室内温度自动控制系统设计

摘 要：温度控制在我们生活与生产中的变得越来越重要。近几十年来微电子技术的发展，使得温度的自动控制成为可能。当当前温度控制技术在我们生活中许多领域都有应用。而传统的温度控制技术大多选择PID控制方式，这一方式有其固有的缺点，即除了模型难以建立之外，参数调整也不便。针对这一问题，通过合理选择控制器与探测器，对电加热器进行控制，以达到对房间恒温控制的目的。本设计方案的核心为AT89C51单片机，使用DS18B20温度传感器进行温度采集，通过将采集到的温度与标准设定温度之间的差值进行温度控制。本方案成本较低，可靠性高，自动化程度好，能够满足设计需求。

关键词：温度控制；DS18B20；AT89C51；单片机

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.23.087

0 前言

温度控制不论是对我们日常生活还是工业生产来说都是极其重要的。随着多年来科技的快速发展，温度的监测与控制技术也逐渐发展成熟。尤其是近几十年来微电子技术的应用，使得温度控制技术逐渐走向自动化、智能化。

当前，温度控制技术应用于我们生活中的许多场所，如温室、汽车、发酵缸等。尤其在工业生产中，温度控制系统的性能要求更加苛刻，原因是这一类的控制对象惯性大，存在较为严重的滞后现象，同时干扰因素较多，不利于建立数学模型，从而导致控制系统性能不佳，甚至出现不稳定和故障等情况。传统的温度控制技术大多选择PID控制方式，这一方式有其固有的缺点，即除了模型难以建立之外，参数调整也不便。针对这一问题，高性能温度控制系统设计具有广泛的应用前景与意义。

本设计方案的应用对象为房间的温度控制，其核心为单片机，使用温度传感器进行温度采集，通过将采集到的温度与标准设定温度之间的差值进行温度控制，从而使得温度维持在标准设定温度。本方案成本较低，可靠性高，自动化程度好，对于系统动态性能与稳定要求不是很高的场合非常的合适。

1 控制系统设计

1.1 温度控制系统设计方案

本设计即以单片机为核心，使用先进数字式温度传感器为探测手段，结合相应的控制模块和显示模块以实现对室内温度的自动控制。温度传感器选择数字式温度传感器DS18B20，这种传感器不仅体积小、价格便宜，而且操作方便，性能完全能够满足本设计对温度传感器的需求。主控制部分选用高性能AT89S51单片机，它可以直接接收温度传感器的数字信号，并且与系统预设的设计参数相对比，结合相应的控制电路，通过控制电加热器工作的时间，已达到自动温度控制的目的。

1.2 主要系统模块选择

系统主要模块如图1所示。系统设计参数较为简单，数据量也不大，通过对单片机的性能与成本考虑，单片机型号选择为AT89S51。这是一款低功耗、高性能的8为单片机。该单片机内含2可反复擦写1000次的Flash只读存储器，兼容MCS-51标准指令系统和80C51引脚结构。温度探测模块的主要元件是DS18B20型温度传感器，将其与单片机相连作为系统运行参数的输入端。温度控制模块选择的是是市面上常见的电加热丝，将连接至单片机输出端，根据不同的输出信号来控制电加热器的通断，以达到室内的温度控制的目的，选择的功率是1500W。温度显示模块是一片1602液晶，也就是1602字符型液晶，这是一种专门用于数字现实的点阵型液晶显示器。设置电路的主要功能是设置房间所要达到的温度参数，它直接与单片机相连，输入信息与温度传感器输入参数作对比，使单片机对温控部分发出相应指令。

1.3 系统电路设计

1.3.1 温度探测电路

DS18B20是一种可组网数字式温度传感器，DS18B20相较于其他温度传感器具有以下特性：独特的单线接口方式，DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯。

这种温度传感器使用很方便，接线时除了电源输入和接地之外只需将DQ端作为输出端连接至单片机即可。

1.3.2 显示模块电路

本设计选用1602型液晶显示器，显示精度为0.1°C，满足设计需求。显示模块电路設计如图4。

1.3.3 温度控制电路

温度控制电路主要是用于调节电加热器工作时间，从而来达到使房间温度恒定的目的。开关的通断是由输入的调节脉冲宽度决定的。调节脉冲波占空比变大时（即脉冲宽度变宽），双向可控硅导通，增加电阻丝的加热时间。调节脉冲波占空比变小时（即脉冲宽度变窄），双向可控硅断开，电阻丝的加热时间缩短，从而使热量输入量减小。选择合适的脉冲宽度即可达到维持房间温度的目的。温度控制电路接线图如图5所示，B端为脉冲输入端，R为电阻丝。

1.3.4 系统电路设计

系统电路图如图6所示，核心为AT89C51单片机。DS18B20探测房间内温度，将温度信号转换为电信号传输至单片机；单片机将信号与设定温度值做比较，根据两者之间的差值来控制电阻丝是否工作已及工作时长；房间内温度的实时参数由1602液晶显示器显示，非常直观。系统工作时，只需事先设置好房间所需要的温度参数，整个控制过程全部是自动控制，不需要人为干预。整个系统连接简单，成本低廉，适用于收入不高的人群。由于没有采用传统的继电器控制电阻丝的工作，而是选用脉冲波来控制双向可控硅，发热量控制较为合理，减小了温度控制有滞后给系统调节带来振荡，提高了系统的稳定性。

2 总结

上文已完成了系统元件的选型和电路设计工作。整个系统方案实现起来较为容易，节约经费，性价比高，完全能够满足房间内温度控制的目标，达到了设计的要求。本设计采用单片机为核心的自动控制电路，精度较高，自动化程度高，房间内温度浮动较低，性能优异。本设计方案仅是初步的方案设计，由于资金技术的限制并没有考虑到系统的外形结构和电路的保护，电热丝在日常的使用中，需要配套相应的保护措施以保证安全。安全性的另一方面不足是，没有设计超温保护电路，当系统工作不稳定时，如果没有超温保护电路对系统进行断电，会造成房间温度过高，不仅会造成电量的浪费，甚至有可能导致严重后果。可靠性方面，由于设计中温度探测只是单点探测，没有对照，会造成房间温度参数的测量值不准确，进而影响实际使用。因此在经费允许的情况下，可以对方案进行改良，不仅增加美观性，还要增加系统可靠性。这些措施提升产品的产品形象的同时，也去除安全隐患，从而增强市场竞争力。

本系统在实际使用时，可根据房间对热量需求的大小，选择不同功率的电加热器，使得应用范围大幅拓宽。另外还可以结合制冷系统，从而实现对房间温度的向上和向下调控。增加远程显示与功能，可以实现移动端对系统的控制，满足当今人们对智能家居的需求。这些改进将大大增加温度控制范围、优化用户体验、完善系统功能。整个系统方案未来在室内、温室、车辆等的温度控制方面用较好的应用前景。

参考文献：

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[2]刘红义等.一种基于WIFI传感器网络的室内外环境远程监测系统设计与实现[J].计算机研究与发展，2014，47（S2）：361-365.

[3]周玲.基于单片机控制的智能充电器设计[D].南宁：广西大学，2006.

基金项目：实验室室内环境监控系统的研究（LY201504）。

作者简介：黄仕凰（1983-），女，广东潮州人，硕士，高级实验师，主要研究方向：软件工程、电子技术与虚拟仪器。endprint