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基于单片机的温度控制系统的设计
摘要
本文介绍了基于单片机的温度控制系统，阐述了系统软硬件的设计方法和工作原理。
温度传感器和精密电阻构成的电桥将温度信号转变成电压信号，经过差分放大电路和A/D转换器后输入单片机。
单片机根据模糊控制算法进行控制，输出脉冲信号通过继电器控制加热量，从而将温度控制在设定值。
软件部分主要介绍了proteus和模糊控制算法。
采用了模块化设计思想，优化了软件程序以简化外部硬件电路，程序可读性强，提高了系统的功能，降低了生产成本。
该系统具有温度实时测量、显示和控制三种功能。
有效的减小了超调量和静态误差，缩短了调节时间。
对今后的综合实验的开发具有实用价值。
关键字：
单片机；温度；模糊控制；继电器
Abstract
Thepaperintroducesthetemperaturecontrolsystembasedonsinglechip,expoundsthesystemhardwareandsoftwaredesignmethodandprincipleofwork.Thetemperaturesensorandpreciseresistanceconstitutesthebridgewilltemperaturesignalintovoltagesignal,afterdifferenceamplifyingcircuitandaftertheA/Dconverterinputmicrocontroller.SCMaccordingtothefuzzycontrolalgorithm,theoutputpulsesignalcontrolbyrelaycontrol,whichwilladdheattemperaturecontrolinvalue.
Proteusmainlyintroducesthesoftwareandfuzzycontrolalgorithm.Usingtheideaofmodulardesign,optimizationsoftwareprogramtosimplifytheexternalhardwarecircuit,procedures,andimprovethesystemofstrongreadabilityoffunction,reducetheproductioncost.Thissystemhasthetemperaturemeasurement,displayandcontrolfunctions.Effectivelyreducedtheovershootandstaticerror,shortenthetime.Thecomprehensiveexperimentsforfuturedevelopmentofpracticalvalue.
Keywords:
Singlechipmicrocomputer；Temperature；Fuzzycontrol；SSR
1概述
1.1温度控制系统的任务
本次毕业设计的主要任务是设计一个温度模糊控制系统，该系统以单片机为核心并应用模糊控制规律对温度进行控制。
温度是工业对象中的主要被控参数之一。
在各行业中，人们都需要对各类加热炉、热处理炉、反应炉和锅炉中温度进行监测与控制。
采用单片机对它们进行控制不仅具有控制方便、简单和灵活性大等优点，而且可以大幅度提高被控制温度的精度等技术指标，大大提高了产品的质量和生产效率。
此系统可对温度实时显示，并根据监控人员的要求对温度进行控制。
它利用热电阻传感器将温度的变化转变电阻的变化，再通过电桥把电阻信号转变为0到5伏的电压，再A/D转换器把模拟信号转换成数字信号输入单片机，经过单片机适当的处理后，能进行实时显示与控制。
1.2温度模糊控制系统的发展趋势
模糊技术作为一门引人注目的应用科学，越来越受到全世界人们的关注，专家们认为它有可能成为21世纪科学发展的一项基础技术。
为了确保21世纪的科技竞争力，各国争先恐后地发展模糊技术，而这也推动温度控制系统趋向高精度、高稳定性，趋向智能化、模糊化。
温度控制的快速发展，其控制方法越来越多，大概经历了模拟PID控制、数字PID控制、模糊控制、神经网络和遗传算法等温度控制算法。
随着灰色理论和模糊控制技术的发展，温度控制系统也向前发展，要求实现模糊控制。
模糊控制是基于模糊逻辑的描述一个过程的控制算法,主要嵌入操作人员的经验和直觉知识。
它适用于控制不易取得精确数学模型和数学模型不确定或经常变化的对象，仅依赖于操作人员的经验和直观判断,非常容易应用。
模糊温控的实现:
（1）将温控对象的偏差和偏差变化率以及输出量划分为不同的模糊值,建立规则,例如：
IF温度太高OR温度正在上升,THEN减少控制输入或风冷。
将这些模糊规则写成模糊条件语句,形成模糊模型。
（2）根据控制查询表,形成模糊算法。
（3）对温度误差采样的精确量模糊化,经过数学处理输入计算机中,计算机根据模糊规则推理做出模糊决策,求出相应的控制量,变成精确量去驱动执行机构,调整输入,达到调节温度,使之稳定的目的。
同传统的PID控制比较,模糊控制响应快,超调量小,参数变化不敏感。
模糊控制是基于模糊逻辑的描述一个过程的控制算法,主要嵌入操作人员的经验和直觉知识。
它适用于控制不易取得精确数学模型和数学模型不确定或经常变化的对象，仅依赖于操作人员的经验和直观判断,非常容易应用。
模糊温控的实现:
（1）将温控对象的偏差和偏差变化率以及输出量划分为不同的模糊值,建立规则,例如：
IF温度太高OR温度正在上升,THEN减少控制输入或风冷。
将这些模糊规则写成模糊条件语句,形成模糊模型。
（2）根据控制查询表,形成模糊算法。
（3）对温度误差采样的精确量模糊化,经过数学处理输入计算机中,计算机根据模糊规则推理做出模糊决策,求出相应的控制量,变成精确量去驱动执行机构,调整输入,达到调节温度,使之稳定的目的。
同传统的PID控制比较,模糊控制响应快,超调量小,参数变化不敏感。
模糊控制与神经网络结合，利用神经网络的学习能力来修正偏差和偏差变化的比例系数,可以优化模糊控制器,从而进一步改进实时控制效果,以便应用于温度过程控制中。
其优点是动态响应快,能达到高精度的快速控制,具有极强的鲁棒性和适应能力。
遗传算法（GeneticAlgorithm.简称GA）是模拟达尔文的遗传选择和自然淘汰的生物进化过程的全局优化搜索算法。
基于遗传算法温控系统的设计就是将传感器得到的温度信号放大,数字化后送入单片机,单片机把它与给定温度进行比较,用遗传算法来优化PID3个参数,然后输出控制量。
将PID3个参数串接在一起构成一个完整的染色体，从而构成遗传空间中的个体,通过繁殖交叉和变异遗传操作生成新一代群体,经过多次搜索获得最大适应度值的个体即为所求的数值。
系统具有调试方便、温控精度高和抗干扰性强等优点。
模糊控制、神经网络、遗传算法三者结合，基于神经网络的方法上,将模式辨识、预测最优控制与神经网络结合,由神经元网络模型预估器辨识系统模型,并实时为控制器提供参考输入,由最优控制器对数据进行处理、决策,选定最优的控制量,达到温度最佳控制的目的。
该系统能随外界干扰而变化,实时地调节网络和控制规律,具有良好的温度跟踪性能和抗干扰能力。
随着电子器件的发展,控制电路的形式也多种多样,无论是神经网络,模糊控制还是遗传算法,都属于人工智能领域,同PID结合以调节PID参数,可以适应温控系统非线性、干扰多、时延长、时变和分布变化的特点，可以实现温控系统的参数自调整,将线性控制与非线性相结合,从而达到更好的控制效果。
1.3毕业设计的内容与安排
本次毕业设计的内容为基于单片机的温度模糊控制系统的设计。
通过系统软硬件的设计，调试，达到炉温控制的智能化。
下面是论文的各章节内容安排。
第1章对本次毕业设计的任务进行了分析，对温度控制系统的发展趋势进行了简述。
第2章从温度的控制原理简单的阐述三种温度控制方式。
第3章重点讲述系统的硬件设计，并附有相应的硬件原理图接口电路图。
第4章论述了系统的软件设计。
第5章重点描述了整个系统的软硬件的调试过程。
最后，对系统的结果进行详细的分析和总体评价。
2温度控制原理
本章就温度控制技术详细阐述了对一个功率为300W的电热杯加热相关的内容。
2.1温度控制工作原理
温度模糊控制系统的被控对象是一个功率为300W的电热杯，当温度到达设定值时，要保持电热杯中的水温基本不变的条件是：
输送给电热杯中水的热量和输出的热量相等，此时电热杯中水的温度保持不变。
在电炉炉温控制中，欲得到一个恒定的温度，需要在温度低于或高于给定的温度时通过检测与控制，用继电器调节加热通电时间来调节电阻丝的功率，以达到控制温度恒定的目的。
采样周期T的选择应综合考虑以下因素：
给定值的变化频率，被控对象的特性，使用的算式和执行机构的类型和控制的回路数。
温度控制系统中，T一般取较大，因为温度反应慢，滞后大，不宜过于频繁控制。
表2.1是常用被控量的经验采样周期。
实践中，可以以表中的数据为基础。
通过试验最后确定最合适的采样周期。
被控量
采样周期T（s）
备注
流量
1～5
优选1～2
压力
3～10
优选6～8
液位
6～8
温度
15～20
或取纯滞后时间
表2.1常见被控量的经验采样周期
根据以上工程经验值，温度过程的采样周期一般为15—20s考虑到300W电热杯对1L水加温比较慢，暂时确定采样周期T为15s。
如图2.1所示，其控制过程如下：
系统由传感器把温度的变化转变为电压的变化，再经过放大后，传给A/D转换器，然后数字量由单片机处理，输出控制量开关，控制继电
器的通断，进行加热或降温。
2.2温度控制的方式
日常生活中我们所用到的温度控制方式大体上有三种上下限控制方式温控器、PID调节控制方式温控器和模糊控制器。
下面对于三种方式做下简单的介绍。
1.上下限控制方式温控器：
即，可对温控器设点两个温度点，当温度高于某一温度时停止给加热丝供电；当温度低于某一设定温度时启动加热丝供电加热。
这种方式烘箱内温度可控制在比较高的度数的波动。
2.PID调节控制方式温控器：
即，可对温控器设定一个恒温点，温控器会根据箱内温度与设定恒温值得差的大小，以及两者温差的变化速度通过PID算法，自动调节加热丝的加热功率，使烘箱内温度恒定为设定温度。
这种方式可控制温度在比较高的度数内波动。
3.模糊控制器：
模糊控制器以误差及输误差的变化率作为入量，经模糊化，按模糊控出制决策得输，相应出量调整预估参数。
根据误差及输误差的变化率通过可控硅对炉子的电压或流电进行控制。
2.3温度控制系统的设计
温度控制系统的组成结构示意图如图2.2所示温度传感器温度传感器为Cu50热电阻传感器，将Cu50热电阻传感器联入电桥，当温度改变时，Cu50电阻发生变化，电桥失衡，输出电压。
经过运算放大电路把电压放大，再把电压传送给A/D转换器，进行A/D转换。
温度设定是利用键盘完成的。
输出端则用一只固态继电器来控制加热电阻丝的通断，而继电器的通断则由模糊控制器输出的控制量决定。
当水的实时温度高于设定温度时，停止加热。
由于水杯不断与外界传热，故温度会下降，一旦水温低于设定温度时，将导通电阻丝进行加热，在加热量和散热量相当时，就能实现水温的基本恒定。
在系统中，实际温度和设置温度的差值e可正可负，可将其固定一个偏移量，如e的论域为±1℃。
本次毕业设计的温度控制的原理是先由键盘设定温度的上限和下限，然后通过单片机的控制来使继电器对加热元件进行加热，通过传感器对加热元件的温度进行测量，然后通过放大器把被测温度进行放大，最后通过A/D转换器的转换，把测得的数据传到单片机了来由LED数码显示管显示，如图2.2为温度控制结构原理图。
3温度模糊控制系统硬件设计
3.1温度控制系统硬件总体设计
系统总体设计是进行系统设计的最重要、最关键的一步。
总体方案的好坏，直接影响整个控制系统调节品质及实施细则。
硬件系统也是由不同模块组成的，但各个模块是协调工作的，例如显示部分是系统和人类交互的窗口，没有这部分A/D转换精度再高控制效果再好，我们无法得知，所以每一部分都很重要。
都应精心设计。
图3-1为温控系统硬件原理框图。
系统为电热水杯而设计。
其加热功率为300W，电源为交流220V电压。
温度控制范围为+30℃～90℃，升温速度为4℃/min。
温度控制精度为±1℃
图3.1温度测控系统硬件原理框图
3.2温度控制系统的硬件结构的设计
3.2.1信号采集通道的设计
1.温度传感器
温度传感器的种类繁多，例如热电阻、热电偶、集成温度传感器等。
在本次毕设中应用的是铜电阻温度传感器。
选用铜电阻主要考虑到测量控制的温度范围在0～100℃，该温度不是高温段，可以选热电阻型传感器，同时，对铜和铂电阻而言，后者更适合于高温，前者的工作温区一般为-50～150℃，这个范围内温度的线性度较好，综合以上因素，本温度测控仪设计过程中，选用了Cu50温度传感器。
铜电阻温度传感器适用于精度不高的场合，由于铜较容易提纯、价格低廉，因此铜电阻目前也有较广泛的应用。
铜电阻主要技术指标：
（1）电阻与温度的关系可用下式表示：
（3-1）
式中Rt、R0——分别为铜电阻在t℃和0℃时的电阻值；
——铜电阻的温度系数，其值一般为4.25×10-3/℃～
4.28×10-3/℃。
由于铜电阻的化性质较铂活泼，温度稍高铜就容易氧化。
因此，铜电阻一般在低温和没有腐蚀介质的场合使用，工作温区一般为-50℃～+150℃。
（2）电阻值
铜电阻的电阻值主要有R0=50±0.005Ω和R0=100±0.010Ω两种，其电阻比值为：
Ω（3-2）
2.测量放大器
Cu50温度传感器输出的是电阻信号（即电阻信号为阻值变化），因而先经过电桥将电阻信号转化为电压信号，然后对电压信号进行适当放大，电桥采用了单臂形式，每个桥臂的电阻都为53.4Ω，也就是说当温度为20℃时电桥输出的电压为零，这样提高了温度的分辨率。
当传感器的工作环境恶劣时，传感器的输出有各种噪声，干扰很大，来自传感器的微弱信号中包含工频，静电和电磁耦合等共模干扰。
而传感器的输出小，输出阻抗大时，一般运算放大器已经不能胜任，在这种情况下，对这种信号的放大就需要放大电路具有很高的共模抑制比以及高增益、低噪音、和高输入阻抗，三个运放组成的测量放大器能很好地解决这个问题。
图3.2是测量放大器的原理图。
从其结构分析可知，这是一种同相并联差动放大器，由运算放大器A1和A2构成第一级，由A3构成第二级，各个运放一般都是高性能的放大器。
图3.2测量放大器的原理图
是用来调整放大倍数的外接电阻，最好用多位电位器。
这种电路又称为测量放大器，其特点是性能完善，只要运算放大器性能对称，其漂移将大大减小，具有高输入阻抗和高共模抑制比，因而稳定性好，是一种高性能的放大器，适合于在大的共模电压下对微小差值信号进行放大。
常用于热电偶、应变电桥、流量计量、生物测量以及其它有共模干扰的本质上是直流缓变的微弱差值信号放大。
3.A/D转换器的选择
温度控制系统的A/D转换器选用ADC0809八位逐次逼近式A/D转换器，ADC0809是采样分辨率为8位的、以逐次逼近原理进行模—数转换的器件。
其内部有一个8通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通8路模拟输入信号中的一个进行A/D转换。
（1）ADC0809的主要特性
1）8路输入通道，8位A／D转换器，即分辨率为8位。
2）具有转换起停控制端。
3）转换时间为100μs。
4）单＋5V电源供电。
5）模拟输入电压范围0～＋5V，不需零点和满刻度校准。
6）工作温度范围为-40～＋85摄氏度。
7）低功耗，约15mW。
（2）ADC0809的内部结构
ADC0809是CMOS单片型逐次逼近式A／D转换器，内部结构是由8路模拟开关、地址锁存与译码器、比较器、8位开关树型D／A转换器、逐次逼近。
（3）ADC0809的外部特性及引脚功能
ADC0809芯片有28条引脚，采用双列直插式封装。
下面说明各引脚功能:
IN0～IN7：
8路模拟量输入端。
2-1～2-8：
8位数字量输出端。
ADDA、ADDB、ADDC：
3位地址输入线，用于选通8路模拟输入中的一路。
ALE：
地址锁存允许信号，输入，高电平有效。
START：
A／D转换启动脉冲输入端，输入一个正脉冲（至少100ns宽）使其启动（脉冲上升沿使0809复位，下降沿启动A/D转换）。
EOC：
A／D转换结束信号，输出，当A／D转换结束时，此端输出一个高电平（转换期间一直为低电平）。
OE：
数据输出允许信号，输入，高电平有效。
当A／D转换结束时，此端输入一个高电平，才能打开输出三态门，输出数字量。
CLK：
时钟脉冲输入端。
要求时钟频率不高于640KHZ。
REF（+）、REF（-）：
基准电压。
Vcc：
电源，单一＋5V。
GND：
地。
图3.3ADC0809的引脚图
（4）ADC0809的工作过程
首先输入3位地址，并使ALE=1，将地址存入地址锁存器中。
此地址经译码选通8路模拟输入之一到比较器。
START上升沿将逐次逼近寄存器复位。
下降沿启动A／D转换，之后EOC输出信号变低，指示转换正在进行。
直到A／D转换完成，EOC变为高电平，指示A／D转换结束，结果数据已存入锁存器，这个信号可用作中断申请。
当OE输入高电平时，输出三态门打开，转换结果的数字量输出到数据总线上。
因为ADC0809具有较经济的价格，所以这里的数据采集电路选择ADC0809。
在采集电路中，只要将放大滤波电路的输出端接入0809的某一通道，在这里选择0通道，即将0809的地址输入线A,B,C送入低电平，即可选通0通道。
另外需要说明的是由于ADC0809片内无时钟，可利用单片机89C52提供的地址锁存允许信号ALE经D触发器二分频得到。
图3.4ADC0809与单片机接口电路
ADC0809的通道选择如表3.1：
C
B
A
被选择的通道
0
0
0
IN0
0
0
1
IN1
0
1
0
IN2
0
1
1
IN3
1
0
0
IN4
1
0
1
IN5
1
1
0
IN6
1
1
1
IN7
表3.1通道选择
3.2.2显示电路设计
LED数码管显示有动态显示和静态显示两种显示驱动。
下面介绍一下动态显示和静态显示的区别：
1.动态显示驱动
数码管动态显示介面是单片机中应用最为广泛的一种显示方式之一，动态驱动是将所有数码管的8个显示笔划"a,b,c,d,e,f,g,dp"的同名端连在一起，另外为每个数码管的公共极COM增加位元选通控制电路，位元选通由各自独立的I/O线控制，当单片机输出字形码时，所有数码管都接收到相同的字形码，但究竟是那个数码管会显示出字形，取决于单片机对位元选通COM端电路的控制，所以我们只要将需要显示的数码管的选通控制打开，该位元就显示出字形，没有选通的数码管就不会亮。
透过分时轮流控制各个LED数码管的COM端，就使各个数码管轮流受控显示，这就是动态驱动。
在轮流显示过程中，每位元数码管的点亮时间为1～2ms，由于人的视觉暂留现象及发光二极体的余辉效应，尽管实际上各位数码管并非同时点亮，但只要扫描的速度足够快，给人的印象就是一组稳定的显示资料，不会有闪烁感，动态显示的效果和静态显示是一样的，能够节省大量的I/O埠，而且功耗更低。
2．静态显示驱动
静态驱动也称直流驱动。
静态驱动是指每个数码管的每一个段码都由一个单片机的I/O埠进行驱动，或者使用如BCD码二-十进位器进行驱动。
静态驱动的优点是编程简单，显示亮度高，缺点是占用I/O埠多，如驱动5个数码管静态显示则需要5×8＝40根I/O埠来驱动，要知道一个89S51单片机可用的I/O埠才32个呢。
故实际应用时必须增加驱动器进行驱动，增加了硬体电路的复杂性。
而对于本次毕业设计的要求，所以我们采用LED动态显示驱动。
图3.5四位动态显示接口电路
3.BCD码的介绍
在本次毕业设计中由于LED数码管直接连接到单片机中，所以控制LED显示的数字就要有相应的BCD码。
它是用4位二进制数来表示1位十进制数中的0~9这10个数码，简称BCD码,即BCD代码。
Binary-CodedDecimal，简称BCD，称BCD码或二-十进制代码，亦称二进码十进数。
是一种二进制的数字编码形式，用二进制编码的十进制代码。
这种编码形式利用了四个位元来储存一个十进制的数码，使二进制和十进制之间的转换得以快捷的进行。
这种编码技巧，最常用于会计系统的设计里，因为会计制度经常需要对很长的数字串作准确的计算。
相对于一般的浮点式记数法，采用BCD码，既可保存数值的精确度，又可免却使电脑作浮点运算时所耗费的时间。
此外，对于其他需要高精确度的计算，BCD编码亦很常用。
如下表为BCD码对应相应的LED数码管显示的数字：
段位码
LED显示的数字
00111111
0
00000110
1
01011011
2
01001111
3
01100111
4
01101101
5
01111101
6
00000111
7
01111111
8
01101111
9
图3.2段位码所对应的LED显示
3.2.3键盘电路设计
单片机的键盘电路其实可分为两种有独立式键盘和本文中介绍的矩阵式键盘。
独立式键盘接法简单，但是严重浪费单片机的I/O口资源。
当按键数目较少、I/O口不是很紧张的情况下可以采用独立式接法。
当键盘中按键数量较多时为了减少I/O口线的占用通常将按键排列成矩阵形式，在矩阵式键盘中每条水平线和垂直线在交叉处不直接连通,而是通过一个按键,加以连接。
这样做的好处是，一个并行口可以构成4*4=16个按键比值，直接将端口线用于键盘多出了一倍，而且线数越多区别就越明显。
图3.64X4键盘控制
3.2.4控制电路的设计
温度控制系统采用了固态继电器作为输出控制器。
继电器方式的开关输出是目前最常用的一种输出方式，一般在驱动大型设备时，往往利用继电器作为测控系统输出到输出驱动级之间的第一级执行机构，通过第一级继电器输出，可完成从低压直流到高压交流的过渡。
如图所示经过光电隔离后，直流部分给继电器供电，而其输出部分则可直接与220V市电相接。
控制电路主要由光电隔离器和继电器组成。
在开关量输出通道中，为防止现场强电磁干扰或工频电压通过输出通道反串到测控系统，一般需采用通道隔离技术。
在输出通道的隔离中，最常用的是光-电隔离技术，因为光信号的传送不受电场、磁场的干扰，可以有效地隔离电信号。
用于输出通道隔离的光电隔离器根据其输出级不同可分为三极管型、单向可控硅型、双向可控硅型等几种，但从其隔离方法来看，都是一样的，即都通过电-光-电这种转换，利用“光”这一环节完成隔离功能。
继电器控温原理如下：
其原理如图3.9所示，继电器和加热丝串接在交流市电（220V/50Hz）回路中。
在给定周期T内，89C51只要改变继电器的接通时间，便可改变加热丝功率，以达到调节温度的目的。
图3.9中给定了周期T，在一个周期内接通时间不同，功率就不相同。
当继电器在给定周期T的100﹪时间内接通时的功率最大。
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