以單片機為基礎的溫度控制系統(tǒng)研究

楊大春

廣東松山職業(yè)技術學院，廣東　韶關　512126

以單片機為基礎的溫度控制系統(tǒng)研究

楊大春* 1

廣東松山職業(yè)技術學院，廣東韶關512126

摘要：近些年來，利用單片機對溫度進行控制技術已經(jīng)在工業(yè)領域得到了廣泛應用，其在工業(yè)領域的使用價值越來越高。單片機具有結(jié)構簡單、操作容易等特點。在現(xiàn)代集成工業(yè)的控制系統(tǒng)中的應用越來越廣泛，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。單片機能夠?qū)崿F(xiàn)精準的控制溫度，極大的增加了人們對溫度的操作能力和控制能力。

關鍵詞：溫度控制系統(tǒng)；單片機；溫度控制

一、緒論

在日常工業(yè)設計中，對電機控制的研究一直很活躍。這是因為電機控制系統(tǒng)在各個領域都有應用。以往傳統(tǒng)的電機控制系統(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。這就導致在更改控制系統(tǒng)方案的時候還必須重新進行電路的設計，使用不方便。與此相反，單片機的電機控制系統(tǒng)沒有那么復雜，這是由于單片機控制系統(tǒng)是軟件控制電機，完全克服了傳統(tǒng)電機控制系統(tǒng)的種種麻煩。正因如此，單片機控制系統(tǒng)受到了廣大機械研究人員的喜愛，由此可見，單片機應用領域的廣泛性和美好的發(fā)展前景。[1]無論是從當前智能家居、智能化產(chǎn)品等方面的應用，還是從單片機的發(fā)展歷史來看，都說明了這一點。因此，我們研究單片機的電機溫度控制系統(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、單片機及控制系統(tǒng)

眾所周知，不同的單片機在控制系統(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)進行劃分，常見的控制系統(tǒng)類型為電機控制系統(tǒng)、基于單片機的控制系統(tǒng)等等。電機控制系統(tǒng)主要由四部分構成，這四部分分別是脈沖控制器、環(huán)形分配器以及驅(qū)動電路和電機。電機控制系統(tǒng)主要通過脈沖控制器將信號發(fā)布出去，并通過環(huán)形分配器實現(xiàn)對信息的合理分配，從而進一步提高電機運作的功率。單片機控制系統(tǒng)主要有四個部分構成，其中包含單片機系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)等。單片機控制系統(tǒng)主要是將軟件和硬件有機結(jié)合在一起，并以此為有效途徑進一步提升單片機的最佳控制。與其他零件不同，單片機在控制系統(tǒng)中具有獨特的功能，在設計過程中可以從實際情況出發(fā)增加外圍線路。將單片機同溫度控制系統(tǒng)有機結(jié)合在一起，可以實現(xiàn)控制系統(tǒng)的諸多優(yōu)點，對于那些比較復雜的控制過程，實現(xiàn)單片機外圍電容鍵盤電路的有機結(jié)合，進一步提升交互性能。將單片機應用到數(shù)字控制系統(tǒng)中，有利于進一步提高控制系統(tǒng)的精準度，且不會產(chǎn)生零點飄移的現(xiàn)象，可謂是一舉多得。近些年來，電子技術發(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為基礎的溫度控制系統(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的速度，并在此基礎上實現(xiàn)了系統(tǒng)跟蹤。

三、以單片機為基礎的溫度控制系統(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、最為基礎的核心元器件，以單片機為基礎的溫度控制系統(tǒng)的產(chǎn)生實現(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為基礎的溫度控制系統(tǒng)，就會得出這樣的結(jié)論，該系統(tǒng)的主要功能是實現(xiàn)對溫度的科學、有效、精準的檢測，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，實現(xiàn)對溫度的自動調(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)實際溫度與所需求的溫度存在一定差距，則會自動調(diào)節(jié)，保證產(chǎn)品生產(chǎn)過程的溫度控制，實現(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。以單片機為基礎的溫度控制系統(tǒng)是運用傳感器來實現(xiàn)電壓信號的轉(zhuǎn)換，并在此基礎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，其還可以實現(xiàn)實際檢測的溫度同設定好的溫度進行比較，從而得出控制量的數(shù)值，實現(xiàn)輸出。在輸出數(shù)值的過程中，以單片機為基礎的溫度控制系統(tǒng)會優(yōu)化導通的時間和加熱的功率。[3]在設計以單片機為基礎的溫度控制系統(tǒng)的過程中，我們要著重關注單片機的質(zhì)量，因為單片機是整個溫度控制系統(tǒng)的重要組成部分，它可以實現(xiàn)對溫度的實時監(jiān)測，并根據(jù)實際情況對監(jiān)測結(jié)果進行科學有效的控制，如果將這一系統(tǒng)應用到工業(yè)生產(chǎn)以及我們?nèi)粘５纳钪?，我們就可以實現(xiàn)對整個溫度的有效控制，并進一步提高溫度控制方面的精確度，確保整個應用系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性以及靈活性。

四、以單片機為基礎的溫度控制系統(tǒng)的溫度檢測方法

根據(jù)標準的不同，我們以單片機為基礎的溫度控制系統(tǒng)的溫度檢測方法也存在較大的差異，因此，依據(jù)溫度控制標準的不同我們可以將以單片機為基礎的溫度控制系統(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。前者的主要設計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關系原理。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獨立的個體，而是存在著線性關系。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，進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大，但是如果將這種方法應用到具體實踐中，可以有效彌補半導體模擬溫度傳感器測量法的不足，進一步提高測量溫度的準確性。但應當注意的是，這種測量方式相對比較復雜，測量時間比較長。不僅如此，在應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，很容易導致測量結(jié)果與實際結(jié)果存在誤差，給使用者帶來不必要的麻煩?；趩纹瑱C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)實際環(huán)境，定期或不定期的對物質(zhì)溫度進行檢測。一旦，檢測的溫度與標準溫度存在差距，溫度控制系統(tǒng)就會發(fā)出警報，并做好相關的提醒記錄，為工作人員的查詢提供方便。[5]

五、以單片機為基礎的溫度控制系統(tǒng)的硬件和軟件組成部分

(一)以單片機為基礎的溫度控制系統(tǒng)中的硬件部分

以單片機為基礎的溫度控制系統(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。這些部件當中最重要的、最基礎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采取的有效措施，它能夠?qū)崿F(xiàn)對溫度的精確感應，從而幫助工作人員實現(xiàn)對溫度的有效控制。溫度測量部分的設計思路包括：首先，應當充分發(fā)揮溫度傳感器的作用，實現(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，從而實現(xiàn)溫度的顯示。這里的顯示部分通常是指數(shù)碼管等。最后，單片機依據(jù)所得到的信息，實現(xiàn)對溫度的調(diào)節(jié)和控制。以加熱爐溫度控制為例進行系統(tǒng)的闡述。加熱爐的主機部分為89C52芯片，該芯片是單片機溫度控制的核心。之所以選擇89C52芯片的主要目的是因為其能夠滿足以單片機為基礎的溫度控制系統(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現(xiàn)高精準度的測量，正是這個原因，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現(xiàn)溫度信號向電信號的轉(zhuǎn)變，并以放大濾波等形式實現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換。溫度控制部分所應用的可控硅調(diào)節(jié)器能夠科學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)的適應性來說具有非常重要的意義。溫度控制系統(tǒng)中的單片機輸出端口可以經(jīng)過光耦合和驅(qū)動電路將控制信號輸送出去，實現(xiàn)可控硅的有效控制，這種做法有利于進一步加強溫度控制器的穩(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行控制以及可控硅狀態(tài)的有效控制。為了進一步提高以單片機為基礎的溫度控制系統(tǒng)工作效率，在設計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)人機交換功能，人機交換功能主要由三個部分組成，分別為輸入鍵盤、LED顯示、超范圍報警燈等。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聯(lián)系在一起，既能夠?qū)纹瑱C輸出的信號接收進來，還能夠?qū)⑿盘栵@示出來，有利于操作人員實現(xiàn)溫度的控制。報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，單片機就會發(fā)出報警信號，通過蜂鳴器實現(xiàn)報警，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)還添加了時鐘電路，實現(xiàn)對周期、PLD控制算法的控制。[8]

(二)以單片機為基礎的溫度控制系統(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。以單片機為基礎的溫度控制系統(tǒng)會在上電后發(fā)出相應。在響應的過程中，鍵盤器會自動啟動啟動鍵。與此同時，鍵盤會預先設置相應的溫度，并隨后啟動系統(tǒng)，在此基礎上，以事先預定的工作方式實現(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設溫度相比差距較大，則會自動調(diào)節(jié)溫度，使其能夠符合溫度設定。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，從而達到對溫度進行實時監(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設溫度采用BCD碼顯示緩沖區(qū)報警標志位為PSW.5位,F0為0時表示禁止報警,F0為1時表示允許報警。

最后，軟件設計。想要實現(xiàn)主程序功能就必須實現(xiàn)中斷，各中斷為相應的功能模塊。初始化結(jié)束后，系統(tǒng)會馬上設置預設溫度，并實現(xiàn)定時器0的設置。之所以設置定時器0，主要原因在于產(chǎn)生中斷。根據(jù)相關調(diào)查顯示，我們可以從系統(tǒng)的實際情況出發(fā)，對中斷方式以及間隔進行科學有效的設置。通常溫度控制系統(tǒng)的設定中斷時間相對較短，僅為5秒。因此，必須實現(xiàn)精準的編程計數(shù)，來達到對5秒的定時采樣。

總而言之，以單片機為基礎的溫度控制系統(tǒng)對于進一步提高溫度控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性、精準度來說，具有非常重要的作用。因此，我們應當對其予以高度的重視，采取多種方法、多管齊下，多策并舉，將單片機同溫度控制系統(tǒng)有機結(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]

[1]張林.微波加熱器溫度自動控制系統(tǒng)的研究與設計[D].電子科技大學，2008.

[2]徐繼濤.發(fā)動機冷卻系的智能控制系統(tǒng)研究[D].大連理工大學，2006.

[3]劉秀紅.基于模糊PID控制的電阻爐爐溫系統(tǒng)的研究[D].燕山大學，2004.

[4]魏廣芬.基于微熱板式氣體傳感器的混合氣體檢測及分析[D].大連理工大學，2006.

[5]黃非.基坑凍土擋墻強度及溫度測控系統(tǒng)的研究[D].吉林大學，2015.

[6]李村.注塑機料筒溫度控制設計與研究[D].昆明理工大學，2011.

[7]楊沉陳.基于AVR單片機農(nóng)產(chǎn)品害蟲耐熱特性測試系統(tǒng)的研制[D].西北農(nóng)林科技大學，2012.

[8]王靜靜.智能分布式工程機械自動潤滑系統(tǒng)設計[D].南京航空航天大學，2014.

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

中圖分類號：TP273

文獻標識碼：A

文章編號：1006-0049-(2016)11-0216-02