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恒温系统的自动控制技术
摘要
温度与生物的生活环境密切相关， 不同的生物或物体对温度的要求都不同。随着智能控制技术不断的发展， 在现代工业生产以及科学实验的许多场合， 为了获取生物或物体所需求的温度， 需要及时准确的获取温度信息， 同时完成对温度的预期控制， 这时候温度检测与控制系统就显得尤其的重要。 因此， 温度检测系统的设计与研究一直备受广大科研者重视。
关键词： 温度检测； AT89C52 单片机； 恒温箱；
ABSTRACT
Temperature is closely related to life and environment. Different creature or object have different requirements to temperature. With the development of the intelligent-control- technology, and in order to arrive to the creature's or object's temperature-demand, we should take the information of temperature timely and accuratly, and control the temperature to the expected degree, in the modern industrial production and scientific experiment many occasions . I n this situation, the testing and controlling system for temperature is especially important. Therefore, the designs for temperature detection system attract researchers' attentions.

一恒温系统自动控制在国内外现状及意义……………………………………

1.1 恒温系统自动控制在国内外现状………………………………………

1.2 恒温系统自动控制意义…………………………………………………

二、恒温系统自动控制的基本原理、结构及技术路线…………………………

2.1 恒温系统自动控制的基本原理…………………………………………

2.2 恒温系统自动控制的结构………………………………………………

2.3 恒温系统自动控制的技术路线…………………………………………

三、小结……………………………………………………………………………

四、参考文献………………………………………………………………………

一、 恒温系统自动控制在国内外现状及意义
1.1 恒温系统自动控制在国内外现状
温度控制技术在现代信息技术中是三大基础之一。恒温箱不管是在生活上，还是在工业上都有着巨大的经济效益。 恒温箱自动控制系统在国内外都到研究与发展。 恒温箱的控制系统从开始的由人工调节达到需要的温度及控制， 到现在发展到采用单片机的自动控制其温度。 恒温箱最基础的器件是由温度检测系统， 模数转换系统， 单片机为核心， 温度显示的组成。 温度检测系统一般使用温度传感器。 温度传感器从 1821 年由德国物理学家赛贝发明后到热电偶传感器。在由德国西门子发明了铂电阻， 后在半导体技术的支持下相继开发了半导体热电偶传感器、 PN 结温度传感器和集成温度传感器。 20 世纪 90 年代时又发明了智能温度传感器。 这样可控制的温度范围有所加大， 温度控制的精度也逐步提高。 模数转换器是现实中各种模拟信号通向数字化数字世界的桥梁。 ADC模数转换器有 8 位， 12， 14， 16， 24 位等。 ADC 的位数越高分辨率也越高，位数越高， 精度也越高。 现在工业需要高精度的电器也越来越多。 对不同的产品要求的精度不一样， 对 ADC 的选择也不一样。 单片机是一种集成电路的芯片。从 1976 年起是单片机的开始阶段到 1978 年的单片机的完善阶段。到了 1982年后到 1990 年， 8 位的单片机得到巩固发展， 以及 16 位单片机推出。 从 1990到现在微控制器的全面发展阶段。 所以单片机深入了各个领域的发展与应用。因此产品越来越智能化多样化。 显示一般有数码管和液晶显示。 国内恒温箱的现状多为传统式电子产品， 而国外温度控制技术发展较为成熟。 温度传感器采用热敏电阻或热电阻， 部分产品温度设定和电热丝开关通过触摸键和液晶显示屏实现人机交互界面， 电热丝开关切换自动完成， 运算放大电路和开关电路实现双位调节。 这类智能恒温箱产品改善了人机交互界面， 解决了“温度设定分度值过粗” 等问题， 但仍存在“控制精度不高” 、 “时间常数大” 、 “操作较复杂” 等问题。 近年来， 温度控制器正朝着高精度、 多功能、总线标准化、 高可靠性及安全性、 开发虚拟温度控制器和网络温度控制器、 研制单片测温控温系统等高科技的方向迅速发展。 以当今控制技术的发展智能控制温控器将会很快取代传统式电子产品。
1.2 恒温系统自动控制意义
恒温的应用广泛是毋庸自疑的。 例如， 在日常生活上， 我们用的高温烘箱； 在工业生产上， 有化工、 建材、 冶金、 食品加工、 机械制造， 还有根据动物生活习性的需求控制饲养棚的温度来进行孵卵或动物培养等； 在农业上， 可调节温度来控制种子的发芽， 植物的生长等； 在科学实验上， 可调节恒温环境用来培养细菌生长等； 在医学上， 可用于早产婴儿保护箱等。 由此科研者对恒温箱的研究也一直持续不断。 对恒温箱的作用研究也越来越多， 使得用得到的范围也更为广阔。 现在的时代是科技高速发展的信息时代， 微型单片机技术、 电子技术的应用更是空前广泛。 由于它具有体积小、 性价比高、 功能强等特点， 所以广泛应用于电子仪表、 节能装置、 家用电器、 工业控制、 机器人、 军事装置等诸多领域。 使产品小型化， 智能化， 既提高了产品的功能和质量， 又降低了成本， 简化了设计。 它迅猛的发展到了各个领域。 这些技术的发展也使得恒温箱的体积变小， 更智能化， 功能更齐全， 质量也更好。 更何况成本还降低了。 因此对恒温箱的研究也是极有意义的。
二、 恒温系统自动控制的基本原理、结构及技术路线
2.1 恒温系统自动控制的基本原理
恒温系统由制冷系统，加热系统，控制系统，湿度系统，送风循环系统，和传感器系统等组成，上述系统分属电气和机械制冷两大方面。下面叙述几个主要系统的工作原理和工作过程。
        制冷系统 制冷系统是综合试验箱的关键部分之一。一般来说，制冷方式都是机械制冷以及辅助液氮制冷，机械制冷采用蒸汽压缩式制冷，它们主要由压缩机，冷凝器，节流机构和蒸发器组成。如果我们试验的温度低温要达到-55℃，单级制冷难以满足要求，因此恒温系统的制冷方式一般采用复叠式制冷。恒温系统的制冷系统由两部分组成，分别称为高温部分和低温部分，每一部分是一个相对独立的制冷系统。高温部分中制冷剂的蒸发吸收来自低温部分的制冷剂的热量而汽化；低温部分制冷剂的蒸发则从被冷却的对象（试验箱内的空气）吸热以获取冷量。高温部分和低温部分之间是用一个蒸发冷凝器联系起来，它既是高温部分的冷凝器，也是低温部分的冷凝器。
        加热系统 试验箱的加热系统相对制冷系统而言，是比较简单。它主要有大功率电阻丝组成，由于试验箱要求的升温速率较大，因此试验箱的加热系统功率都比较大，而且在试验箱的底板也设有加热器。
        控制系统 控制系统是综合试验箱的核心，它决定了试验箱的升温速率，精度等重要指标。现在试验箱的控制器大都采用PID控制，也有少部分采用PID与模糊控制相组合的控制方式。由于控制系统基本上属于软件的范畴，而且此部分在使用过程中，一般不会出现问题。湿度系统和温度系统分为加湿和除湿两个子系统。
2.2 恒温系统自动控制的结构 
图10-2
为了达到自动控制的目的，由相互制约的各个部分，按一定的要求组成的具有一定功能的整体称为自动控制系统。它是由被控对象、传感器(及变送器)、控制器和执行器等组成。例如，图10-2室温自动控制系统的被控对象为恒温室，传感器为温度传感器，控制器为温度控制器，执行器为电动调节阀。用框图表示自动控制系统的控制过程，如图 10-3所示。图中自动控制系统的各组成部分，我们称为环节，用方框表示。各环节之间的关系，用带箭头的线条表示，同时也表示了信号的传递方向。在线条的上方用字母表示作用信号的种类。 与图10-2相对照，自动控制系统中的被控对象对应的是恒温室和热水加热器，我们称为广义对象，以区别于实际被控对象即恒温室。被控变量是室温，用θa表示。被控变量应达到的数值称为给定值 (或称为设定值)。自动控制系统在工作中会受到来自外部的影响(即干扰)，引起被控变量偏离给定值，自动控制系统的作用就是根据被控变量偏离给定值的程度，调节执行器，改变进入被控对象(在此指广义对象)的物料量(即进入加热器的热水流量)，从而克服干扰，使被控变量恢复(或接近)到给定值。干扰用f表示。被控变量偏离给定值的程度用偏差e表示。执行器调节的物料量用Q表示。控制器输 出的控制信号用尸表示。自动控制系统中，比较元件是控制器的一个组成部分，在因中把它单独画出来为的是说明其比较作用。比较元件亡的输入量有两个，即给定位和传感器的输出信号，两输入量经过比较(相减)，输出偏差信号，作用在控制器输入端。传感器则将测量到的被控变量变换成比较元件要求的信号，传递到比较元件。
　　从总体上看，图10-3中，自动控制系统的输入量有两个.即给定值和干扰，输出量有一个，即被控变量。因此，控制系统受到两种作用，即给定作用和干扰作用。系统的给定值决定系统被控变量的变化规律。干扰作用在实际系统中是难于避免的，而且它可以作用于系统中的任意部位。通常所说的系统的输入信号是指给定值信号，而系统的输出信号是指被控变量。输入给定值这一端称为系统的输入端，输出被控变量这一端称为输出端。
　　由图10-3的框图可以看出，从信号传递的角度来说，自动控制系统是一个闭合的回路.所以称为闭环系统。其特点是自动控制系统的被控变量经过传感器又返回到系统的输入端，即存在反馈。显然，自动控制系统中的输入量与反馈量是相减的，即采用的是负反馈，这样才能位被控变量与给定值之差消除或减小，达到控制的目的。闭环系统根据反馈信号的数量分为单回路控制系统和多回路控制系统。
2.3 恒温系统自动控制的技术路线
根据恒温箱控制器的功能要求并结合对单片机的资源分析，即单片机软件编程自由度大，可用编程实现各种控制算法和逻辑控制。按键将设置好的温度值传给单片机，通过温度显示模块显示出来。初始温度设置好后，单片机开启输出控制模块，使电热器开始加热。