温度智能仪器设计

1.设计目的

我国北方冬季的室内普遍采用集中供暖的取暖方式，这种供热方式存在的zui大问题就是在 采暖期间，暖气的温度不能根据实际需要来调节。以辽宁省为例，供暖时间为当年11月1日至次年4月1日，供暖期间，即从当年11月1日至12月1日初冬时节、次年3月1日至4 月1日早春时节，由于白天气温多在零度以上，当来暖气时，室内温度较高，人们不得不打开 窗子散热。这不仅造成能源的极大浪费，也造成了人工的极大浪费。这种供热方式存在的zui大 的问题就是在采暖期间，暖气的温度不能根据实际需要进行调节。

为了能在集中式供热取暧系统中，当存在室内温度过高、外出旅游、上班时间等情况，或 对于无人居住的房间，用户能根据实际需要对室内取暖温度进行调节（即把室内温度调低）， 达到节能目的，特设计本测控仪器。

2.设计方案及功能的确定

(1) 由于系统的非线性及时间滞后性，其数学模型不容易确定，采用常规的PID算法难以达到预期的效果，而且PID参数不容易在线整定，因此在设计中，采用模糊控制技术对温度进行控制。

(2) 考虑到被控对象即室内温度是由暖气中的热容量引起的，用电磁阀来控制进水量，由于电磁阀的开关特性不能进行连续的线性控制，因而只能通过控制电磁阀的通断时间差来进行 控制，在实现过程中，利用电压比较器和稳态触发器产生的同步脉冲对双向晶闸管或固态继电 器进行控制，进而驱动电磁阀；同时将同步脉冲与单片机计数器相连，通过对同步脉冲的计数 产生中断，在中断服务程序中设定定时器初值，实现对触发脉冲数的控制，即实现对电磁阀导 通时间的控制，进而达到控制目的。

(3) 测量器件选用集成温度传感器对室内温度进行数据釆集，一方面有利于系统集成和制造，稳定、可靠；另一方面也使生产成本降低，系统经济、实用。

(4) 显示功能。

①数码显示。基于模糊逻辑融合的智能取暖温度测控仪采用LED数码管进行显示，显示 的内容为检测到的温度值、用户设定的温度值、定时时间、当前时间和定时所余时间。正常工作时，显示部分显示检测到的温度值，随着外界环境温度和时间的变化，显示值也在变化；当 用户对设定值进行改变或者需要查看设定值时（即按下“设置温度”或“设置定时”键)，显 示的内容为设定的值，并随用户输入而改变设定值的数值-。用户进行温度设定时，能够显示设 定值；系统正常工作时显示环境温度值；当系统出现故障时，LED显示故障状态。

②灯光提示。当环境温度（传感器测得的实际温度）与用户设定值有偏差时，温度控制 仪就会自动调节，以调整环境温度接近设定值。此时，调节指示灯亮。当用户进行设置时，设 置指示灯亮，用户设定完成后，系统自动定时5s，然后返回到正常的工作状态。当系统出现 故障时，报警灯亮。正常工作时，该灯不亮。

(5) 设定功能。

①设置温度键。如果用户需要查看当前的设定值，按下此键后，显示即变为当前的设定值。 而如果用户需要调整环境温度，就要对设定值进行修改，此时，必须先按下此键，然后才能对 设定值进行修改，否则升温和降温两个键不起作用。*次启动时，默认的设定值为20°C。

②升温与降温键。这两个键用于对设定值的修改。按下“设置温度”键后就可以对设定 值进行修改了。每按一次升或者降键，基于模糊逻辑融合的智能取暖温度测控仪的设定值就会 相应地升或者降1°C。 -

③设置定时键。如果用户需要查看当前的设定值，按下此键后，显示即变为当前的设定 值。而如果用户需要调整定时时间时，就要对设定值进行修改，此时必须先按下此键，然后才 能对设定值进行修改，否则调时键不起作用。*次启动时，默认的设定值为1h。

④调时键。这个键用于对设定值的修改。按下“设置定时”键，*次启动时，默认的设定值为0，每按一次，升高1h，当到12以后再按键时，设定值会变为0。

⑤启动/取消定时键。如果先按下时定时灯亮，表示现在启动定时，再按下时，取消定时； 如果不亮，则相反。

用户可以根据自己的需要设定当前温度，设置6个按键，分别为“设置显示（SET)”、“升 温（▲)”、“降温（▼)”、“设置时间（SET)”、“升时（▲)”和“降时（▼)”键，简单明了， 可操作性强。由于键盘数较少，采用非编码键盘，独立式连接。

系统根据设定值与当前值的偏差和偏差的变化，通过模糊控制器生成控制量，实现对电磁阀通、断时间的控制，实现对流水量的控制从而达到对室内温度的恒温控制。

在设计过程中采用模块化的设计方案使系统便于调试、维护和升级。同时采用硬件、软件措施来有效抑制不同方面的干扰，使系统能安全、可靠地工作。

(6) 为方便用户使用，设计中加入了遥控装置。遥控器上的按键与控制面板上的按键一一 对应。

(7) 系统具有故障报警功能。出现故障时，系统进行声光报警。

3. 技术指标

(1) 可以自动进行室内温度测量，温度数字显示，具有启动、停止和温度设定的功能。

(2) 可以设定温度范围为5~30°C。

(3) 系统的精度为0.5°C (即检测环境温度的传感器检测到的温度值与实际的环境温度值 相比，其误差范围为0.5°C)。

4. 温度智能仪器系统的硬件设计

(1)硬件系统结构设计。

智能取暖温度测控仪采用单片机为控制核心。其结构框图如图8-16所示。

(2)温度检测模块设计

温度传感器采用单线数字温度传感器DS18B20。 DS18B20是美国DALLAS公司推出的增强型单总线数 字温度传感器，可编程分辨率为9〜12位。DS18B20 包括4个主要的数据部件：64位激光ROM、温度灵敏 元件、非易失性温度报警触发器TH和TL，以及配置 寄存器。DS18B20还包括一个高速暂存RAM，它包含 9个连续字节，前面两个字节是测得的温度信息，*个字节的内容是温度的低8位，第二个字节是温度的高8位，第三个和第四个字节是TH、TL 的易失性拷贝，第五个字节是结构寄存器的易失性拷贝，这三个字节的内容在每一次上电复位 时被刷新，第六、七、八个字节用于内部计算，第九个字节是校验字节。

(3)静态显示模块

显示模块采用两位数字对温度进行显示，显示的内容为测量值与设定值。显示部分采用了 静态显示的方法，由单片机的串行输出口将所要显示数字对应的数字量输出到寄存器74LS164 中，两片74LS164串联，能供给两位LED显示。74LS164的Cr端接+ 5V。

用P1.6控制CP信号，即作为单片机串行口的输出控制。当P1.6=1时，CP端有移位脉冲，允许从RXD端输出数据，更新显示。当P1.6=0时，CP=0，串行口不能输出数据，显示内容将保持不变，静态显示的电路如图8-17所示。

(4)控制电路设计

此部分电路的功能即按用户设定值调整环境温度的执行部分。电路如图8-18所示：

温度智能仪器系统采用电磁阀对流量进行控制，从而达到对环境温度的控制。将电磁阀安 装在用户供暖管道的出口，由电磁阀的开与闭控制入户热水的流量，实现对室内温度的控制。

单片机通过P1.5输出控制信号，此控制信号不能直接控制电磁阀，需要通过继，器达到 弱电控制强电的目的。这里，继电器采用了固态继电器。固态继电器（SSR)是一种采用功率 晶体管或晶闸管的功率器件。在电路中作为功率型电子开关，它比一般的继电器工作可靠，无 噪声，无火花，开关速度快，对外界电磁干扰小。它与单片机连接时，应接入驱动电路，如三 极管电路。系统工作时，通过P1.5状态的改变，控制固态继电器的开、关，从而控制电磁阀 的供电状态，控制管道流量，实现温度控制的目的。

5.仪器系统的软件设计

(1) 主程序流程图

主程序流程图如图8-19所示。

(2) 显示子程序设计

智能温度控制仪的显示子程序流程图如图8-20所示。

(3) 调温子程序

智能温度控制仪的调温子程序流程图如图8-21所示。

(4) 设置子程序

智能温度控制仪的设置子程序流程图如图8-22所示。

(5) 外部中断1子程序

智能温度控制仪的外部中断1子程序流程图如图8-23所示。

(6) 温度检测子程序

智能温度控制仪的温度检测子程序流程图如图8-24所示。