基于微控制器的智能温控系统

基于微控制器的可编程智能工业温度控制系统的设计与实现：本科层次方法

摘要

本文中，采用微控制器和温度传感器来智能地控制和监测温度。为了感知温度， 使用了LM35温度传感器，其输出随温度升高呈线性变化。微控制器将设定温度与 实时温度进行比较，并向冷却装置和加热装置发送指令以启动或关闭。硬件验证表 明，温度可维持在390C至410C之间。此外，还使用了一个控制旋钮，可根据应用 需求设置温度，具有可选的调节范围。液晶显示器用于显示设定温度和实时温度。

关键词 : 微控制器; 温度; MicroC; 传感器; 控制

1. 引言

几乎每个工业领域都存在加热和冷却功能，例如纺织厂、制药业、发电站等 [1]。智能温度控制对于工业的平稳运行是一项重要任务。工业的每个部分在生产 时段都有特定的温度要求，需要达到相应的温度 [2]。在 [3] 中指出，在工业中精 确监测和控制温度至关重要。解决这一问题的有效方案是开发数据记录仪。早期通 过使用温度计和压力计手动完成。自1990年以来，数据记录技术取得了新的进展， 人们开始生产基于PC的数据记录系统。一种单芯片嵌入式温度控制器设计被编程 在一个可编程片上系统中：混合阵列逻辑，其内部包含模拟电路、数字电路和数字 通信模块 [4]。紧凑的设计允许用户通过其计算机生成的仪器程序选择任意类型的 控制功能。该设计可直接连接到PC。基于网络的分布式测量与控制结合可编程单 线数字温度传感器DS18B20，采用嵌入式系统作为现场处理单元。通过B/S应用模 式，在 [5] 中嵌入设计了一套远程温度测量与控制系统。在可变温度要求的情况下， 制造操作员还可以选择多种选项来控制温度，并在显示器上显示必要的信息 [6]。

数控应用已在电气工程中用于控制自动系统 [7]‐[8]。微控制器也可用于平滑控制灯 光 [9]‐[10]。

本文采用PIC 16F876A微控制器为铸造过程设计温度控制系统。为了选择合 适的温度，使用带LM35传感器的可变电阻[11] 。本文内容安排如下：概念部分

2. 温度控制技术概念

为了提高工业生产，平稳的温度控制是关键功能。不同行业对于特定作用都有 其特定温度需求。传统上，使用工业温度测量仪器温度计来测量温度。在观察温度 读数后，操作员手动控制温度。有时由于对冷却装置和加热装置进行耗时的人工操 作控制，导致控制不准确。因此，温度控制效率降低，工业生产受到阻碍。此外， 恒温器虽可用于设定温度，但由于连续使用导致金属腐蚀和金属强度降低，因而效 率不高。结果，由于模拟系统是机械设计的温度控制装置，失去了其自身的线性功 能。

使用产生随升高的温度呈线性电压信号的温度传感器LM35之间的接口和具有 毫秒级响应的微控制器，可以更高效地控制温度。微控制器接收来自温度传感器的 信号，并与预设温度值进行比较，然后做出决策，确定何时开启加热装置或冷却装 置，以及系统中维持温度的时间。

控制整体加热和冷却系统的伪代码可以编写如下： 当设定温度 >实时温度时，加热元素 = 1 （设定温度 + 1摄氏度），
冷却元素 = 0持续1分钟；当设定温度 <实时温度时，冷却元素 = 1
（实时温度 – 1 摄氏度），加热元素 = 0持续1分钟

当系统中发现意外或过高的温度时，蜂鸣器将开启，这可能会损害工业。图1 显示了整个系统的框图。

3. 温度测量精度

LM35系列温度传感器由国家半导体公司制造，可在‐55°C至150°C的温度范围 内工作。这些传感器无需外围校准，其输出电压与温度成正比。温度到电压转换的 比例因子为每摄氏度10毫伏。LM35系列传感器提供多种封装形式。测量负温度 （低于0°C）需要使用负电压源。然而，本项目不使用负电压源，因此仅适用于确 定高于0°C（最高至100°C）的温度。传感器输出的电压通过PIC16F587A的内部模 数转换器转换为10位数字量。由于模数转换器测量的电压范围为0到1.0伏，为了获 得更高的精度，模数转换需要一个较低参考电压（而不是电源电压Vdd = 5V）。较 低参考电压可通过稳压二极管、电阻网络或有时仅通过简单的二极管来提供。图2 显示了在电源电压两端串联两个二极管和一个电阻器以产生约1.2V参考电压的近似 方法。

参考电压Vref为1.196V，10位模数转换器将0到1023之间的输入电压进行映射。模数转 换器的分辨率可以表示为
$$
1.196 / 1024 = 0.001168 \, (\text{V/count})
$$
(1)

例如，当环境温度为26.4°C时，传感器输出为264毫伏（0.264伏）。模数转换器的输出 为0.264 / 0.001168 ≈ 226。

$$
0.00168(\text{V/count}) = 26.4 \times 0.01(\text{V/°C})
$$
(2)

4. 温度控制电路设计

使用电源变压器（TR1）将220V交流电源降压至18伏特。变压器（TR1）连接桥式整流 器（BR1）以产生脉冲设定

直流电，其中使用电容器（C1）来产生平滑的直流电。加热线圈（L1）通过继电器 （RL1）直接连接到电源，当继电器“开”时，加热器将产生热量。图3显示了工业 温度控制系统 的完整电路图。

使用7412和7405两个电压调节器为电路的不同部分提供固定直流电压，其中 U3（7412）提供12伏特，U4（7405）提供5伏特。此外，电容器C2和C3用于滤除 输出信号中的任何振荡，以确保所提供的直流电压稳定。

蜂鸣器（BUZ1）连接来自U3的12V直流电源，继电器RL1和RL2也连接来自继 电器RL1和RL2的12V直流电源。显示器（LCD1）、微控制器（U1）、设定点（ RV1）和温度传感器（U3）连接5V直流电源。在温度控制器中有两个风扇，一个 是系统风扇或循环风扇，另一个是冷却风扇，如图3所示。系统风扇直接连接18伏 特，冷却风扇连接RL2。当电源接通时，系统风扇开启，而冷却风扇由继电器（ RL2）控制。微控制器直接连接传感器（U2）、设定点（RV1）和显示器（LC D1）。微控制器还通过开关装置（双极型晶体管）和电阻器连接蜂鸣器（BUZ1）、 继电器（RL1）和继电器（RL2）。晶体管（Q1、Q2和Q3）的共发射极配置作为 开关装置工作。图4显示了安装所有必要设备的印刷电路板。

5. 结果与讨论

使用MicroC来编译微控制器的C语言代码。在硬件验证过程中，通过使用 LM35传感器和标准工业温度计进行常规测试来进行温度测量，如图5所示。在控温 测试中，将实验温度控制电路的设定温度设为40°C。通过调节控制旋钮，将温度设 定为40°C，该温度需要在环境中保持，也称为设定温度。LM35传感器将对应温度 的电压信号发送给微控制器，微控制器将其与设定温度进行比较。当设定温度高于 实时温度时，加热器开启，冷却风扇关闭；当设定温度低于实时温度时，加热器关 闭，冷却风扇开启。表1显示了温度测量结果以及加热和冷却元件的相应状态。

时间	温度使用 LM35 (°C)	冷却元件状态	加热元件状态
下午2:10	25.8	OFF	ON
下午2:15	30.6	OFF	ON
下午2:25	41	ON	OFF
下午2:50	39	OFF	ON
下午2:56	41	ON	OFF
下午3:10	39	OFF	ON
下午3:15	41	ON	OFF
下午3:25	39	OFF	ON
下午3:40	41	ON	OFF
下午3:51	39	OFF	ON
下午3:55	41	ON	OFF
下午3:59	39	OFF	ON

为了分别打开和关闭加热器及冷却风扇，微控制器将输出电压传递给共发射极 配置晶体管的基极，从而使晶体管导通电流，开启加热器或冷却风扇。由于系统中 选择维持的设定温度为40 ±1 °C，图6显示温度持续保持在39°C至41°C之间。
相反，当微控制器输出零电压时，晶体管被关闭，加热器或冷却风扇随之关闭。
由于加热器线圈和冷却风扇需要通过大电流，因此使用继电器作为开关，并连接到 开关晶体管的集电极。可根据工业需求设定所需的温度范围。通过可变电阻来选择 微控制器的最大和最小响应时间。蜂鸣器用作声音报警。

6. 结论

本文设计了一种基于微控制器的温度测量与控制系统，该系统包含一些基本元 素，并使用MicroC编写了少量控制代码。该系统通过LM35温度传感器进行温度测 量，并将其结果与标准工业温度计的数值进行比较，偏差可忽略不计。同时，该系 统能够保持实验室温度处于恒定水平。硬件验证表明，温度可维持在39°C至41°C之 间，并在液晶显示器上显示。此外，还使用了一个控制旋钮，可根据应用需求设置 温度，具有多种选择范围。对于远程区域应用中的精确温度控制，仍需进一步研究。