基于单片机的智能温度控制系统设计外文翻译资料

武汉理工大学

毕业设计（论文）

基于单片机的智能温度控制系统设计

李军 孟先玲 宋文龙

摘要：提出了一种基于单片机的智能温度控制系统的设计方法。将智能温度控制系统分为四个部分：监控系统、加热炉、控制过程、反馈回路。其中包括温度检测电路和利用传感器检测水的电导率实现水位检测电路设计。光耦合器MOC3041实现功率控制电路，其控制对象是用220V交流电源1千瓦的电热水器；键盘和显示电路分别包括四个按键和LCD显示来实现人机交互；基于STC89C52单片机系统，利用传感器采集信号、键盘设定目标温度，自动调节功率完成水的温度控制。通过静态和动态数据测试，结果表明，该方法提供了一种有效的方式来实现实时采集和控制的温度。

关键词：单片机；温度传感器；功率控制；可控硅

1引言

温度是热的和冷的对象一个物理量的表示，在我们的生产和生活是最基本的物理量之一。温度测量涉及工业和农业生产的各个领域。温度控制是保证工业生产的有效性的关键。温度控制系统是真空熔炼的重要组成部分。因此，温度控制系统获得了广泛的应用，如工业文化绿色粮仓、熏蒸空调系统等等。如何通过实时监测数据选择最优控制策略成为节能运行的关键因素。

目前很多策略已被应用于温度控制系统。模糊自校正比例积分微分法算法在温度控制系统中有广泛的应用，它易于实现且有效。提出了一种温度控制策略提出改变凝结水的温度，从而最大限度地提高联合冷水机组性能和冷却塔系统的性能。本文提出了一个典型的多变量、大滞后、非线性系统的模糊控制，基于Elman神经网络和预测原理根据试验环境修正输入输出反馈使系统得到一个稳定的温度值，设计的自我保持与自适应PID解耦控制器，实现了快速、精确，特别是独立的上游和下游的双重温度控制空气流场的动态真空（DAFDV）耦合系统。

目前的研究着重于软件设计，包括方法和策略，以控制温度变化，在不同的应用领域和研究工作的温度控制系统的硬件设计是比较小的。然而，如果没有相应的硬件支持，一个好的方法也无法使用。本文的主要工作是对硬件电路进行设计。采用单片机开发的智能温度控制系统，具有控制方便、成本低、灵活性强等优点。实验证明，该设计对提高温度控制的技术指标有明显的效果。作为硬件支持，我们的控制系统将适用于其他温度控制方法。

2系统结构设计

该控制系统包括四个单元，如显示器、加热器、控制过程（存储箱）和反馈回路（温度检测电路）。图1显示了所设计的控制系统的图。

在图1中，水箱是被控对象；水箱的温度由温度传感器检测，然后将信号传送给单片机。将反馈信号和预制信号通过单片机进行比较，得到温控反馈数据。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，从而使温度在我们的系统得到控制。在这里，干扰信号主要是由于加热功率与其他物体接触引起的变化。

图1系统结构图

3系统电路设计

根据控制系统的结构图，我们可以建立的电路原理图，如图所示。

图2系统电路图

在本文中，被控对象被假定为是一个封闭的水箱。该系统由温度检测电路、电源控制电路、水位检测电路、键盘和显示电路、报警电路和单片机AT89C52组成。

3.1温度检测电路

在这一部分中，我们使用数字温度传感器DS18B20检测温度。图3显示了DS18B20的封装图。新一代的总线是达拉斯公司为DS18B20数字温度传感器设计生产的。它适用于各种恶劣环境，具有使用方便、测温电路简单、体积小、价格低、抗干扰能力强等优点。

图3.DS18B20封装图

3.2功率控制电路

在这里，我们采用光耦合器MOC3041耦合传输信号，隔离干扰的作用实现功率控制电路。图4显示电源控制电路。热的I/O提供加热驱动输出信号；通过74LS04反相器，将反相信号输入驱动光耦合器MOC3041。当热输出高电平，反相输出低，电路处于接通状态，即双向晶闸管和热电路接通，然后通过加热管加热水箱。

图4.功率控制电路

3.3水位检测电路

为了节省成本，我们设计了水位检测电路，通过检测水的电导率。如图5所示，三个金属棒分别安装在水箱的不同高度。A是在水箱的底部，连接一个5伏的电源；金属棒B和C代表水位最低和最高水平，与地相通。当水位低于B水面时，则B的状态为“0”。同时，系统给出报警信号，而水少的工作指示灯和电磁水阀打开，注入水；当水位上升B水位，A和B导电连通；B的状态是“1”，C是“0”。报警信号消失，“正常工作”指示灯亮起。当水位上升到C，C和A的导电连通时，B和C的状态都是“1”，然后阀门被关闭并停止注入水。

图5.水位检测电路

3.4键盘和显示电路

四个按键的键盘是直接与单片机的PI端口作为输入端口设置预制温度如图6（a）。我们选择LCD1602（16x2字符点阵液晶屏）液晶显示电路，可实现人机交互，如预制温度和温度的实时检测，如图6（B）所示。

图6.键盘显示电路

3.5报警电路

蜂鸣器和发光二极管组成的报警电路，如图7所示。当水箱水位低于下限时，蜂鸣器发出报警，系统点亮低水位报警灯；上升时的平直的水位达到上限时，系统关闭低水位灯，打开正常水位的灯。

图7.报警电路图

4测试结果

4.1系统测试仪

我们有许多可供选择的测试仪器，如双踪稳压稳流电源（dh1718e-5），数字示波器（泰克示波器），仿真器（we1fue6000／L）、多功能数字表（gdm-8145）、PC，温度计，电加热杯和一个计时表。

4.2测试结果

（1）我们将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温度值（1602液晶），当我们测量的温度与实际温度结果相比较，如图8所示。我们可以得出这样的结论：静态温度传感器测量结果和实际测量的温度计是一致的。因此，温度传感器的测量结果是可靠的，该系统可以符合设计要求。

图8.温度检测测试结果

（2）设定目标温度75℃我们可以观察到液晶显示器（液晶1602）的温度值，而我们用温度计测量每30秒的水温并记录结果，如图9所示（在加热前，温度为25℃）。

图9.温度加热稳定性测试结果

通过比较，我们可以看到，在加热和报警的过程中所测得的温度和实际温度是在允许范围内。虽然有误差，但也不影响结果。因此，我们的系统达到设计要求。

参考文献(15条)

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基于单片机的熏蒸温度控制系统的设计

摘要：为了减轻这种温度非线性、严重滞后的、大幅度的波动的问题，我们设计了一种基于AT89C52单片机的熏蒸温度控制系统。改进的PID算法和脉宽调制（PWM）技术相结合，在整个过程中减少超调，缩短熏蒸温度滞后时间控制。我们的测试结果表明，该设计实现了良好的温度控制能力和动态性能。基于此设计的熏蒸温度控制系统具有很好的稳定性和可靠性，具有友好的人机界面，便于操作。设计中使用的电路和程序具有很好的通用性和可移植性。

1．简介

熏蒸疗法是利用液体中的液体的蒸发产生蒸汽，直接进入病人的靶部位。熏蒸疗法结合中医热疗法、蒸汽疗法、离子导入。这样的治疗一般能快速疗效，副作用小，对患者无疼痛。因此，它在医疗保健领域具有很高的推广价值。温度控制是保证熏蒸处理的有效性的关键。传统的人工温度控制方法，可引起大幅度的温度波动。因此，治疗的有效性高度依赖于操作者的经验，而缺乏经验往往使熏蒸治疗效率不高。此外，熏蒸控制参数不能根据个别病人的具体情况实时修改。为了解决以上问题，保证熏蒸处理的有效性，本文提出了一种基于单片机的控制系统，具有精度高、体积小、可靠性高、应用前景好的设计方案。

图1.温度控制系统的结构图

2.系统概述

图1显示了所设计的控制系统的图。它包括信号采集，中央处理，信息显示（发光二极管，液晶显示器），键盘控制，和控制对象（加热器和风扇）的单元。操作员通过键盘设定的温度和时间值，单片机AT89C52接收数据，执行使用脉冲宽度调制（PWM）控制算法的计算技术、固态继电器控制加热炉的加热功率和冷却风扇（辅助散热）。当温度超过设定点时，加热炉停止，冷却风扇开始促进散热。当温度低于设定点时，加热炉开始，冷却风扇停止。系统工作状态实时反馈到LED和LCD显示。

3.控制理论

熏蒸蒸汽温度控制是一种纯滞后系统，是一种比较复杂的控制对象。常规的控制不太有效。为了进一步提高其温度控制性能，本设计采用改进的PID控制策略。

3.1改进的算法

在改进的控制算法中，只应用于输出数据，而不是输入数据。差分输出信号包括目标参数和它们的变化率，这样的信号反馈到在超调预防中使用。该算法补偿系统磁滞效应，提高了整体熏蒸过程[1-3]的性能。改进的PID控制系统具有以下传递函数：

3.2对象控制模型和参数初始化

控制对象的模型是基于一系列的开环实验建立的，系统默认的初始温度为室温，即20°C。基于数据分析的多运行筛选实验，我们选择了30为采样间隔。得到稳定的实验数据，然后得到相应的温度阶跃响应曲线如图2。

图2温度阶跃响应曲线

PID控制器参数的提取采用一般的工程方法，有以下步骤：

• 求被控对象的纯滞后时间和上升时间

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