楊大春

廣東松山職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東　韶關(guān)　512126

以單片機(jī)為基礎(chǔ)的溫度控制系統(tǒng)研究

楊大春* 1

廣東松山職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東韶關(guān)512126

摘要：近些年來，利用單片機(jī)對溫度進(jìn)行控制技術(shù)已經(jīng)在工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，其在工業(yè)領(lǐng)域的使用價(jià)值越來越高。單片機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、操作容易等特點(diǎn)。在現(xiàn)代集成工業(yè)的控制系統(tǒng)中的應(yīng)用越來越廣泛，甚至已經(jīng)逐步發(fā)展成為控制系統(tǒng)中最為重要的組成部分。單片機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)精準(zhǔn)的控制溫度，極大的增加了人們對溫度的操作能力和控制能力。

關(guān)鍵詞：溫度控制系統(tǒng)；單片機(jī)；溫度控制

一、緒論

在日常工業(yè)設(shè)計(jì)中，對電機(jī)控制的研究一直很活躍。這是因?yàn)殡姍C(jī)控制系統(tǒng)在各個(gè)領(lǐng)域都有應(yīng)用。以往傳統(tǒng)的電機(jī)控制系統(tǒng)中控制系統(tǒng)的升級存在很多問題，主要原因在于，在溫度控制過程中，控制系統(tǒng)會消耗大量的電子器。這就導(dǎo)致在更改控制系統(tǒng)方案的時(shí)候還必須重新進(jìn)行電路的設(shè)計(jì)，使用不方便。與此相反，單片機(jī)的電機(jī)控制系統(tǒng)沒有那么復(fù)雜，這是由于單片機(jī)控制系統(tǒng)是軟件控制電機(jī)，完全克服了傳統(tǒng)電機(jī)控制系統(tǒng)的種種麻煩。正因如此，單片機(jī)控制系統(tǒng)受到了廣大機(jī)械研究人員的喜愛，由此可見，單片機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域的廣泛性和美好的發(fā)展前景。[1]無論是從當(dāng)前智能家居、智能化產(chǎn)品等方面的應(yīng)用，還是從單片機(jī)的發(fā)展歷史來看，都說明了這一點(diǎn)。因此，我們研究單片機(jī)的電機(jī)溫度控制系統(tǒng)對于工業(yè)的發(fā)展和國家的繁榮都有著十分重要的意義。

二、單片機(jī)及控制系統(tǒng)

眾所周知，不同的單片機(jī)在控制系統(tǒng)中往往發(fā)揮著不同的作用，因此，我們可以根據(jù)作用的不同來對控制系統(tǒng)進(jìn)行劃分，常見的控制系統(tǒng)類型為電機(jī)控制系統(tǒng)、基于單片機(jī)的控制系統(tǒng)等等。電機(jī)控制系統(tǒng)主要由四部分構(gòu)成，這四部分分別是脈沖控制器、環(huán)形分配器以及驅(qū)動(dòng)電路和電機(jī)。電機(jī)控制系統(tǒng)主要通過脈沖控制器將信號發(fā)布出去，并通過環(huán)形分配器實(shí)現(xiàn)對信息的合理分配，從而進(jìn)一步提高電機(jī)運(yùn)作的功率。單片機(jī)控制系統(tǒng)主要有四個(gè)部分構(gòu)成，其中包含單片機(jī)系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)等。單片機(jī)控制系統(tǒng)主要是將軟件和硬件有機(jī)結(jié)合在一起，并以此為有效途徑進(jìn)一步提升單片機(jī)的最佳控制。與其他零件不同，單片機(jī)在控制系統(tǒng)中具有獨(dú)特的功能，在設(shè)計(jì)過程中可以從實(shí)際情況出發(fā)增加外圍線路。將單片機(jī)同溫度控制系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合在一起，可以實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的諸多優(yōu)點(diǎn)，對于那些比較復(fù)雜的控制過程，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)外圍電容鍵盤電路的有機(jī)結(jié)合，進(jìn)一步提升交互性能。將單片機(jī)應(yīng)用到數(shù)字控制系統(tǒng)中，有利于進(jìn)一步提高控制系統(tǒng)的精準(zhǔn)度，且不會產(chǎn)生零點(diǎn)飄移的現(xiàn)象，可謂是一舉多得。近些年來，電子技術(shù)發(fā)展迅猛，企業(yè)以及社會對電控系統(tǒng)的要求也逐步提高，為了滿足這些要求，科研人員研制出了一單片機(jī)為基礎(chǔ)的溫度控制系統(tǒng)，這種控制系統(tǒng)增加了高速轉(zhuǎn)換器、輸出端等部分，極大的提高了單片機(jī)的速度，并在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)跟蹤。

三、以單片機(jī)為基礎(chǔ)的溫度控制系統(tǒng)的功能及工作原理

(一)功能

作為溫度控制系統(tǒng)中最為重要、最為基礎(chǔ)的核心元器件，以單片機(jī)為基礎(chǔ)的溫度控制系統(tǒng)的產(chǎn)生實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品生產(chǎn)過程中的全方位溫度控制。如果深入的分析以單片機(jī)為基礎(chǔ)的溫度控制系統(tǒng)，就會得出這樣的結(jié)論，該系統(tǒng)的主要功能是實(shí)現(xiàn)對溫度的科學(xué)、有效、精準(zhǔn)的檢測，并將所得結(jié)果通過一定的形式傳遞給數(shù)據(jù)監(jiān)控人員。除此之外，該系統(tǒng)還具有一定的自主性，它能夠根據(jù)溫度情況，實(shí)現(xiàn)對溫度的自動(dòng)調(diào)整，極大地提高了溫度調(diào)整的針對性。如果控制系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)實(shí)際溫度與所需求的溫度存在一定差距，則會自動(dòng)調(diào)節(jié)，保證產(chǎn)品生產(chǎn)過程的溫度控制，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量保障。[2]

(二)原理

傳感器在捕捉溫度信息方面具有非常重要的意義。以單片機(jī)為基礎(chǔ)的溫度控制系統(tǒng)是運(yùn)用傳感器來實(shí)現(xiàn)電壓信號的轉(zhuǎn)換，并在此基礎(chǔ)上無限放大電壓信號，這樣就可以將溫度控制在一定的范圍內(nèi)。通常情況下，經(jīng)過數(shù)字濾波之后，信號的標(biāo)度就會發(fā)生轉(zhuǎn)換，并將溫度檢測信號顯示出來。不僅如此，其還可以實(shí)現(xiàn)實(shí)際檢測的溫度同設(shè)定好的溫度進(jìn)行比較，從而得出控制量的數(shù)值，實(shí)現(xiàn)輸出。在輸出數(shù)值的過程中，以單片機(jī)為基礎(chǔ)的溫度控制系統(tǒng)會優(yōu)化導(dǎo)通的時(shí)間和加熱的功率。[3]在設(shè)計(jì)以單片機(jī)為基礎(chǔ)的溫度控制系統(tǒng)的過程中，我們要著重關(guān)注單片機(jī)的質(zhì)量，因?yàn)閱纹瑱C(jī)是整個(gè)溫度控制系統(tǒng)的重要組成部分，它可以實(shí)現(xiàn)對溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)測，并根據(jù)實(shí)際情況對監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行科學(xué)有效的控制，如果將這一系統(tǒng)應(yīng)用到工業(yè)生產(chǎn)以及我們?nèi)粘５纳钪?，我們就可以?shí)現(xiàn)對整個(gè)溫度的有效控制，并進(jìn)一步提高溫度控制方面的精確度，確保整個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性以及靈活性。

四、以單片機(jī)為基礎(chǔ)的溫度控制系統(tǒng)的溫度檢測方法

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的不同，我們以單片機(jī)為基礎(chǔ)的溫度控制系統(tǒng)的溫度檢測方法也存在較大的差異，因此，依據(jù)溫度控制標(biāo)準(zhǔn)的不同我們可以將以單片機(jī)為基礎(chǔ)的溫度控制系統(tǒng)劃分為不同的類型。依據(jù)敏感元件與被測介質(zhì)之間的關(guān)系可以將溫度控制系統(tǒng)分為兩大類：接觸式和非接觸式溫度檢測方法。這兩種方法并不是完全孤立存在，它們是存在一定的共有區(qū)間。前者的主要設(shè)計(jì)原理是熱脹冷縮原理，而后者所利用的原理則是熱輻射特性與溫度之間的對應(yīng)關(guān)系原理。在日常的生產(chǎn)生活過程中，我們常用的溫度檢測方法就是利用半導(dǎo)體模擬溫度傳感器。這種方式能夠?qū)⑺鶞y量的溫度信息根據(jù)一定的方式轉(zhuǎn)換為電流或轉(zhuǎn)換為電壓，并將信息傳輸出去。由上述內(nèi)容可知傳感器輸出的電流或電壓與溫度之間并不是兩個(gè)獨(dú)立的個(gè)體，而是存在著線性關(guān)系。這種測量方法能夠?qū)崿F(xiàn)電壓與電流和測量溫度之間的相互轉(zhuǎn)換，使溫度呈現(xiàn)出可視化的特點(diǎn)，進(jìn)一步放大了采樣信息的特征。[4]

除了上述方式以外，還有一種有效的測量方式，也就是熱電偶測量方式。與半導(dǎo)體模擬溫度傳感器測量方式相比，該種測量方法并不是特別強(qiáng)大，但是如果將這種方法應(yīng)用到具體實(shí)踐中，可以有效彌補(bǔ)半導(dǎo)體模擬溫度傳感器測量法的不足，進(jìn)一步提高測量溫度的準(zhǔn)確性。但應(yīng)當(dāng)注意的是，這種測量方式相對比較復(fù)雜，測量時(shí)間比較長。不僅如此，在應(yīng)用熱電偶測量溫度的過程中要使用電路，且受外界因素影響較大，很容易導(dǎo)致測量結(jié)果與實(shí)際結(jié)果存在誤差，給使用者帶來不必要的麻煩?；趩纹瑱C(jī)的溫度控制系統(tǒng)增加了一定數(shù)量的外部接口，能夠滿足溫度控制系統(tǒng)的需求，并根據(jù)實(shí)際環(huán)境，定期或不定期的對物質(zhì)溫度進(jìn)行檢測。一旦，檢測的溫度與標(biāo)準(zhǔn)溫度存在差距，溫度控制系統(tǒng)就會發(fā)出警報(bào)，并做好相關(guān)的提醒記錄，為工作人員的查詢提供方便。[5]

五、以單片機(jī)為基礎(chǔ)的溫度控制系統(tǒng)的硬件和軟件組成部分

(一)以單片機(jī)為基礎(chǔ)的溫度控制系統(tǒng)中的硬件部分

以單片機(jī)為基礎(chǔ)的溫度控制系統(tǒng)只有具備了中央處理器、控制部件、溫度檢測部件、模數(shù)轉(zhuǎn)換部件才能夠?qū)崿F(xiàn)對溫度的有效控制。這些部件當(dāng)中最重要的、最基礎(chǔ)的部件則是眾所周知的溫度測量部件。通常情況下，熱敏電阻是我們在測量溫度變化時(shí)采取的有效措施，它能夠?qū)崿F(xiàn)對溫度的精確感應(yīng)，從而幫助工作人員實(shí)現(xiàn)對溫度的有效控制。溫度測量部分的設(shè)計(jì)思路包括：首先，應(yīng)當(dāng)充分發(fā)揮溫度傳感器的作用，實(shí)現(xiàn)與環(huán)境和物體溫度的有效采集。其次，將采集到的模擬信號通過轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。[6]再次，將轉(zhuǎn)換完城的數(shù)字信號傳遞給單片機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)溫度的顯示。這里的顯示部分通常是指數(shù)碼管等。最后，單片機(jī)依據(jù)所得到的信息，實(shí)現(xiàn)對溫度的調(diào)節(jié)和控制。以加熱爐溫度控制為例進(jìn)行系統(tǒng)的闡述。加熱爐的主機(jī)部分為89C52芯片，該芯片是單片機(jī)溫度控制的核心。之所以選擇89C52芯片的主要目的是因?yàn)槠淠軌驖M足以單片機(jī)為基礎(chǔ)的溫度控制系統(tǒng)對溫度控制的需求。加熱爐溫度控制系統(tǒng)中溫度檢測部分主要由三部分構(gòu)成，分別是溫度傳感器、電傳感器以及A/D轉(zhuǎn)換器等。其中，根據(jù)系統(tǒng)要求的不同，我們所采用的電傳感器以及溫度傳感器也不同。造成這種現(xiàn)象的主要原因在于熱敏電阻所能工作的范圍是有局限性的，并不是無所不能的。由于熱電偶的結(jié)構(gòu)相對簡單，且其測量范圍非常廣泛等原因，即使在那些溫度非常高的場所我們都可以實(shí)現(xiàn)高精準(zhǔn)度的測量，正是這個(gè)原因，所以熱電偶成為了我們首選的電傳感器。[7]充分利用熱電偶可以實(shí)現(xiàn)溫度信號向電信號的轉(zhuǎn)變，并以放大濾波等形式實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換。溫度控制部分所應(yīng)用的可控硅調(diào)節(jié)器能夠科學(xué)合理的控制電爐的溫度。這種方式有其自身的優(yōu)勢，它能夠?qū)崿F(xiàn)雙向可控硅同電爐加熱電阻絲之間的有效連接，對于提高溫度控制系統(tǒng)的適應(yīng)性來說具有非常重要的意義。溫度控制系統(tǒng)中的單片機(jī)輸出端口可以經(jīng)過光耦合和驅(qū)動(dòng)電路將控制信號輸送出去，實(shí)現(xiàn)可控硅的有效控制，這種做法有利于進(jìn)一步加強(qiáng)溫度控制器的穩(wěn)定性，從而有效避免干擾。不僅如此，還能夠?qū)崿F(xiàn)對控制信號的變換進(jìn)行控制以及可控硅狀態(tài)的有效控制。為了進(jìn)一步提高以單片機(jī)為基礎(chǔ)的溫度控制系統(tǒng)工作效率，在設(shè)計(jì)加熱爐溫度控制系統(tǒng)的過程中，我們還賦予其控制系統(tǒng)人機(jī)交換功能，人機(jī)交換功能主要由三個(gè)部分組成，分別為輸入鍵盤、LED顯示、超范圍報(bào)警燈等。鍵盤的主要作用是為了輸入溫度控制信號，并保障溫度控制系統(tǒng)維持恒定的溫度。LED顯示部分能夠與單片機(jī)聯(lián)系在一起，既能夠?qū)纹瑱C(jī)輸出的信號接收進(jìn)來，還能夠?qū)⑿盘栵@示出來，有利于操作人員實(shí)現(xiàn)溫度的控制。報(bào)警部分同蜂鳴器連接在一起，一旦溫度控制系統(tǒng)的溫度檢測過高或是過低，單片機(jī)就會發(fā)出報(bào)警信號，通過蜂鳴器實(shí)現(xiàn)報(bào)警，以保證溫度的穩(wěn)定性。為了滿足系統(tǒng)的要求，加熱爐溫度控制系統(tǒng)還添加了時(shí)鐘電路，實(shí)現(xiàn)對周期、PLD控制算法的控制。[8]

(二)以單片機(jī)為基礎(chǔ)的溫度控制系統(tǒng)中的軟件部分

首先，溫度控制系統(tǒng)在上電之后的所有工作流程。以單片機(jī)為基礎(chǔ)的溫度控制系統(tǒng)會在上電后發(fā)出相應(yīng)。在響應(yīng)的過程中，鍵盤器會自動(dòng)啟動(dòng)啟動(dòng)鍵。與此同時(shí)，鍵盤會預(yù)先設(shè)置相應(yīng)的溫度，并隨后啟動(dòng)系統(tǒng)，在此基礎(chǔ)上，以事先預(yù)定的工作方式實(shí)現(xiàn)對溫度的有效檢測。這一過程中，判斷電爐的溫度是否需要調(diào)節(jié)。如果溫度信號所顯示的溫度與預(yù)設(shè)溫度相比差距較大，則會自動(dòng)調(diào)節(jié)溫度，使其能夠符合溫度設(shè)定。不僅如此，LED還能夠?qū)囟瓤刂葡到y(tǒng)所采集的溫度顯現(xiàn)出來，從而達(dá)到對溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和控制。

其次，資源分配：如下表：

地址位地址位50H-51H地址位52H-53H地址位54H-56H地址位59H-7FH系統(tǒng)思想用來檢測溫度用來存儲預(yù)設(shè)溫度采用BCD碼顯示緩沖區(qū)報(bào)警標(biāo)志位為PSW.5位,F0為0時(shí)表示禁止報(bào)警,F0為1時(shí)表示允許報(bào)警。

最后，軟件設(shè)計(jì)。想要實(shí)現(xiàn)主程序功能就必須實(shí)現(xiàn)中斷，各中斷為相應(yīng)的功能模塊。初始化結(jié)束后，系統(tǒng)會馬上設(shè)置預(yù)設(shè)溫度，并實(shí)現(xiàn)定時(shí)器0的設(shè)置。之所以設(shè)置定時(shí)器0，主要原因在于產(chǎn)生中斷。根據(jù)相關(guān)調(diào)查顯示，我們可以從系統(tǒng)的實(shí)際情況出發(fā)，對中斷方式以及間隔進(jìn)行科學(xué)有效的設(shè)置。通常溫度控制系統(tǒng)的設(shè)定中斷時(shí)間相對較短，僅為5秒。因此，必須實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的編程計(jì)數(shù)，來達(dá)到對5秒的定時(shí)采樣。

總而言之，以單片機(jī)為基礎(chǔ)的溫度控制系統(tǒng)對于進(jìn)一步提高溫度控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性、精準(zhǔn)度來說，具有非常重要的作用。因此，我們應(yīng)當(dāng)對其予以高度的重視，采取多種方法、多管齊下，多策并舉，將單片機(jī)同溫度控制系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合在一起，從而確保生產(chǎn)生活中各種溫度的平穩(wěn)。

[參考文獻(xiàn)]

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[8]王靜靜.智能分布式工程機(jī)械自動(dòng)潤滑系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].南京航空航天大學(xué)，2014.

*作者簡介：楊大春，女，研究生，廣東松山職業(yè)技術(shù)學(xué)院，控制理論與控制工程專業(yè)。

中圖分類號：TP273

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1006-0049-(2016)11-0216-02