室內(nèi)溫度自動控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘 要：溫度控制在我們生活與生產(chǎn)中的變得越來越重要。近幾十年來微電子技術(shù)的發(fā)展，使得溫度的自動控制成為可能。當(dāng)當(dāng)前溫度控制技術(shù)在我們生活中許多領(lǐng)域都有應(yīng)用。而傳統(tǒng)的溫度控制技術(shù)大多選擇PID控制方式，這一方式有其固有的缺點(diǎn)，即除了模型難以建立之外，參數(shù)調(diào)整也不便。針對這一問題，通過合理選擇控制器與探測器，對電加熱器進(jìn)行控制，以達(dá)到對房間恒溫控制的目的。本設(shè)計(jì)方案的核心為AT89C51單片機(jī)，使用DS18B20溫度傳感器進(jìn)行溫度采集，通過將采集到的溫度與標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定溫度之間的差值進(jìn)行溫度控制。本方案成本較低，可靠性高，自動化程度好，能夠滿足設(shè)計(jì)需求。

關(guān)鍵詞：溫度控制；DS18B20；AT89C51；單片機(jī)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.23.087

0 前言

溫度控制不論是對我們?nèi)粘Ｉ钸€是工業(yè)生產(chǎn)來說都是極其重要的。隨著多年來科技的快速發(fā)展，溫度的監(jiān)測與控制技術(shù)也逐漸發(fā)展成熟。尤其是近幾十年來微電子技術(shù)的應(yīng)用，使得溫度控制技術(shù)逐漸走向自動化、智能化。

當(dāng)前，溫度控制技術(shù)應(yīng)用于我們生活中的許多場所，如溫室、汽車、發(fā)酵缸等。尤其在工業(yè)生產(chǎn)中，溫度控制系統(tǒng)的性能要求更加苛刻，原因是這一類的控制對象慣性大，存在較為嚴(yán)重的滯后現(xiàn)象，同時干擾因素較多，不利于建立數(shù)學(xué)模型，從而導(dǎo)致控制系統(tǒng)性能不佳，甚至出現(xiàn)不穩(wěn)定和故障等情況。傳統(tǒng)的溫度控制技術(shù)大多選擇PID控制方式，這一方式有其固有的缺點(diǎn)，即除了模型難以建立之外，參數(shù)調(diào)整也不便。針對這一問題，高性能溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有廣泛的應(yīng)用前景與意義。

本設(shè)計(jì)方案的應(yīng)用對象為房間的溫度控制，其核心為單片機(jī)，使用溫度傳感器進(jìn)行溫度采集，通過將采集到的溫度與標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定溫度之間的差值進(jìn)行溫度控制，從而使得溫度維持在標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定溫度。本方案成本較低，可靠性高，自動化程度好，對于系統(tǒng)動態(tài)性能與穩(wěn)定要求不是很高的場合非常的合適。

1 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

本設(shè)計(jì)即以單片機(jī)為核心，使用先進(jìn)數(shù)字式溫度傳感器為探測手段，結(jié)合相應(yīng)的控制模塊和顯示模塊以實(shí)現(xiàn)對室內(nèi)溫度的自動控制。溫度傳感器選擇數(shù)字式溫度傳感器DS18B20，這種傳感器不僅體積小、價格便宜，而且操作方便，性能完全能夠滿足本設(shè)計(jì)對溫度傳感器的需求。主控制部分選用高性能AT89S51單片機(jī)，它可以直接接收溫度傳感器的數(shù)字信號，并且與系統(tǒng)預(yù)設(shè)的設(shè)計(jì)參數(shù)相對比，結(jié)合相應(yīng)的控制電路，通過控制電加熱器工作的時間，已達(dá)到自動溫度控制的目的。

1.2 主要系統(tǒng)模塊選擇

系統(tǒng)主要模塊如圖1所示。系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)較為簡單，數(shù)據(jù)量也不大，通過對單片機(jī)的性能與成本考慮，單片機(jī)型號選擇為AT89S51。這是一款低功耗、高性能的8為單片機(jī)。該單片機(jī)內(nèi)含2可反復(fù)擦寫1000次的Flash只讀存儲器，兼容MCS-51標(biāo)準(zhǔn)指令系統(tǒng)和80C51引腳結(jié)構(gòu)。溫度探測模塊的主要元件是DS18B20型溫度傳感器，將其與單片機(jī)相連作為系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)的輸入端。溫度控制模塊選擇的是是市面上常見的電加熱絲，將連接至單片機(jī)輸出端，根據(jù)不同的輸出信號來控制電加熱器的通斷，以達(dá)到室內(nèi)的溫度控制的目的，選擇的功率是1500W。溫度顯示模塊是一片1602液晶，也就是1602字符型液晶，這是一種專門用于數(shù)字現(xiàn)實(shí)的點(diǎn)陣型液晶顯示器。設(shè)置電路的主要功能是設(shè)置房間所要達(dá)到的溫度參數(shù)，它直接與單片機(jī)相連，輸入信息與溫度傳感器輸入?yún)?shù)作對比，使單片機(jī)對溫控部分發(fā)出相應(yīng)指令。

1.3 系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

1.3.1 溫度探測電路

DS18B20是一種可組網(wǎng)數(shù)字式溫度傳感器，DS18B20相較于其他溫度傳感器具有以下特性：獨(dú)特的單線接口方式，DS18B20在與微處理器連接時僅需要一條口線即可實(shí)現(xiàn)微處理器與DS18B20的雙向通訊。

這種溫度傳感器使用很方便，接線時除了電源輸入和接地之外只需將DQ端作為輸出端連接至單片機(jī)即可。

1.3.2 顯示模塊電路

本設(shè)計(jì)選用1602型液晶顯示器，顯示精度為0.1°C，滿足設(shè)計(jì)需求。顯示模塊電路設(shè)計(jì)如圖4。

1.3.3 溫度控制電路

溫度控制電路主要是用于調(diào)節(jié)電加熱器工作時間，從而來達(dá)到使房間溫度恒定的目的。開關(guān)的通斷是由輸入的調(diào)節(jié)脈沖寬度決定的。調(diào)節(jié)脈沖波占空比變大時（即脈沖寬度變寬），雙向可控硅導(dǎo)通，增加電阻絲的加熱時間。調(diào)節(jié)脈沖波占空比變小時（即脈沖寬度變窄），雙向可控硅斷開，電阻絲的加熱時間縮短，從而使熱量輸入量減小。選擇合適的脈沖寬度即可達(dá)到維持房間溫度的目的。溫度控制電路接線圖如圖5所示，B端為脈沖輸入端，R為電阻絲。

1.3.4 系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)電路圖如圖6所示，核心為AT89C51單片機(jī)。DS18B20探測房間內(nèi)溫度，將溫度信號轉(zhuǎn)換為電信號傳輸至單片機(jī)；單片機(jī)將信號與設(shè)定溫度值做比較，根據(jù)兩者之間的差值來控制電阻絲是否工作已及工作時長；房間內(nèi)溫度的實(shí)時參數(shù)由1602液晶顯示器顯示，非常直觀。系統(tǒng)工作時，只需事先設(shè)置好房間所需要的溫度參數(shù)，整個控制過程全部是自動控制，不需要人為干預(yù)。整個系統(tǒng)連接簡單，成本低廉，適用于收入不高的人群。由于沒有采用傳統(tǒng)的繼電器控制電阻絲的工作，而是選用脈沖波來控制雙向可控硅，發(fā)熱量控制較為合理，減小了溫度控制有滯后給系統(tǒng)調(diào)節(jié)帶來振蕩，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

2 總結(jié)

上文已完成了系統(tǒng)元件的選型和電路設(shè)計(jì)工作。整個系統(tǒng)方案實(shí)現(xiàn)起來較為容易，節(jié)約經(jīng)費(fèi)，性價比高，完全能夠滿足房間內(nèi)溫度控制的目標(biāo)，達(dá)到了設(shè)計(jì)的要求。本設(shè)計(jì)采用單片機(jī)為核心的自動控制電路，精度較高，自動化程度高，房間內(nèi)溫度浮動較低，性能優(yōu)異。本設(shè)計(jì)方案僅是初步的方案設(shè)計(jì)，由于資金技術(shù)的限制并沒有考慮到系統(tǒng)的外形結(jié)構(gòu)和電路的保護(hù)，電熱絲在日常的使用中，需要配套相應(yīng)的保護(hù)措施以保證安全。安全性的另一方面不足是，沒有設(shè)計(jì)超溫保護(hù)電路，當(dāng)系統(tǒng)工作不穩(wěn)定時，如果沒有超溫保護(hù)電路對系統(tǒng)進(jìn)行斷電，會造成房間溫度過高，不僅會造成電量的浪費(fèi)，甚至有可能導(dǎo)致嚴(yán)重后果。可靠性方面，由于設(shè)計(jì)中溫度探測只是單點(diǎn)探測，沒有對照，會造成房間溫度參數(shù)的測量值不準(zhǔn)確，進(jìn)而影響實(shí)際使用。因此在經(jīng)費(fèi)允許的情況下，可以對方案進(jìn)行改良，不僅增加美觀性，還要增加系統(tǒng)可靠性。這些措施提升產(chǎn)品的產(chǎn)品形象的同時，也去除安全隱患，從而增強(qiáng)市場競爭力。

本系統(tǒng)在實(shí)際使用時，可根據(jù)房間對熱量需求的大小，選擇不同功率的電加熱器，使得應(yīng)用范圍大幅拓寬。另外還可以結(jié)合制冷系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)對房間溫度的向上和向下調(diào)控。增加遠(yuǎn)程顯示與功能，可以實(shí)現(xiàn)移動端對系統(tǒng)的控制，滿足當(dāng)今人們對智能家居的需求。這些改進(jìn)將大大增加溫度控制范圍、優(yōu)化用戶體驗(yàn)、完善系統(tǒng)功能。整個系統(tǒng)方案未來在室內(nèi)、溫室、車輛等的溫度控制方面用較好的應(yīng)用前景。

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基金項(xiàng)目：實(shí)驗(yàn)室室內(nèi)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的研究（LY201504）。

作者簡介：黃仕凰（1983-），女，廣東潮州人，碩士，高級實(shí)驗(yàn)師，主要研究方向：軟件工程、電子技術(shù)與虛擬儀器。endprint