基于AVR单片机控制的恒温水箱温度控制系统设计的研究

恒温水箱温度控制系统原理及设计恒温水箱温度控制系统首先通过温度传感器对水温不断的进行实时采集并将采集的水温信號经过信号调理后送入中央控制器接着中央控制器利用控制算法根据设定温度参数以及采集温度信号计算出调控量最后中央处理器根据调控量对执行部件进行调控执行部件根据调控信号对加热器和制冷器进行相应的控制从而实现对恒温水箱温度的调节
3 温度控制系统软件系统设计
温度控制系统软件系统的核心为控制算法的设计，本文将采用神 经网络改进的 PID 算法作为本文的控制算法。PID 算法具有原理简单、 容易实现等特点，因此颇受人们喜爱。当用 K P 表示比例系数， K I 表 示积分系数， K D 表示微分系数时。由于 PID 算法中的 K P 、 K I 、 K D 三 个参数对经验依赖性较大，导致 PID 的自适应性能不佳，使得控制精 度以及算法鲁棒性不理想。对此，本文采用神经网络算法对这三个参 数进行修订，以形成自适应性能较强的神经网络改进 PID 算法，以使 得控制算法具有较好的控制精度以及鲁棒性能。 神经网络算法具有将强的学习功能，在此将利用神经网络算法对
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理论研究
基于 AVR 单片机控制的恒温水箱温度 控制系统设计的研究
吕值敏 （重庆城市职业学院信息工程系 ,重庆 404100）
摘 要：为了实现对恒温水箱的水温进行精确的调控，本文提出了基于 AVR 单片机控制的恒温水箱温度控制系统设计的研究。利用 AVR 系列的 ATmage48 型单片机作为中央处理器设计了硬件电路，联合神经网络改进的 PID 算法作为软件核心设计了恒温水箱温度控制系统。通过该系统可 将水箱内的水温准确快速的控制在设定温度范围内。 关键词：AVR 单片机；恒温水箱；控制系统 DOI:10.16640/ki.37-1222/t.2017.14.209
0 前言
恒温水箱的核心因素为将水箱内的水温按要求控制在一定的温度 范围内。水温过高或者过低都将产生不良的影响。为了实现对恒温水 箱的水温进行准确、实时的控制，本文提出了基于 AVR 单片机控制 的恒温水箱温度控制系统设计的研究。利用 ATmage48 单片机作为中 央处理，获取温度传感器采集到的温度数据，然后启动神经网络改进 的 PID 算法，利用采集到的温度数据以及设定的温度参数进行计算得 出调控量，最后中央处理器再根据调控量对执行部件进行控制，从而 实现对恒温水箱内水温的调控。 ATmega48 单片机作为中央处理器，该单片机具有高精度、速度快以 及稳定性好等特点，能够适应恒温水箱中对水温进行控制的要求。执 行部件控制部分主要为可控硅的控制电路，中央控制器通过对可控硅 的开度进行调控，从而控制流经加热器或者制冷器的电信号从而实现 对水温进行控制。
2 温度控制系统 硬件电路原理及 设计
ATmage48 中央处理器
神经网络改进 的PID算法
∂Q(i ) = K P δ P e(i ) (e(i ) − e(i − 1)) （1） ∂x1
交互部分。在此，采用了迪文科技的 DMT80480C070_15WT 型 7 寸 液晶触摸屏作为人机交互界面实现的平台，该液晶触摸屏具有可视角 度宽、分辨率高以及功耗低的特点，能够满足恒温水箱温度控制系 统的要求。同时还采用了喇叭和 LED 组成了警报电路。本文采用了
设定温度参数
执行部件
K I = δ I e(i )
制冷器 加热器 通过从恒温水箱 温度控制系统原理的 图 1 恒温水箱温度控制系统整体设计 分析可知，硬件电路 示意图 主要由四个部分组成， 分别是人机交互部分、 实时温度采集 信号调理电路 电路 中央控制部分、实时 温度监测部分、执行 部件控制部分。温度 液晶触摸 屏 ATmega48 控制的硬件电路如图 可控硅控制电 中央控制电路 路 2 所示。 警报电路 从温度控制系统 制冷器 硬件电路设计图图 2 加热器 可见，液晶触摸屏和 图 2 温度控制系统硬件电路设计图 警报电路组成了人机
∂Q(i )
4 结论
本文利用 ATmega48 单片机作为中央控制器，联合神经网络改进 的 PID 算法设计了恒温水箱温度控制系统，该系统能对水箱内的水温 进行实时的监测，并根据监测结果对水温进行调节，使得恒温水箱内 的水温始终能保持在预定的温度范围内。 参考文献： [1] 王妍玮 , 于惠力 , 杜晓东 . 基于单片机的水温恒温模糊控制系统 设计 [J]. 林业机械与木工设备 ,2011,39(01):47-49. [2] 李国林 , 朱林涛 . 恒温水箱控制系统参数整定算法的研究 [J]. 电子工业专用设备 ,2016(04):51-55.
K P 、、 K I 、 K D 的学 习效率表示为 δ P 、δ I 、δ D 时，神经网络对 K P 、 K I 、 K D 的修订过程为：
1 恒温水箱温度控制系统原理及设计
恒温水箱温度控制系统首先通过温度传感器对水温不断的进行实 时采集，并将采集的水温信号经过信号调理后送入中央控制器，接着 中央控制器利用控制算法，根据设定温度参数以及采集温度信号计算 出调控量，最后中央处理器根据调控量对执行部件进行调控，执行部 件根据调控信号对加热器和制冷器进行相应的控制，从而实现对恒温 水箱温度的调节。由此，本文对恒温水箱温度控制系统进行了整体设 计，温度控制系统的 整体设计示意图如图 设定温度参数 1 所示。
∂Q(i ) e(i ) ∂x1
（2）
= K D δ D e(i)
∂Q(i) (e(i) − 2e(i − 1) + e(i − 2)) （3） ∂x1
其中， x1 为输入量， ∂x1 为雅克比行列式。通过神经网络算法修 订后的 PID 算法具有较强的自适应性能，有助于提高恒温水箱的水温 控制精度。