溫度控制系統(tǒng)設(shè)計中單片機(jī)的應(yīng)用

吳利剛 張梁

摘要

單片機(jī)技術(shù)具有高效、可靠的使用性能，在我國各領(lǐng)域的應(yīng)用范圍已經(jīng)非常廣泛。本文首先對單片機(jī)的概念進(jìn)行了了解，在此基礎(chǔ)上，把該技術(shù)和目前比較流行的幾種溫度控制技術(shù)進(jìn)行了對比研究，進(jìn)而對單片機(jī)在溫度控制系統(tǒng)設(shè)計中的應(yīng)用效果進(jìn)行了分析。該文章的核心溫度控制系統(tǒng)為8051單片機(jī)，其控制部分利用CPUD進(jìn)行，并最終完成每個控制對象都有其相對應(yīng)的控制算法，所以說，性能可靠、成本低廉、結(jié)構(gòu)開放等是該控制系統(tǒng)最為顯著的幾個特點。

【關(guān)鍵詞】單片機(jī) 溫度控制系統(tǒng) 系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)用

1 概述單片機(jī)技術(shù)

單片微型計算機(jī)，也就是我們常說的單片機(jī)，它是指一種集合了CPU、RAM、ROM，I/O接口和終端系統(tǒng)等部件一體式計算機(jī)。這種計算機(jī)擁有小巧的外觀和強(qiáng)大的功能。在電源和晶振的共同作用下，單片機(jī)可以快速并且精準(zhǔn)的處理需要處理的各種數(shù)字信息。從單片機(jī)這些年的發(fā)展過程分析，單片機(jī)的產(chǎn)生和發(fā)展和集成電路技術(shù)的聯(lián)系十分緊密。相比較于一般的計算機(jī)來看，單片機(jī)不僅體積小、能耗低，而且具有很高的性價比。單片機(jī)的主要作用是可以對工作條件做出改善和對工作效率進(jìn)行提升等等。當(dāng)工作任務(wù)比較危險時，就可以使用單片機(jī)對危險系數(shù)進(jìn)行把控，使其降低。

2 溫度控制系統(tǒng)設(shè)計中單片機(jī)的應(yīng)用分析

2.1 溫度控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)組成及開發(fā)

就溫度自動控制系統(tǒng)而言，功率控制及溫度測量為其硬件組成非常重要的兩個部分。在設(shè)計溫度控制系統(tǒng)的時候，單片機(jī)一般會被選為主機(jī)。在配備好兩路傳感變送器、多路開關(guān)、D/A轉(zhuǎn)換器、V/I轉(zhuǎn)換器等這些部件以后，溫度控制系統(tǒng)就可以發(fā)揮出控制系統(tǒng)溫度的功能了。之前我們了解到，單片機(jī)同時擁有準(zhǔn)確性、可靠性和安全性等特點，所以溫度控制系統(tǒng)的主機(jī)使用單片機(jī)，能夠最大程度的對溫度控制系統(tǒng)的可靠性和安全性做出保障。

在溫度測量部分這個硬件構(gòu)成部分當(dāng)中，將信號通過既定方式轉(zhuǎn)換為電路：根據(jù)不同的控制對象選用相對應(yīng)的溫度傳感器，從而將物理信號，通過傳感器轉(zhuǎn)化為電信號，便于8051單片機(jī)進(jìn)行處理。電路通過信號進(jìn)行處理：通過傳感器的轉(zhuǎn)化，從而產(chǎn)生的電信號，通常來說為較小的電壓信號，由于控制器精度有其既定的范圍，不可能直接到達(dá)A/D，所以說就要對較小的電壓信號進(jìn)行適當(dāng)放大。該系統(tǒng)利用了電路圖如下的程控差分放大器。見圖1。

程控差分放大器A3，其主要是利用AD844;差分放大器和傳感器的匹配以及小信號的測量精度，通過前置放大器A1產(chǎn)生改變;其射級跟隨器A2，有效的將差分放大器及D/A的緩沖和匹配得以實現(xiàn);所有數(shù)控基準(zhǔn)電壓源其輸出電壓最大不得超過2.5V，是因為小于1.2V的基準(zhǔn)電壓源獲得較為困難，所以說將16位D/A轉(zhuǎn)換器MAX542組合成為所需的數(shù)控基準(zhǔn)源，2.5V/216≈0.04mV為其最小分辨率;差分放大器其放大的倍數(shù)根據(jù)傳感器所輸出的電壓信號范圍進(jìn)行確定，這樣，所有程控可變增益差分放大器得以產(chǎn)生。采用此程控放大電路，使得傳統(tǒng)程控放大器的缺點得以克服，同時還有很多有點，如容易控制、精度較高等，所以說整個系統(tǒng)的各類精度都有了非常顯著的提升。一般來說，溫度自動控制系統(tǒng)，其軟件算法是通過τ（對象的純滯后時間）/Tm（對象的慣性時間常數(shù)）來進(jìn)行確定，通常情況下，若使用PID算法進(jìn)行控制時，則τ/Tm需小于0.5;使用達(dá)林算法進(jìn)行控制時，則τ/Tm需大于0.5。在該系統(tǒng)的使用過程當(dāng)中，不同的控制對象可采用不同的算法進(jìn)行，所以說該控制系統(tǒng)，其靈活性大幅度提升。因為在工業(yè)控制其過程當(dāng)中，純滯后性、非線性是很多被控對象的普遍特點，若采用PID算法進(jìn)行控制，要想使其控制能力良好則較為困難，所以說本篇文章對達(dá)林算法進(jìn)行重點研討，利用達(dá)林算法，能夠使純滯后性以及非線性對象的控制達(dá)到理想的效果。

2.2 提高溫度控制系統(tǒng)的工作效能

上文中，我們對目前溫度控制系統(tǒng)中進(jìn)行溫度控制的方式進(jìn)行了列舉，它們主要包括三種，分別是閉環(huán)控制系統(tǒng)、引用FPGA/CPUD技術(shù)和單片機(jī)與高精度傳感器的方式。前兩種方式的缺點包括建造成本高、維護(hù)難度大和實用性差等。然而如果把單片機(jī)和高精度傳感器結(jié)合到一起，這些缺點就可以被彌補(bǔ)了。隨著計算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，溫度控制系統(tǒng)中使用單片機(jī)來發(fā)揮溫度控制的作用，所消耗的經(jīng)費(fèi)會比較少。另外，使用單片機(jī)處理各種信息，還能夠提高處理數(shù)據(jù)的可靠性和準(zhǔn)確性。從系統(tǒng)維護(hù)方面來看，溫度控制系統(tǒng)中選擇單片機(jī)也比較便利，通常來看，只要能夠做到日常維護(hù)核心處理部分就足夠了。

2.3 實現(xiàn)軟件功能

在目前大多數(shù)的溫度控制系統(tǒng)開發(fā)過程中，都是使用C語言、C++語言、C#語言等計算機(jī)編程語言，這樣才能夠發(fā)揮出預(yù)期功能。同時，計算機(jī)語言還可以幫助溫度控制系統(tǒng)對主要功能進(jìn)行分模塊的管理。在生產(chǎn)溫度控制系統(tǒng)的時候，主程序通常會優(yōu)先操作單片機(jī)收集到的數(shù)據(jù)，然后以這些數(shù)據(jù)作為判斷的依據(jù)，進(jìn)而幫助我們選擇需要的子程序。同時，這些被轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)會被傳送到單片機(jī)。隨后，單片機(jī)就會以十秒一次的速度操控溫度信息，然后對這些信息進(jìn)行實時處理。得到對比分析的結(jié)果以后，溫度控制系統(tǒng)就會自己做出調(diào)節(jié)。這樣一來，溫度控制系統(tǒng)的最主要的功能就可以達(dá)成了。我們可以從此溫度控制系統(tǒng)的構(gòu)成部分看出，此設(shè)計最顯著的特點是其具有良好的開放性，這樣，在軟硬件的重新配置及功能擴(kuò)展方面更加方便，與此同時，其應(yīng)用系統(tǒng)也可靈活的進(jìn)行構(gòu)造。

3 結(jié)語

通過文中的分析，我們不難發(fā)現(xiàn)，單片機(jī)對于溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計開發(fā)來說，應(yīng)用價值巨大。那些傳統(tǒng)工業(yè)技術(shù)解決不了的難題，單片機(jī)技術(shù)都可以通過自身性能所發(fā)揮出來的優(yōu)勢進(jìn)行規(guī)避。在工業(yè)工程設(shè)計過程中引入類似于單片機(jī)技術(shù)這類的高效計算機(jī)技術(shù)，能夠為我國的工業(yè)工程發(fā)展提供重要推動力。

參考文獻(xiàn)

[1]劉琳霞.單片機(jī)在溫度控制系統(tǒng)設(shè)計中的應(yīng)用研究[J].內(nèi)燃機(jī)與配件，2017（21）：107.

[2]霍坤明.基于單片機(jī)的溫度控制系統(tǒng)設(shè)計[J].企業(yè)導(dǎo)報，2015（06）：15-17.