基于單片機(jī)的智能溫度控制系統(tǒng)

尹月卿

【摘 要】隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人類(lèi)對(duì)溫度的控制需求越來(lái)越高，實(shí)現(xiàn)手段也日益豐富。單片機(jī)溫控系統(tǒng)是當(dāng)前溫度控制領(lǐng)域的主流方案。文章圍繞單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)有關(guān)問(wèn)題進(jìn)行探討，簡(jiǎn)要介紹了單片機(jī)的基本概念和常見(jiàn)溫度控制方案。詳細(xì)闡述了如何單片機(jī)類(lèi)型和確定系統(tǒng)框架的方法以及單片機(jī)溫控技術(shù)原理，重點(diǎn)討論了單片機(jī)溫控系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】單片機(jī)；溫度傳感器；檢測(cè)與控制

現(xiàn)代社會(huì)，無(wú)論是出于滿足人們生活質(zhì)量的需要，還是為了滿足生產(chǎn)過(guò)程中復(fù)雜工藝方面的需要，人們對(duì)于溫度控制的要求越來(lái)越高。溫度測(cè)量及控制技術(shù)廣泛應(yīng)用于社會(huì)生產(chǎn)、人們生活的許多方面。對(duì)監(jiān)測(cè)對(duì)象溫度進(jìn)行迅速、可靠、精準(zhǔn)的測(cè)量，并以此為基礎(chǔ)對(duì)其溫度進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整與控制，成為溫度測(cè)量、控制領(lǐng)域相關(guān)技術(shù)人員孜孜以求的攻關(guān)重點(diǎn)與難點(diǎn)。在實(shí)際工作中，單片機(jī)常常被用來(lái)作為溫度測(cè)控制的主要設(shè)備。相對(duì)于其他種類(lèi)設(shè)備，單片機(jī)便于使用，操作靈活，具有較好的適應(yīng)性，技術(shù)性能優(yōu)異，能夠滿足溫控設(shè)備較高水平的技術(shù)要求，這些都有利于溫控產(chǎn)品的質(zhì)量和工作效率?；谏鲜鲈?，單片機(jī)在溫控設(shè)備市場(chǎng)中發(fā)展勢(shì)頭良好，前景廣闊。

1國(guó)內(nèi)外溫度測(cè)控系統(tǒng)的研究

1.1國(guó)外溫度測(cè)控系統(tǒng)研究

在實(shí)際的生產(chǎn)生活中，對(duì)溫度的精確控制具有相當(dāng)重要的意義，國(guó)外很早就開(kāi)展對(duì)溫度控制技術(shù)的研究，這個(gè)研究始于20世紀(jì)70年代。國(guó)外最先采用模擬式的組合儀表，采集現(xiàn)場(chǎng)信息并進(jìn)行指示、記錄和控制，在80年代末出現(xiàn)了分布式控制系統(tǒng)，目前正開(kāi)發(fā)和研制計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)的多因子綜合控制系統(tǒng)。現(xiàn)在世界各國(guó)的溫度測(cè)控技術(shù)發(fā)展很快，一些國(guó)家在實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的基礎(chǔ)上正向著完全自動(dòng)化、無(wú)人化的方向發(fā)展。

1.2國(guó)內(nèi)溫度測(cè)控系統(tǒng)研究

我國(guó)對(duì)于溫度測(cè)控技術(shù)的研究較晚，始于20世紀(jì)80年代。我國(guó)工程技術(shù)人員在吸收發(fā)達(dá)國(guó)家溫度測(cè)控技術(shù)的基礎(chǔ)上，才掌握了溫度室內(nèi)微機(jī)控制技術(shù)，該技術(shù)僅限于對(duì)溫度的單項(xiàng)環(huán)境因子的控制。我國(guó)溫度測(cè)控設(shè)施計(jì)算機(jī)應(yīng)用，在總體上正從消化吸收、簡(jiǎn)單應(yīng)用階段向?qū)嵱没?、綜合性應(yīng)用階段過(guò)渡和發(fā)展。在技術(shù)上，以單片機(jī)控制的單參數(shù)單回路系統(tǒng)居多，尚無(wú)真正意義上的多參數(shù)綜合控制系統(tǒng)，與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，存在較大差距。我國(guó)溫度測(cè)量控制現(xiàn)狀還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)有達(dá)到工廠化的程度，生產(chǎn)實(shí)際中仍然有許多問(wèn)題困擾著我們，存在著裝備配套能力差，產(chǎn)業(yè)化程度低，環(huán)境控制水平落后，軟硬件資源不能共享和可靠性差等缺點(diǎn)。

2單片機(jī)基本概念簡(jiǎn)介

所謂單片機(jī)，指的就是單片微型計(jì)算機(jī)。該種計(jì)算機(jī)整合了中央處理器（CPU）、隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（RAM）、只讀存儲(chǔ)器（ROM）、輸入輸出（I/O）接口和中斷系統(tǒng)等多個(gè)功能單元于一身，具有很強(qiáng)的數(shù)據(jù)分析處理功能，但本身占用的空間卻很小，輔以外加電源和晶振就能夠正常工作，廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)多個(gè)領(lǐng)域，并發(fā)揮出顯著的作用。單片機(jī)的出現(xiàn)，本質(zhì)上是計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)高度發(fā)展的成果之一。當(dāng)計(jì)算機(jī)的主要元件從晶體管發(fā)展到集成電路，集成電路集成度越來(lái)越高，伴隨這一過(guò)程，計(jì)算機(jī)的體積也就越來(lái)越小。當(dāng)大規(guī)模集成電路技術(shù)成熟后，單片機(jī)也就隨之出現(xiàn)。單片機(jī)具有體積小，功能強(qiáng)大、價(jià)格低廉的優(yōu)點(diǎn)，環(huán)境適應(yīng)性良好，工作能耗低，技術(shù)指標(biāo)和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)優(yōu)良，是現(xiàn)代工業(yè)領(lǐng)域重要的元器件，常用于生產(chǎn)控制環(huán)節(jié)，對(duì)于保障產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)安全，有著極為重要的作用。單片機(jī)溫控系統(tǒng)是當(dāng)前各國(guó)都在競(jìng)相研發(fā)的重要設(shè)備，是溫控設(shè)備領(lǐng)域的主要發(fā)展方向。

3基于單片機(jī)的溫度控制原理

3.1基于單片機(jī)的溫度控制系統(tǒng)的組成

傳統(tǒng)單片機(jī)的溫度控制系統(tǒng)在實(shí)際工作中，很容易受到外界環(huán)境的影響，工作很不穩(wěn)定，功能比較單一。多功能溫度控制系統(tǒng)由五部分組成，這五個(gè)部分分別是溫度測(cè)控電路、按鍵電路、報(bào)警電路、顯示器和恒溫控制器，這種多功能的溫度控制系統(tǒng)具有很多的有點(diǎn)，它的能耗比較低，整個(gè)裝置的體積比較小，節(jié)省空間，在實(shí)際工作中，工作可靠性高，對(duì)溫度的控制精度也很高。

3.2基于單片機(jī)的溫度控制原理

在生產(chǎn)生活中，要實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的控制與采集，通常情況下都會(huì)用到傳感器。傳感器可以對(duì)溫度信息進(jìn)行采集和記錄，并將信息進(jìn)行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成為豪伏級(jí)的電壓信號(hào)，微弱的電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)放大就可以被單片機(jī)處理，處理之后的數(shù)據(jù)輸入A/O轉(zhuǎn)換器，就可以轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，這個(gè)數(shù)字信號(hào)又會(huì)被輸入到主機(jī)中去?；趩纹瑱C(jī)的溫度控制系統(tǒng)，要想大幅度的提高溫度的測(cè)量精度，在進(jìn)行溫度采樣工作時(shí)，就必須要對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行數(shù)字濾波操作，這個(gè)操作可以將信號(hào)的標(biāo)度逐漸轉(zhuǎn)換出來(lái)，并可以借助其他儀器將溫度數(shù)值清楚地顯示出來(lái)。

4單片機(jī)溫度檢測(cè)方法

在實(shí)際的生產(chǎn)生活中，溫度測(cè)量大多采用集成的半導(dǎo)體模擬溫度傳感器，這種傳感器可以將測(cè)量的溫度信息轉(zhuǎn)換成電壓或者電流，而且傳感器輸出的電壓或電流與溫度在一定范圍呈線性關(guān)系。這種測(cè)量信息之間的相互轉(zhuǎn)換，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的更直觀研究，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)采樣信息的放大。

溫度測(cè)量可以使用熱電偶進(jìn)行測(cè)量工作，這種測(cè)量方法沒(méi)有半導(dǎo)體模擬溫度傳感器測(cè)量法使用的普遍，在實(shí)際應(yīng)用中，熱電偶測(cè)量法的測(cè)量精度是相當(dāng)高的，但是整個(gè)測(cè)量過(guò)程相對(duì)來(lái)說(shuō)復(fù)雜，測(cè)量工作持續(xù)的時(shí)間比較長(zhǎng)，此外，這種測(cè)量方法要使用電路，受到外界環(huán)境干擾的程度比較大，穩(wěn)定性較差，容易出現(xiàn)較大的測(cè)量誤差。

溫度檢測(cè)方法的分類(lèi)有很多種，按照敏感元件和被測(cè)介質(zhì)接觸與否，可以分為接觸式與非接觸式兩大類(lèi)，每一種溫度檢測(cè)方式在一定程度上具有相應(yīng)的檢測(cè)范圍?；谖矬w受熱體積膨脹性質(zhì)的膨脹式溫度檢測(cè)儀表以及基于熱電效應(yīng)的熱電偶溫度檢測(cè)儀表采用的是接觸式溫度檢測(cè)方法，非接觸式溫度檢測(cè)方法主要是利用物體的熱輻射特性與溫度之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系?；趩纹瑱C(jī)的溫度控制系統(tǒng)，通過(guò)在單片機(jī)的外部添加各種接口，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同物質(zhì)的溫度檢測(cè)與顯示，并且可以通過(guò)不斷的改進(jìn)，或者根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度檢測(cè)的報(bào)警與提醒記錄，便于工作人員使用。

5單片機(jī)的溫度控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用

5.1硬件電路的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用

基于單片機(jī)的溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，采用單片機(jī)為主機(jī)，配合兩路傳感變送器和多路開(kāi)關(guān)，并包含各種轉(zhuǎn)換器，快速實(shí)現(xiàn)不同信息之間的轉(zhuǎn)換與顯示，還配有調(diào)節(jié)閥等，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)貯液容器溫度的自動(dòng)控制。在開(kāi)發(fā)與研究中，基于單片機(jī)控制的溫度系統(tǒng)有很多種，有時(shí)間溫度控制系統(tǒng)和數(shù)字溫度系統(tǒng)等。

基于單片機(jī)控制的時(shí)間溫度控制系統(tǒng)，在進(jìn)行溫度監(jiān)測(cè)時(shí)，操作人員通過(guò)數(shù)字鍵盤(pán)選擇好系統(tǒng)提示需要選擇的對(duì)象，這個(gè)選擇對(duì)象可以是時(shí)間或者其他的參數(shù)，然后輸入需要控制的時(shí)間，時(shí)、分、秒位都要認(rèn)真輸入，檢查無(wú)誤之后按下確認(rèn)鍵，整個(gè)溫度控制系統(tǒng)就會(huì)開(kāi)始倒計(jì)時(shí)；在計(jì)時(shí)結(jié)束時(shí)，這個(gè)電平會(huì)驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管，而在實(shí)際的電路中，這個(gè)電平要經(jīng)過(guò)放大器進(jìn)行放大然后傳輸?shù)綀?zhí)行模塊，這樣才能最終實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)電路的自動(dòng)控制觸發(fā)，使后續(xù)電路動(dòng)作。整個(gè)倒計(jì)時(shí)過(guò)程會(huì)在液晶顯示屏上顯示出來(lái)，便于人們的直觀理解。最簡(jiǎn)單的控制模塊可采用雙向可控硅來(lái)實(shí)現(xiàn)，輸出的高電平經(jīng)三極管放大后送至可控硅的控制極，而可控硅的其他兩極分別與被控器件、電源相接即可。

5.2軟件開(kāi)發(fā)與應(yīng)用

在整個(gè)溫度控制系統(tǒng)中，采樣得到的溫度信息要經(jīng)過(guò)多次轉(zhuǎn)換，還要經(jīng)過(guò)相關(guān)電路的放大作用使得數(shù)據(jù)進(jìn)入單片機(jī)的處理范圍之內(nèi)，經(jīng)過(guò)一系列作用的數(shù)據(jù)最終會(huì)被輸入到單片機(jī)之中進(jìn)行處理與顯示，顯示的結(jié)果可以根據(jù)人們的實(shí)際需要進(jìn)行調(diào)整，溫度信息可以借助于一定的數(shù)學(xué)表達(dá)式、圖標(biāo)、函數(shù)等進(jìn)行顯示，便于人們對(duì)數(shù)據(jù)的直觀認(rèn)識(shí)。

6結(jié)語(yǔ)

在現(xiàn)代社會(huì)的高速發(fā)展下，當(dāng)前工業(yè)領(lǐng)域?qū)τ谧陨淼纳a(chǎn)質(zhì)量要求更加嚴(yán)格，其中對(duì)于溫度控制是首當(dāng)其沖的重點(diǎn)。就目前工業(yè)的溫度控制作業(yè)而言，最常用的方式是單片機(jī)與傳感器搭配的溫度控制系統(tǒng)，而目前工業(yè)對(duì)于單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)的使用還存在一定的缺陷，因此需要通過(guò)一定的認(rèn)知，對(duì)不足之處進(jìn)行延伸性研究。

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[2]劉百芬，呂濤.基于PIC單片機(jī)的溫度控制器[J].半導(dǎo)體技術(shù)，2008，33（9）：833-835.

（作者單位：山東圣翰財(cái)貿(mào)職業(yè)學(xué)院）