān)閉合電壓影響研究［J］.傳感器與微系統(tǒng)，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］陳新海，張侃健，魏海坤，等.無人值守的南極科考平臺溫控系統(tǒng)設(shè)計與實(shí)現(xiàn) ［J］.自動化儀表，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］李曉明，馮志書，徐剛，等.基于 PC104的某型航空發(fā)動機(jī)排氣溫度測試系統(tǒng)［J］.微型機(jī)與應(yīng)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，溫志渝，尤政，等.硅基微型超級電容器三維微電極結(jié)構(gòu)制備［J］.電子元件與材料，2012，31（5）：42-45.

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

The design for intelligent temperature control system

Wen Chunming1，2，Qin Xiao1，2，Huang Kailian1，2，Ma Fuhua1，2
（1.College of Information Science and Engineering，Guangxi University for Nationalites，Nanning 530006，China；2.Guangxi Key Laboratory of Hybrid Computation and IC Design Analysis，Nanning 530006，China）

Temperature is an important parameter of production，living and scientific research，etc.It plays a crucial role in many cases and requires precise control.Therefore，high-precision temperature controller has a broad market prospect and urgent application requirement.In this paper，we have researched and designed a temperature control system，which has a certain level of intelligence and controlled by the microcontroller.It can output the intelligent control signal to achieve temperature precise control by the setting range temperature control of the actual needs and the temperature changes of the process of temperature adjustment.

temperature control；SCM；STC89C52；intelligent

TP23

A

1674-7720（2015）05-0085-03

（2014-11-13）

文春明（1969-），男，博士，教授，主要研究方向：智能微系統(tǒng)、無線傳感網(wǎng)絡(luò)。

覃曉（1980-），男，碩士，講師，主要研究方向：嵌入式技術(shù)、儀器儀表。

黃開連（1963-），男，本科，高級工程師，主要研究方向：傳感器及網(wǎng)絡(luò)。