智能温度控制系统的研究和设计文档格式.docx

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职称：

副教授

2011年05月25日

HUANGWen-tian

CollegeofInformationBeijingUnionUniversity

Beijing,China

woshihwt@yahoo

LIJin-ping

xxtjinping@buu.edu

摘要：

智能温度控制系统的原理和功能主要基于AT89S51单片机。

温度监测模块主要由以下几个模块组成：

1数字传感器DS18B20，此系统可以探测、预设温度，显示时间、存储和打印监测数据。

当温度超过或小于预先设定的温度的最大、最小值时，报警系统将工作，预设的温度可以设定为任意值。

这样温度就能被智能的控制在一定范围内。

基于此系统，只需合理更改软件部分即可设计出其他非线性控制系统。

经过实际成产实验，证明此系统的可靠性、准确性、满意度。

关键词：

AT89S51;

单片机;

温度;

DS18B20

1简介

温度是一项在人们日常生活中非常重要的因素。

现当代，温度控制已经不仅仅局限在工业生产，而且同样广泛运用在其他各个领域。

随着生活水平的提高，我们可以发现温度控制已经广泛应用在酒店、工厂，甚至人们的家居生活。

温度控制融入人们的生活已经是大势所趋，所以，测量和控制温度有着重要意义。

基于AT89S51单片机和DS18B20温度传感器，系统将更智能的控制温度，温度可以被设定在一个确定的范围内。

系统还可以在LCD上显示时间，储存和打印监测数据；

当温度超过或小于预先设定的温度的最大、最小值时，系统还可自动将其控制。

通过这些功能，能够保证温度不变。

系统具有高抗干扰能力、高控制精度、高设计弹性等优点，能适合各种环境。

系统主要运用在提高生活质量和生产效率。

同样，此系统可广泛应用在热水器、生物培养液、实验室等。

所以此系统的设计有着深远的意义。

设计大体可分为硬件设计和软件设计。

本文中主要以PID算法为主要研究对象，为克服PID算法适应能力弱的缺点，结合模糊理论研究了一种基于模糊推理的自适应PID控制算法。

模糊控制作为智能控制的一个重要分支，有着无需知道被控对象的数学模型和较强的鲁棒性两大特点，而控制系统是一个大惯性、非线性、慢时变的系统，不易得出精确数学模型，因而采用模糊控制的方法，实现对温度的控制，可有效地提高温度的热效益和加热质量。

模糊控制是以模糊集合、模糊语言变量和模糊逻辑推理为基础的电脑数字控制技术。

它包括三个步骤，即精确量的模糊化；

规则库的建立；

解模糊化。

本文首先论述了模糊PID控制的理论基础，介绍了模糊控制的原理及模糊PID的结构和设计。

然后分析了电加热炉的组成，求出了环节的传递函数，建立了电加热炉系统模型。

再次基础上设计了适用于温度控制系统的模糊PID控制器，利用MATLAB进行仿真，对控制效果进行了详细的分析。

仿真结果说明模糊PID控制器不依赖于系统模型，在响应速度、稳态精度及对干扰的抑制能力等方面均优于常规PID，尤其适用于像电加热炉系统这样的非线性、大滞后且随时干扰严重的系统。

最后通过实验室实验进一步验证了该控制器的控制效果。

本文研究结果证明：

模糊控制在加热炉中的应用是可行的，它可以极大的改善控制效果，在未来加热炉的应用中具有极大的潜力。

温控制系统采用一种非线性补偿的综合原理和方法,这种方法能使系统自动地在两种不同的特性曲线上切换运行,解决了普通温度控制系统的动态温度误差与稳态温度误差两者之间的矛盾,而且结构简单,实施容易。

最后利用利用Matlab对不同的控制算法进行了仿真实验，发现基本PID控制最大的缺点就是控制器参数不能随被控对象的改变而改变，因此不能满足在高精度控制领域中时变系统的控制精度要求;

而模糊控制以其鲁棒性强，对参数变化不敏感等优点已经在多个领域有着广泛的应用。

为此将模糊推理引入到PID控制策略中，仿真试验证明基于模糊推理的自适应PID控制算法提高了传统PID算法的适应能力及控制精度。

另外结合项目要求进行了控制系统的Matlab的仿真实验，并给出了仿真结果，证明本文中所使用的模糊自适应PID控制算法和温度系统设计的合理性和有效性。

温控制系统采用一种非线性补偿的综合原理和方法,这种方法能使系统自动地在两种不同的特性曲线上切换运行,解决了普通温度控制系统的动态温度误差与稳态温度误差两者之间的矛盾,而且结构简单,实施容易

2系统大体设计

智能温度控制的硬件设计方框图如图1，硬件系统包括单片机、温度监测电路、按键控制电路、时钟电路、显示部分、报警部分、驱动电路、外设内存和打印机。

由于AT89S51单片机，DS18B20温度传感器可以将被测信号转化为数字信号，之后信号将送到单片机进行处理。

最后，温度值将会在LCD12232F液晶显示屏。

这些步骤都是为实现温度监测。

按键接口芯片HD7279可用来设定温度值，用单片机保持一定的温度，用LCD显示温度控制值。

此外，时钟芯片DS1302用以显示时间，外设内存6264和迷你打印机TpμP-40/BC分别用来存储和打印监视数据，当温度超过或小于预先设定的温度的最大、最小值时，蜂鸣器将报警。

3硬件设计

〔1〕单片机

AT89S51单片机是一种低功耗，高性能的CMOS8位，容量为4K，系统内置可编程闪存的微型控制器。

该设备采用Atmel的高集成度、非易失性内存技术，并与业界标准的80C51的指令系统和引脚相兼容。

结合一片万能8位CPU和系统内置可编程闪存在一片集成电路芯片上，这使AtmelAT89S51单片机成为了一个能提供高灵活性和低能耗的嵌入式控制应用器件。

单片机微型控制系统如图2。

此外，6264作为外设扩展内存以实现存储监测数据，它是低功耗、8K容量的一片静态随机存取存储器芯片。

因为系统包括打印机，为了节省记忆空间和防止地址空间重叠，一片2-4译码器74LS139芯片接于系统。

〔2〕温度监测电路

温度传感器是系统的核心，达拉斯DS18B20温度传感器支持单总线接口，所有的传感器部分和模数转化电路都像晶体管一样集成在一块芯片。

测量温度的范围为：

-55℃——125℃，其中-10℃——85℃的精确度是±

0.5℃。

由DS18B20温度传感器测量的温度通过单接口总线传输，这样提高了系统的抗干扰能力，使其可以在各种环境下正常的工作。

温度监测电路如图3.

DS18B20温度传感器有两种供电方式。

第一种是外设供电方式：

DS18B20第一管脚接地；

第二管脚作为信号线；

第三管脚接电源。

第二种是供电方式：

此种供电方式有诸多不便，如增加了硬件电路的复杂化，增大了软件控制的难度，降低芯片工作功能等等。

但是，DS18B20可以直接以外置电源的连接方式与单片机的I/O相接。

因此，DS18B20第二管脚与AT89S51单片机P1.3管脚相接，以实现外置电源。

实际上，为了实现远程控制，可以将系统设计成无线电模式，以突破单总线的距离的不足。

〔3〕LCD电路

LCD12232F可用来显示字母、温度值和时间，并提供一个友好的显示屏接口。

12232F是一个可提供容量为8192个，像素为128×

32的汉字数据库，和128个，像素为16×

8，可以进行制图学编码的ASCII码。

它主要包括：

列和行的〔驱动〕，以及128×

32像素的LCD，用以显示图形和7.5×

2的汉字。

12232F以串联或并联的形式与CPU相连，为了节省硬件的资源，12232F的四个输出端与AT89S51单片机串联。

电路的连接方式如图4。

LCD液晶屏的灰度可以通过与LCDVlcd管脚相接的可调电位器调节。

SID用以传输数据，CS为LCD使能端，L+用以控制LCD背光灯。

〔4〕时钟电路

DallasDS1302时钟芯片是高性能、低能耗，带随机存取存储器的时钟芯片。

DS1302有日历时钟和调整时间的功能。

时间数据被读取并送到AT89S51进行处理，然后在LCD上显示。

同时，时间可以用按键进行调整。

时钟电路如图5所示。

DS1302时钟芯片的晶振频率设定为32768HZ，补偿电容最好为6pF左右。

晶振频率比较低，所以可能不会与电容相连，但是不会对时间的精确度产生较大的影响。

后备电源可以与3.6V充电电源相连接。

〔5〕按键控制电路

系统的按键接口由HD7279A驱动。

HD7279A由5V单电源供电，而且无需任何外部驱动，直接与按键和显示屏连接。

根据系统的需求，实现其功能只需7个按键，系统的功能由AT89S51单片机所接受数据决定。

为了节省外部电阻，可用7个相同的按键，其地址编码分别为07H，0FH,17H,1FH,27H,2FH,37H。

此顺序可由编码说明获得。

HD7279A与AT89S51以串联形式连接，只用到4个端口。

如图6所示。

DIG0~DIG6和DP按键分别是行和列的输入端口，其功能是实现按键的控制，译码锁码。

〔6〕报警电路

为了简化电路和方便程序的调试，一个蜂鸣器用当充当报警装置，这使得软件编程更加简单。

如图7所示，蜂鸣器由与AT89S51单片机P1.2管脚连接的9012PNP三极管控制，当温度超过或小于预先设定的温度的最大、最小值时，P2.5输出端口输出低电平，使三极管导通，同时蜂鸣器报警工作。

〔7〕驱动电路

用步进电机作为温度控制的驱动装置。

四相八拍脉冲分配模式是用来驱动电机，而简单的延时程序是用来处理脉冲之间的时间间隔，以获得不同的转速。

步进电机共有两种输出状态。

一种是，当温度超过设定最高温度值时，电机反转，以降低温度。

当温度低于设定最低温度值时，电机正传，以升高温度。

除非不等于预设值。

第二种是，当温度到达两值之间，等于预设值时，电机停止。

通过这些步骤可以实现温度控制。

此外，可以用相应的按键调节电机的速度。

如图8所示，代码数据由AT89S51的A11~A8口（beP2.3~P2.0）输入。

并且被逆变器74LS04反向输出。

最后被2803A功率放大器放大，以驱动电机。

〔8〕打印机

打印机接口电路用以连接打印机和AT89S51，打印监测数据。

系统采用比较流行的TPμP-40B/打印机，这是由AT89S51控制的超小型智能点阵打印机，每行可打印40个5×

7点阵字符，具有丰富的打印命令，240种码字符印刷和图形功能。

有一个锁存器的输入电路和输出电路的三态门的功能，使打印机可以连接到数据总线的单片机AT89S51的情况下直接接口电路。

而对于这种类型的连接，只有查询模式时使用打印机控制的单片机AT89S51，也就是说它是忙的信号状态查询。

该接口电路如图9所示。

4软件设计

按照总体设计要求和系统硬件硬件电路原理，硬件连接，每个模块芯片和功能要求的特性，以及软件可读性的进步，可移植性和调试的方便，需要使软件模块化。

系统流程主要包括以下8个步骤：

POST〔加电自检〕，系统启动，温度检测，报警处理，温度控制，时钟芯片DS1302的操作，液晶显示和按键操作。

主程序流程图如图10所示。

分析一下上述的8个步骤，可以容易的发现，后5个步骤是需要实时操作的。

至于温度的监测，可以用定时器0定时1秒实现，也就是每秒都进行温度的监测。

系统的启动包括，全局变量定义，RAM启动，特殊功能寄存器启动以及外部设备启动。

全局变量的定义，主要是完成对与AT89S51单片机连接的外部接口的定义，以及对内存单位特殊定义。

RAM启动，开始主要是指RAM的内存处理。

例如，当系统通电时间码将在内部单位地址