溫度智能儀器設計

1.設計目的

我國北方冬季的室內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實際需要來調節。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、次年3月1日至4 月1日早春時節，由于白天氣溫多在零度以上，當來暖氣時，室內溫度較高，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實際需要進行調節。

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

2.設計方案及功能的確定

(1) 由于系統的非線性及時間滯后性，其數學模型不容易確定，采用常規的PID算法難以達到預期的效果，而且PID參數不容易在線整定，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，在實現過程中，利用電壓比較器和穩態觸發器產生的同步脈沖對雙向晶閘管或固態繼電 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器相連，通過對同步脈沖的計數 產生中斷，在中斷服務程序中設定定時器初值，實現對觸發脈沖數的控制，即實現對電磁閥導 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溫度進行數據釆集，一方面有利于系統集成和制造，穩定、可靠；另一方面也使生產成本降低，系統經濟、實用。

(4) 顯示功能。

①數碼顯示。基于模糊邏輯融合的智能取暖溫度測控儀采用LED數碼管進行顯示，顯示 的內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 示的內容為設定的值，并隨用戶輸入而改變設定值的數值-。用戶進行溫度設定時，能夠顯示設 定值；系統正常工作時顯示環境溫度值；當系統出現故障時，LED顯示故障狀態。

②燈光提示。當環境溫度（傳感器測得的實際溫度）與用戶設定值有偏差時，溫度控制 儀就會自動調節，以調整環境溫度接近設定值。此時，調節指示燈亮。當用戶進行設置時，設 置指示燈亮，用戶設定完成后，系統自動定時5s，然后返回到正常的工作狀態。當系統出現 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，顯示即變為當前的設定值。 而如果用戶需要調整環境溫度，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，顯示即變為當前的設定 值。而如果用戶需要調整定時時間時，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，否則調時鍵不起作用。*次啟動時，默認的設定值為1h。

④調時鍵。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，當到12以后再按鍵時，設定值會變為0。

⑤啟動/取消定時鍵。如果先按下時定時燈亮，表示現在啟動定時，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。由于鍵盤數較少，采用非編碼鍵盤，獨立式連接。

系統根據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，實現對電磁閥通、斷時間的控制，實現對流水量的控制從而達到對室內溫度的恒溫控制。

在設計過程中采用模塊化的設計方案使系統便于調試、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) 系統具有故障報警功能。出現故障時，系統進行聲光報警。

3. 技術指標

(1) 可以自動進行室內溫度測量，溫度數字顯示，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) 系統的精度為0.5°C (即檢測環境溫度的傳感器檢測到的溫度值與實際的環境溫度值 相比，其誤差范圍為0.5°C)。

4. 溫度智能儀器系統的硬件設計

(1)硬件系統結構設計。

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字溫度傳感器DS18B20。 DS18B20是美國DALLAS公司推出的增強型單總線數 字溫度傳感器，可編程分辨率為9?12位。DS18B20 包括4個主要的數據部件：64位激光ROM、溫度靈敏 元件、非易失性溫度報警觸發器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個連續字節，前面兩個字節是測得的溫度信息，*個字節的內容是溫度的低8位，第二個字節是溫度的高8位，第三個和第四個字節是TH、TL 的易失性拷貝，第五個字節是結構寄存器的易失性拷貝，這三個字節的內容在每一次上電復位 時被刷新，第六、七、八個字節用于內部計算，第九個字節是校驗字節。

(3)靜態顯示模塊

顯示模塊采用兩位數字對溫度進行顯示，顯示的內容為測量值與設定值。顯示部分采用了 靜態顯示的方法，由單片機的串行輸出口將所要顯示數字對應的數字量輸出到寄存器74LS164 中，兩片74LS164串聯，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端輸出數據，更新顯示。當P1.6=0時，CP=0，串行口不能輸出數據，顯示內容將保持不變，靜態顯示的電路如圖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整環境溫度的執行部分。電路如圖8-18所示：

溫度智能儀器系統采用電磁閥對流量進行控制，從而達到對環境溫度的控制。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，實現對室內溫度的控制。

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，繼電器采用了固態繼電器。固態繼電器（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。系統工作時，通過P1.5狀態的改變，控制固態繼電器的開、關，從而控制電磁閥 的供電狀態，控制管道流量，實現溫度控制的目的。

5.儀器系統的軟件設計

(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) 調溫子程序

智能溫度控制儀的調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。