溫度智能儀器設(shè)計(jì)

1.設(shè)計(jì)目的

我國(guó)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(wèn)題就是在 采暖期間，暖氣的溫度不能根據(jù)實(shí)際需要來(lái)調(diào)節(jié)。以遼寧省為例，供暖時(shí)間為當(dāng)年11月1日至次年4月1日，供暖期間，即從當(dāng)年11月1日至12月1日初冬時(shí)節(jié)、次年3月1日至4 月1日早春時(shí)節(jié)，由于白天氣溫多在零度以上，當(dāng)來(lái)暖氣時(shí)，室內(nèi)溫度較高，人們不得不打開(kāi) 窗子散熱。這不僅造成能源的極大浪費(fèi)，也造成了人工的極大浪費(fèi)。這種供熱方式存在的zui大 的問(wèn)題就是在采暖期間，暖氣的溫度不能根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行調(diào)節(jié)。

為了能在集中式供熱取曖系統(tǒng)中，當(dāng)存在室內(nèi)溫度過(guò)高、外出旅游、上班時(shí)間等情況，或 對(duì)于無(wú)人居住的房間，用戶(hù)能根據(jù)實(shí)際需要對(duì)室內(nèi)取暖溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)（即把室內(nèi)溫度調(diào)低）， 達(dá)到節(jié)能目的，特設(shè)計(jì)本測(cè)控儀器。

2.設(shè)計(jì)方案及功能的確定

(1) 由于系統(tǒng)的非線(xiàn)性及時(shí)間滯后性，其數(shù)學(xué)模型不容易確定，采用常規(guī)的PID算法難以達(dá)到預(yù)期的效果，而且PID參數(shù)不容易在線(xiàn)整定，因此在設(shè)計(jì)中，采用模糊控制技術(shù)對(duì)溫度進(jìn)行控制。

(2) 考慮到被控對(duì)象即室內(nèi)溫度是由暖氣中的熱容量引起的，用電磁閥來(lái)控制進(jìn)水量，由于電磁閥的開(kāi)關(guān)特性不能進(jìn)行連續(xù)的線(xiàn)性控制，因而只能通過(guò)控制電磁閥的通斷時(shí)間差來(lái)進(jìn)行 控制，在實(shí)現(xiàn)過(guò)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(duì)雙向晶閘管或固態(tài)繼電 器進(jìn)行控制，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)電磁閥；同時(shí)將同步脈沖與單片機(jī)計(jì)數(shù)器相連，通過(guò)對(duì)同步脈沖的計(jì)數(shù) 產(chǎn)生中斷，在中斷服務(wù)程序中設(shè)定定時(shí)器初值，實(shí)現(xiàn)對(duì)觸發(fā)脈沖數(shù)的控制，即實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁閥導(dǎo) 通時(shí)間的控制，進(jìn)而達(dá)到控制目的。

(3) 測(cè)量器件選用集成溫度傳感器對(duì)室內(nèi)溫度進(jìn)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(jì)、實(shí)用。

(4) 顯示功能。

①數(shù)碼顯示?；谀：壿嬋诤系闹悄苋∨瘻囟葴y(cè)控儀采用LED數(shù)碼管進(jìn)行顯示，顯示 的內(nèi)容為檢測(cè)到的溫度值、用戶(hù)設(shè)定的溫度值、定時(shí)時(shí)間、當(dāng)前時(shí)間和定時(shí)所余時(shí)間。正常工作時(shí)，顯示部分顯示檢測(cè)到的溫度值，隨著外界環(huán)境溫度和時(shí)間的變化，顯示值也在變化；當(dāng) 用戶(hù)對(duì)設(shè)定值進(jìn)行改變或者需要查看設(shè)定值時(shí)（即按下“設(shè)置溫度”或“設(shè)置定時(shí)”鍵)，顯 示的內(nèi)容為設(shè)定的值，并隨用戶(hù)輸入而改變?cè)O(shè)定值的數(shù)值-。用戶(hù)進(jìn)行溫度設(shè)定時(shí)，能夠顯示設(shè) 定值；系統(tǒng)正常工作時(shí)顯示環(huán)境溫度值；當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，LED顯示故障狀態(tài)。

②燈光提示。當(dāng)環(huán)境溫度（傳感器測(cè)得的實(shí)際溫度）與用戶(hù)設(shè)定值有偏差時(shí)，溫度控制 儀就會(huì)自動(dòng)調(diào)節(jié)，以調(diào)整環(huán)境溫度接近設(shè)定值。此時(shí)，調(diào)節(jié)指示燈亮。當(dāng)用戶(hù)進(jìn)行設(shè)置時(shí)，設(shè) 置指示燈亮，用戶(hù)設(shè)定完成后，系統(tǒng)自動(dòng)定時(shí)5s，然后返回到正常的工作狀態(tài)。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn) 故障時(shí)，報(bào)警燈亮。正常工作時(shí)，該燈不亮。

(5) 設(shè)定功能。

①設(shè)置溫度鍵。如果用戶(hù)需要查看當(dāng)前的設(shè)定值，按下此鍵后，顯示即變?yōu)楫?dāng)前的設(shè)定值。 而如果用戶(hù)需要調(diào)整環(huán)境溫度，就要對(duì)設(shè)定值進(jìn)行修改，此時(shí)，必須先按下此鍵，然后才能對(duì) 設(shè)定值進(jìn)行修改，否則升溫和降溫兩個(gè)鍵不起作用。*次啟動(dòng)時(shí)，默認(rèn)的設(shè)定值為20°C。

②升溫與降溫鍵。這兩個(gè)鍵用于對(duì)設(shè)定值的修改。按下“設(shè)置溫度”鍵后就可以對(duì)設(shè)定 值進(jìn)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(cè)控儀的設(shè)定值就會(huì) 相應(yīng)地升或者降1°C。 -

③設(shè)置定時(shí)鍵。如果用戶(hù)需要查看當(dāng)前的設(shè)定值，按下此鍵后，顯示即變?yōu)楫?dāng)前的設(shè)定 值。而如果用戶(hù)需要調(diào)整定時(shí)時(shí)間時(shí)，就要對(duì)設(shè)定值進(jìn)行修改，此時(shí)必須先按下此鍵，然后才 能對(duì)設(shè)定值進(jìn)行修改，否則調(diào)時(shí)鍵不起作用。*次啟動(dòng)時(shí)，默認(rèn)的設(shè)定值為1h。

④調(diào)時(shí)鍵。這個(gè)鍵用于對(duì)設(shè)定值的修改。按下“設(shè)置定時(shí)”鍵，*次啟動(dòng)時(shí)，默認(rèn)的設(shè)定值為0，每按一次，升高1h，當(dāng)?shù)?2以后再按鍵時(shí)，設(shè)定值會(huì)變?yōu)?。

⑤啟動(dòng)/取消定時(shí)鍵。如果先按下時(shí)定時(shí)燈亮，表示現(xiàn)在啟動(dòng)定時(shí)，再按下時(shí)，取消定時(shí)； 如果不亮，則相反。

用戶(hù)可以根據(jù)自己的需要設(shè)定當(dāng)前溫度，設(shè)置6個(gè)按鍵，分別為“設(shè)置顯示（SET)”、“升 溫（▲)”、“降溫（▼)”、“設(shè)置時(shí)間（SET)”、“升時(shí)（▲)”和“降時(shí)（▼)”鍵，簡(jiǎn)單明了， 可操作性強(qiáng)。由于鍵盤(pán)數(shù)較少，采用非編碼鍵盤(pán)，獨(dú)立式連接。

系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定值與當(dāng)前值的偏差和偏差的變化，通過(guò)模糊控制器生成控制量，實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁閥通、斷時(shí)間的控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)流水量的控制從而達(dá)到對(duì)室內(nèi)溫度的恒溫控制。

在設(shè)計(jì)過(guò)程中采用模塊化的設(shè)計(jì)方案使系統(tǒng)便于調(diào)試、維護(hù)和升級(jí)。同時(shí)采用硬件、軟件措施來(lái)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(hù)使用，設(shè)計(jì)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(duì)應(yīng)。

(7) 系統(tǒng)具有故障報(bào)警功能。出現(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)行聲光報(bào)警。

3. 技術(shù)指標(biāo)

(1) 可以自動(dòng)進(jìn)行室內(nèi)溫度測(cè)量，溫度數(shù)字顯示，具有啟動(dòng)、停止和溫度設(shè)定的功能。

(2) 可以設(shè)定溫度范圍為5~30°C。

(3) 系統(tǒng)的精度為0.5°C (即檢測(cè)環(huán)境溫度的傳感器檢測(cè)到的溫度值與實(shí)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(shè)計(jì)

(1)硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

智能取暖溫度測(cè)控儀采用單片機(jī)為控制核心。其結(jié)構(gòu)框圖如圖8-16所示。

(2)溫度檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)

溫度傳感器采用單線(xiàn)數(shù)字溫度傳感器DS18B20。 DS18B20是美國(guó)DALLAS公司推出的增強(qiáng)型單總線(xiàn)數(shù) 字溫度傳感器，可編程分辨率為9?12位。DS18B20 包括4個(gè)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(bào)警觸發(fā)器TH和TL，以及配置 寄存器。DS18B20還包括一個(gè)高速暫存RAM，它包含 9個(gè)連續(xù)字節(jié)，前面兩個(gè)字節(jié)是測(cè)得的溫度信息，*個(gè)字節(jié)的內(nèi)容是溫度的低8位，第二個(gè)字節(jié)是溫度的高8位，第三個(gè)和第四個(gè)字節(jié)是TH、TL 的易失性拷貝，第五個(gè)字節(jié)是結(jié)構(gòu)寄存器的易失性拷貝，這三個(gè)字節(jié)的內(nèi)容在每一次上電復(fù)位 時(shí)被刷新，第六、七、八個(gè)字節(jié)用于內(nèi)部計(jì)算，第九個(gè)字節(jié)是校驗(yàn)字節(jié)。

(3)靜態(tài)顯示模塊

顯示模塊采用兩位數(shù)字對(duì)溫度進(jìn)行顯示，顯示的內(nèi)容為測(cè)量值與設(shè)定值。顯示部分采用了 靜態(tài)顯示的方法，由單片機(jī)的串行輸出口將所要顯示數(shù)字對(duì)應(yīng)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(hào)，即作為單片機(jī)串行口的輸出控制。當(dāng)P1.6=1時(shí)，CP端有移位脈沖，允許從RXD端輸出數(shù)據(jù)，更新顯示。當(dāng)P1.6=0時(shí)，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(shè)計(jì)

此部分電路的功能即按用戶(hù)設(shè)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(duì)流量進(jìn)行控制，從而達(dá)到對(duì)環(huán)境溫度的控制。將電磁閥安 裝在用戶(hù)供暖管道的出口，由電磁閥的開(kāi)與閉控制入戶(hù)熱水的流量，實(shí)現(xiàn)對(duì)室內(nèi)溫度的控制。

單片機(jī)通過(guò)P1.5輸出控制信號(hào)，此控制信號(hào)不能直接控制電磁閥，需要通過(guò)繼，器達(dá)到 弱電控制強(qiáng)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(kāi)關(guān)，它比一般的繼電器工作可靠，無(wú) 噪聲，無(wú)火花，開(kāi)關(guān)速度快，對(duì)外界電磁干擾小。它與單片機(jī)連接時(shí)，應(yīng)接入驅(qū)動(dòng)電路，如三 極管電路。系統(tǒng)工作時(shí)，通過(guò)P1.5狀態(tài)的改變，控制固態(tài)繼電器的開(kāi)、關(guān)，從而控制電磁閥 的供電狀態(tài)，控制管道流量，實(shí)現(xiàn)溫度控制的目的。

5.儀器系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

(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(shè)計(jì)

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(shè)置子程序

智能溫度控制儀的設(shè)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(cè)子程序

智能溫度控制儀的溫度檢測(cè)子程序流程圖如圖8-24所示。