溫度智能儀器設計目的、設計方案及功能的確定和技術指標

時間：2014-8-25 閱讀：2965

溫度智能儀器設計

1.設計目的

我國北方冬季的室內普遍采用集中供暖的取暖方式，這種供熱方式存在的zui大問題就是在采暖期間,，暖氣的溫度不能根據(jù)實際需要來調節(jié)。以遼寧省為例,，供暖時間為當年11月1日至次年4月1日,，供暖期間，即從當年11月1日至12月1日初冬時節(jié),、次年3月1日至4 月1日早春時節(jié),，由于白天氣溫多在零度以上，當來暖氣時,，室內溫度較高,，人們不得不打開窗子散熱。這不僅造成能源的極大浪費,，也造成了人工的極大浪費,。這種供熱方式存在的zui大的問題就是在采暖期間，暖氣的溫度不能根據(jù)實際需要進行調節(jié),。

為了能在集中式供熱取曖系統(tǒng)中,，當存在室內溫度過高、外出旅游,、上班時間等情況,，或對于無人居住的房間，用戶能根據(jù)實際需要對室內取暖溫度進行調節(jié)（即把室內溫度調低）,，達到節(jié)能目的,，特設計本測控儀器。

2.設計方案及功能的確定

(1) 由于系統(tǒng)的非線性及時間滯后性,，其數(shù)學模型不容易確定,，采用常規(guī)的PID算法難以達到預期的效果，而且PID參數(shù)不容易在線整定,，因此在設計中,，采用模糊控制技術對溫度進行控制,。

(2) 考慮到被控對象即室內溫度是由暖氣中的熱容量引起的,，用電磁閥來控制進水量,，由于電磁閥的開關特性不能進行連續(xù)的線性控制，因而只能通過控制電磁閥的通斷時間差來進行控制,，在實現(xiàn)過程中,，利用電壓比較器和穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器產(chǎn)生的同步脈沖對雙向晶閘管或固態(tài)繼電器進行控制，進而驅動電磁閥,；同時將同步脈沖與單片機計數(shù)器相連,，通過對同步脈沖的計數(shù) 產(chǎn)生中斷，在中斷服務程序中設定定時器初值,，實現(xiàn)對觸發(fā)脈沖數(shù)的控制,，即實現(xiàn)對電磁閥導通時間的控制，進而達到控制目的,。

(3) 測量器件選用集成溫度傳感器對室內溫度進行數(shù)據(jù)釆集,，一方面有利于系統(tǒng)集成和制造，穩(wěn)定,、可靠,；另一方面也使生產(chǎn)成本降低，系統(tǒng)經(jīng)濟,、實用,。

(4) 顯示功能。

①數(shù)碼顯示,?；谀：壿嬋诤系闹悄苋∨瘻囟葴y控儀采用LED數(shù)碼管進行顯示，顯示的內容為檢測到的溫度值,、用戶設定的溫度值,、定時時間、當前時間和定時所余時間,。正常工作時,，顯示部分顯示檢測到的溫度值，隨著外界環(huán)境溫度和時間的變化,，顯示值也在變化,；當用戶對設定值進行改變或者需要查看設定值時（即按下“設置溫度”或“設置定時”鍵)，顯示的內容為設定的值,，并隨用戶輸入而改變設定值的數(shù)值-,。用戶進行溫度設定時，能夠顯示設定值,；系統(tǒng)正常工作時顯示環(huán)境溫度值,；當系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，LED顯示故障狀態(tài),。

②燈光提示,。當環(huán)境溫度（傳感器測得的實際溫度）與用戶設定值有偏差時,，溫度控制儀就會自動調節(jié)，以調整環(huán)境溫度接近設定值,。此時,，調節(jié)指示燈亮。當用戶進行設置時,，設置指示燈亮,，用戶設定完成后，系統(tǒng)自動定時5s,，然后返回到正常的工作狀態(tài),。當系統(tǒng)出現(xiàn) 故障時，報警燈亮,。正常工作時,，該燈不亮。

(5) 設定功能,。

①設置溫度鍵,。如果用戶需要查看當前的設定值，按下此鍵后,，顯示即變?yōu)楫斍暗脑O定值,。而如果用戶需要調整環(huán)境溫度，就要對設定值進行修改,，此時,，必須先按下此鍵，然后才能對設定值進行修改,，否則升溫和降溫兩個鍵不起作用,。*次啟動時，默認的設定值為20°C,。

②升溫與降溫鍵,。這兩個鍵用于對設定值的修改。按下“設置溫度”鍵后就可以對設定值進行修改了,。每按一次升或者降鍵,，基于模糊邏輯融合的智能取暖溫度測控儀的設定值就會相應地升或者降1°C。 -

③設置定時鍵,。如果用戶需要查看當前的設定值,，按下此鍵后，顯示即變?yōu)楫斍暗脑O定值,。而如果用戶需要調整定時時間時,，就要對設定值進行修改，此時必須先按下此鍵，然后才能對設定值進行修改,，否則調時鍵不起作用,。*次啟動時，默認的設定值為1h,。

④調時鍵。這個鍵用于對設定值的修改,。按下“設置定時”鍵,，*次啟動時，默認的設定值為0,，每按一次,，升高1h，當?shù)?2以后再按鍵時,，設定值會變?yōu)?,。

⑤啟動/取消定時鍵。如果先按下時定時燈亮,，表示現(xiàn)在啟動定時,，再按下時，取消定時,；如果不亮,，則相反。

用戶可以根據(jù)自己的需要設定當前溫度,，設置6個按鍵,，分別為“設置顯示（SET)”、“升溫（▲)”,、“降溫（▼)”,、“設置時間（SET)”、“升時（▲)”和“降時（▼)”鍵,，簡單明了,，可操作性強。由于鍵盤數(shù)較少,，采用非編碼鍵盤,，獨立式連接。

系統(tǒng)根據(jù)設定值與當前值的偏差和偏差的變化,，通過模糊控制器生成控制量,，實現(xiàn)對電磁閥通、斷時間的控制,，實現(xiàn)對流水量的控制從而達到對室內溫度的恒溫控制,。

在設計過程中采用模塊化的設計方案使系統(tǒng)便于調試、維護和升級,。同時采用硬件,、軟件措施來有效抑制不同方面的干擾,，使系統(tǒng)能安全、可靠地工作,。

(6) 為方便用戶使用,，設計中加入了遙控裝置。遙控器上的按鍵與控制面板上的按鍵一一對應,。

(7) 系統(tǒng)具有故障報警功能,。出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)進行聲光報警,。

3. 技術指標

(1) 可以自動進行室內溫度測量,，溫度數(shù)字顯示，具有啟動,、停止和溫度設定的功能,。

(2) 可以設定溫度范圍為5~30°C。

(3) 系統(tǒng)的精度為0.5°C (即檢測環(huán)境溫度的傳感器檢測到的溫度值與實際的環(huán)境溫度值相比,，其誤差范圍為0.5°C),。

4. 溫度智能儀器系統(tǒng)的硬件設計

(1)硬件系統(tǒng)結構設計。

智能取暖溫度測控儀采用單片機為控制核心,。其結構框圖如圖8-16所示,。

(2)溫度檢測模塊設計

溫度傳感器采用單線數(shù)字溫度傳感器DS18B20。 DS18B20是美國DALLAS公司推出的增強型單總線數(shù) 字溫度傳感器,，可編程分辨率為9?12位,。DS18B20 包括4個主要的數(shù)據(jù)部件：64位激光ROM、溫度靈敏元件,、非易失性溫度報警觸發(fā)器TH和TL,，以及配置寄存器。DS18B20還包括一個高速暫存RAM,，它包含 9個連續(xù)字節(jié),，前面兩個字節(jié)是測得的溫度信息，*個字節(jié)的內容是溫度的低8位,，第二個字節(jié)是溫度的高8位,，第三個和第四個字節(jié)是TH、TL 的易失性拷貝,，第五個字節(jié)是結構寄存器的易失性拷貝,，這三個字節(jié)的內容在每一次上電復位時被刷新，第六,、七,、八個字節(jié)用于內部計算，第九個字節(jié)是校驗字節(jié)。

(3)靜態(tài)顯示模塊

顯示模塊采用兩位數(shù)字對溫度進行顯示,，顯示的內容為測量值與設定值,。顯示部分采用了靜態(tài)顯示的方法，由單片機的串行輸出口將所要顯示數(shù)字對應的數(shù)字量輸出到寄存器74LS164 中,，兩片74LS164串聯(lián),，能供給兩位LED顯示。74LS164的Cr端接+ 5V,。

用P1.6控制CP信號,，即作為單片機串行口的輸出控制。當P1.6=1時,，CP端有移位脈沖，允許從RXD端輸出數(shù)據(jù),，更新顯示,。當P1.6=0時，CP=0,，串行口不能輸出數(shù)據(jù),，顯示內容將保持不變，靜態(tài)顯示的電路如圖8-17所示,。

(4)控制電路設計

此部分電路的功能即按用戶設定值調整環(huán)境溫度的執(zhí)行部分,。電路如圖8-18所示：

溫度智能儀器系統(tǒng)采用電磁閥對流量進行控制，從而達到對環(huán)境溫度的控制,。將電磁閥安裝在用戶供暖管道的出口,，由電磁閥的開與閉控制入戶熱水的流量，實現(xiàn)對室內溫度的控制,。

單片機通過P1.5輸出控制信號,，此控制信號不能直接控制電磁閥，需要通過繼,，器達到弱電控制強電的目的,。這里，繼電器采用了固態(tài)繼電器,。固態(tài)繼電器（SSR)是一種采用功率晶體管或晶閘管的功率器件,。在電路中作為功率型電子開關，它比一般的繼電器工作可靠,，無噪聲,，無火花，開關速度快,，對外界電磁干擾小,。它與單片機連接時，應接入驅動電路，如三極管電路,。系統(tǒng)工作時,，通過P1.5狀態(tài)的改變，控制固態(tài)繼電器的開,、關,，從而控制電磁閥的供電狀態(tài)，控制管道流量,，實現(xiàn)溫度控制的目的,。

5.儀器系統(tǒng)的軟件設計

(1) 主程序流程圖

主程序流程圖如圖8-19所示。

(2) 顯示子程序設計

智能溫度控制儀的顯示子程序流程圖如圖8-20所示,。