基于AVR单片机控制的恒温水箱温度控制系统设计的研究

吕值敏

摘 要：为了实现对恒温水箱的水温进行精确的调控，本文提出了基于AVR单片机控制的恒温水箱温度控制系统设计的研究。利用AVR系列的ATmage48型单片机作为中央处理器设计了硬件电路，联合神经网络改进的PID算法作为软件核心设计了恒温水箱温度控制系统。通过该系统可将水箱内的水温准确快速的控制在设定温度范围内。

关键词：AVR单片机；恒温水箱；控制系统

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.14.209

0 前言

恒温水箱的核心因素为将水箱内的水温按要求控制在一定的温度范围内。水温过高或者过低都将产生不良的影响。为了实现对恒温水箱的水温进行准确、实时的控制，本文提出了基于AVR单片机控制的恒温水箱温度控制系统设计的研究。利用ATmage48单片机作为中央处理，获取温度传感器采集到的温度数据，然后启动神经网络改进的PID算法，利用采集到的温度数据以及设定的温度参数进行计算得出调控量，最后中央处理器再根据调控量对执行部件进行控制，从而实现对恒温水箱内水温的调控。

1 恒温水箱温度控制系统原理及设计

恒温水箱温度控制系统首先通过温度传感器对水温不断的进行实时采集，并将采集的水温信號经过信号调理后送入中央控制器，接着中央控制器利用控制算法，根据设定温度参数以及采集温度信号计算出调控量，最后中央处理器根据调控量对执行部件进行调控，执行部件根据调控信号对加热器和制冷器进行相应的控制，从而实现对恒温水箱温度的调节。由此，本文对恒温水箱温度控制系统进行了整体设计，温度控制系统的整体设计示意图如图1所示。

2 温度控制系统硬件电路原理及设计

通过从恒温水箱温度控制系统原理的分析可知，硬件电路主要由四个部分组成，分别是人机交互部分、中央控制部分、实时温度监测部分、执行部件控制部分。温度控制的硬件电路如图2所示。

从温度控制系统硬件电路设计图图2可见，液晶触摸屏和警报电路组成了人机交互部分。在此，采用了迪文科技的DMT80480C070_15WT型7寸液晶触摸屏作为人机交互界面实现的平台，该液晶触摸屏具有可视角度宽、分辨率高以及功耗低的特点，能够满足恒温水箱温度控制系统的要求。同时还采用了喇叭和LED组成了警报电路。本文采用了ATmega48单片机作为中央处理器，该单片机具有高精度、速度快以及稳定性好等特点，能够适应恒温水箱中对水温进行控制的要求。执行部件控制部分主要为可控硅的控制电路，中央控制器通过对可控硅的开度进行调控，从而控制流经加热器或者制冷器的电信号从而实现对水温进行控制。

3 温度控制系统软件系统设计

温度控制系统软件系统的核心为控制算法的设计，本文将采用神经网络改进的PID算法作为本文的控制算法。PID算法具有原理简单、容易实现等特点，因此颇受人们喜爱。当用表示比例系数，表示积分系数，表示微分系数时。由于PID算法中的、、三个参数对经验依赖性较大，导致PID的自适应性能不佳，使得控制精度以及算法鲁棒性不理想。对此，本文采用神经网络算法对这三个参数进行修订，以形成自适应性能较强的神经网络改进PID算法，以使得控制算法具有较好的控制精度以及鲁棒性能。

神经网络算法具有将强的学习功能，在此将利用神经网络算法对、、三个参数进行修订。当神经网络中对应、、的学习效率表示为、、时，神经网络对、、的修订过程为：

（1）

（2）

（3）

其中，为输入量，为雅克比行列式。通过神经网络算法修

订后的PID算法具有较强的自适应性能，有助于提高恒温水箱的水温控制精度。

4 结论

本文利用ATmega48单片机作为中央控制器，联合神经网络改进的PID算法设计了恒温水箱温度控制系统，该系统能对水箱内的水温进行实时的监测，并根据监测结果对水温进行调节，使得恒温水箱内的水温始终能保持在预定的温度范围内。

参考文献：

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[2]李国林，朱林涛.恒温水箱控制系统参数整定算法的研究[J]. 电子工业专用设备，2016（04）：51-55.