恒温控制系统的研究与设计

摘要温度控制，在工业自动化控制中占有非常重要的地位，是工业生产中经常遇到的过程控制。

在很多的工艺生产过程中，温度的控制效果直接影响到产品的质量。

日常生活中，温度值也是一个重要的参考量。

人们的居室，医院等环境都要求对温度有一定的控制，因此，这使得温度的采集与控制成为人们日常生活生产中一个极有意义的工作。

本设计以单片机STC12C5A60S2为核心部件，采用单总线数字式的温度传感器DS18B20作为温度采集，设计制作了可以键盘输入控制，数码管静态显示，温度值与设定值可上传至PC 机的恒温控制系统，该系统可以对当前温度进行实时显示，又可以对温度进行控制，并使其恒定在某一温度范围。

控制键盘设计使设置温度简单快捷，两位整数一位小数的显示方式具有更高的显示精度。

建立在模糊控制理论上的控制算法，使得温度控制系统的控制精度高，温度的响应速度快，系统稳定性高，采用模糊控制使得在一般情况下比传统的控制方法更有效，更安全。

关键词：STC12C5A60S2：恒温控制：模糊控制算法ABSTRACTTemperature control plays a very important role in industrial automation control , is a process control often met in process production. In many craft production process, the effect of temperature control directly affect the quality of the products. In daily life, temperature is often value an important reference quantity. People's bedroom, hospital all require a certain control of the temperature , therefore, that makes the collection of temperature and control become a very significant thing in People's Daily life production.The design's core components is STC12C5A60S2 MCU, Temperature sensor DS18B20 as temperature gathering ,which i s a single bus digital temperature sensor,design made can keyboard input control, digital tube static display ,temperature and setting can be uploaded to the PC temperature control system, th is system c an real-time display of the current temperature and control the temperature, and keep it constant in a certain temperature range. The design of control the keyboard makes it simple and quick insetting temperature, two integer and a decimal display mode has higher precision of the show. Based on fuzzy control theory of control algorithm, makes the temperature control system of a high control accuracy, high temperature response speed , high stability of the system, the fuzzy control is more efficient and safety than traditional control methodKeywords: STC12C5A60S2: temperature control: the fuzzy control algorithm目录1 绪论 (5)1.1 温度测控系统的发展现状 (6)1.2 温度测控方法发展现状 (6)1.3 温度测量传感器发展现状 (8)2 研究内容及方案选择 (9)2.1 课题研究内容 (9)2.2 方案的选择 (9)2.2.1 方案一 (9)2.2.2 方案二 (11)3 芯片的介绍 (12)3.1 STC12C5A60S2单片机 (12)3.1.1 时钟电路 (14)3.1.2 看门狗电路 (14)3.1.3 内部程序存储器EEPROM (14)3.2 DS18B20芯片 (15)3.2.1 DS18B20的主要特性 (15)3.2.2 DS18B20工作原理 (16)3.2.3 DS18B20内部高速暂存存储器 (17)3.2.4 DS18B20的读写时序 (17)3.3 74ALS164芯片 (19)3.4 MAX232芯片 (19)3.5 MOC3041M芯片 (20)4 硬件系统设计 (21)4.1 单片机时钟电路设计 (21)4.2 复位电路设计 (21)4.3 温度采集电路设计 (22)4.4 键盘电路设计 (23)4.5 数码管显示电路 (24)4.6 RS-232C串行通信接口 (24)4.7 继电器控制降温电路 (25)4.8 双向晶闸管控制升温电路 (26)5 软件系统的设计 (27)5.1 Keil软件介绍 (27)5.2 C语言设计流程图 (27)5.3 模糊控制算法 (31)6 系统调试 (35)7 总结与展望 (36)8 致谢 (37)参考文献 (38)附录1 (39)附录2 (50)附录3 (51)1 绪论电路广泛应用于社会生活的各个领域,如家电、汽车、材料、电力电子等,常用的控制电路根据应用场合和所要求的性能指标有所不同,传统的继电器调温电路简单实用,但由于继电器动作频繁,可能会因触点不良而影响正常工作。

改进的电路,采用主回路无触点控制,克服继电器接触不良的缺点,且维修方便,缺点是温度控制范围小,精度不高。

在一些重点实验室中，以及在进行一些特殊试验时，对恒温控制系统的恒温控制要求非常严格，并且控制温度范围比较广泛，同时要求在各个不同的试验时间能够对温度进行调节，为此相继研制出了一些恒温控制系统，但都是用电子电路所构成。

而采用单片机进行设计，使实验室恒温控制系统更可靠、更灵敏、更灵活，控制温度范围更广，更具有应用价值。

因此设计高可靠性、高稳定性的恒温控制系统是很必要的。

在现代的工业生产中，温度是一个非常普遍但却十分重要的工艺参数，很多材料的特性与温度息息相关，且物理变化和化学反应过程都与温度密切相关，因此对温度的控制是现代自动化生产中重要任务。

而对于现代工业中不同生产情况和工艺要求，所采用的加热方式，燃料，控制方案等也不尽相同。

传统的温度测量办法是利用一般温度计进行读数，因此对于需要随时了解温度变化的场合，这种办法会消耗大量人力物力，而且对于变化较快的温度数值不能同时做到同步及时测量，效果不好。

而且在读取温度时的人为因素引起的误差也不可以忽视。

所以要用人工进行温度控制，它的局限性非常大，而且无法做到精确控制，因此需要寻求更好的检测和控制温度的方法。

随着微电子技术和微型计算机的迅速发展，微机测量和控制技术以其逻辑简单、控制灵活、使用方便及性价比高的优点得到了迅猛发展和广泛应用。

它不仅在航空航天、铁路交通电力、冶金、石油化工等领域获得了广泛应用，而且其技术在日常生活中诸如电梯、微波炉、电冰箱、电视机、智能照相机、电动玩具、全自动洗衣机、智能空调等高科技产品中也具有广阔的应用前景，尤其是许多智能仪表和测控系统中引入电脑控制技术后，使传统仪表、仪表设备发生了根本变化，为工业生产的自动化、智能化奠定了坚实的技术基础。

单片机广泛应用于现代工业控制中，控制具有体积小、重量轻、价格低、可靠性高、耗电少和灵活机动等许多优点，因此如果能利用单片机进行温度的测量和控制，将会大大提高温度测量和控制的可靠性和灵活性。

单片机对温度测量控制过程是借助于传感器、A/D转换器以及扩展接口和执行机构来进行的。

在闭环过程控制中，过程的实时参数由传感器和A/D转换器来实时采集，并由单片机自动记录、处理并控制执行机构动作来进行调节和控制。

因此需要对单片机进行扩展和开发，并形成整个单片机温度控制系统。

1.1 温度测控系统的发展现状温度控制广泛应用于社会生活的各个领域，在工业中是一项非常关键的物理量，在农业、现代科学研究和各种高新技术的开发和研究中也是一个非常普遍和常用的测量参数。

例如钢铁生产过程中，按照工艺条件的规定保持一定的温度才能保证产品质量和设备的安全。

对电气设备进行温度的监控，例如高压开关、变压器的出现套管等，判断可能出现的热缺陷，进而能及时发现、处理、预防重大事故的发生，因此研究温度现场过程控制具有重要的意义。

温度控制的发展引入单片机之后，有可能降低对某些硬件电路的要求，尤其是直接获取温度信号的传感器，应给予充分的重视。

现代传感器也正在受着微电子技术的影响，不断发展变化，传感器正朝着小型、固态、多功能和集成化的方向发展。

近年来，温度控制的发展尤为迅速。

国内外市场上已经出现了多种多样地温度控制仪表，应用于社会的各个方面。

例如，能够进行程序控温的多段温度控制仪，能够实现数字PID 和各种复杂控制规律的智能式温度调节器等。

1.2 温度测控方法发展现状(1)PID控制PID控制即比例、积分、微分控制。

自19世纪40年代开始以来,广泛应用在工业生产中,长期以来,由于其结构简单、实用、价格低,在广泛的过程领域内可以实现满意的控制。

温控系统将热电偶实时采集的温度值与设定值比较,差值作为PID功能块的输入。

PID算法根据比例、积分、微分系数计算出合适的输出控制参数,利用修改控制变量误差的方法实现闭环控制,使控制过程连续,是很普通的调节方法。

其缺点是现场PID参数整定麻烦,被控对象模型参数难以确定,外界干扰会使控制漂离最佳状态。

(2)神经网络控制人工神经网络是当前主要的、也是重要的一种人工智能技术,是一种采用数理模型的方法模拟生物神经细胞结构及对信息的记忆和处理而构成的信息处理方法。