基于嵌入式單片機的自動調(diào)溫系統(tǒng)設(shè)計

燕哲

摘 要：隨著社會的進步，經(jīng)濟的發(fā)展，人們的生活水平也在不斷提高。通過計算機進行控制的調(diào)溫系統(tǒng)也開始應(yīng)用于更多領(lǐng)域。自動調(diào)溫系統(tǒng)設(shè)計的主要目的是為了調(diào)溫準確，能把溫度控制在一個相對較小的區(qū)間內(nèi)，同時降低熱量損耗。本文通過基于單片機的自動調(diào)溫系統(tǒng)設(shè)計，對其控制原理與結(jié)構(gòu)進行介紹，并對其優(yōu)勢進行分析。

關(guān)鍵詞：嵌入式單片機？自動調(diào)溫系統(tǒng)？熱量？溫度

隨著社會的進步，我國的經(jīng)濟發(fā)展速度不斷加快，環(huán)境保護意識不斷增強，電力集中供暖成為發(fā)展的趨勢。在供暖系統(tǒng)中，自動調(diào)溫系統(tǒng)將是其核心部分。嵌入式單片機的自動調(diào)溫系統(tǒng)調(diào)溫精度高、消耗能量低，已經(jīng)成為未來溫度控制技術(shù)的應(yīng)用趨勢，得到業(yè)內(nèi)的認可。為此，筆者對單片機自動調(diào)溫系統(tǒng)的原理與結(jié)構(gòu)進行探討，供同行參考。

一、單片機在自動調(diào)溫系統(tǒng)中的應(yīng)用優(yōu)勢

在傳統(tǒng)概念中，溫度調(diào)節(jié)一般是通過人為控制儀表的指針范圍來對燃料進行控制，不僅需要大量的能源，而且控制難度較大，不易掌握，即使經(jīng)驗豐富的操作人員在控制時也難以保證在最短的時間內(nèi)控制好溫度變化。隨著我國節(jié)能減排政策與觀念的不斷加強，節(jié)能溫控技術(shù)將成為現(xiàn)代經(jīng)濟社會發(fā)展中一項重要的節(jié)能技術(shù)。同時計算機信息技術(shù)的發(fā)展，促進了調(diào)溫系統(tǒng)的自動化應(yīng)用水平的不斷提高，并有向智能化發(fā)展的趨勢。基于嵌入式單片機的S3C44B0具有監(jiān)測與控制同時進行的功能，它基于ARM內(nèi)核的16/32位RISC處理器，具有典型的低能耗和優(yōu)質(zhì)性能的特點。

二、自動調(diào)溫系統(tǒng)的控制原理

1.兩種方案比較

目前，在自動調(diào)溫系統(tǒng)設(shè)計概念中，主要有兩種思路，第一種是把熱敏電阻當成主要器件，充分利用它的感溫效應(yīng)，把溫度變化體現(xiàn)到電壓或電流的變化，進行模擬信號與數(shù)字信號的變換，通過單片機進行數(shù)據(jù)處理并顯示到電路上，就可以達到監(jiān)測被測溫度的目的；第二種是采用單一的溫度傳感器，對單片機的電路進行結(jié)合，通過直接獲取被測溫度的方法進行轉(zhuǎn)換。這兩種方案各具有本身的特點。方案二相對于方案一而言，電路設(shè)計大大簡化，應(yīng)用的器件也少了許多，并容易實現(xiàn)軟件設(shè)計，避免了在模數(shù)轉(zhuǎn)換過程中的繁瑣問題。所以在實際的調(diào)溫電路設(shè)計中，我們通常采用第二個方案進行設(shè)計。

2.控制原理分析

在基于嵌入式單片機的溫度自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)計中，以對溫度的監(jiān)測與控制來對整個電能供暖系統(tǒng)進行自動化控制，主要部分由溫度傳感器、步進電動機、單片機、顯示器與供氣閥組成。其中的單片機、傳感器與控制電路形成一個回路。它的控制原理主要是：由傳感器對室內(nèi)的溫度進行數(shù)據(jù)收集，通過線路把收集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)街行目刂破鞯膯纹瑱C中，在控制器完成數(shù)據(jù)分析后，如果溫度輸入低于設(shè)定的溫度值，中心控制器就會對電動機發(fā)出信號，控制正轉(zhuǎn)，加大供水閥流量，保持室內(nèi)溫度呈上升趨勢，這時處理器的實時溫度將會通過LED顯示器進行顯示。反之，如果輸入的溫度值高于預(yù)設(shè)的溫度時，中心控制器也會對電動機發(fā)出相關(guān)的信號對電動機進行控制，調(diào)小供水閥流量，開始抵制室內(nèi)溫度繼續(xù)上升，通過這一過程，保持溫度一直處于設(shè)定溫度值范圍運行。系統(tǒng)的溫度控制過程，省去了傳統(tǒng)的數(shù)模信號轉(zhuǎn)換過程，提高了系統(tǒng)的可靠性，從而準確地實現(xiàn)溫度控制的目的。

三、系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計及其分析

1.傳感器、單片機的選擇及其連接設(shè)計

單片機在系統(tǒng)中處于核心部分，決定著回路控制系統(tǒng)及數(shù)據(jù)采集、處理與顯示的功能，為此筆者主要對傳感器和單片機的選擇以及它的連接設(shè)計進行探討。

經(jīng)過對傳感器市場的調(diào)研，筆者結(jié)合其壽命特點、質(zhì)量特征以及經(jīng)濟性指標，選擇DS18B20溫度傳感器。該溫度傳感器為單總線器材，線路非常簡單，占地小，以鉑電阻測溫方法為基本原理，在同一根通信系統(tǒng)走線上可以同時掛多個溫度傳感器，操作起來非常方便。鉑電阻測溫電路如圖1所示。另外，DS18B20溫度傳感器在實現(xiàn)溫度信息采集的同時，還能夠通過走線連接到單片機，把傳感器與數(shù)字轉(zhuǎn)換電路集成到一起。單片機通過特定的接口與多個傳感器完成數(shù)據(jù)傳輸。這種“一線總線”提高了系統(tǒng)的抗干擾性，對環(huán)境的適應(yīng)性非常強。

單片機把運算器、控制器與輸入接口的多個元件功能集成在一個芯片上，形成了單芯片的計算機，雖然數(shù)量少，但功能并不簡單。單片機的體積小，消耗的電能非常低，在工業(yè)控制領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛，并在未來的智能化發(fā)展中占據(jù)著優(yōu)勢地位。它主要實現(xiàn)對溫度數(shù)字的信息采集與判斷，把數(shù)據(jù)顯示到顯示器上。本設(shè)計采用S3C44B0作為控制器，由于以前的芯片低級版本還能夠正常使用，但在更新方面卻存在缺陷，無法與時俱進，改進后的芯片彌補了前者的不足，提高了應(yīng)用系統(tǒng)的性價比，提高了市場競爭力。

溫度傳感器可以實現(xiàn)電源供電，也可以實現(xiàn)寄生電源供電，本系統(tǒng)使用前者。溫度傳感器的GND為接地端，DQ為信號端，VCC是外接電源輸入端。為了確保傳感器能夠在特定的時鐘周期內(nèi)有穩(wěn)定的電流供應(yīng)，我們將其總線采用MOSFET進行上拉。采用電源供電法時，主機控制溫度轉(zhuǎn)換需要進行初始化、ROM操作指令、存儲器操作指令三個步驟。

2.顯示器電路的設(shè)計

在單片機電路中，一般采用發(fā)光二極管或液晶顯示器兩種方式作為顯示設(shè)備，雖然液晶顯示器分辨率高，但在顯示簡單的溫度數(shù)據(jù)時，發(fā)光二極管卻具有亮度高、壽命長的特點，對圖形顯示沒有要求。采用四段LED數(shù)碼管的方法來進行擴展LED顯示，在動靜態(tài)顯示方面，由于靜態(tài)顯示將利用所有的燈點進行動作，而動態(tài)顯示卻只占用部分燈點，所以為了節(jié)約資源與能源，本系統(tǒng)采用動態(tài)顯示。

為了對系統(tǒng)的設(shè)備進行保護，在設(shè)計時，我們還要增加報警設(shè)計，采用三極管與蜂鳴器連接的方式，當供水的水位過低時，單片機將會發(fā)出信號經(jīng)過三極管放大后推動蜂鳴器工作。

四、模糊控制

本系統(tǒng)采用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法對模塊進行控制。由于溫度調(diào)節(jié)從檢測到實施再到效果體現(xiàn)是一個相對較長的過程，在此過程中并不一定是線性變化，無法建立精確的數(shù)學(xué)模型，所以需要采用模糊控制技術(shù)對室內(nèi)的溫度進行控制，并不斷提高精度設(shè)定。筆者針對動態(tài)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的物理環(huán)境，在室內(nèi)溫度與設(shè)定溫度接近時，不斷把固態(tài)繼電器的導(dǎo)通時間進行降低，以確保達到效果的前提下，使能源的輸出不斷降低。

室內(nèi)模糊控制系統(tǒng)的組成主要由圖2所示，它的核心部分是模糊控制器。整個系統(tǒng)的性能主要與模糊控制的內(nèi)部結(jié)構(gòu)有關(guān)，同時也與控制規(guī)則、合成推理算法與模糊對策等因素有關(guān)。把室內(nèi)溫度的誤差與變化率作為輸入變量，把電磁閥的開啟程度作為輸出量，把輸入量的論域設(shè)定在一定的范圍內(nèi)，把模糊語言分為七個等級，則輸出的論域?qū)U大一倍。在精確量轉(zhuǎn)化成模糊量時，可以把精確量分為幾個檔次，每一檔次對應(yīng)著一個模糊集。

模糊控制器可以利用語言歸納手動控制策略過程。對于實際的控制輸出的變化量必須為定值，所以需要轉(zhuǎn)換為清晰量。

五、效果及結(jié)論

我們采用MATLAB來對模糊系統(tǒng)進行仿真設(shè)計，利用軟件本身的仿真平臺對模糊控制器進行仿真研究。基于軟件圖形化模型環(huán)境來建立的仿真模型可以達到預(yù)期效果，表明模糊控制器提高了系統(tǒng)的響應(yīng)速度，其在調(diào)節(jié)時占用的時間非常短，穩(wěn)定性好，這是傳統(tǒng)的PID控制所達不到的效果。因此通過S3C44B0單片機的控制，可以對溫度控制更加精確，穩(wěn)定性也更強。

六、結(jié)語

隨著技術(shù)的不斷進步，自動化調(diào)溫控制系統(tǒng)設(shè)計將會向著更加智能化的方向發(fā)展。基于目前單片機的調(diào)溫控制系統(tǒng)精確度不斷提高，調(diào)節(jié)效果不斷明顯，智能化趨勢也將在未來發(fā)展中占據(jù)主要地位。通過單片機實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)通信，可以實現(xiàn)遠端自動化控制，更有利于現(xiàn)代社會發(fā)展的需要，能夠在不同的環(huán)境中調(diào)節(jié)精確的溫度。隨著現(xiàn)代計算機信息技術(shù)的不斷發(fā)展，越來越多的現(xiàn)代技術(shù)將會被廣泛應(yīng)用，從而會促進溫度調(diào)節(jié)領(lǐng)域的不斷進步，實現(xiàn)精細化與節(jié)能化。

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（作者單位：中山市技師學(xué)院）