1、智能温度控制系统方案智能温度控制系统设计(硬件)摘 要 温度控制对于人们日常生活、生产具有重要意义,针对我国北方冬季供暖系统的特点及存在的不足，设计了基于单片机控制技术的室智能温度控制系统，采用DS18B20采集温度，利用电磁阀的开关控制供热水管中的水流量，并且利用模糊控制技术实现了室温度的精确控制，给用户带来了很大的方便，系统的实现将对减少热能的浪费及提高人们的生活质量起着重要的作用。从温度控制系统的发展来看，以单片机为核心构成的微机温度控制系统调节装置己经成为主要的发展方向。对于温室温度这个被控对象，有很多控制方案可选。首选方案就是PID控制，因为它简单，容易实现,它有可消除稳态误差的优点
2、，但它的快速性和超调量之间的矛盾关系，使它不能满足控制的技术要求。其次就是模糊控制，它的优点是超调量很小，但是稳态误差却很大。最后是用模糊规则参数的模糊自整定PID控制方法，基本上能够达到反应速度快、零超调、稳态误差小的理想结果。本文简述了温度控制器的应用及其原理，介绍了基于单片机的检测系统的硬件设计，并说明了用模糊自整定PID控制方法设计出的温度控制的控制算法及其系统实现方法，实现对温度的检测，显示和控制功能。此外，本文还详细介绍了系统硬件和软件设计原理。 关键词：单片机；智能温度控制；DS18B20；PID 控制；串口通信温度控制； Design Of Intelligent Temper
3、ature Control System Design（Hardware）ABSTRACT窗体顶端 Temperature control for peoples daily life, the production of great significance, characteristics and shortcomings of Chinas northern winter heating system, the design of microcontroller-based control technology for indoor smart temperature control s
4、ystem, using the DS18B20 collection temperature, the solenoid valve switch controlthe flow of water in the heating pipes, and fuzzy control technology to achieve accurate control of room temperature, has brought great convenience to the user, the system will reduce energy waste and improve peoples q
5、uality of life plays an importantrole. From the perspective of the development of the temperature control system to single-chip microcomputer temperature control system for the core components of the adjustment device has become the main direction of development. Greenhouse temperature controlled ob
6、ject, a lot of control scheme is optional. The preferred solution is the PID control, because it is simple, easy to implement, it has the advantages that can eliminate the steady state error, but the contradictory relationship between the fast and overshoot, so that it can not meet control technolog
7、y requirements. Secondly, fuzzy control, it has the advantage of very small overshoot, but the steady-state error. Finally, the fuzzy rule parameters of the fuzzy self-tuning PID control method is basically able to achieve fast response, zero overshoot, small steady state error of the desired result
8、. This paper outlines the application of the principle of the temperature controller, microcontroller-based detection system hardware design, and describes the design of the fuzzy self-tuning PID control method control temperature control algorithm and its implementation, to achieve temperature meas
9、urement, display and control functions. In addition, the article also details the system hardware and software design principles.Key words: AT89C51 ; temperature control; DS18B20 ; PID control; serial communication temperature control;第一章 绪论1.1课题研究背景与意义1.1.1课题研究背景 温度是生产、科学和日常生活中非常普遍而又十分重要的物理参数。在工业生产
10、过程中，为了高效地进行生产，必须对生产工艺过程中的主要参数，准确地测量和有效地控制。温度是优质、高产、低耗和安全生产的重要条件。在很多生产过程中，温度的测量和控制都直接和安全生产、提高生产效率、保证产品质量、节约能源等重大技术经济指标相联系。 在大力提倡节能减排以及追求高质量生活的今天，冬季供暖系统存在的不足日益显现出来。我国北方城市大部分采用集中供暖，在整个供暖期，无论室有人与无人，系统全天连续供暖；系统热能的输送是不变的，不能根据室外温度的变化以及个人对室温的不同要求做出相应的调整，这就造成了热能的严重浪费以及供暖不人性化等问题。现今世界能源日益紧缺。据测算，目前我国民用建筑耗能量占全国商
11、品能源消耗的25，其中采暖能耗为60，相当于发达国家在同等条件的采暖能耗的三倍，在同等条件下，耗费了更多的煤矿资源，为此我们需要设计出节能环保的供热系统，以减少资源的浪费。设计一种比较理想的温度控制系统是非常有价值的.日常生活中，温度值也是一个重要的参考量。人们的居室，医院等环境都要求对温度的有一定的控制。此外，对温度信息的釆集，检测，控制, 不仅保证产品质量，还节约能源,安全生活生产方面积极作用。这就使得温度的控制，温度值釆集成为 了人们日常生活生产中一个极有意义的工作。由于温度的采集，控制属于四遥遥测、遥信、遥控、遥调）领域。单片机在凭借其在系统设计中的成本、复杂度和系统稳定性方而的优势，
12、在控制领域中得到了广泛运用。自70年代以来，国外温度控制系统发展迅速，并在智能化自适应参数自整定方面取得成果。并且生产出了一批商品化的性能优异的温度控制器及仪器仪表，目前国外温度控制系统及仪表正朝着高精度智能化、小型化等方面迅速发展。温度控制系统的国的各行各业的应用虽然已经十分广泛但从国生产的温度控制器来看总体发展水平仍然不高，同国外的先进国家相比仍然有着较大差距。目前我过在这方面总体技术水平处于20世纪80年代中后期水平成熟产品主要以点位控制及常规的PID控制器为主，它只能适应于一般温度系统控制难于控制滞后复杂时变温度系统控制，进入21世纪后智能温度控制器正朝着高精度、多功能、总线标准化、高
13、可靠性及安全性等方向迅速发展。设计开展之前，本人当前一些温度控制系统进行详细的调硏，对比总结了其中的优缺点。基于当前 的一些温度控制系统数据都没有传送至PC机。本设计将温度数据传送至PC上，方便后续处理。可将PC得到的数据，运用不同的PC应用软件，进行统计工作，远程操作。1.1.2 课题硏究意义 对于不同的用户其对室温的要求不同，当温度高于用户要求时，一般采取的方法是打开窗户进行温度调节。特别是对于长期外出的时候用户不能对使用状态进行控制，这样造成很大的能源浪费，对用户来讲承担了一部分不必要的经济支出。目前世界发达国家集中供热系统都已实现了系统的自动监测和控制。自动化监测和控制是集中供热系统供
14、热可靠、节能运行、提高运行效率和降低运行成本的重要手段,其容有流量、温度、压力、热量和报警等。但是在我国，甚至在世界发达国家对用户单元进行自主控制的要求的产品还没有。鉴于上述情况，提出了供暖温度的智能控制设计。 本设计主要是测量室温度，并根据室温要求对其进行控制，使温度能够很好的满足住户的要求，在要求的温度围保证其精确度，并且能够做到连续控制，大大的减少了能源的浪费；并可通过红外检测室有人与无人系统自动调节室的温度，合理的减少了热能的浪费，提高了人们的生活质量。基于温度控制在日常生活生产的重要意义，温度控制系统的设计成了重要的设计课题，当前温控系统种类繁多，而且功能不一，应用闹广泛。本文介绍一
15、种智能化温度控制系统的设计。其硬件系统是以单片机作为控制器，通过控制温度传感器进行数据釆集，同吋建立起单片机与PC机的通信连接，方便温度数据传输，方便温度统计工作，还可扩展成为多点温度采集系统，温度环境的监控等功能。1.2 系统方案分析1.2.1 系统硬件方案分析 目前，温度控制系统的一般采用模拟电路和单片机以及PLC三种形式。 方案一：采用模拟控制电路，模拟控制电路各控制环节一般由运算放大器、电压比较器、模拟集成电路以及电容、电阻等外围元器件组成。它的最大优点是系统响应速度快，能实现对系统的实时控制。在本系统中，由于温度的变化是一个相对缓慢的过程，对温控系统的实时性要求不是很高，所以模拟电路
16、的优势得不到体现。 方案二：采用单片机作为控制核心。单片机是大规模集成电路技术发展的产物，属于第四代电子计算机。它是把中央处理单元CPU、随机存取存储器RAM、只读存储器ROM、定时/计数器以及I/O输入输出接口电路等主要计算机部件都集成在一块集成电路芯片上的微型计算机，它的特点是：功能强大、运算速度快、体积小巧、价格低廉、稳定可靠、应用广泛。由此可见，采用单片机设计控制系统，不仅可以降低开发成本，精简系统结构，而且控制算法由软件实现，还可以提高系统的兼容性和可移植性。 方案三：采用PLC作为控制电路的核心，其他部分的电路采用和方案二同样的设计。这种方案不仅具有和方案二同样的控制精度，而且整个
17、电路的稳定性比方案二更高，但是PLC的价格远远高于单片机，其不适合大批量的生产，所以考虑到价格因素，此种方案不宜选择。综上分析,本文采用采用方案二。系统由单片机AT89C51、温度采集电路、键盘电路、显示电路、串口通讯模块，温度控制模块等部分组成。 目前，市面上的单片机不仅种类繁多，而且在性能方面也各有所长。AT89C51单片机是ATMEL公司出品的与MCS-51系列兼容的低电压、高性能CMOS 8位单片机。本系统选择AT89C51为核心器件组成的控制系统。1.2.2 系统软件方案分析在目前的单片机软件开发中，常用的语言是汇编语言和C语言两种。汇编语言是一种文字用助记符来表示机器指令的符号语言
18、，其优点是程序占用资源少、运行速度快、执行效率高，但具有缺乏通用性、程序可移植性差、编程比高级语言困难等缺点。C语言是是一种结构化程序设计语言，可产生紧凑代码。C语言可以进行许多机器级函数控制而不用汇编语言，汇编语言相比，C语言有如下优点：对单片机的指令系统不要求了解，仅要求对单片机的存储器结构有初步了解；寄存器的分配、不同存储器的寻址及数据类型等细节可由编译器管理；程序有规的结构、可分为不同的函数，这种方式可使程序结构化；具有将可变的选择与特殊操作组合在一起的能力，改善了程序的可读性；关键字及运算函数可以近似人的思维过程方式使用；编程及程序调试时间显著缩短，从而提高效率；提供的库包含许多标准
19、子程序，具有较强的数据处理能力；具有方便的模块化编程技术，已编好的程序可容易的植入新程序。C语言作为一种非常方便的语言而得到广泛的支持，C语言程序本身并不依赖于机器硬件系统，基本上不做修改就可以根据单片机的不同较快的移植过来。鉴于C语言编程有众多优点，在本设计中，采用的是C语言编写程序。第二章 系统功能与结构2.1 系统功能2.1.1 系统参数 所选用温度传感器的测量围：050，温度测量误差03，适用中性介质。选用电磁阀。完成功能：将传感器输出的模拟电压信号进行A/D转换，数据处理和显示，温度控制。 2.1.2 系统功能结合实际情况，所设计系统应具有以下功能：（1）实时采集室温度，并显示于显示
20、器上；（2）根据温度的设定围自动调节温度；（3）串行传送数据；（4）控制外围；（5）可扩展形成多点温度采集；（6）温度控制围在设定温度2。2.2 系统的构成 2.2.1 组成结构 智能温度控制系统的硬件设计主要由核心控制器单片机89C51、温度采集模块温度传感器DS18B20、温度显示器LED、和流量控制阀等模块构成。图一为室智能温度控制系统的构成。 图2-1 系统总体结构（1）核心控制器:釆用单片机AT89C51；2温度釆集模块：温度传感器DS18B20；（3）温度显示模块：数码管；（4）外部设备控制电路；（5）温度智能化控制模块：PC机。（6）温度存储模块（7）键盘输入模块2.2.2 工作
21、原理 系统核心控制器起着重要的作用，它不仅与温度传感器，外部设备，数码管连接，还通过与串口电平芯片MAX232连接，由数据线连接到PC上，建立起通信连接。上电后，控制器驱动温度传感器工作，进行温度数据釆集，传输。在接到传感器传送过来的温度数据后，进行操作，一方面送至数码管显示模块进行温度显示，另一方面将数据送至PC机上，方便在PC进行一些后续处理，控制操作，方便智能化的实现。第三章 系统硬件设计3.1 核心控制器的设计3.1.1 单片机AT89C51简介 AT89C51是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程FLASH存储器。使用ATMEL公司高密度非易失性存储器技术制造
22、，与工业80C51 产品指令和引脚完 全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于 常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统 可编程Flash，使得AT89C51为众多嵌入式控制应用系统提 供高灵活、超有效的解决方案。 AT89C51具有以下标准功能： 8k字节Flash，256字节RAM， 32 位I/O 口线，看门狗定时器，2 个数据指针，三个16 位 定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口， 片晶振及时钟电路。另外，AT89C51 可降至0Hz 静态逻 辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU 停止工作，允许RAM、定时器/计数器、
23、串口、中断继续工 作。掉电保护方式下，RAM容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，知道下一个中断或硬件复位为止。 图3.1 AT89C51引脚图Fig 3.1 AT89C51 pin diagram主要性能：（1）与MCS-51单片机产品兼容 （2）8K字节在系统可编程FLASH存储器 （3）32个可编程I/O口线 （4）三个16位定时器/计数器 （5）六个中断源 （6）双数据指针3.1.2 单片机引脚功能分配1.控制电路引脚（1）Rst/vpd（9脚）：复位信号备用电源引脚 当输入的复位信号延续2个机器周期以上，高电平即为有效，用以完成单片机的复位操作。复位后影响片特殊功能寄存器的状态
24、，但不影响片RAM状态。同一引脚的Vpd是备用电源输入端（Vpd接5V备用电源）。在Vcc断电时，为保证中的信息不丢失，可使此引脚完成掉电保护功能。 （2）ALE/PROG非（30脚）；地址锁存允许信号/编程脉冲输入端。在系统扩展时，ALE用于控制把P0口输出的低8位地址送入锁存器锁存起来，以实现低位地址和数据的分时传送。此外由于是以1/6晶振频率的固定频率输出的正脉冲，因此可作为外边时钟或外部定时脉冲使用。 （3）PSEN非（29引脚）：外边程序存储器读选通信号。为低电平有效，AT89C51在访问片外程序存储器时，此引脚端输出负脉冲作为读片外程序存储器的选通信号，以实现外部单元的读操作。要检
25、查AT89C51上电平后CPU能否正常到程序存储器中读取指令码，可以用示波器观察引脚PSEN非有无脉冲输出，若有说明正常。 （4）EA非/vPP（31脚）：部和外部程序存储器选择信号。当引脚接高电平时，CPU只访问片4kbyte的EPROM/ROM，执行部程序存储器中的指令，但在程序计数器计数超过0FFF时（即地址大于4kbyte时），将自动转向执行片外大于4kbyte程序存储器的程序。 若EA非引脚接低电平时，CPU只访问外部程序存储器，而不管片是否有程序存储器。 2.I/O(输入/输出）接口引脚（1）并行I/O接口的特点 AT89C51有4个8位并行I/O接口P0-P3，他们都是双向端口，
26、可以进行输入或者输出操作，每个口都有口锁存器和口驱动器两部分组成。此外，它还有一个全双工串行通信口。这4个端口为AT89C51与外围器件或外围设备进行信息（数据、地址、控制信号）交换提供了多功能的输入/输出通道，也为单片机扩展外部功能、构成应用系统提供了必要的条件。 （2）I/O接口电路功能汇总 AT89C51单片机部属单总线结构，因此使系统在结构上增加了灵活性。通过总线，用户可根据应用需要进行多功能的系统扩展，构成用户的实际应用系统。 a、P0口是一个多功能口除可以作为通用的输入/输出口外，还具备用于系统扩展的第二功能。 b、P1口：P1口作为通用I/O接口，它的每一位都可以别编程为通用I/
27、O接口线。 c、P2口：P2口也是一个多功能口，与P0口相似，它除可被用作I/O接口外，在进行系统扩展时，还可以输16位地址总线中的高8位，和P0口共同构成16位的地址总线。d、P3口：P3口也是一个多功能口，除可以作为通用I/O接口外，还具有多种控制功能，为通用I/O接口时和其他具有控制功能的输入/输出引线在一起，共同形成单片机的控制总线。3.2 温度显示模块的设计3.2.1 LED显示器结构及工作原理 LED显示器是单片机应用系统中常用的廉价输出设备。它是由若干个发光二极管组成的，当发光二极管导通时，相应一个笔画划发光，控制某段发光二极管导通，就能显示出某个数码或字符，常用八段LED显示器
28、有两种结构，如图3.2所示。 图 3.2 LED显示器的结构 Fig 3.2 LED display structure 常用的数码管显示器为8段，每一段对应一个发光二极管.分为共阳和共阴两种。共阴极显示的发光二极管的阴极连接在一起，通常此公共阴极接地。当发光二极管的阳极为高电平吋，发光二极管被点亮，相应的段被显示。同样，共阳极的的发光二极管的阳极连接在一起，通常此公共阳极接高电平，当某个发光二极管的阴极接低电平吋，发光二极管被点亮，相应的段被显示。 在静态显示系统中，每位显示器都应有各自的锁存器、译码器（若采用软件译码，译码器可省去）与驱动器，用以锁存各自待显示数字的BCD码或字段码。因此，
29、静态显示系统在每一次显示输出后能够保持显示不变，仅在待显示数字需要改变时，才更新其数字显示锁存器中的容。这种显示占用CPU的时间少，显示稳定可靠。缺点是，当显示的位数较多时，占用的I/O口较多。 在动态显示的系统中，CPU需定时地对每位LED显示器进行扫描，每位LED显示器分时轮流工作，每次只能使一位LED显示，但由于人的视觉暂留现象，仍感觉所有的LED显示器都在同时显示。这种显示的优点是使用硬件少，占用I/O口少。缺点是占用 CPU时间长，只要不执行显示程序，就立刻停止显示。但随着大规模集成电路的发展，目前已有能自动对显示器进行扫描的专用显示芯片，使电路既简单又占用CPU时间。在我们所设计的
30、温度计中数码管显示就是利用的动态显示。3.2.2 LED连接电路将单片机的P0 口作为段码信号输出口，P2 口作为位选端口，如图3.3所示： 图 3.3 LED连接电路 Fig 3.3 LED connection circuit3.3 温度采集模块的设计3.3.1 DS18B20概述 DS18B20与传统的热敏电阻等测温元件相比,它是一种新型的体积小、适用电压宽、与微处理器接口简单的数字化温度传感器。传统的热敏电阻等一些测量温度的元件一般输出的是电压，要转化成控制需要用到的温度数据，需要一系列的外加电路，不仅会使制作成本变髙，同时会使得硬件电路更加复杂。DS18B20温度传感器是芙国DALL
31、AS半导体公司最新推出的一种改进型智能温度传感器，与传统传感器不同，DS18B20可直接将采集到的温度转换成数字信号，通过单条数据先串行发送出去。只要严格严格遵循其规定时序逻辑和脉冲间隔，就能舍去了同步时钟信号线，做到了器件引脚最少化，达到温度釆集目的。与其它温度传感器相比，DS1820具有以下特性： （1）独特的单线接口方式，DS1820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DS1820的双向通讯。 （2）DS1820支持多点组网功能，多个DS1820可以并联在唯一的三线上，实现多点测温。 （3）DS1820在使用中不需要任何外围元件。 （4）温围55125，固有测温分辨率0.5
32、。 （5）测量结果以9位数字量方式串行传送。3.3.2 DS18B02工作原理及功能指令采用TO-92封装的DS18B20有3个引脚，其外观形状跟普通三极管非常相似1、GND为电源地2、DQ为数字信号输入/输出端3、VDD为外接供电电源输入端（在寄生电源接线方式时接地）。由于外部电源供电方式，工作稳定可靠，抗干扰能力强，电路简单，是DS18B20较好的工作方式 图3.4 DS18B02封装图 Fig 3.4 the DS18B02 package diagram低温度系数晶振的振荡频率受温度影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给计数器1。高温度系数晶振随温度变化其振荡率明显改变，所产生的信号作为计数器2的脉冲输入。计数器1和温度寄存器被预置在55所对应的一个基数值。计数器1对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当计数器1的预置值减到0时，温度寄存器的值将加1 ，计数
