基于嵌入式單片機的自動調溫系統設計

燕哲

摘 要：隨著社會的進步，經濟的發展，人們的生活水平也在不斷提高。通過計算機進行控制的調溫系統也開始應用于更多領域。自動調溫系統設計的主要目的是為了調溫準確，能把溫度控制在一個相對較小的區間內，同時降低熱量損耗。本文通過基于單片機的自動調溫系統設計，對其控制原理與結構進行介紹，并對其優勢進行分析。

關鍵詞：嵌入式單片機？自動調溫系統？熱量？溫度

隨著社會的進步，我國的經濟發展速度不斷加快，環境保護意識不斷增強，電力集中供暖成為發展的趨勢。在供暖系統中，自動調溫系統將是其核心部分。嵌入式單片機的自動調溫系統調溫精度高、消耗能量低，已經成為未來溫度控制技術的應用趨勢，得到業內的認可。為此，筆者對單片機自動調溫系統的原理與結構進行探討，供同行參考。

一、單片機在自動調溫系統中的應用優勢

在傳統概念中，溫度調節一般是通過人為控制儀表的指針范圍來對燃料進行控制，不僅需要大量的能源，而且控制難度較大，不易掌握，即使經驗豐富的操作人員在控制時也難以保證在最短的時間內控制好溫度變化。隨著我國節能減排政策與觀念的不斷加強，節能溫控技術將成為現代經濟社會發展中一項重要的節能技術。同時計算機信息技術的發展，促進了調溫系統的自動化應用水平的不斷提高，并有向智能化發展的趨勢?；谇度胧絾纹瑱C的S3C44B0具有監測與控制同時進行的功能，它基于ARM內核的16/32位RISC處理器，具有典型的低能耗和優質性能的特點。

二、自動調溫系統的控制原理

1.兩種方案比較

目前，在自動調溫系統設計概念中，主要有兩種思路，第一種是把熱敏電阻當成主要器件，充分利用它的感溫效應，把溫度變化體現到電壓或電流的變化，進行模擬信號與數字信號的變換，通過單片機進行數據處理并顯示到電路上，就可以達到監測被測溫度的目的；第二種是采用單一的溫度傳感器，對單片機的電路進行結合，通過直接獲取被測溫度的方法進行轉換。這兩種方案各具有本身的特點。方案二相對于方案一而言，電路設計大大簡化，應用的器件也少了許多，并容易實現軟件設計，避免了在模數轉換過程中的繁瑣問題。所以在實際的調溫電路設計中，我們通常采用第二個方案進行設計。

2.控制原理分析

在基于嵌入式單片機的溫度自動調節系統設計中，以對溫度的監測與控制來對整個電能供暖系統進行自動化控制，主要部分由溫度傳感器、步進電動機、單片機、顯示器與供氣閥組成。其中的單片機、傳感器與控制電路形成一個回路。它的控制原理主要是：由傳感器對室內的溫度進行數據收集，通過線路把收集到的數據傳輸到中心控制器的單片機中，在控制器完成數據分析后，如果溫度輸入低于設定的溫度值，中心控制器就會對電動機發出信號，控制正轉，加大供水閥流量，保持室內溫度呈上升趨勢，這時處理器的實時溫度將會通過LED顯示器進行顯示。反之，如果輸入的溫度值高于預設的溫度時，中心控制器也會對電動機發出相關的信號對電動機進行控制，調小供水閥流量，開始抵制室內溫度繼續上升，通過這一過程，保持溫度一直處于設定溫度值范圍運行。系統的溫度控制過程，省去了傳統的數模信號轉換過程，提高了系統的可靠性，從而準確地實現溫度控制的目的。

三、系統整體結構設計及其分析

1.傳感器、單片機的選擇及其連接設計

單片機在系統中處于核心部分，決定著回路控制系統及數據采集、處理與顯示的功能，為此筆者主要對傳感器和單片機的選擇以及它的連接設計進行探討。

經過對傳感器市場的調研，筆者結合其壽命特點、質量特征以及經濟性指標，選擇DS18B20溫度傳感器。該溫度傳感器為單總線器材，線路非常簡單，占地小，以鉑電阻測溫方法為基本原理，在同一根通信系統走線上可以同時掛多個溫度傳感器，操作起來非常方便。鉑電阻測溫電路如圖1所示。另外，DS18B20溫度傳感器在實現溫度信息采集的同時，還能夠通過走線連接到單片機，把傳感器與數字轉換電路集成到一起。單片機通過特定的接口與多個傳感器完成數據傳輸。這種“一線總線”提高了系統的抗干擾性，對環境的適應性非常強。

單片機把運算器、控制器與輸入接口的多個元件功能集成在一個芯片上，形成了單芯片的計算機，雖然數量少，但功能并不簡單。單片機的體積小，消耗的電能非常低，在工業控制領域應用十分廣泛，并在未來的智能化發展中占據著優勢地位。它主要實現對溫度數字的信息采集與判斷，把數據顯示到顯示器上。本設計采用S3C44B0作為控制器，由于以前的芯片低級版本還能夠正常使用，但在更新方面卻存在缺陷，無法與時俱進，改進后的芯片彌補了前者的不足，提高了應用系統的性價比，提高了市場競爭力。

溫度傳感器可以實現電源供電，也可以實現寄生電源供電，本系統使用前者。溫度傳感器的GND為接地端，DQ為信號端，VCC是外接電源輸入端。為了確保傳感器能夠在特定的時鐘周期內有穩定的電流供應，我們將其總線采用MOSFET進行上拉。采用電源供電法時，主機控制溫度轉換需要進行初始化、ROM操作指令、存儲器操作指令三個步驟。

2.顯示器電路的設計

在單片機電路中，一般采用發光二極管或液晶顯示器兩種方式作為顯示設備，雖然液晶顯示器分辨率高，但在顯示簡單的溫度數據時，發光二極管卻具有亮度高、壽命長的特點，對圖形顯示沒有要求。采用四段LED數碼管的方法來進行擴展LED顯示，在動靜態顯示方面，由于靜態顯示將利用所有的燈點進行動作，而動態顯示卻只占用部分燈點，所以為了節約資源與能源，本系統采用動態顯示。

為了對系統的設備進行保護，在設計時，我們還要增加報警設計，采用三極管與蜂鳴器連接的方式，當供水的水位過低時，單片機將會發出信號經過三極管放大后推動蜂鳴器工作。

四、模糊控制

本系統采用模糊神經網絡算法對模塊進行控制。由于溫度調節從檢測到實施再到效果體現是一個相對較長的過程，在此過程中并不一定是線性變化，無法建立精確的數學模型，所以需要采用模糊控制技術對室內的溫度進行控制，并不斷提高精度設定。筆者針對動態調節系統的物理環境，在室內溫度與設定溫度接近時，不斷把固態繼電器的導通時間進行降低，以確保達到效果的前提下，使能源的輸出不斷降低。

室內模糊控制系統的組成主要由圖2所示，它的核心部分是模糊控制器。整個系統的性能主要與模糊控制的內部結構有關，同時也與控制規則、合成推理算法與模糊對策等因素有關。把室內溫度的誤差與變化率作為輸入變量，把電磁閥的開啟程度作為輸出量，把輸入量的論域設定在一定的范圍內，把模糊語言分為七個等級，則輸出的論域將會擴大一倍。在精確量轉化成模糊量時，可以把精確量分為幾個檔次，每一檔次對應著一個模糊集。

模糊控制器可以利用語言歸納手動控制策略過程。對于實際的控制輸出的變化量必須為定值，所以需要轉換為清晰量。

五、效果及結論

我們采用MATLAB來對模糊系統進行仿真設計，利用軟件本身的仿真平臺對模糊控制器進行仿真研究?；谲浖D形化模型環境來建立的仿真模型可以達到預期效果，表明模糊控制器提高了系統的響應速度，其在調節時占用的時間非常短，穩定性好，這是傳統的PID控制所達不到的效果。因此通過S3C44B0單片機的控制，可以對溫度控制更加精確，穩定性也更強。

六、結語

隨著技術的不斷進步，自動化調溫控制系統設計將會向著更加智能化的方向發展?；谀壳皢纹瑱C的調溫控制系統精確度不斷提高，調節效果不斷明顯，智能化趨勢也將在未來發展中占據主要地位。通過單片機實現無線數據通信，可以實現遠端自動化控制，更有利于現代社會發展的需要，能夠在不同的環境中調節精確的溫度。隨著現代計算機信息技術的不斷發展，越來越多的現代技術將會被廣泛應用，從而會促進溫度調節領域的不斷進步，實現精細化與節能化。

參考文獻：

[1]吳寧.基于PIC16F876的室內溫度控制系統設計[J].自動化與儀器儀表，2013（05）.

[2]寧廷群，潘吉智.嵌入式單片機的自動調溫系統設計[J].電子測量技術，2009（12）.

[3]王鵬.基于嵌入式單片機的電機控制系統設計[J].科技創新與應用，2013（25）.

[4]王敦鋒.基于嵌入式ARM-Linux和ZigBee的自動煮糖控制系統的設計[D].桂林電子科技大學，2011.

[5]王慶.面向嵌入式多核系統的并行程序優化技術研究[D].哈爾濱工業大學，2013.

[6]何曉暉，梁貴萍，何裕源.基于單片機的供暖系統的設計與分析[J].貴陽學院學報，2013.

（作者單位：中山市技師學院）