基于單片機(jī)的溫度控制系統(tǒng)的研究與實(shí)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)

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基于單片機(jī)的溫度控制系統(tǒng)的研究與實(shí)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(shí)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(jī)來實(shí)現(xiàn)，因此本文著重介紹單片機(jī)相關(guān)知識(shí)，包括單片機(jī)的類型選擇、單片機(jī)的框架結(jié)構(gòu)以及單片機(jī)的溫度控制原理等，并簡單介紹單片機(jī)的溫度控制系統(tǒng)。

單片機(jī); 溫度控制系統(tǒng); 控制原理; 研究與實(shí)現(xiàn)

前言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)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(yán)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(zhǔn)確且實(shí)效的測量，并在測量的同時(shí)對溫度進(jìn)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(jī)。使用單片機(jī)對溫度進(jìn)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(biāo)，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(jī)及其研究背景介紹

單片機(jī)是指單片微型計(jì)算機(jī)，其包括了CPU芯片、ROM只讀存儲(chǔ)器、RAM隨機(jī)存取存儲(chǔ)器、I/O輸入輸出端口和中斷系統(tǒng)等多個(gè)部件。單片機(jī)的體積很小，但是功能卻很強(qiáng)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(jìn)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(dòng)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(jìn)作用。

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

(一)單片機(jī)類型選擇

在整個(gè)溫度控制系統(tǒng)中，單片機(jī)的類型選擇有著至關(guān)重要的作用。其需要滿足運(yùn)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(jī)作為系統(tǒng)開發(fā)的控制主芯片進(jìn)行參考。在生產(chǎn)過程中，51單片機(jī)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(jī)存取存儲(chǔ)器，再結(jié)合先進(jìn)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(dá)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(diǎn)，在各個(gè)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(jì)

通常情況下，溫度控制系統(tǒng)是按照其運(yùn)作過程來劃分模塊的，主要包括五個(gè)部分，即數(shù)據(jù)的采集模塊、單片機(jī)控制模塊、溫度的設(shè)計(jì)模塊、顯示模塊以及驅(qū)動(dòng)電路。其中，數(shù)據(jù)采集模塊能夠?qū)囟葦?shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)地采集，然后將采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)中；單片機(jī)控制模塊則負(fù)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(jì)模塊則可以進(jìn)行溫度值的設(shè)定。若出現(xiàn)實(shí)時(shí)溫度低于設(shè)定溫度的情況，單片機(jī)中的驅(qū)動(dòng)電路就會(huì)預(yù)警，同時(shí)執(zhí)行加熱操作；若實(shí)時(shí)溫度高于設(shè)定溫度，控制驅(qū)動(dòng)電路就會(huì)停止加熱，從而使系統(tǒng)能夠合理有序地運(yùn)行。

基于單片機(jī)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(jì)模塊單片機(jī)控制模塊顯示模塊驅(qū)動(dòng)電路

圖1 基于單片機(jī)的溫度控制系統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)

三、關(guān)于單片機(jī)的溫度控制原理分析

傳感器是單片機(jī)對溫度進(jìn)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(jī)可處理的范圍，以便于單片機(jī)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(jī)[3]，這樣就完成了對溫度的采集工作。同時(shí)，在采集相關(guān)信號的過程中，需要在采樣的時(shí)候進(jìn)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(biāo)度，便于溫度指數(shù)在LED中的顯示，也能提高測量的準(zhǔn)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(jìn)行對照，應(yīng)用積分分離的PID算法，進(jìn)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(shí)間和加熱功率的確定更加準(zhǔn)確，對溫度環(huán)境的有效調(diào)節(jié)也有很大幫助。這個(gè)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(jì)，是為了有效、實(shí)時(shí)且精準(zhǔn)對溫度實(shí)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(jìn)制數(shù)碼進(jìn)行顯示的，這能很大程度提升實(shí)時(shí)監(jiān)測工作的便利性。同時(shí)，還要對溫度范圍進(jìn)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(shí)的自動(dòng)控制，以便于維持溫度的穩(wěn)定。

四、單片機(jī)溫度控制的具體實(shí)操方法

在溫度傳輸?shù)倪^程中，許多因素會(huì)對溫度的保存造成不良影響，會(huì)對溫度數(shù)據(jù)真實(shí)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(jī)與高精確度的傳感器結(jié)合使用

單片機(jī)對溫度系統(tǒng)能進(jìn)行有效的控制，它能建立起人機(jī)操作界面，同時(shí)對系統(tǒng)進(jìn)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(diǎn)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(shí)間就會(huì)相應(yīng)縮短。但其對溫度測量的精確度會(huì)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(shí)時(shí)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(shí)際的生產(chǎn)活動(dòng)中得到大面積的推廣使用。

(三)人機(jī)交互信號的測量工作

單片機(jī)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(shí)現(xiàn)A/D功能。再通過IP核來完成人機(jī)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(jìn)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(jià)比優(yōu)勢不明顯，所以普通企業(yè)往往不會(huì)選擇這種方式。

五、單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)的深度開發(fā)與應(yīng)用

單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)是一整套的系統(tǒng)，包括軟件、硬件的各個(gè)方面及溫度檢測系統(tǒng)的開發(fā)。只有做好各個(gè)方面的系統(tǒng)開發(fā)[5]，才能對整套的單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)有所助益，并提高整個(gè)單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)的效率，降低其成本，使單片機(jī)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(jī)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(gè)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(jī)作為主機(jī)的方式，其后在主機(jī)上配置相應(yīng)的傳感器開關(guān)。將多種設(shè)備進(jìn)行綜合地應(yīng)用與設(shè)計(jì)，就能符合設(shè)計(jì)的各項(xiàng)要求，進(jìn)而完成對溫度的自動(dòng)控制。在自動(dòng)控制技術(shù)的開發(fā)過程中，要根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際需要來進(jìn)行，如根據(jù)實(shí)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(jì)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(jì)之中。 LED的液晶顯示器在現(xiàn)實(shí)中不能將數(shù)字顯示出來，這是一個(gè)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(jì)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(huì)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(xiàng)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(bào)警設(shè)計(jì)方面。報(bào)警模塊的設(shè)計(jì)中，一般會(huì)用到2個(gè)LED器件單片機(jī)的I/O，以便于直接驅(qū)動(dòng)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(bào)警器件之中。針對較大功率的報(bào)警器件，可通過設(shè)計(jì)繼電器來進(jìn)行控制。

第三，串口通信設(shè)計(jì)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(jī)對相關(guān)子程序進(jìn)行控制[6]，從而使相關(guān)數(shù)據(jù)傳輸?shù)酵ㄐ懦绦蛑校ㄐ懦绦蜻M(jìn)一步按照數(shù)據(jù)的組合將之發(fā)送到各指定區(qū)域，進(jìn)而完成設(shè)計(jì)要求。

最后，是雙路操作的切換設(shè)計(jì)。雙路操作的切換設(shè)計(jì)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(gè)編寫過程中。單片機(jī)的各項(xiàng)功能都需要C語言的編程操作來實(shí)現(xiàn)。首先，單片機(jī)的主程序會(huì)進(jìn)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(gè)過程中，采用循環(huán)查詢方式控制并顯示溫度。

實(shí)際的應(yīng)用過程中，主程序需要進(jìn)行實(shí)時(shí)的溫度顯示和讀取，并對AT89S51 測量的當(dāng)前溫度進(jìn)行相應(yīng)處理，與此同時(shí)，將溫度數(shù)據(jù)在各子程序中進(jìn)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(jī)中。每隔10秒鐘，時(shí)間控制系統(tǒng)將自動(dòng)中斷重啟，系統(tǒng)就會(huì)將實(shí)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(jìn)行對比，根據(jù)結(jié)果，控制系統(tǒng)會(huì)進(jìn)行一定程度的自動(dòng)調(diào)節(jié)。當(dāng)設(shè)定數(shù)據(jù)與實(shí)際測量的數(shù)值存在一定范圍的差值時(shí)，就會(huì)啟動(dòng)自動(dòng)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(shí)際測量數(shù)值之間的差距。若是設(shè)定與實(shí)際測量值沒有差距或者差距相當(dāng)小，系統(tǒng)就會(huì)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(jià)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(diǎn)也很明顯，那就是其在實(shí)際應(yīng)用中電壓信號較弱。熱偶傳感器對電壓的識(shí)別以毫伏和十毫伏計(jì)，因此在轉(zhuǎn)換AID的過程中，可對信號進(jìn)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(jìn)行彌補(bǔ)。

系統(tǒng)中用以實(shí)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(bǔ)償功能的。所謂冷端補(bǔ)償功能，就是指熱偶傳感器的溫度在相對較低的時(shí)候，熱偶傳感器的輸出電勢就會(huì)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(bǔ)償?shù)姆椒▉砑m正，及時(shí)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(jī)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(jī)的溫度控制系統(tǒng)在目前的工業(yè)生產(chǎn)當(dāng)中，實(shí)用價(jià)值也比較高。在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用單片機(jī)的溫度控制系統(tǒng)，能有效地對環(huán)境溫度進(jìn)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(zhǔn)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(jìn)制造生產(chǎn)行業(yè)的發(fā)展具有十分重要的作用，對實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化生產(chǎn)也具有十分重要的作用?；趩纹瑱C(jī)溫度系統(tǒng)的開發(fā)和設(shè)計(jì)也將不斷地持續(xù)改進(jìn)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(jī)的人造板連續(xù)平壓熱壓機(jī)分布式溫度控制系統(tǒng)的開發(fā)[J]. 木材工業(yè),2012,05:14-18.

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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(dòng)圖書館信息服務(wù)體系評價(jià)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