基于單片機(jī)的溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

熊浚儒 何文孝

摘? 要：該文在詳細(xì)分析單片機(jī)應(yīng)用于溫度控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)功能及其工作原理后，提出一種合理的應(yīng)用方法，使得將單片機(jī)應(yīng)用于溫度控制系統(tǒng)中成為可能。同時(shí)結(jié)合傳感器理論分析研究單片機(jī)的實(shí)際應(yīng)用，給出了系統(tǒng)總體框架，并對該溫控系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)用的有效性進(jìn)行研究并詳細(xì)講述基于單片機(jī)溫控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案和軟硬件實(shí)現(xiàn)方案。

關(guān)鍵詞：軟硬件? 傳感器? 溫控? 應(yīng)用? 檢測? 單片機(jī)

中圖分類號(hào)：TP273? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1672-3791（2019）04（c）-0016-03

Abstract： After analyzing the application of single-chip microcomputer in the temperature control system and its working principle in detail，this paper make a point of an application method which makes it possible to use single-chip microcomputer in temperature control system .We combined the sensor theory and the practical application of single-chip microcomputer organically， then the overall frame of the system is given. This paper studies the effectiveness of the actual application of the temperature control system and describes in detail the design scheme and the realization scheme of the hardware and software based on the single chip microcomputer temperature control system.

Key Words： Software and hardware; Sensor; Temperature control; Application; Detection; Single chip microcomputer

科學(xué)技術(shù)的發(fā)展日新月異，科技的進(jìn)步推動(dòng)社會(huì)進(jìn)步的同時(shí)也推動(dòng)著測量技術(shù)的發(fā)展。隨著航天，醫(yī)學(xué)，生物等領(lǐng)域的發(fā)展進(jìn)步，社會(huì)生產(chǎn)對溫度測量控制的精度和范圍的要求也越來越高。其中，由于單片機(jī)設(shè)備具有反應(yīng)靈敏、精確度高、工作環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、能量轉(zhuǎn)換效率高的特點(diǎn)，所以基于單片機(jī)的溫度控制系統(tǒng)在溫控領(lǐng)域尤為矚目。這種以單片機(jī)作為溫度控制系統(tǒng)的核心，以溫度傳感器作為檢測基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)，能夠有效提高溫度控制系統(tǒng)的性能和效率。該系統(tǒng)的可靠性能能夠保證實(shí)時(shí)溫度，確保達(dá)到高效持續(xù)生產(chǎn)的目的。

1? 基于單片機(jī)的溫度控制系統(tǒng)的功能及工作流程

1.1 基于單片機(jī)的溫度控制系統(tǒng)的功能

基于單片機(jī)的溫度控制系統(tǒng)中單片機(jī)發(fā)揮主要作用，單片機(jī)完成信號(hào)測量解析，界面顯示，設(shè)備控制等功能。在對控制功能進(jìn)一步細(xì)分時(shí)能夠發(fā)現(xiàn)在每一個(gè)功能模塊中參與者和參與部件都具有不同作用，其中前端溫度傳感器完成信號(hào)的采集與轉(zhuǎn)換，預(yù)設(shè)標(biāo)準(zhǔn)溫度上下限以作為溫控系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)節(jié)的標(biāo)準(zhǔn)，保證生產(chǎn)所需的標(biāo)準(zhǔn)條件。

1.2 基于單片機(jī)的溫度控制系統(tǒng)的工作流程

溫控系統(tǒng)反應(yīng)流程主要包括以下3個(gè)部分：

實(shí)際溫度測量：溫度信息經(jīng)由傳感器捕捉到后解析轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，傳感器內(nèi)部自我調(diào)節(jié)并放大電壓信號(hào)，并將其控制到處理范圍內(nèi)。同時(shí)，信號(hào)經(jīng)過數(shù)字濾波，逐漸轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，以此顯示溫度值。

比較：實(shí)際檢測溫度值與預(yù)設(shè)標(biāo)準(zhǔn)溫度比較。

溫度調(diào)節(jié)：通過輸出控制量的數(shù)值，來進(jìn)行導(dǎo)通時(shí)間及加熱功率的優(yōu)化，從而調(diào)節(jié)溫度環(huán)境。

流程圖如圖1所示。

2? 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

在日常生產(chǎn)中，保證溫度在一定范圍內(nèi)變化且不震蕩并且保持良好運(yùn)行是對溫度控制系統(tǒng)的主要要求，其中系統(tǒng)中數(shù)據(jù)交互的快速性需得到保證。對基于單片機(jī)的溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程和實(shí)現(xiàn)方案可扼要?dú)w納為：溫度傳感器對場景實(shí)際的溫度采樣收集并將其轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)（analog signal），經(jīng)Low-pass filter去噪，過濾傳遞過程中存在的干擾信號(hào)，隨后放大器將信號(hào)放大送至模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，將轉(zhuǎn)換成功的數(shù)字信號(hào)輸入單片機(jī)，單片機(jī)通過對繼電器的控制來對加熱設(shè)備和排風(fēng)設(shè)備進(jìn)行控制，使溫度始終在預(yù)置的溫度控制范圍之內(nèi)。

系統(tǒng)主要包括5個(gè)部分，分別是：單片機(jī)控制設(shè)備，溫度采集模塊，溫度設(shè)置及存儲(chǔ)模塊，數(shù)據(jù)顯示模塊，驅(qū)動(dòng)電路模塊。系統(tǒng)總體框架如圖2所示。

3? 軟硬件實(shí)現(xiàn)方案

3.1 硬件電路的開發(fā)與設(shè)計(jì)

在硬件電路設(shè)計(jì)中將單片機(jī)看成整個(gè)系統(tǒng)控制設(shè)備的主機(jī)，與電路板，元器件等必要設(shè)置有效組合，集成溫度檢測及控制電路。利用調(diào)節(jié)閥結(jié)合對應(yīng)轉(zhuǎn)換器等操作設(shè)備，形成控溫電路，能有效達(dá)成檢測和調(diào)節(jié)溫度的作用，也可以輕松達(dá)成對場景環(huán)境溫度自動(dòng)控制的目的。還可以結(jié)合內(nèi)外部環(huán)境對溫度的需求不同，自行增加鍵盤、顯示應(yīng)用與報(bào)警系統(tǒng)等設(shè)備。

3.2 軟件程序設(shè)計(jì)與應(yīng)用

計(jì)算機(jī)語言是操作系統(tǒng)中核心的交流媒介，其中桌面平臺(tái)軟件的編寫主要使用C語言，C51語言則運(yùn)行于單片機(jī)平臺(tái)。開發(fā)時(shí)將主程序模塊化，并使用編程語言串聯(lián)各模塊并移植LCD顯示驅(qū)動(dòng)。

主程序的主要功能有程序檢測溫度、實(shí)時(shí)顯示、讀取、處理等。

具體功能實(shí)現(xiàn)包括如下幾個(gè)。

（1）控制芯片通過溫度傳感器監(jiān)測當(dāng)前溫度值，同時(shí)調(diào)用各子程序有效配置軟件，達(dá)到性能優(yōu)化的目的。

（2）系統(tǒng)比較各個(gè)時(shí)段的檢測結(jié)果，對比較結(jié)果進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)控制。若實(shí)際測量溫度與預(yù)置溫度出現(xiàn)一定程度的偏差，系統(tǒng)根據(jù)具體情況采用不同措施調(diào)節(jié)偏差，以期達(dá)到預(yù)期目的。

其中主程序會(huì)對以下5個(gè)子程序進(jìn)行調(diào)用。

LCD顯示程序：實(shí)時(shí)顯示溫度及其他數(shù)據(jù)。

溫度采集程序：讀取傳感器所采集到的現(xiàn)場溫度，并輸入到指定的數(shù)組中。

按鍵監(jiān)測處理程序：實(shí)現(xiàn)預(yù)置數(shù)據(jù)、監(jiān)測數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)時(shí)的按鍵識(shí)別，完成按鍵輸入等相關(guān)操作。

溫度越界判斷程序：將實(shí)時(shí)溫度與預(yù)置溫度限值比較，若溫度越界，并且當(dāng)溫控系統(tǒng)處于開啟狀態(tài)時(shí)，啟動(dòng)對應(yīng)設(shè)備實(shí)現(xiàn)加熱和制冷效果。

外置存儲(chǔ)器讀取程序：存儲(chǔ)和調(diào)用預(yù)先設(shè)置的溫度標(biāo)準(zhǔn)。

4? Proteus仿真

Proteus設(shè)計(jì)平臺(tái)集成了電路仿真、PCB設(shè)計(jì)和虛擬模型仿真等軟件。相較于其他單片機(jī)仿真工具，它的突出優(yōu)勢在于除了對單片機(jī)中央處理器的工作情況仿真外，還能最大程度模擬還原外圍元器件間所需的硬件電路情況，甚至單獨(dú)模擬無單片機(jī)環(huán)境下的電路情況。利用Proteus軟件對該溫控系統(tǒng)器件及電路進(jìn)行模擬仿真。Proteus仿真如圖3。

5? 結(jié)語

目前基于單片機(jī)的溫度控制系統(tǒng)研究是溫控領(lǐng)域一個(gè)比較成熟的方向，在實(shí)際生產(chǎn)生活中應(yīng)用廣泛。它的應(yīng)用不僅可以實(shí)現(xiàn)溫度的精確測量以及實(shí)時(shí)溫度的監(jiān)控，還可以預(yù)先設(shè)置溫度上下限值用以調(diào)整系統(tǒng)輸出量。同時(shí)系統(tǒng)本身具有設(shè)計(jì)簡單，性能穩(wěn)定，可靠性高，系統(tǒng)移植性強(qiáng)的特點(diǎn)，能極大的降低生產(chǎn)成本，具有一定的工程價(jià)值。

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