淺析單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)的研究

李耀貴　吳康福

【摘 要】當(dāng)今社會發(fā)展十分迅速，人們的需求也日益多樣化。單片機(jī)不僅廣泛地應(yīng)用于人們?nèi)粘５纳钪?，還大量應(yīng)用在工業(yè)、醫(yī)學(xué)和軍事等領(lǐng)域。在現(xiàn)實(shí)生活中，人們對溫度的控制和測量需求越來越大，追求更加準(zhǔn)確的溫度數(shù)據(jù)，以保證產(chǎn)品更加高效。所以，我們在應(yīng)用溫度控制系統(tǒng)時，要保證采樣速度和溫度數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度，從而保證測量的數(shù)據(jù)有效且時效性高，使相關(guān)數(shù)據(jù)可以進(jìn)行高效傳輸且溫度可以進(jìn)行精確的控制。文章主要以89C51單片機(jī)為例，對其溫度控制系統(tǒng)進(jìn)行研究，以期促進(jìn)單片機(jī)未來的應(yīng)用與發(fā)展。

【關(guān)鍵詞】單片機(jī);溫度控制系統(tǒng);原理;應(yīng)用

【中圖分類號】TP273.5 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【文章編號】1674-0688（2019）04-0070-02

隨著我國科學(xué)技術(shù)的大力發(fā)展與創(chuàng)新，以及互聯(lián)網(wǎng)時代的到來，單片機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛，它不僅可以應(yīng)用到我們的日常生活中，還可以應(yīng)用到工業(yè)、醫(yī)學(xué)、軍事等領(lǐng)域。在企業(yè)的生產(chǎn)中，單片機(jī)發(fā)揮了巨大的作用。根據(jù)相關(guān)研究表明，通過控制單片機(jī)的溫度不僅可以保證產(chǎn)品的性能，還可以增強(qiáng)產(chǎn)品操作的靈活性，提高生產(chǎn)效率。可見，引入單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)是必要且效益巨大的。

1 單片機(jī)的選型與系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)

1.1 單片機(jī)的選型

在溫度控制系統(tǒng)中，硬件的選型與匹配十分重要。為了能夠使溫度控制系統(tǒng)更加精確與高效，我們選擇89C51單片機(jī)。目前，這款型號的單片機(jī)的應(yīng)用十分廣泛，主要具有以下優(yōu)點(diǎn)：①繼承了89C51的一系列優(yōu)點(diǎn)，例如容量大、價格低及性價比高。②除了具有89C51的特點(diǎn)外，它還具有ISP在線編程的功能，能夠方便人們根據(jù)產(chǎn)品需求隨時編寫和改正程序。③89C51具有更高的極限工作頻率，為33 MHz，在此范圍內(nèi)可以正常工作。④具有雙工UART串行通道，使數(shù)據(jù)通用性更高。⑤89C51內(nèi)部集成看門狗計(jì)時器，因此不需要單獨(dú)的計(jì)時單元與之相連。⑥具有雙數(shù)據(jù)指示器，使工作更加方便、高效。⑦具有全新的加密算法，大大加強(qiáng)了程序的保密性，可以更有效地保護(hù)企業(yè)的知識產(chǎn)權(quán)。

1.2 傳感器的選型

傳感器的選擇也是企業(yè)進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)時需要重點(diǎn)考慮的問題。傳感器的各個引腳與單片機(jī)I/O接口的相連問題是關(guān)系到溫度控制系統(tǒng)能否正常運(yùn)行的關(guān)鍵。我們選擇DS18B20溫度傳感器，它是一種比較常用的傳感器，采用獨(dú)特的單線接口方式，體積小、價格便宜、抗干擾能力強(qiáng)、測溫范圍廣且傳輸?shù)男适指?，適合遠(yuǎn)距離操作。該傳感器可適用于冷庫、電力機(jī)房、空調(diào)、冰箱等測溫和控制領(lǐng)域，在人們的日常生活、工業(yè)及軍事領(lǐng)域有很大的貢獻(xiàn)。

1.3 溫度控制系統(tǒng)的框架

在設(shè)計(jì)產(chǎn)品的過程中，少不了各種模塊的配合與使用，而基于89C51單片機(jī)的溫度控制系統(tǒng)更少不了系統(tǒng)集成模塊技術(shù)，主要包括數(shù)據(jù)采集模塊、單片機(jī)控制模塊、顯示模塊、溫度設(shè)置模塊和驅(qū)動電路模塊。該系統(tǒng)工作流程如下：首先，數(shù)據(jù)采集模塊將當(dāng)前想要測量的產(chǎn)品或者空間的溫度進(jìn)行實(shí)時的采集與記錄，保證數(shù)據(jù)具有較高的時效性。將采集到的溫度數(shù)據(jù)輸入單片機(jī)控制模塊中，此模塊對其進(jìn)行加工與處理，經(jīng)過處理后的溫度數(shù)據(jù)通過溫度控制系統(tǒng)中的顯示模塊顯示在屏幕中，方便操作人員監(jiān)測。其次，溫度設(shè)置模塊將溫度提前設(shè)定為一個恰當(dāng)?shù)闹?，?dāng)被采集的溫度數(shù)值不在所設(shè)定范圍時，可以通過單片機(jī)控制模塊自動調(diào)節(jié)控制溫度。當(dāng)檢測到的溫度低于或高于設(shè)定的溫度時，單片機(jī)會改變驅(qū)動電路進(jìn)行加熱或者停止加熱，并且會發(fā)出報警聲或者點(diǎn)亮報警燈，提醒工作人員當(dāng)前系統(tǒng)溫度出現(xiàn)不合理的情況。

2 單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理

首先，傳感器要對所測量的產(chǎn)品或空間溫度進(jìn)行捕獲和采集，將此信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，再將此信號通過一個電壓放大器放大，單片機(jī)可以實(shí)時檢測和控制數(shù)據(jù)，然后轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)可識別的數(shù)字信號，將其通過相應(yīng)的Keil軟件和相關(guān)程序轉(zhuǎn)入CPU中。其次，比較當(dāng)前測量數(shù)據(jù)與之前測量數(shù)據(jù)，按照一定的計(jì)算方法計(jì)算出二者存在的偏差，經(jīng)過一系列的調(diào)節(jié)與優(yōu)化，將溫度控制在最佳參數(shù)范圍內(nèi)，以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的最好效果。此外，單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)還可以對所處周圍環(huán)境進(jìn)行實(shí)時準(zhǔn)確的測量及控制，以解決人們在生產(chǎn)過程遇到的各種難題，如生產(chǎn)溫度難以知曉和控制。

3 單片機(jī)的溫度控制方法

3.1 純硬件的閉環(huán)控制系統(tǒng)

采用純硬件的閉環(huán)控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是可以提高傳輸數(shù)據(jù)的速度，但是隨著數(shù)據(jù)傳輸速度的加快，其可靠性和準(zhǔn)確性會有所下降。此外，由于客觀上存在的安裝問題及線路連接的復(fù)雜性，在操作、調(diào)試方面會增加很多困難，因此這種溫度控制方法在實(shí)際應(yīng)用中具一定的局限性。

3.2 利用FPGA/CPLD及有IP內(nèi)核的FPGA/CP-

LD方式

采用FPGA/CPLD的方法能夠?qū)π枰臏囟葦?shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時采集，并且可以將其儲存和顯示。利用有IP內(nèi)核的FPGA/CPLD方式可以使系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分配更為合理，從而進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)復(fù)雜信息的測量與控制，并且操作過程比較簡單。但是，此系統(tǒng)的調(diào)試比較困難，并且性價比不高，因此在實(shí)際的溫度控制系統(tǒng)中的利用率也不高。

3.3 單片機(jī)與高精度溫度傳感器結(jié)合使用

這種兩者相結(jié)合的方式從某種程度上既克服了調(diào)試和操作困難的問題，又解決了價格昂貴、性價比不高的問題。這種方法是采用單片機(jī)完成人機(jī)界面、溫度系統(tǒng)控制、信號的分析和處理、采集到的溫度數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。目前，人們通常將高精度傳感器直接嵌入控制系統(tǒng)中，能直接且有效地完成對信號的采集、存儲與轉(zhuǎn)換。如今，大多數(shù)企業(yè)都采用這種方式提高溫度控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性與靈活性。

3.4 背光測試

這種方法主要是利用光敏電阻實(shí)現(xiàn)電壓的變化，光敏電阻是利用半導(dǎo)體的光電效應(yīng)，即其阻值會隨著不同的光照強(qiáng)度發(fā)生不同的變化，若光照強(qiáng)度變強(qiáng)，其阻值變小，反之，光照強(qiáng)度變?nèi)酰渥柚底兇?，而阻值的大小會影響電壓的大小。由于上述原理，可以將模擬電壓傳送到MCU的ADC轉(zhuǎn)換器上，測出此時光照強(qiáng)度，通過對此光照強(qiáng)度數(shù)據(jù)的分析和處理來設(shè)置LED點(diǎn)陣屏幕的亮暗程度。

4 單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)的開發(fā)和應(yīng)用

4.1 硬件電路的開發(fā)與應(yīng)用

通常，我們會將單片機(jī)作為硬件電路的主機(jī)，還會配上兩路傳感變送器和多路獨(dú)立的控制開關(guān)，再配合D/A轉(zhuǎn)換器、V/I轉(zhuǎn)換器和調(diào)節(jié)閥等硬件設(shè)備，滿足基本的硬件需求，可以實(shí)現(xiàn)對產(chǎn)品或者空間溫度的有效控制，達(dá)到生產(chǎn)過程中對環(huán)境或者產(chǎn)品自身溫度控制的需求。除了主要的硬件設(shè)備外，人們還可以根據(jù)自己的需要增加一些輔助的硬件設(shè)備，例如鍵盤、報警器、顯示屏等，可及時提醒人們當(dāng)前產(chǎn)品或環(huán)境的溫度情況，從而讓人們能夠及時進(jìn)行調(diào)整，實(shí)現(xiàn)環(huán)境或產(chǎn)品溫度的最佳狀態(tài)，有利于提高生產(chǎn)效率。

4.2 軟件系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用

我們所運(yùn)用的單片機(jī)的編程環(huán)境主要是在Keil軟件下，用C語言編寫溫度控制系統(tǒng)。我們需要對主模塊進(jìn)行初始化，然后將需要測量的溫度進(jìn)行顯示、分析和處理、存儲等操作。其中，主程序是當(dāng)測定的溫度不在初始設(shè)定的溫度范圍內(nèi)時，要及時將其顯示并進(jìn)行自動調(diào)節(jié)，同時對與其相關(guān)的子程序進(jìn)行相應(yīng)的支配。

4.3 溫度檢測的開發(fā)與應(yīng)用

通常，我們首選熱電偶傳感器作為溫度檢測開發(fā)與應(yīng)用的工具，因?yàn)樗粌H價格比較低，構(gòu)造比較簡單，使人易于理解和操作，而且檢測溫度的范圍也比較廣，同時精確度高，靈敏度也相當(dāng)好。但它也有一定的局限性，此傳感器識別的電壓信號比較微弱，當(dāng)遇到高電壓信號時，其準(zhǔn)確度會降低。所以，通常我們會將其輸出的微弱電壓進(jìn)行放大后安裝到轉(zhuǎn)換器上，完成溫度數(shù)據(jù)的傳送，這種方法是目前較為簡便且常用的方法。

5 結(jié)語

基于單片機(jī)的溫度控制系統(tǒng)不僅可及時、精確地反映當(dāng)時生產(chǎn)環(huán)境及生產(chǎn)產(chǎn)品當(dāng)前的溫度，還可以根據(jù)人們提前設(shè)定好的溫度范圍對其進(jìn)行自動控制和調(diào)節(jié)，并且可以報警提醒操作人員，使其做出相應(yīng)的程序調(diào)整或者硬件調(diào)節(jié)，以保證整個溫度控制系統(tǒng)能夠發(fā)揮最大的作用。同時，我們選擇單片機(jī)是因?yàn)槠湫詢r比極高，對于當(dāng)前的生產(chǎn)與生活都有極大的益處。所以，我們一定要好好學(xué)習(xí)單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)的運(yùn)行原理，將理論知識較好地應(yīng)用到日常的生活中，激發(fā)靈感，開發(fā)出更好的產(chǎn)品，最大限地發(fā)揮出它的應(yīng)用價值，為人類社會帶來更大的便利。

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[責(zé)任編輯：鐘聲賢]