溫度智能儀器設計

1.設計目的

我國北方冬季的室內(nèi)普遍采用集中供暖的取暖方式，這種供熱方式存在的zui大問題就是在 采暖期間，暖氣的溫度不能根據(jù)實際需要來調(diào)節(jié)。以遼寧省為例，供暖時間為當年11月1日至次年4月1日，供暖期間，即從當年11月1日至12月1日初冬時節(jié)、次年3月1日至4 月1日早春時節(jié)，由于白天氣溫多在零度以上，當來暖氣時，室內(nèi)溫度較高，人們不得不打開 窗子散熱。這不僅造成能源的極大浪費，也造成了人工的極大浪費。這種供熱方式存在的zui大 的問題就是在采暖期間，暖氣的溫度不能根據(jù)實際需要進行調(diào)節(jié)。

為了能在集中式供熱取曖系統(tǒng)中，當存在室內(nèi)溫度過高、外出旅游、上班時間等情況，或 對于無人居住的房間，用戶能根據(jù)實際需要對室內(nèi)取暖溫度進行調(diào)節(jié)（即把室內(nèi)溫度調(diào)低）， 達到節(jié)能目的，特設計本測控儀器。

2.設計方案及功能的確定

(1) 由于系統(tǒng)的非線性及時間滯后性，其數(shù)學模型不容易確定，采用常規(guī)的PID算法難以達到預期的效果，而且PID參數(shù)不容易在線整定，因此在設計中，采用模糊控制技術對溫度進行控制。

(2) 考慮到被控對象即室內(nèi)溫度是由暖氣中的熱容量引起的，用電磁閥來控制進水量，由于電磁閥的開關特性不能進行連續(xù)的線性控制，因而只能通過控制電磁閥的通斷時間差來進行 控制，在實現(xiàn)過程中，利用電壓比較器和穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器產(chǎn)生的同步脈沖對雙向晶閘管或固態(tài)繼電 器進行控制，進而驅動電磁閥；同時將同步脈沖與單片機計數(shù)器相連，通過對同步脈沖的計數(shù) 產(chǎn)生中斷，在中斷服務程序中設定定時器初值，實現(xiàn)對觸發(fā)脈沖數(shù)的控制，即實現(xiàn)對電磁閥導 通時間的控制，進而達到控制目的。

(3) 測量器件選用集成溫度傳感器對室內(nèi)溫度進行數(shù)據(jù)釆集，一方面有利于系統(tǒng)集成和制造，穩(wěn)定、可靠；另一方面也使生產(chǎn)成本降低，系統(tǒng)經(jīng)濟、實用。

(4) 顯示功能。

①數(shù)碼顯示。基于模糊邏輯融合的智能取暖溫度測控儀采用LED數(shù)碼管進行顯示，顯示 的內(nèi)容為檢測到的溫度值、用戶設定的溫度值、定時時間、當前時間和定時所余時間。正常工作時，顯示部分顯示檢測到的溫度值，隨著外界環(huán)境溫度和時間的變化，顯示值也在變化；當 用戶對設定值進行改變或者需要查看設定值時（即按下“設置溫度”或“設置定時”鍵)，顯 示的內(nèi)容為設定的值，并隨用戶輸入而改變設定值的數(shù)值-。用戶進行溫度設定時，能夠顯示設 定值；系統(tǒng)正常工作時顯示環(huán)境溫度值；當系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，LED顯示故障狀態(tài)。

②燈光提示。當環(huán)境溫度（傳感器測得的實際溫度）與用戶設定值有偏差時，溫度控制 儀就會自動調(diào)節(jié)，以調(diào)整環(huán)境溫度接近設定值。此時，調(diào)節(jié)指示燈亮。當用戶進行設置時，設 置指示燈亮，用戶設定完成后，系統(tǒng)自動定時5s，然后返回到正常的工作狀態(tài)。當系統(tǒng)出現(xiàn) 故障時，報警燈亮。正常工作時，該燈不亮。

(5) 設定功能。

①設置溫度鍵。如果用戶需要查看當前的設定值，按下此鍵后，顯示即變?yōu)楫斍暗脑O定值。 而如果用戶需要調(diào)整環(huán)境溫度，就要對設定值進行修改，此時，必須先按下此鍵，然后才能對 設定值進行修改，否則升溫和降溫兩個鍵不起作用。*次啟動時，默認的設定值為20°C。

②升溫與降溫鍵。這兩個鍵用于對設定值的修改。按下“設置溫度”鍵后就可以對設定 值進行修改了。每按一次升或者降鍵，基于模糊邏輯融合的智能取暖溫度測控儀的設定值就會 相應地升或者降1°C。 -

③設置定時鍵。如果用戶需要查看當前的設定值，按下此鍵后，顯示即變?yōu)楫斍暗脑O定 值。而如果用戶需要調(diào)整定時時間時，就要對設定值進行修改，此時必須先按下此鍵，然后才 能對設定值進行修改，否則調(diào)時鍵不起作用。*次啟動時，默認的設定值為1h。

④調(diào)時鍵。這個鍵用于對設定值的修改。按下“設置定時”鍵，*次啟動時，默認的設定值為0，每按一次，升高1h，當?shù)?2以后再按鍵時，設定值會變?yōu)?。

⑤啟動/取消定時鍵。如果先按下時定時燈亮，表示現(xiàn)在啟動定時，再按下時，取消定時； 如果不亮，則相反。

用戶可以根據(jù)自己的需要設定當前溫度，設置6個按鍵，分別為“設置顯示（SET)”、“升 溫（▲)”、“降溫（▼)”、“設置時間（SET)”、“升時（▲)”和“降時（▼)”鍵，簡單明了， 可操作性強。由于鍵盤數(shù)較少，采用非編碼鍵盤，獨立式連接。

系統(tǒng)根據(jù)設定值與當前值的偏差和偏差的變化，通過模糊控制器生成控制量，實現(xiàn)對電磁閥通、斷時間的控制，實現(xiàn)對流水量的控制從而達到對室內(nèi)溫度的恒溫控制。

在設計過程中采用模塊化的設計方案使系統(tǒng)便于調(diào)試、維護和升級。同時采用硬件、軟件措施來有效抑制不同方面的干擾，使系統(tǒng)能安全、可靠地工作。

(6) 為方便用戶使用，設計中加入了遙控裝置。遙控器上的按鍵與控制面板上的按鍵一一 對應。

(7) 系統(tǒng)具有故障報警功能。出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)進行聲光報警。

3. 技術指標

(1) 可以自動進行室內(nèi)溫度測量，溫度數(shù)字顯示，具有啟動、停止和溫度設定的功能。

(2) 可以設定溫度范圍為5~30°C。

(3) 系統(tǒng)的精度為0.5°C (即檢測環(huán)境溫度的傳感器檢測到的溫度值與實際的環(huán)境溫度值 相比，其誤差范圍為0.5°C)。

4. 溫度智能儀器系統(tǒng)的硬件設計

(1)硬件系統(tǒng)結構設計。

智能取暖溫度測控儀采用單片機為控制核心。其結構框圖如圖8-16所示。

(2)溫度檢測模塊設計

溫度傳感器采用單線數(shù)字溫度傳感器DS18B20。 DS18B20是美國DALLAS公司推出的增強型單總線數(shù) 字溫度傳感器，可編程分辨率為9?12位。DS18B20 包括4個主要的數(shù)據(jù)部件：64位激光ROM、溫度靈敏 元件、非易失性溫度報警觸發(fā)器TH和TL，以及配置 寄存器。DS18B20還包括一個高速暫存RAM，它包含 9個連續(xù)字節(jié)，前面兩個字節(jié)是測得的溫度信息，*個字節(jié)的內(nèi)容是溫度的低8位，第二個字節(jié)是溫度的高8位，第三個和第四個字節(jié)是TH、TL 的易失性拷貝，第五個字節(jié)是結構寄存器的易失性拷貝，這三個字節(jié)的內(nèi)容在每一次上電復位 時被刷新，第六、七、八個字節(jié)用于內(nèi)部計算，第九個字節(jié)是校驗字節(jié)。

(3)靜態(tài)顯示模塊

顯示模塊采用兩位數(shù)字對溫度進行顯示，顯示的內(nèi)容為測量值與設定值。顯示部分采用了 靜態(tài)顯示的方法，由單片機的串行輸出口將所要顯示數(shù)字對應的數(shù)字量輸出到寄存器74LS164 中，兩片74LS164串聯(lián)，能供給兩位LED顯示。74LS164的Cr端接+ 5V。

用P1.6控制CP信號，即作為單片機串行口的輸出控制。當P1.6=1時，CP端有移位脈沖，允許從RXD端輸出數(shù)據(jù)，更新顯示。當P1.6=0時，CP=0，串行口不能輸出數(shù)據(jù)，顯示內(nèi)容將保持不變，靜態(tài)顯示的電路如圖8-17所示。

(4)控制電路設計

此部分電路的功能即按用戶設定值調(diào)整環(huán)境溫度的執(zhí)行部分。電路如圖8-18所示：

溫度智能儀器系統(tǒng)采用電磁閥對流量進行控制，從而達到對環(huán)境溫度的控制。將電磁閥安 裝在用戶供暖管道的出口，由電磁閥的開與閉控制入戶熱水的流量，實現(xiàn)對室內(nèi)溫度的控制。

單片機通過P1.5輸出控制信號，此控制信號不能直接控制電磁閥，需要通過繼，器達到 弱電控制強電的目的。這里，繼電器采用了固態(tài)繼電器。固態(tài)繼電器（SSR)是一種采用功率 晶體管或晶閘管的功率器件。在電路中作為功率型電子開關，它比一般的繼電器工作可靠，無 噪聲，無火花，開關速度快，對外界電磁干擾小。它與單片機連接時，應接入驅動電路，如三 極管電路。系統(tǒng)工作時，通過P1.5狀態(tài)的改變，控制固態(tài)繼電器的開、關，從而控制電磁閥 的供電狀態(tài)，控制管道流量，實現(xiàn)溫度控制的目的。

5.儀器系統(tǒng)的軟件設計

(1) 主程序流程圖

主程序流程圖如圖8-19所示。

(2) 顯示子程序設計

智能溫度控制儀的顯示子程序流程圖如圖8-20所示。

(3) 調(diào)溫子程序

智能溫度控制儀的調(diào)溫子程序流程圖如圖8-21所示。

(4) 設置子程序

智能溫度控制儀的設置子程序流程圖如圖8-22所示。

(5) 外部中斷1子程序

智能溫度控制儀的外部中斷1子程序流程圖如圖8-23所示。

(6) 溫度檢測子程序

智能溫度控制儀的溫度檢測子程序流程圖如圖8-24所示。