單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)方案的分析

薛飛

摘 要：溫度是影響人們生活的一個(gè)重要方面，近年來(lái)，隨著電子工業(yè)的快速發(fā)展，數(shù)字儀表的反應(yīng)越來(lái)越快。傳統(tǒng)的加熱爐一般均采用動(dòng)圈式調(diào)節(jié)爐溫，但是這種調(diào)節(jié)方法的精確度不高，并且適用適用范圍比較狹窄。針對(duì)當(dāng)前問(wèn)題，技術(shù)人員研發(fā)出一種新工藝，即單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)。該文主要分析單片機(jī)溫度控制的方法，針對(duì)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行分析，提出溫度控制的最佳狀態(tài)空間方程，并結(jié)合實(shí)踐研究給出通過(guò)調(diào)節(jié)參數(shù)達(dá)到目標(biāo)溫度的控制方案，為相關(guān)系統(tǒng)的應(yīng)用和研究提供重要的調(diào)節(jié)參數(shù)，使方案更加具有實(shí)用性，提升整近年來(lái)，隨著電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，微機(jī)測(cè)量和控制技術(shù)也得到快速發(fā)展，并且隨著工業(yè)產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，在實(shí)踐中的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。而微型測(cè)量技術(shù)作為重要的溫度控制工藝，在工業(yè)控制中發(fā)揮著重要的作用，尤其是冶金、化工和石油等工業(yè)實(shí)踐生產(chǎn)活動(dòng)中，能滿足生產(chǎn)對(duì)精度和溫度等方面的高度要求。而在實(shí)踐應(yīng)用中，不同的溫度控制工藝和設(shè)備，其采用的測(cè)溫元件和測(cè)溫方式不同，在具體實(shí)際操作中，要確定科學(xué)可行的控制方案，下面將針對(duì)可行性方案開(kāi)展詳細(xì)的論述。

1 單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)構(gòu)成

傳統(tǒng)的加熱爐一般采用多箱式電阻爐，加熱爐的溫度一般<1000℃；溫度測(cè)量采用鎳鉻—鎳硅熱電偶方法，將無(wú)接觸雙向晶閘管作為接觸器，但是在實(shí)際加熱的過(guò)程中，溫度間頻段的斷斷續(xù)續(xù)，造成很大的噪音，產(chǎn)生摩擦火花，從而實(shí)現(xiàn)微機(jī)控制。這種傳統(tǒng)的工藝系統(tǒng)在實(shí)際適用中，存在明顯的缺陷和不足。

而微機(jī)單片機(jī)控制系統(tǒng)的研發(fā)和應(yīng)用是對(duì)傳統(tǒng)系統(tǒng)的改造，其主要通過(guò)溫度傳感器檢測(cè)加熱爐的溫度，并且反饋信號(hào)，系統(tǒng)采集信號(hào)。然后單片機(jī)根據(jù)系統(tǒng)設(shè)定的運(yùn)算方法，根據(jù)電路中控制雙向晶閘管的通斷時(shí)間，智能的控制熱爐的溫度，使其穩(wěn)定在設(shè)定的溫度。系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。

由圖1可知，在系統(tǒng)中，單片機(jī)通過(guò)外接的LED顯示能及時(shí)地反映系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，溫度控制單位和加熱爐是主要的被監(jiān)控對(duì)象，溫度傳感器和前置放大與抗混濾波器是反饋系統(tǒng)采集信號(hào)的重要設(shè)備。這些都是系統(tǒng)的重要構(gòu)成部分，任何一個(gè)部分都具有其獨(dú)特的功能和作用，缺一不可，共同作業(yè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)加熱爐的溫度控制。

2 單片機(jī)系統(tǒng)的主要作業(yè)原理

整個(gè)控制系統(tǒng)中，其發(fā)揮核心作用設(shè)備是單片機(jī)，該系統(tǒng)中適用的單片機(jī)為高性能的微控制器，系統(tǒng)構(gòu)成更加簡(jiǎn)單。而一般常見(jiàn)的單片機(jī)的型號(hào)很多，如本次研究的系統(tǒng)采用ATMEL-89C52單片機(jī)，根據(jù)性能的不同，選用的單片機(jī)芯片為X25045和E2PROM集成的芯片，主要用于設(shè)定溫度的儲(chǔ)存數(shù)值，保存數(shù)據(jù)，同時(shí)，利用其復(fù)位與看門狗等相關(guān)的電路技術(shù)和設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)溫度的準(zhǔn)確控制。在整個(gè)作業(yè)過(guò)程中，單片機(jī)選用的芯片性能和作用非常關(guān)鍵，芯片影響著LED顯示和鍵盤接口等功能。所以，整個(gè)系統(tǒng)的作業(yè)原理為：計(jì)算機(jī)輸入目標(biāo)溫度控制數(shù)值，單片機(jī)系統(tǒng)開(kāi)啟溫度控制，加熱爐通過(guò)溫度控制之后，將信號(hào)直接反饋到前置放大和抗混濾波器中，再次經(jīng)過(guò)單片機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，檢測(cè)是否與目標(biāo)數(shù)值吻合，然后將最終結(jié)果通過(guò)LED顯示輸出，完成一次溫度檢測(cè)和控制作業(yè)。

3 單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)模型

設(shè)溫度控制單元、加熱爐和溫度檢測(cè)單位以及前置放大與抗混濾波器的傳遞函數(shù)分別為G1、G2、G3、G4，在一次作業(yè)慣性環(huán)節(jié)后，根據(jù)系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)得知：

其中U（s）表示溫度控制單元輸出溫度信號(hào)；u（s）表示單片機(jī)輸出的控制信號(hào)；表示加熱爐內(nèi)的溫度；u1（s）為溫度傳感器測(cè)量加熱爐內(nèi)的溫度所產(chǎn)生的信號(hào)；u2（s）為u1（s）經(jīng)前置放大與抗混濾波器后輸出的信號(hào)。那么，選取其中4個(gè)節(jié)點(diǎn)的溫度進(jìn)行測(cè)量，分別為t1、t2、t3、t4，得出狀態(tài)空間方程為：

其中A為系數(shù)矩陣，B為輸入矩陣，可得出：

X=[]，u=u（t），最終得知，在初始時(shí)刻，溫度控制單元輸出的最高和最低溫度分別為min和max，此時(shí)得出環(huán)境的最大加熱功率。

4 單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)方案的確定和經(jīng)濟(jì)效益分析

將傳統(tǒng)的溫度控制系統(tǒng)與單片機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比，在未加單片機(jī)時(shí)，系統(tǒng)整體運(yùn)行的速率為：1000/℃24（傳統(tǒng)轉(zhuǎn)換精度），即0.210℃，與設(shè)定的目標(biāo)值0.0153℃相比，誤差相差比較大。而在系統(tǒng)中添加以單片機(jī)為核心的溫度檢測(cè)設(shè)備，溫度檢測(cè)的精確度提升到0.0001，芯片的轉(zhuǎn)換精度也由傳統(tǒng)的24，提升到當(dāng)前的216，其采樣的速度也提升，可以實(shí)現(xiàn)并行輸出。最終得出的換裝量化誤差為1000℃216，溫度為0.0151℃，與標(biāo)準(zhǔn)溫度設(shè)計(jì)相符，達(dá)到精確要求。傳統(tǒng)與改進(jìn)后系統(tǒng)的可行性對(duì)比詳見(jiàn)表1。

由表1可知，通過(guò)改造后的溫度檢測(cè)系統(tǒng)，其投入總成本明顯較傳統(tǒng)系統(tǒng)少，節(jié)約的成本達(dá)到35.4%，并且系統(tǒng)溫度檢測(cè)的精確度明顯提升，系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換精確由1000/℃24提升到1000℃216，整體控制精度得到明顯提升，在傳統(tǒng)的溫度檢測(cè)系統(tǒng)中添加單片機(jī)的方案具有可行性，完全能滿足標(biāo)準(zhǔn)控制目標(biāo)，取得滿意的實(shí)踐效果。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，隨著現(xiàn)代科研實(shí)踐活動(dòng)的不斷深入，我國(guó)科技水平得到明顯的提升，電子工業(yè)溫度測(cè)量?jī)x也在不斷更新，新型的設(shè)備和儀器被研發(fā)，并投入實(shí)踐產(chǎn)生活動(dòng)中，得到人們的認(rèn)可和青睞。在溫度控制中采用單片機(jī)系統(tǒng)，是對(duì)傳統(tǒng)系統(tǒng)改造的必然選擇。該文通過(guò)建立數(shù)據(jù)模型得到狀態(tài)空間方程，能更加準(zhǔn)確地掌握系統(tǒng)數(shù)據(jù)，為合理控制提供重要的參數(shù)。實(shí)踐證明，單片機(jī)系統(tǒng)的應(yīng)用極大地提升了控制的精確度，滿足了設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)要求，加熱爐的可控制度明顯提升，拓展了加熱爐的適用范圍，方案具有可行性，單片機(jī)控制系統(tǒng)具有積極的推廣意義。

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中圖分類號(hào)：TP368.12 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2015）07（b）-0075-02