基于单片机的智能温度控制系统设计

摘要

本文提出一种基于单片机的智能温度控制系统的设计方法。智能温度控制系统分为四个部分：监控，加热器，控制过程和反馈回路。其中，温度检测电路设计有检测水的电导率的传感器。光耦合器MOC3041用于实现功率控制电路，其控制对象为具有220V交流电的1kW电加热器;键盘和显示电路SMC1602A包括四个按钮和LCD显示，实现人机交互;在单片系统STC89C52上，将传感器信号和键盘设置的目标温度进行比较使电源自动完成水温控制。通过静态和动态数据测试，结果表明该方法提供了一种实现实时采集和温度控制的有效方法。

关键词：微控制器;温度传感器;功率控制;SCR

1.介绍

温度是表示热和冷的物理量也是在我们的生产和生活最基本的物理量。温度测量与工业和农业生产的各种领域有关。温度控制在确保工业生产的有效性上是至关重要的。温度控制系统也是真空冶炼工艺的重要组成部分。因此，温度控制系统被广泛应用，如工业化文化，绿色粮仓，熏蒸疗法，空气-空调系统，等等。如何通过实时监测数据来选择近似最优控制策略已经成为能源节约的关键。

各种策略已应用于温度控制系统。模糊自调比例积分微分（（PID）算法，易于实施并且非常有效，已经广泛应用于温度控制系统。一个最佳接近温度（0AT)控制策略的建议是每小时重置冷凝水温度，以此将组合式冷水机和冷却塔系统

的性能最大化。Zhen提出了一个典型的多变量，长时间延迟非线性系统，采用自我提取规则模糊控制（SERFC）方法来让一个有供气系统和热水系统的建筑物室内温度保持稳定。基于修改输出-输入反馈（OIF) 埃尔曼神经网络预测原理，一个自适应PID去耦控制器被设计成来实现快速，精确，独立控制上游和下游温度的双层空气流场动态真空（DAFDV）耦合系统。本研究集中于软件设计，包括控制在不同应用领域温度变化的方法和策略，关于温度控制系统硬件设计的研究工作都比较少。然而，如果没有相应的硬件支持，一个好的方法也无法使用。在本文中，主要工作是硬件电路的设计。我们用单片机开发智能化温度控制系统，其具有控制方便，低成本，高灵活性优势。在实验中证明了该设计的技术指标能明显改善温度控制效果。作为硬件支持，我们的控制系统将适合其他温度控制方法。随着电子技术和微型计算机的迅速发展，微机测量和控制技术得到了迅速的发展和广泛的应用。单片机具有处理能强、运行速度快、功耗低等优点，应用在温度测量与控制方面，控制简单方便，测量范围广，精度较高。温度是工业生产中常见并且十分重要的参数之一，特别是在冶金、石油、食品、印染等工厂中。由于不同的工艺所需的温度变化曲线各不相同，而现有的温度控制仪大多只能进行恒温控制。因此许多生产过程中加热、保温、降温以及自然降温等操作都是由人工操作的，这就不可避免地产生各种误差，进而影响产品质量，个别采用的温度自动控制系统由于造价较高、操作复杂等原因又限制了在中小企业的应用，因此研究和开发一种实用的温度控制系统成为当务之急。在工业生产过程中需要实时测量控制温度，尤其是在高危生产行业，如花炮生产，煤矿行业等。但依靠人工检测控制既浪费时间，物力，人力，又有一定的危险性，且数据也不准确，因此研究自动的温度测量控制方法和装置具有重要的意义。

2.系统结构设计

控制系统包括四个单元，如监控，加热器，控制过程（储存罐）和反馈回路（温度检测电路）。图一展示了该控制系统流程图。图1，水箱是受控对象;通过温度传感器检测水箱的温度，然后信号被传送到单片机。反馈信号和预制信号与SCM进行比较，这将给出温度控制的量。加热器将接收加热指令。最后，电源控制器可以控制加热管的加热功率并且温度将被控制我们的系统控制。这里，干扰信号主要是由接触其他对象引起的加热功率变化产生的。

3.系统电路设计

根据控制系统结构图，我们可以建立电路原理图，如如图2所示。

在本文中，假定受控对象是一个封闭的水罐。该系统温度检测电路，功率控制电路，一个液位检测电路，键盘和显示器电路，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以检测温度。图3展示了DS18B20的封装图。新一代“总线”DS18B20由达拉斯公司设计用于生产数字温度传感器。它适合各种恶劣环境并且有很多优点，如方便连接，简单的温度测量电路，小尺寸，低价和很强的抗干扰能力。

3.2功率控制电路

这里我们采用光耦合器MOC3041来实现电源控制电路。其耦合发送信号，并隔离干扰信号的影响。 图4展示了功率控制电路。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。当热端输高电平，RP为低电平并且线路是关闭状态时，这时，双向晶闸管和双向晶闸管热回路导通，然后水箱通过电源管加热。

3.3液位检测电路

为了节省成本，我们通过水的电导率来设计液位检测电路。如图5所示。 三个金属条安装在水箱的不同高度。金属条A在水箱的底部并连接5 V电源;条B和C分别代表最低和最高水平，另一端接地。当水位低于B,B和C都比水面高，此时没有电信号，b和c电位为“0”。与此同时，系统发出报警信号，并且缺水指示灯工作，电磁水阀打开注入水。当水位上涨到B,A和B连接，此时b端电位为“1”，c端电位为“0”。报警信号消失，正常指示灯点亮。当水位上涨到C,此时B和C连接，b和c端电位都为“1”，然后阀关闭并停止注射。

3.4键盘和显示器电路

键盘有四个键直接连接微控制器P1端口作为预制温度输入端口设置，如图 6（a）所示。我们选择LCD1602（16times;2字符点阵液晶屏）作为液晶显示电路，其可以实现人机交互，如预制温度和实时温度检测如图6（b）所示。

3.5报警电路

蜂鸣器和发光二极管组成报警电路，如图7所示。当水箱液位低于地面时，蜂鸣器发出报警，系统缺水指示灯打开;否则当水箱水位时达到上限阈值，系统关闭缺水指示灯，并打开正常水位指示灯。

测试结果

4.1系统测试仪器

在我们的测试中使用了许多仪器，例如双跟踪电压电流稳定功率供应器（DH1718E-5），数字示波器（TDS1002），仿真器（WEIFUE6000 / L），多功能数字仪表（GDM-8145），PC（P4CPU2.4），温度计，电加热杯和跑表。

4.2测试结果

1）我们把1升的水放入恒温电热杯并改变其温度。 我们可以观察液晶显示上的温度值（LCD1602），同时我们用一个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实际温度计测量是一致的。因此，温度传感器测量结果可靠，系统符合设计要求。

2）目标温度设定为75℃。 我们可以观察液晶显示屏上的温度值（LCD1602），

同时我们用温度计测量水温,每30秒记录一次结果，如图9所示。（加热前的

温度为25℃）

通过对比，我们可以看到测量温度和实际温度在加热的过程中是一致的，错误也是在允许的范围。虽然有错误，但是他们不会影响结果。因此我们的系统达到设计要求。

结论

本文重点关注片式微型计算机温度控制的应用。 我们用单片机AT89C5作为控制核心并设计了温度实时采集智能控制系统。 测试结果表明我们的设计是合理的，并且达成了所需的效果。系统实现智能化温度控制，同时它有很多优点，如易于控制，低成本和高灵活性。

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单片机在液压数字自适应控制系统中的应用

吴振顺,袁建光,汲永涛,熊汉文

摘要：提出一个参考模型是根据delta;-MRACS自适应控制理论构建，并且用于控制实际的高级液压系统的一级自适应控制器，及其所有硬件系统的使用，包括一个AT89C51单片机， 74Ls373翻转锁存器， 6116存储器，八位ADC0809，等等，以及在液压控制系统研究中获得的令人满意的结果。

介绍

在液压控制系统中，为了提高控制性能，控制方法的最佳优化 ，智能PID调节器，以及状态负反馈控制法等等的一般使用。这些控制方法能在一定程度上给出满意结果，但是受控系统的数学模型必须完全知道。如果受控对象的数学模是全部或部分未知的，或者系统的参数伴随负载和环境在很宽的范围内变化，这些方法不能给出所需的结果。为了提高系统以下精度，本文根据delta;-MRACS自适应控制理论构建了一个自适应控制系统。为了减少控制算法，本文应用了一个参考模型只有一个的一级自适应控制器来控制高级液压控制系统。为了在高级液压控制系统中广泛使用单片机，这篇文章的控制器由AT89C51单片机，74Ls373翻转锁存器， 6116存储器等等组成。大量的实验在液压位置控制系统中已完成，并且获得了满意的结果。

2.一级自适应控制器的组成

2.1控制对象的非最小实现

实际液压系统是高阶非线性的系统。如果我们忽略工作油的压缩性，我们可以采用液压系统作为二级系统。自适应控制系统不仅能够抑制外面世界，环境和自身参数的干扰，而且能有效地消除建模误差。为了简化控制算法和实现单片机的单线控制，高阶液压系统背假设成一级系统，即：Gp(s)= bp/(s ap)（1）

其delta;脉冲传递函数为： GH(delta;)= b/(delta; a)= y(k)/ u(k) (2)

其中 b= bp/ ap(1- e- apT)/ T; a=(1- e- apT)/ T;T-采样周期。

为了获得非最小控制对象实现的Diophantine方程：

k(delta;)p(delta;) h(delta;)r(delta;)= q(delta;)[- rmp(delta;) gamma;(delta;)r(delta;)] (3)

其中 p(delta;)= delta; a,r(delta;)= b.多项式q（delta;），r（delta;），k（delta;），h（delta;）是n-1项，n-m项，n-2项，n-1项稳定标准多项式。根据多项式2 ，我们知道n=1,m=0。然后我们得到下列多项式：q(delta;)= q0,gamma;(delta;)= delta; gamma;0,k(delta;)= 0, h(delta;)= h0.

用以上结论，式3可表示为：h0r(delta;)= q0[- bp(delta;) (delta; gamma;0)r(delta;)]

因此可以得到控制对象的非最小实现：

y(k)= bu(k)/(delta; gamma;0) (h0/ q0)y(k)/(delta; gamma;0)= Theta;zeta;(k) (4)

其中 Theta;=[ b　h0/ q0]T=[theta;1　theta;2]T

zeta;(k)={ u(k)(delta; gamma;0)y(k)　1/(delta; gamma;0)}

其中采样周期为T，zeta;（k）可以选择为：

zeta;1(k)= Tu(k- 1) (1- gamma;0T

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