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1、智能多点恒温自控仪的研制摘要：温度控制广泛应用于工农业生产中，是一种非线性控制，有许多控制类型。一个完整的温度控制系统包括三个主要部分：温度采集系统、温度控制系统和温度调节系统。本文介绍一种应用单总线数字式温度传感器DS18B20作为温度信息采集系统，使用8051单片机作为温度控制器，并利用晶闸管调节电路实现温度调节的多点智能恒温自控仪。论文对该温控仪的硬件系统和软件系统的设计进行了详细的说明。关键词：温度采集、温度控制、温度调节Investigation of Intellectualized Multi-Point Constant Temperature Self-controll Eq
2、uipmentAbstract：Temperature control has widely been used in industry and agriculture.It is a non-linear control, there are many types of it. A complete temperature control system includes three main parts: the temperature acquisition system、temperature control system and temperature regulation syste
3、m.This paper presents a temperature control instrument which use single bus digital temperature sensor DS18B20 as the temperature acquisition device,the 8051 microcontroller as the temperature control system,and use the circuit made up of the SCR to regulate the temperature.This paper describes the
4、designs for the hardware system and software system of the temperature control systemKey Word：temperature acquisition、temperature control、temperature regulation第1章 绪 论温度是工农业生产中主要的被控参数之一,尤其是在对环境的要求较严格的场合，温度更是一个重要的被控参数。因此温度的测量与控制是生产过程自动化的重要任务之一。工业生产中，如机械制造、冶金、化工等领域中，需要对各类加热设备的温度进行检测和控制，以使温度保持在某一个范围内，或
5、者将温度控制在某一点上。农业生产中，如植物的温室栽培、动物的养殖等行业中，动植物的正常生长需要适宜的环境条件，而在环境因素中，温度是其中的一个重要参数。如蔬菜大棚栽培中，蔬菜的生长对温度的要求极高，而大棚的保温性能较差，因此需要对大棚内的温度进行控制；又如在养殖场中，温度是胚胎发育的首要条件，必须严格正确地控制，因为只有在适宜的孵化温度下，才能保证蛋中各种酶的活动和胚胎正常的物质代谢，从而保证胚胎正常地生长发育。因此，如何利用不同的控制理论、控制元件及控制设备设计不同的温度控制仪器以适应不同的温度控制要求及不同的场合，例如将温度控制在一个我们需要的范围内或者控制在一个点上等，并达到较高的控制精
6、度，是国内外许多科技工作者着力研究的一个课题。1.1 温度测控技术及控制理论1.1.1 温度测控技术的发展现状现代信息技术的三大基础是信息采集控制(即温控器技术)，信息传输(通信技术)和信息处理(计算机技术)。温度测控属于信息技术的前沿尖端技术。近年来，温度测控在理论上已经发展成熟，但在实际应用中，如何保证快速实时采样，确保数据正确传输，并能根据具体应用场所选择合适的控制方法，仍然是目前温度测控中需要解决的问题。对应于不同的场所、不同的工艺、所需控制的温度的范围不同、精度不同，因此采用的测温元件、测温方法以及对温度的控制方法也将不同；同时产品工艺不同、控制温度的精度不同、时效不同，则对数据采集
7、的精度和采用的控制算法也会不同，因而，对温度的测控方法是多种多样的。国内外关于温度控制技术的研究成果很多，从控制理论方面来看，主要可分为开关式温控技术、PID线性控温技术、PID智能温控技术等。 1.1.2 温度控制理论研究关于温度控制理论，国内外有许多成熟的研究成果。常用的控制理论包括传统的反馈控制、PID控制算法及最优控制等等。近些年，为适应更多的应用场合，又发展出一些智能化的温度控制理论，如模糊控制、自适应控制、神经网络控制、预测控制等等。以及将这些控制理论有机结合起来形成更加智能化的控制方法。这些理论都不同程度地改进了传统的温度控制方法，使温度测控技术得到很大的飞跃。以下简单介绍几种常
8、用的控制理论。反馈控制，就是根据系统输出变化的信息来进行控制，即通过比较系统行为与期望行为之间的偏差，并消除偏差以获得预期的系统性能。在反馈控制系统中，既存在由输入到输出的信号前向通路，也包含从输出端到输入端的信号反馈通路，两者组成一个闭合的回路。因此，反馈控制系统又称为闭环控制系统。PID控制是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。其控制原理是调整比例、积分、微分三个参数之间的关系来达到控制目的。由于结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便，当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型，控制理论的其他技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调
9、试来确定，这时适合采用PID控制技术。模糊控制又称为模糊逻辑控制，是以模糊集合论、模糊语言变量和模糊逻辑推理为基础的一种计算机数字控制技术。模糊控制的基本思想是利用计算机来实现人的控制经验，而这些经验多是用语言表达的具有相当模糊性的控制规则。模糊控制具有直接采用语言型控制规则，不需要建立被控对象的精确数学模型；适用于那些数学模型难以获取，动态特性不易掌握或变化非常显著的对象；具有一定的智能水平；鲁棒性强等突出特点。自适应控制方法是一种基于数学模型的控制方法，依据对象的输入输出数据，不断地辨识模型参数，随着生产过程的不断进行，通过在线辩识，模型会变得越来越准确，越来越接近于实际。自适应控制的研究
10、对象是具有一定程度不确定性的系统，所谓的“不确定性”是指描述被控对象及其环境的数学模型不是完全确定的，其中包含一些未知因素和随机因素。1.2 温度测控系统的构成1.2.1 温度检测元件常用的温度检测元件包括模拟温度传感器、集成温度传感器、逻辑输出温度传感器及数字式温度传感器等。模拟温度传感器主要有热电偶、热敏电阻、电阻温度检测器等热电偶由于其覆盖非常宽的温度范围（-200 +2000），应用非常广泛。电阻温度检测器（RTD）的精度较高且有中等线性度，较稳定且有许多配置。 热敏电阻其电阻值随本身温度的变化呈现阶跃性的变化，具有半导体特性，灵敏度较高，工作范围较宽。集成温度传感器是将驱动电路、信号
11、处理电路以及必要的逻辑控制电路集成在单片IC上的温度传感器。常用的集成温度传感器包括LM335、LM45、AD22103电压输出型以及AD590电流输出型等。其中较常用的是AD590电流输出型温度传感器。逻辑输出温度传感器适用于不需要严格控制测量温度值，只关心温度是否超出了设定范围的场合，一旦温度超出所规定的范围，则发出报警信号，启动或者关闭风扇、加热器等控制设备。主要包括LM56、MAX6501-MAX6504、MAX6509/6510等产品。数字温度传感器因适用于各种微处理器接口组成的自动温度控制系统，具有可以克服模拟传感器与微处理器接口时需要信号调理电路和A/D转换器的弊端等优点，同时具
12、有价格低、精度高、适用微型封装、能工作在宽温度范围等特点。被广泛应用于工业控制、电子测温计、医疗仪器等各种温度控制系统中。其中，比较有代表性的数字温度传感器有DS18B20、MAX6575、DS1722、MAX6635等。1.2.2 温度控制器目前常用单片机、可编程序控制器PLC、PC机等等作为温度控制器的核心。（1）单片机是把中央处理器(CPU)、存储器（Memory）、定时器、I/O接口电路、中断、串行通信接口等一些计算机的主要功能部件集成在一块大规模集成电路芯片上的单片微型计算机，又称为“微控制器MCU”。单片机有两种基本结构形式：一种是在通用微型计算机中广泛采用的将程序存储器和数据存储
13、器合用一个存储空间的结构，称为普林斯顿结构或冯诺依曼结构；另一种是将程序存储器和数据存储器截然分开而分别寻址的结构，称为哈佛结构，目前的单片机以采用哈佛结构的较多。单片机的种类繁多，目前常用的单片机有Intel公司的MCS-51系列和MCS-96系列、Atmel公司的AT89系列、Microchip公司的PIC系列、Motorola公司的68HCXX系列等等。其中Intel公司的MCS-51系列单片机是用量最大的单片机之一。（2）可编程序控制器PLC是一种数字运算操作的电子系统，专为工业的应用而设计。PLC的内部结构主要包括CPU模块、输入模块、输出模块和编程器等。它采用一类可编程的存储器，以
14、其存储其内部程序、执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出信号控制各种类型的生产过程。它把所有的输入都当成开关量来处理，16位（也有32位的）为一个模拟量。一个PLC的控制器，可以接收几千个I/O点（最多可达8000多个I/O）。PLC具有许多突出特点：编程方法简单易学；功能强，性价比高；硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强；无触点免配线，可靠性高，抗干扰能力强；系统的设计、安装、调试工作量小；维修工作量小，维修方便；体积小，能耗低。目前常用的可编程序控制器有三菱公司的FX系列、Schneider公司的微型可编程序控制器Modicon TSX
15、Nano、富士公司的FLEX-NB系列、西门子公司的SIMATIC PCS等等。最常用的是三菱公司的FX系列超小型可编程序控制器。（3）PC机即计算机，用于温度控制中，一般与PLC相连接或者与单片机相连接。即温度数据经过PLC或者单片机的处理后，传输到PC机中进行控制，其具有友好的用户界面，便于操作，且可实现的功能较多。1.2.3 温度调节器温度测控系统最终要实现的是调节被控环境的温度，使之保持在某一范围内或者某一点上，这就需要温度调节器来实现。根据采用的元件不同，温度调节器可有许多设计方案。如晶闸管（包括单向晶闸管和双向晶闸管）、固态继电器、时基电路（如NE555）等等元件都可用在温度调节器中，不同的元件可实现的功能不同，对不同的控制要求可选用不同的元件构成不同的温度调节器。1.3 课题研究的意义温度控制被广泛地应用于诸如冶金、食品、机械、化工、畜牧业、养殖业等工农业生产中。许多工业产品的制造和生产，植物、牲畜的生长都需要适宜的温度。本课题设计的恒温自控仪主要用于植物温室栽培、动物养殖等行业。因为目前在动植物的生产行业中，对温度的控制还不是很普遍，自动化程度不是很高，而且传统的温度控制大多采用纯电路的形式，这容易在多个环节中产生较大的误差，控制精度不高。所以，本次设计的课题采用新型传感器检测和单片机控制，使温度的控制达到相对较高的精度。1.4 课题设计内容目前，国内外已有
