高 敏

(江蘇商貿(mào)職業(yè)學(xué)院 藝術(shù)與電子信息學(xué)院, 江蘇 226011)

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基于單片機的溫度控制系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)

高 敏

(江蘇商貿(mào)職業(yè)學(xué)院 藝術(shù)與電子信息學(xué)院, 江蘇 226011)

在工業(yè)生產(chǎn)中，很多重要環(huán)節(jié)對溫度的控制越來越高，在實際的溫度控制操作中，需要對相關(guān)環(huán)節(jié)的溫度做好快速的采樣和有效的分析，以保證數(shù)據(jù)的精確，并做好溫度的控制工作。當(dāng)前的溫度控制多由單片機來實現(xiàn)，因此本文著重介紹單片機相關(guān)知識，包括單片機的類型選擇、單片機的框架結(jié)構(gòu)以及單片機的溫度控制原理等，并簡單介紹單片機的溫度控制系統(tǒng)。

單片機; 溫度控制系統(tǒng); 控制原理; 研究與實現(xiàn)

前言

隨著社會經(jīng)濟的逐步發(fā)展，工業(yè)生產(chǎn)過程中對一些生產(chǎn)條件也變得日益嚴苛，在對溫度的測量和控制方面也是如此。在測量和溫度控制的具體過程中，該如何做到準確且實效的測量，并在測量的同時對溫度進行有效的控制，是工作中比較重要的課題。其當(dāng)前最主要的檢測和控制手段就是單片機。使用單片機對溫度進行控制，不僅在操作上比較簡便，還能最大程度地滿足工業(yè)生產(chǎn)中的溫度技術(shù)指標，能在很大程度上保證產(chǎn)品質(zhì)量，因此其應(yīng)用前景相當(dāng)廣闊。

一、單片機及其研究背景介紹

單片機是指單片微型計算機，其包括了CPU芯片、ROM只讀存儲器、RAM隨機存取存儲器、I/O輸入輸出端口和中斷系統(tǒng)等多個部件。單片機的體積很小，但是功能卻很強大，只需要通過接入外加電源和晶振，就可以有效地對信息進行處理。因此，其被廣泛地應(yīng)用于現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中[1]，在對能源的利用上面有著很好的提升效率的作用，并能改善勞動的條件，降低生產(chǎn)和設(shè)備的事故發(fā)生率，對安全節(jié)能生產(chǎn)工作有著很好的促進作用。

二、單片機的類型選擇及其系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)設(shè)計

(一)單片機類型選擇

在整個溫度控制系統(tǒng)中，單片機的類型選擇有著至關(guān)重要的作用。其需要滿足運算速率快和內(nèi)存高要求，并且需要將成本因素和通用性等因素加以考量。本文選取51單片機作為系統(tǒng)開發(fā)的控制主芯片進行參考。在生產(chǎn)過程中，51單片機是當(dāng)前最主要的溫度控制芯片[2]，其指令集與芯片引腳可以兼容英特爾的8051單芯片微控制器；而且其具有4KB可編程程序處理器以及128RAM隨機存取存儲器，再結(jié)合先進的串行通信借口，使其能十分高效地完成溫度的控制。

(二)選擇傳感器

目前的溫度控制系統(tǒng)最常用的一線式數(shù)字溫度傳感器是DSI8B20,其是由美國著名的半導(dǎo)體公司達拉斯半導(dǎo)體公司所生產(chǎn)。這款傳感器可以快速地采集數(shù)據(jù)，是專門用于適配為處理器的智能溫度傳感器，由于具有體積小、傳輸速率高等特點，在各個行業(yè)都得到了廣泛的應(yīng)用。

(三)系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計

通常情況下，溫度控制系統(tǒng)是按照其運作過程來劃分模塊的，主要包括五個部分，即數(shù)據(jù)的采集模塊、單片機控制模塊、溫度的設(shè)計模塊、顯示模塊以及驅(qū)動電路。其中，數(shù)據(jù)采集模塊能夠?qū)囟葦?shù)據(jù)進行實時地采集，然后將采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)絾纹瑱C中；單片機控制模塊則負責(zé)處理接受到的信息并傳送到顯示模塊上，通過顯示與溫度設(shè)計模塊則可以進行溫度值的設(shè)定。若出現(xiàn)實時溫度低于設(shè)定溫度的情況，單片機中的驅(qū)動電路就會預(yù)警，同時執(zhí)行加熱操作；若實時溫度高于設(shè)定溫度，控制驅(qū)動電路就會停止加熱，從而使系統(tǒng)能夠合理有序地運行。

基于單片機的溫度控制系統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)見圖1。

數(shù)據(jù)的采集模塊溫度的設(shè)計模塊單片機控制模塊顯示模塊驅(qū)動電路

圖1 基于單片機的溫度控制系統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)

三、關(guān)于單片機的溫度控制原理分析

傳感器是單片機對溫度進行控制的重要載體。傳感器可以將溫度信息放大到電路上，并將之轉(zhuǎn)換成為毫伏級別的電壓信號，再將其放大到單片機可處理的范圍，以便于單片機對信息的處理；再將以電壓形式存在的信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號傳輸?shù)街鳈C[3]，這樣就完成了對溫度的采集工作。同時，在采集相關(guān)信號的過程中，需要在采樣的時候進行信號的數(shù)字濾波操作，這樣能將相應(yīng)的信號轉(zhuǎn)換成相對應(yīng)的標度，便于溫度指數(shù)在LED中的顯示，也能提高測量的準確度。還可以提前設(shè)定溫度值，再將此溫度值與采集到的溫度數(shù)值進行對照，應(yīng)用積分分離的PID算法，進行兩者的偏差分析，這樣能得到最終的輸出控制量值，輸出控制量的得出，能使導(dǎo)通時間和加熱功率的確定更加準確，對溫度環(huán)境的有效調(diào)節(jié)也有很大幫助。這個過程表示在圖2中。

原始溫度信息溫度傳感器A/D轉(zhuǎn)換數(shù)字濾波LED顯示

圖2 溫度采集及顯示流程

對溫度控制系統(tǒng)的規(guī)劃和設(shè)計，是為了有效、實時且精準對溫度實施控制，只有完成了這一步，才能將其應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)中和生活中。一般情況下，溫度數(shù)值是使用十進制數(shù)碼進行顯示的，這能很大程度提升實時監(jiān)測工作的便利性。同時，還要對溫度范圍進行提前的設(shè)定輸入，這樣就能保證溫度不在設(shè)定范圍內(nèi)時的自動控制，以便于維持溫度的穩(wěn)定。

四、單片機溫度控制的具體實操方法

在溫度傳輸?shù)倪^程中，許多因素會對溫度的保存造成不良影響，會對溫度數(shù)據(jù)真實性造成干擾[4]。因此需要采取相應(yīng)的措施，避免上述情況的發(fā)生。

(一)單片機與高精確度的傳感器結(jié)合使用

單片機對溫度系統(tǒng)能進行有效的控制，它能建立起人機操作界面，同時對系統(tǒng)進行有效的控制，還能分析和處理數(shù)據(jù)信號信息。通過前端安裝高精度的傳感器，提高了信號采集的精度和效率，因此被廣泛地采用。

(二)純硬件式的閉環(huán)控制系統(tǒng)

這種系統(tǒng)的最大優(yōu)點就是速度快，在生產(chǎn)過程中，純硬件式的閉環(huán)控制系統(tǒng)的應(yīng)用，能提高溫度測量的效率，控制的時間就會相應(yīng)縮短。但其對溫度測量的精確度會有所降低。而且，純硬件式的閉環(huán)控制系統(tǒng)中的線路一般都比較復(fù)雜，安裝和調(diào)試難度較高，對操作也提出了較高要求。因此，雖然使用純硬件式的閉環(huán)控制系統(tǒng)速度較快，也能保證溫度的實時測量，卻無法保證精度，調(diào)試難度也大，故此種方法無法在實際的生產(chǎn)活動中得到大面積的推廣使用。

(三)人機交互信號的測量工作

單片機對溫度系統(tǒng)的控制過程中，使用FPGA/CPLD來執(zhí)行溫度的采集及顯示工作，可以實現(xiàn)A/D功能。再通過IP核來完成人機交互以及信號檢測分析工作。這種方法對溫度的控制，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)就比較緊湊，對諸多復(fù)雜的情況也能進行有效的檢測控制，更為重要的是，其操作也十分便捷。不足之處則表現(xiàn)為調(diào)試過程復(fù)雜，成本較高，性價比優(yōu)勢不明顯，所以普通企業(yè)往往不會選擇這種方式。

五、單片機溫度控制系統(tǒng)的深度開發(fā)與應(yīng)用

單片機溫度控制系統(tǒng)是一整套的系統(tǒng)，包括軟件、硬件的各個方面及溫度檢測系統(tǒng)的開發(fā)。只有做好各個方面的系統(tǒng)開發(fā)[5]，才能對整套的單片機溫度控制系統(tǒng)有所助益，并提高整個單片機溫度控制系統(tǒng)的效率，降低其成本，使單片機溫度控制系統(tǒng)得到更大的發(fā)展，并將之作更加廣泛的推廣和應(yīng)用。單片機溫度控制系統(tǒng)的深度開發(fā)與應(yīng)用主要包括硬件方面、軟件方面和溫度檢測系統(tǒng)開發(fā)這三個方面：

(一)硬件系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用

開發(fā)硬件系統(tǒng)的過程中，最常見的方法是選擇單片微型機作為主機的方式，其后在主機上配置相應(yīng)的傳感器開關(guān)。將多種設(shè)備進行綜合地應(yīng)用與設(shè)計，就能符合設(shè)計的各項要求，進而完成對溫度的自動控制。在自動控制技術(shù)的開發(fā)過程中，要根據(jù)系統(tǒng)的實際需要來進行，如根據(jù)實際需要配置鍵盤和顯示器等設(shè)備。這種方法能更好地完善系統(tǒng)功能。

第一，配合做好液晶顯示器的設(shè)計工作。LED 和LCD的液晶顯示器被廣泛地采用于現(xiàn)代儀表的設(shè)計之中。 LED的液晶顯示器在現(xiàn)實中不能將數(shù)字顯示出來，這是一個需要注意的問題。LCD液晶顯示器就能比較靈活地顯示數(shù)字、漢字與圖形，但成本較LED高得多。不過科技在不斷發(fā)展，這也使得LCD生產(chǎn)成本不斷降低。因此許多高檔儀表設(shè)計中已經(jīng)開始廣泛地使用LCD顯示器了。

另一方面，LCD 的程序比較復(fù)雜，傳統(tǒng)語言的編寫難度很高。所以在編寫上會選擇C51來處理程序，為修改方面提供了極大便利，也因此可以完成多項數(shù)據(jù)的共同應(yīng)用。

LED和LCD顯示器的對比見表1。

表1 LED和LCD顯示器的對比

第二，聲光報警設(shè)計方面。報警模塊的設(shè)計中，一般會用到2個LED器件單片機的I/O，以便于直接驅(qū)動LED顯示器。由于LED顯示器功效較低且壽命較長，所以被廣泛應(yīng)用于報警器件之中。針對較大功率的報警器件，可通過設(shè)計繼電器來進行控制。

第三，串口通信設(shè)計方面?？刂迫藛T若要保障系統(tǒng)通信工作的正常有序，則需要利用PC機對相關(guān)子程序進行控制[6]，從而使相關(guān)數(shù)據(jù)傳輸?shù)酵ㄐ懦绦蛑?，通信程序進一步按照數(shù)據(jù)的組合將之發(fā)送到各指定區(qū)域，進而完成設(shè)計要求。

最后，是雙路操作的切換設(shè)計。雙路操作的切換設(shè)計是為穩(wěn)定電壓所做的。

(二)軟件方面的開發(fā)與應(yīng)用

C語言是主要的軟件應(yīng)用語言，貫穿于系統(tǒng)應(yīng)用軟件的整個編寫過程中。單片機的各項功能都需要C語言的編程操作來實現(xiàn)。首先，單片機的主程序會進行初始化的模塊操作。然后，分析處理讀取到的溫度數(shù)據(jù)。最后，將處理完成的溫度數(shù)據(jù)輸送到顯示器和鍵盤上。這個過程中，采用循環(huán)查詢方式控制并顯示溫度。

實際的應(yīng)用過程中，主程序需要進行實時的溫度顯示和讀取，并對AT89S51 測量的當(dāng)前溫度進行相應(yīng)處理，與此同時，將溫度數(shù)據(jù)在各子程序中進行調(diào)用。然后，將熱電偶測量的溫度值轉(zhuǎn)換成電路數(shù)字傳送到單片機中。每隔10秒鐘，時間控制系統(tǒng)將自動中斷重啟，系統(tǒng)就會將實際采集到的溫度數(shù)據(jù)集中，并與之前設(shè)定好的溫度數(shù)據(jù)進行對比，根據(jù)結(jié)果，控制系統(tǒng)會進行一定程度的自動調(diào)節(jié)。當(dāng)設(shè)定數(shù)據(jù)與實際測量的數(shù)值存在一定范圍的差值時，就會啟動自動執(zhí)行控制系統(tǒng)。如果有其它的指令，也可以通過相應(yīng)的指令修正設(shè)定數(shù)據(jù)與實際測量數(shù)值之間的差距。若是設(shè)定與實際測量值沒有差距或者差距相當(dāng)小，系統(tǒng)就會按預(yù)先設(shè)定好的溫度值開啟系統(tǒng)恢復(fù)功能[7]。由上述的步驟可以看出，設(shè)定值在軟件的開發(fā)與應(yīng)用中是十分重要的。

(三)溫度檢測的開發(fā)與應(yīng)用

溫度檢測一般使用熱電偶傳感器，它是目前應(yīng)用最廣泛的一種傳感器。熱偶傳感器的造價比較低廉，且其精確度比較高。雖然熱電偶傳感器的結(jié)構(gòu)較其它傳感器要簡單得多，但熱電偶傳感器的測量范圍卻十分廣泛，在具體的應(yīng)用過程中，熱電偶傳感器的速度也相對較快。

不過，熱偶傳感器的缺點也很明顯，那就是其在實際應(yīng)用中電壓信號較弱。熱偶傳感器對電壓的識別以毫伏和十毫伏計，因此在轉(zhuǎn)換AID的過程中，可對信號進行相應(yīng)處理，然后需要在AID轉(zhuǎn)換器中使用對其放大倍數(shù)的電路。這樣可以對上述問題進行彌補。

系統(tǒng)中用以實現(xiàn)溫度控制的熱偶傳感器操作一般比較簡單[8]。但需要注意的是：在熱偶傳感器的使用過程中，熱電偶傳感器是具有冷端補償功能的。所謂冷端補償功能，就是指熱偶傳感器的溫度在相對較低的時候，熱偶傳感器的輸出電勢就會出現(xiàn)偏離冷端溫度較低的數(shù)值。這種情況下需要采用冷端補償?shù)姆椒▉砑m正，及時有效地修正溫度控制系統(tǒng)的問題，才能使溫度保持恒溫不變。

六、結(jié)語

單片機的溫度控制系統(tǒng)在當(dāng)前的工業(yè)生產(chǎn)和生活中的應(yīng)用已經(jīng)相當(dāng)廣泛，單片機的溫度控制系統(tǒng)在目前的工業(yè)生產(chǎn)當(dāng)中，實用價值也比較高。在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用單片機的溫度控制系統(tǒng)，能有效地對環(huán)境溫度進行精確的檢測和有效的控制，系統(tǒng)的應(yīng)用成本低廉、效果突出，不僅準確度較高，操作人員在查詢與控制上也十分便利。對企業(yè)生產(chǎn)效率的提高，促進制造生產(chǎn)行業(yè)的發(fā)展具有十分重要的作用，對實現(xiàn)現(xiàn)代化生產(chǎn)也具有十分重要的作用?；趩纹瑱C溫度系統(tǒng)的開發(fā)和設(shè)計也將不斷地持續(xù)改進下去。

[1] 張星梅,周玉成,閆承琳,侯曉鵬,徐佳鶴,安源. 基于單片機的人造板連續(xù)平壓熱壓機分布式溫度控制系統(tǒng)的開發(fā)[J]. 木材工業(yè),2012,05:14-18.

[2] 侯凡,趙宇. 基于MSP430單片機的高壓電力設(shè)備溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)[J]. 工業(yè)控制計算機,2007,03:57-58+60.

[3] 朱奕丹,倪浩如. 基于單片機控制的高精度多點溫度檢測顯示系統(tǒng)[J]. 自動化儀表,2008,08:58-61+64.

[4] 趙娜,宋文愛. 基于MSP430單片機的溫度和瓦斯報警系統(tǒng)的設(shè)計[J]. 儀表技術(shù)與傳感器,2008,08:49-50+60.

[5] 李建偉,李慧琴,劉軍. 基于C8051F020單片機的模糊PID溫度測控系統(tǒng)設(shè)計[J]. 機電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新,2006,06:127-128.

[6] 陳名鑫,張文威. 基于AT89S52單片機的多路溫度監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J]. 中國醫(yī)療設(shè)備,2013,03:46-49.

[7] 馮為蕾,雷卉,劉玉縣,劉關(guān)玉,蔡志崗. 基于PID算法和ATmega16單片機的溫度控制系統(tǒng)[J]. 儀表技術(shù),2010,12:44-46+49.

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(責(zé)任編輯 夏侯國論)

Temperature Control System: Based on Single Chip Microcomputer

GAOMin

(School of Arts and Electronics,Jiangsu Commerce and Trade Career Academy, Jiangsu 226011, China)

In industrial production, requirements over temperature control are more than before. In reality, when operating temperature control, the sampling and effective analysis should be done very fast in order to ensure the accuracy of data. At present, the temperature is controlled normally by single chip microcomputer (SCM). Therefore, this paper focuses on the introduction of SCM related knowledge, including MCU type selection, frame structure and single chip temperature control principle, and the SCM temperature control system, etc.

single chip microcomputer; temperature control system; principle of control; research and implementation

2016-06-19

移動圖書館信息服務(wù)體系評價研究(SY2015122104)

高 敏，女，江蘇商貿(mào)職業(yè)學(xué)院藝術(shù)與電子信息學(xué)院講師。

TP273

A

1674-0408(2016)04-0026-04