基于AVR單片機控制的恒溫水箱溫度控制系統設計的研究

呂值敏

摘 要：為了實現對恒溫水箱的水溫進行精確的調控，本文提出了基于AVR單片機控制的恒溫水箱溫度控制系統設計的研究。利用AVR系列的ATmage48型單片機作為中央處理器設計了硬件電路，聯合神經網絡改進的PID算法作為軟件核心設計了恒溫水箱溫度控制系統。通過該系統可將水箱內的水溫準確快速的控制在設定溫度范圍內。

關鍵詞：AVR單片機；恒溫水箱；控制系統

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.14.209

0 前言

恒溫水箱的核心因素為將水箱內的水溫按要求控制在一定的溫度范圍內。水溫過高或者過低都將產生不良的影響。為了實現對恒溫水箱的水溫進行準確、實時的控制，本文提出了基于AVR單片機控制的恒溫水箱溫度控制系統設計的研究。利用ATmage48單片機作為中央處理，獲取溫度傳感器采集到的溫度數據，然后啟動神經網絡改進的PID算法，利用采集到的溫度數據以及設定的溫度參數進行計算得出調控量，最后中央處理器再根據調控量對執行部件進行控制，從而實現對恒溫水箱內水溫的調控。

1 恒溫水箱溫度控制系統原理及設計

恒溫水箱溫度控制系統首先通過溫度傳感器對水溫不斷的進行實時采集，并將采集的水溫信號經過信號調理后送入中央控制器，接著中央控制器利用控制算法，根據設定溫度參數以及采集溫度信號計算出調控量，最后中央處理器根據調控量對執行部件進行調控，執行部件根據調控信號對加熱器和制冷器進行相應的控制，從而實現對恒溫水箱溫度的調節。由此，本文對恒溫水箱溫度控制系統進行了整體設計，溫度控制系統的整體設計示意圖如圖1所示。

2 溫度控制系統硬件電路原理及設計

通過從恒溫水箱溫度控制系統原理的分析可知，硬件電路主要由四個部分組成，分別是人機交互部分、中央控制部分、實時溫度監測部分、執行部件控制部分。溫度控制的硬件電路如圖2所示。

從溫度控制系統硬件電路設計圖圖2可見，液晶觸摸屏和警報電路組成了人機交互部分。在此，采用了迪文科技的DMT80480C070_15WT型7寸液晶觸摸屏作為人機交互界面實現的平臺，該液晶觸摸屏具有可視角度寬、分辨率高以及功耗低的特點，能夠滿足恒溫水箱溫度控制系統的要求。同時還采用了喇叭和LED組成了警報電路。本文采用了ATmega48單片機作為中央處理器，該單片機具有高精度、速度快以及穩定性好等特點，能夠適應恒溫水箱中對水溫進行控制的要求。執行部件控制部分主要為可控硅的控制電路，中央控制器通過對可控硅的開度進行調控，從而控制流經加熱器或者制冷器的電信號從而實現對水溫進行控制。

3 溫度控制系統軟件系統設計

溫度控制系統軟件系統的核心為控制算法的設計，本文將采用神經網絡改進的PID算法作為本文的控制算法。PID算法具有原理簡單、容易實現等特點，因此頗受人們喜愛。當用表示比例系數，表示積分系數，表示微分系數時。由于PID算法中的、、三個參數對經驗依賴性較大，導致PID的自適應性能不佳，使得控制精度以及算法魯棒性不理想。對此，本文采用神經網絡算法對這三個參數進行修訂，以形成自適應性能較強的神經網絡改進PID算法，以使得控制算法具有較好的控制精度以及魯棒性能。

神經網絡算法具有將強的學習功能，在此將利用神經網絡算法對、、三個參數進行修訂。當神經網絡中對應、、的學習效率表示為、、時，神經網絡對、、的修訂過程為：

（1）

（2）

（3）

其中，為輸入量，為雅克比行列式。通過神經網絡算法修

訂后的PID算法具有較強的自適應性能，有助于提高恒溫水箱的水溫控制精度。

4 結論

本文利用ATmega48單片機作為中央控制器，聯合神經網絡改進的PID算法設計了恒溫水箱溫度控制系統，該系統能對水箱內的水溫進行實時的監測，并根據監測結果對水溫進行調節，使得恒溫水箱內的水溫始終能保持在預定的溫度范圍內。

參考文獻：

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