基于嵌入式单片机的自动调温系统设计

燕哲

摘 要：随着社会的进步，经济的发展，人们的生活水平也在不断提高。通过计算机进行控制的调温系统也开始应用于更多领域。自动调温系统设计的主要目的是为了调温准确，能把温度控制在一个相对较小的区间内，同时降低热量损耗。本文通过基于单片机的自动调温系统设计，对其控制原理与结构进行介绍，并对其优势进行分析。

关键词：嵌入式单片机？自动调温系统？热量？温度

随着社会的进步，我国的经济发展速度不断加快，环境保护意识不断增强，电力集中供暖成为发展的趋势。在供暖系统中，自动调温系统将是其核心部分。嵌入式单片机的自动调温系统调温精度高、消耗能量低，已经成为未来温度控制技术的应用趋势，得到业内的认可。为此，笔者对单片机自动调温系统的原理与结构进行探讨，供同行参考。

一、单片机在自动调温系统中的应用优势

在传统概念中，温度调节一般是通过人为控制仪表的指针范围来对燃料进行控制，不仅需要大量的能源，而且控制难度较大，不易掌握，即使经验丰富的操作人员在控制时也难以保证在最短的时间内控制好温度变化。随着我国节能减排政策与观念的不断加强，节能温控技术将成为现代经济社会发展中一项重要的节能技术。同时计算机信息技术的发展，促进了调温系统的自动化应用水平的不断提高，并有向智能化发展的趋势。基于嵌入式单片机的S3C44B0具有监测与控制同时进行的功能，它基于ARM内核的16/32位RISC处理器，具有典型的低能耗和优质性能的特点。

二、自动调温系统的控制原理

1.两种方案比较

目前，在自动调温系统设计概念中，主要有两种思路，第一种是把热敏电阻当成主要器件，充分利用它的感温效应，把温度变化体现到电压或电流的变化，进行模拟信号与数字信号的变换，通过单片机进行数据处理并显示到电路上，就可以达到监测被测温度的目的；第二种是采用单一的温度传感器，对单片机的电路进行结合，通过直接获取被测温度的方法进行转换。这两种方案各具有本身的特点。方案二相对于方案一而言，电路设计大大简化，应用的器件也少了许多，并容易实现软件设计，避免了在模数转换过程中的繁琐问题。所以在实际的调温电路设计中，我们通常采用第二个方案进行设计。

2.控制原理分析

在基于嵌入式单片机的温度自动调节系统设计中，以对温度的监测与控制来对整个电能供暖系统进行自动化控制，主要部分由温度传感器、步进电动机、单片机、显示器与供气阀组成。其中的单片机、传感器与控制电路形成一个回路。它的控制原理主要是：由传感器对室内的温度进行数据收集，通过线路把收集到的数据传输到中心控制器的单片机中，在控制器完成数据分析后，如果温度输入低于设定的温度值，中心控制器就会对电动机发出信号，控制正转，加大供水阀流量，保持室内温度呈上升趋势，这时处理器的实时温度将会通过LED显示器进行显示。反之，如果输入的温度值高于预设的温度时，中心控制器也会对电动机发出相关的信号对电动机进行控制，调小供水阀流量，开始抵制室内温度继续上升，通过这一过程，保持温度一直处于设定温度值范围运行。系统的温度控制过程，省去了传统的数模信号转换过程，提高了系统的可靠性，从而准确地实现温度控制的目的。

三、系统整体结构设计及其分析

1.传感器、单片机的选择及其连接设计

单片机在系统中处于核心部分，决定着回路控制系统及数据采集、处理与显示的功能，为此笔者主要对传感器和单片机的选择以及它的连接设计进行探讨。

经过对传感器市场的调研，笔者结合其寿命特点、质量特征以及经济性指标，选择DS18B20温度传感器。该温度传感器为单总线器材，线路非常简单，占地小，以铂电阻测温方法为基本原理，在同一根通信系统走线上可以同时挂多个温度传感器，操作起来非常方便。铂电阻测温电路如图1所示。另外，DS18B20温度传感器在实现温度信息采集的同时，还能够通过走线连接到单片机，把传感器与数字转换电路集成到一起。单片机通过特定的接口与多个传感器完成数据传输。这种“一线总线”提高了系统的抗干扰性，对环境的适应性非常强。

单片机把运算器、控制器与输入接口的多个元件功能集成在一个芯片上，形成了单芯片的计算机，虽然数量少，但功能并不简单。单片机的体积小，消耗的电能非常低，在工业控制领域应用十分广泛，并在未来的智能化发展中占据着优势地位。它主要实现对温度数字的信息采集与判断，把数据显示到显示器上。本设计采用S3C44B0作为控制器，由于以前的芯片低级版本还能够正常使用，但在更新方面却存在缺陷，无法与时俱进，改进后的芯片弥补了前者的不足，提高了应用系统的性价比，提高了市场竞争力。

温度传感器可以实现电源供电，也可以实现寄生电源供电，本系统使用前者。温度传感器的GND为接地端，DQ为信号端，VCC是外接电源输入端。为了确保传感器能够在特定的时钟周期内有稳定的电流供应，我们将其总线采用MOSFET进行上拉。采用电源供电法时，主机控制温度转换需要进行初始化、ROM操作指令、存储器操作指令三个步骤。

2.显示器电路的设计

在单片机电路中，一般采用发光二极管或液晶显示器两种方式作为显示设备，虽然液晶顯示器分辨率高，但在显示简单的温度数据时，发光二极管却具有亮度高、寿命长的特点，对图形显示没有要求。采用四段LED数码管的方法来进行扩展LED显示，在动静态显示方面，由于静态显示将利用所有的灯点进行动作，而动态显示却只占用部分灯点，所以为了节约资源与能源，本系统采用动态显示。

为了对系统的设备进行保护，在设计时，我们还要增加报警设计，采用三极管与蜂鸣器连接的方式，当供水的水位过低时，单片机将会发出信号经过三极管放大后推动蜂鸣器工作。

四、模糊控制

本系统采用模糊神经网络算法对模块进行控制。由于温度调节从检测到实施再到效果体现是一个相对较长的过程，在此过程中并不一定是线性变化，无法建立精确的数学模型，所以需要采用模糊控制技术对室内的温度进行控制，并不断提高精度设定。笔者针对动态调节系统的物理环境，在室内温度与设定温度接近时，不断把固态继电器的导通时间进行降低，以确保达到效果的前提下，使能源的输出不断降低。

室内模糊控制系统的组成主要由图2所示，它的核心部分是模糊控制器。整个系统的性能主要与模糊控制的内部结构有关，同时也与控制规则、合成推理算法与模糊对策等因素有关。把室内温度的误差与变化率作为输入变量，把电磁阀的开启程度作为输出量，把输入量的论域设定在一定的范围内，把模糊语言分为七个等级，则输出的论域将会扩大一倍。在精确量转化成模糊量时，可以把精确量分为几个档次，每一档次对应着一个模糊集。

模糊控制器可以利用语言归纳手动控制策略过程。对于实际的控制输出的变化量必须为定值，所以需要转换为清晰量。

五、效果及结论

我们采用MATLAB来对模糊系统进行仿真设计，利用软件本身的仿真平台对模糊控制器进行仿真研究。基于软件图形化模型环境来建立的仿真模型可以达到预期效果，表明模糊控制器提高了系统的响应速度，其在调节时占用的时间非常短，稳定性好，这是传统的PID控制所达不到的效果。因此通过S3C44B0单片机的控制，可以对温度控制更加精确，稳定性也更强。

六、结语

随着技术的不断进步，自动化调温控制系统设计将会向着更加智能化的方向发展。基于目前单片机的调温控制系统精确度不断提高，调节效果不断明显，智能化趋势也将在未来发展中占据主要地位。通过单片机实现无线数据通信，可以实现远端自动化控制，更有利于现代社会发展的需要，能够在不同的环境中调节精确的温度。随着现代计算机信息技术的不断发展，越来越多的现代技术将会被广泛应用，从而会促进温度调节领域的不断进步，实现精细化与节能化。

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（作者单位：中山市技师学院）