劉瑩

摘要：該文采用51單片微型計(jì)算機(jī)作為樣本，以實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的控制，51單片微型計(jì)算機(jī)不僅組態(tài)簡(jiǎn)單，更具有良好的靈活性。此外，51單片微型計(jì)算機(jī)還能夠提高其控制指標(biāo)。在闡述溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，該文討論了單片控制中的應(yīng)用，并在最后提出溫度控制的合理性。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)；控制系統(tǒng)；設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2014）09-2098-02

近年來(lái)，溫度的測(cè)量已經(jīng)越來(lái)越重要，在實(shí)際測(cè)量中，如何保證快速的測(cè)量，并確保數(shù)據(jù)傳輸中的正確性，對(duì)所有的溫度進(jìn)行控制，是當(dāng)前溫度控制的重要問(wèn)題之一。在具體的應(yīng)用之中，單片機(jī)的溫度控制是經(jīng)常被用到的，不僅是因?yàn)閱纹瑱C(jī)具有控制方便的原因，另一方面還是因?yàn)閱纹瑱C(jī)能夠有效的滿足產(chǎn)被控溫度的指標(biāo)。因此，基于單片機(jī)的溫度控制有著良好的前景。

1 單片機(jī)的背景

所謂單片機(jī)，就是單片微型計(jì)算機(jī)的意思。單片微型計(jì)算機(jī)是一種集cpu、rom等多種系統(tǒng)于一體的期間，單片微型計(jì)算機(jī)擁有體積小、功能強(qiáng)大、便于控制等多個(gè)特點(diǎn)，在現(xiàn)代工業(yè)中可以得到良好的應(yīng)用。

單片機(jī)是隨著超大規(guī)模集成電路產(chǎn)生的，由于他的諸多特點(diǎn)，能夠有效改善勞動(dòng)條件，并防止產(chǎn)生事故，能夠帶來(lái)更高的經(jīng)濟(jì)效益。因此，基于單片微型計(jì)算機(jī)的溫度控制已經(jīng)得到了國(guó)內(nèi)外的重視，并受到了廣泛的關(guān)注。

2 如何實(shí)現(xiàn)溫度控制

2.1采用純硬件閉環(huán)控制系統(tǒng)

純硬件閉環(huán)控制系統(tǒng)擁有速度快的特點(diǎn)，但其可靠性和控制精度都比較低。此外，純硬件閉環(huán)控制系統(tǒng)安裝不便，線路復(fù)雜，要實(shí)現(xiàn)題目的要求難度比較大。

2.2 FPGA/CPLD或采用帶有IP內(nèi)核的FPGA/CPLD的方式

這種方式的重點(diǎn)在于，采用FPGA/CPLD的方式，進(jìn)行采集、顯示等功能。有點(diǎn)在于其結(jié)構(gòu)緊湊，可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制，此外操作方便。但FPGA/CPLD成本比較高，且調(diào)試復(fù)雜。

2.3單片微型計(jì)算機(jī)以及高精度溫度傳感器結(jié)合的方式

首先采用單片微型計(jì)算機(jī)來(lái)完成控制系統(tǒng)以及信號(hào)分析，隨后采利用搞極端的溫度傳感器來(lái)完成信號(hào)的采集。利用單片微型計(jì)和高精度溫度傳感器結(jié)合的方式，能夠有效的避免前兩種方法的缺點(diǎn)。因此，該文采用單片微型計(jì)算機(jī)進(jìn)行對(duì)溫度的控制。

3 單片機(jī)的選擇與系統(tǒng)框架

3.1單片微型計(jì)算機(jī)的選型

單片微型計(jì)算機(jī)的選擇是非常重要的，為了要滿足大內(nèi)存、價(jià)格便宜的要求，該文采用51單片機(jī)作為主要的控制芯片。1）具有4KB的芯片可變成Flash存儲(chǔ)器128字節(jié)內(nèi)科隨機(jī)讀寫存儲(chǔ)器；2）指令集和51單片機(jī)可以與Intle公司實(shí)現(xiàn)兼容；3）時(shí)鐘的頻率應(yīng)該打到0～33MHz；4）包含32個(gè)輸入引導(dǎo)以及2個(gè)計(jì)數(shù)器，此外還應(yīng)有2個(gè)數(shù)據(jù)指針；5）含有6個(gè)2級(jí)優(yōu)先級(jí)，另外還應(yīng)有6個(gè)中斷源；6）具有先進(jìn)的通信接口。

3.2傳感器選擇

傳感器選擇系統(tǒng)要應(yīng)用DALLAS公司生產(chǎn)的傳感器DS18B20采集數(shù)據(jù)，DS18B20是新一代的智能溫度傳感器，在多種領(lǐng)域的溫度測(cè)量、測(cè)控系統(tǒng)中有廣泛的應(yīng)用。DS18B20職能溫度傳感器的特點(diǎn)在于其體積小巧，并且方便接口，此外還具有傳輸距離遠(yuǎn)等多種特點(diǎn)。

3.3系統(tǒng)框架

系統(tǒng)的主要框架應(yīng)包括才單片微型計(jì)算機(jī)控制模塊、單片微型計(jì)算機(jī)顯示模塊、采集模塊等5個(gè)部分。其中，數(shù)據(jù)采集模塊要做實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)，并將采集到的數(shù)據(jù)及時(shí)傳送到單片微型計(jì)算機(jī)的顯示部分以顯示。而設(shè)置模塊應(yīng)預(yù)先設(shè)定溫度，當(dāng)溫度過(guò)低時(shí)單片微型計(jì)算機(jī)會(huì)報(bào)出報(bào)警聲；而當(dāng)溫度過(guò)高時(shí)，則會(huì)停止加熱。

4 基于單片機(jī)的溫度控制原理

作為測(cè)量溫度的主要載體，傳感器能夠把經(jīng)過(guò)自身的溫度放大到電路，轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)放大到單片機(jī)的可控范圍之內(nèi)，然后通過(guò)轉(zhuǎn)換器將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，隨后，通過(guò)軟件將屬下自信號(hào)輸入到主機(jī)中。在使用單片微型計(jì)算機(jī)采集信號(hào)的時(shí)候，為了提高準(zhǔn)確度，要在采集時(shí)進(jìn)行數(shù)字濾波。與此同時(shí)，經(jīng)過(guò)數(shù)字濾波，信號(hào)會(huì)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的標(biāo)度，將得到的指數(shù)顯示出來(lái)。除此之外，還可以將得到的數(shù)值與設(shè)定的數(shù)值進(jìn)行比對(duì)，然后按照PID控制算法計(jì)算偏差，并由此得出最后的控制量。隨后，通過(guò)數(shù)值來(lái)確定導(dǎo)通的時(shí)間，從而達(dá)到調(diào)節(jié)溫度的目的。

在溫度控制的環(huán)節(jié)，其初衷是為了讓單片微型計(jì)算機(jī)對(duì)溫度進(jìn)行有效的控制，以解決溫度控制的難題。面對(duì)這種情況，運(yùn)用十進(jìn)制來(lái)顯示溫度，有利于人們簡(jiǎn)單的對(duì)溫度進(jìn)行控制。當(dāng)然，這還需要鍵盤提前輸入控制范圍，這樣能夠讓溫度控制滿足需要。當(dāng)實(shí)際溫度不在規(guī)定范圍內(nèi)的時(shí)候，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)調(diào)節(jié)溫度，來(lái)保持穩(wěn)定的溫度，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制溫度。

5 單片微型計(jì)算機(jī)溫度控制系統(tǒng)的開發(fā)

5.1硬件電路的開發(fā)與應(yīng)用

在硬件電路的開發(fā)中，經(jīng)常選用單片微型計(jì)算機(jī)做主機(jī)，然后配以兩路傳感器開關(guān)，結(jié)合其余多種設(shè)備，就可以達(dá)到設(shè)計(jì)要求，輕松實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的自動(dòng)控制。當(dāng)然，也可以根據(jù)實(shí)際需求，搭配鍵盤、顯示電路等設(shè)備，以用來(lái)更好的完善系統(tǒng)。

1）液晶顯示模塊設(shè)計(jì)：在現(xiàn)代化儀表中，常用的顯示設(shè)備有LED和LCD等。其中LED只能顯示數(shù)字無(wú)法顯示漢字，而LCD則可以靈活顯示漢字、數(shù)字和圖形，便于使用，隨著技術(shù)發(fā)展，LCD的成本也正在不斷降低。因此，現(xiàn)在的高檔儀表中已經(jīng)在廣泛使用LCD，是否擁有LCD輸出現(xiàn)在已經(jīng)成為了重要指標(biāo)。由于LCD程序復(fù)雜，用傳統(tǒng)的語(yǔ)言編寫方法較難修改，因此應(yīng)選擇C51來(lái)進(jìn)行白那些程序，這樣便于修改，能夠達(dá)到多數(shù)應(yīng)用的要求。

系統(tǒng)之中LED采取動(dòng)態(tài)顯示，能夠提高性價(jià)比，并且能夠?yàn)閿?shù)碼保證正常的工作電流，如果讓數(shù)據(jù)維持一段時(shí)間，也可以進(jìn)行鎖存操作。

如果想要進(jìn)一步提高工作效率，系統(tǒng)充分利用單片微型計(jì)算機(jī)中斷源，采用多種方式，只對(duì)鍵盤按鍵進(jìn)行反應(yīng)，并進(jìn)入服務(wù)器程序進(jìn)行處理。

2）聲光報(bào)警模塊設(shè)計(jì)：光報(bào)警采用2個(gè)LED作為器件，單片機(jī)的I/O能夠直接驅(qū)動(dòng)LED。LED的特點(diǎn)是壽命長(zhǎng)，且功效較低，適合作為報(bào)警器件。如果需求更大功率的報(bào)警器件，可以設(shè)計(jì)繼電器對(duì)白熾燈的控制。聲報(bào)警則用NPN型三級(jí)管完成，其構(gòu)造簡(jiǎn)單，已經(jīng)在很多電路中實(shí)際應(yīng)用，并且聲音洪亮，工作可靠。

3）串口通信模塊設(shè)計(jì)：系統(tǒng)通信要保障操作人員控制時(shí)，PC機(jī)能夠控制子程序?qū)⒖刂茀?shù)傳遞給通信程序，通信成熟按照各式組合數(shù)據(jù)，發(fā)送到緩沖區(qū)。這種心痛主要是為了實(shí)現(xiàn)單片機(jī)和PC機(jī)的串口通信，RS-422、RS-232等標(biāo)準(zhǔn)接口，為了保證通信，在選擇時(shí)要考慮通信速度等因素。

4）雙路操作切換設(shè)計(jì)：系統(tǒng)以轉(zhuǎn)換器的輸出電壓經(jīng)過(guò)集成后的輸出電壓為輸出，雙路選擇一般而言有兩個(gè)用途，一是與系統(tǒng)構(gòu)成通路，而是當(dāng)溫度超出預(yù)先設(shè)定的溫度范圍時(shí)，可以一場(chǎng)控制，只要通過(guò)調(diào)節(jié)電阻器就可以人為控制，為了防止開關(guān)轉(zhuǎn)換時(shí)電壓引起波動(dòng)，應(yīng)引入穩(wěn)壓二級(jí)電路。

5.2軟件的開發(fā)的應(yīng)用

系統(tǒng)軟件主要以C語(yǔ)言為主，對(duì)單片微型計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)各種功能。主程序?qū)δK進(jìn)行初始化，然后調(diào)用顯示、讀溫度等模塊。用循環(huán)的方式顯示溫度，其主要功能是負(fù)責(zé)顯示溫度，并負(fù)責(zé)調(diào)用各個(gè)子程序。

此后，熱點(diǎn)測(cè)量的溫度會(huì)轉(zhuǎn)化為數(shù)字，在經(jīng)過(guò)P11：3傳送到單片微型計(jì)算機(jī)內(nèi)。然后開始發(fā)揮作用，對(duì)測(cè)量的溫度進(jìn)行采樣，并統(tǒng)一將溫度與預(yù)先設(shè)定的溫度進(jìn)行比對(duì)。根據(jù)不同的結(jié)果，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)調(diào)節(jié)。如果實(shí)際溫度與設(shè)定溫度存在差異較大，系統(tǒng)則會(huì)自動(dòng)截?cái)?，或者通過(guò)輸出指令達(dá)到修正偏差的目的；如果采集到的溫度在設(shè)定的分安慰之內(nèi)，那么就會(huì)按照原先設(shè)定的溫度開啟恢復(fù)功能。

5.3溫度檢測(cè)的開發(fā)與應(yīng)用

熱電偶傳感器是經(jīng)常用到的傳感器。這種傳感器質(zhì)優(yōu)價(jià)廉，并且精度很高，與其他傳感器相比，整體結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，但測(cè)量范圍較廣，且反應(yīng)較快。但是，目前其所輸出的信號(hào)比較脆弱，只能識(shí)別幾毫伏到幾十毫伏的電壓，因此，一般在進(jìn)行轉(zhuǎn)換的時(shí)候，首先要對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，然后通過(guò)放大倍數(shù)的電路來(lái)得意實(shí)現(xiàn)。一般情況下，運(yùn)用熱電偶調(diào)理模板來(lái)實(shí)現(xiàn)這項(xiàng)工作，是簡(jiǎn)單操作的途徑。

此外，在熱點(diǎn)偶傳感器的時(shí)候也可以采用冷不長(zhǎng)的方法，也就是說(shuō)，熱電偶的問(wèn)不讀不在0℃的時(shí)候，其所輸出電勢(shì)會(huì)逐漸0℃。因此，這時(shí)要采取補(bǔ)償?shù)拇胧﹣?lái)糾正，以解決其他情況來(lái)修正處理，從而保證不變的溫度。

6 結(jié)束語(yǔ)

基于單片微型計(jì)算機(jī)的溫度控制在當(dāng)前生產(chǎn)中非常使用，不僅可以實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的控制，還能夠根據(jù)設(shè)定的數(shù)值來(lái)調(diào)節(jié)溫度。這種系統(tǒng)成本較低，精度較高，擁有可以擴(kuò)展性的特點(diǎn)，可以方便使用者，提升生產(chǎn)效率，具有較好的應(yīng)用前景。

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