基于單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)的研究*

呂穎利 ，張新軍

（濟(jì)源職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 濟(jì)源 459000）

在社會經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展的背景下，工業(yè)生產(chǎn)對溫度條件的要求越發(fā)嚴(yán)苛，加強(qiáng)對溫度控制系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用，具有重要的理論意義與實(shí)踐意義。單片機(jī)是目前應(yīng)用較為廣泛的溫度檢測和控制手段，加強(qiáng)對這類器件的研究與開發(fā)，可提升系統(tǒng)檢測溫度的精確性、便捷性、高效性，發(fā)揮系統(tǒng)對溫度的控制功能，調(diào)控溫度到合理范圍內(nèi)，滿足工業(yè)生產(chǎn)的技術(shù)要求，保證產(chǎn)品質(zhì)量，具有廣闊的應(yīng)用前景[1]。

1 單片機(jī)概述

單片機(jī)，即單片微型計(jì)算機(jī)，由CPU芯片、ROM只讀存儲器、RAM隨機(jī)存取存儲器等部件構(gòu)成，其體積通常較小，但性能卻十分強(qiáng)大，在接入電源、晶振的條件下，可處理一系列的復(fù)雜信息，在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，具有極為廣闊的應(yīng)用面，對其進(jìn)行合理的使用，可顯著提升機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行效率，改良工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境，避免一些安全事故的發(fā)生，應(yīng)得到相關(guān)工作者的重視[2]。

2 基于單片機(jī)的溫度控制系統(tǒng)概述

2.1 單片機(jī)選擇

在設(shè)計(jì)溫度控制系統(tǒng)時(shí)，合理選擇單片機(jī)至關(guān)重要，很大程度上決定著溫度控制系統(tǒng)的性能水平。一般來講被選中的單片機(jī)應(yīng)當(dāng)具有運(yùn)算速率快、內(nèi)存高的特點(diǎn)，還應(yīng)具有一定的經(jīng)濟(jì)適用性。本次研究選擇51單片機(jī)，作為系統(tǒng)開發(fā)中用到的控制主芯片，同時(shí)這也是目前業(yè)界使用較為廣泛的一種單片機(jī)，其指令集與芯片引腳，與英特爾的8051單芯片微控制器兼容，同時(shí)包含4kB可編程程序處理器與128RAM隨機(jī)存取存儲器，能夠?qū)崿F(xiàn)對溫度的高效控制。

2.2 傳感器選擇

傳感器亦是溫度控制系統(tǒng)的重要組成部分，目前實(shí)際生產(chǎn)中較為常見的數(shù)字溫度傳感器是DSI8B20，具有一定的智能性，與處理器十分適配，可快速完成對溫度數(shù)據(jù)的采集，同時(shí)具有體積小、傳輸速率高等一系列的優(yōu)勢，應(yīng)用價(jià)值可觀。

2.3 系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)

通常情況下，對溫度控制系統(tǒng)模塊的劃分，需結(jié)合其具體的運(yùn)作過程，如可分為如下五部分：數(shù)據(jù)采集模塊、單片機(jī)控制模塊、溫度設(shè)計(jì)模塊、顯示模塊、驅(qū)動(dòng)電路。其中，數(shù)據(jù)采集模塊的主要作用為采集溫度數(shù)據(jù)，單片機(jī)控制模塊的主要作用是接收數(shù)據(jù)信息，將其傳送給顯示模塊，顯示為具體的溫度值[3]。技術(shù)人員可提前為溫度控制系統(tǒng)設(shè)置溫度標(biāo)準(zhǔn)值，當(dāng)系統(tǒng)檢測到實(shí)際溫度與標(biāo)準(zhǔn)值不符時(shí)，單片機(jī)中的驅(qū)動(dòng)電路會發(fā)出預(yù)警信號，啟動(dòng)或停止加熱操作，調(diào)節(jié)溫度，保證工業(yè)生產(chǎn)的正常進(jìn)行。

2.4 溫度控制原理

單片機(jī)是溫度控制系統(tǒng)控制溫度的主要載體。系統(tǒng)中的傳感器，在接收到溫度數(shù)據(jù)后，會將溫度信息放大到電路上，并將其轉(zhuǎn)化為電壓信號，放大到合適范圍內(nèi)，之后單片機(jī)會處理這一信息，再利用A/D轉(zhuǎn)換器，將其轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，傳輸至主機(jī)，如此便完成了對溫度數(shù)據(jù)的采集與處理。此外，對信號進(jìn)行數(shù)字濾波操作，也是這一過程中不可或缺的重要環(huán)節(jié)，此環(huán)節(jié)的主要目的，是轉(zhuǎn)換信號為對應(yīng)的標(biāo)度，便于LED屏幕顯示溫度指數(shù)，同時(shí)提升溫度測量的精確度。對于提前設(shè)定好的溫度值，溫度控制系統(tǒng)會應(yīng)用積分分離的PID算法，比較其與采集到的溫度值的不同，進(jìn)行偏差分析后，得到最終的輸出控制量值，獲得準(zhǔn)確的導(dǎo)通時(shí)間與加熱功率，有效調(diào)節(jié)溫度[4]。

總之，合理設(shè)計(jì)單片機(jī)下的溫度控制系統(tǒng)，可通過上述工作原理，強(qiáng)化其工作性能，實(shí)現(xiàn)對溫度的精準(zhǔn)控制。需要注意的是，一般情況下，溫度數(shù)值是以十進(jìn)制數(shù)碼的形式顯現(xiàn)的，這提升實(shí)時(shí)監(jiān)測的便捷性。

3 單片機(jī)溫度控制的具體實(shí)操方法

在單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行中，來源于工業(yè)場所的多種因素，都會為溫度數(shù)據(jù)的保存帶來一定的影響，進(jìn)而破壞數(shù)據(jù)的真實(shí)性，因此相關(guān)工作者有必要采取一定的措施，避免上述情況的出現(xiàn)。以下列舉幾種方法。

3.1 聯(lián)合使用高精度傳感器

可聯(lián)合使用單片機(jī)和高精確度的傳感器，提升溫度控制的精確性。一般來講在系統(tǒng)中，單片機(jī)發(fā)揮的主要作用是控制溫度系統(tǒng)，即建立人機(jī)操作界面、對數(shù)據(jù)信號信息進(jìn)行分析和處理等，因此在系統(tǒng)的前端，安裝精度較高的傳感器，可提升系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)信號的精確性與效率，進(jìn)而提升溫度控制系統(tǒng)的運(yùn)行效率[5]。

3.2 設(shè)計(jì)純硬件式的閉環(huán)控制系統(tǒng)

相較于常規(guī)的控制系統(tǒng)，此種控制系統(tǒng)的最大優(yōu)點(diǎn)，是運(yùn)行速度快、效率高，可顯著縮短系統(tǒng)控制溫度的時(shí)間，提升工業(yè)生產(chǎn)效率。但此類系統(tǒng)也具有一定的缺陷，即測量精確度較低，同時(shí)線路相對復(fù)雜，易為工作人員的安裝調(diào)試操作帶來不便，很難全面推廣應(yīng)用于實(shí)際的工業(yè)生產(chǎn)[6]。企業(yè)可結(jié)合自身的條件，以及溫度調(diào)節(jié)的具體需求，判斷是否選用此類控制系統(tǒng)。

3.3 測量人機(jī)交互信號

在單片機(jī)控制溫控系統(tǒng)的過程中，可使用FPGA/CPLD，采集、顯示溫度數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)A/D功能，再借助IP核，完成人機(jī)交互、檢測信號。采用此種方法設(shè)計(jì)而成的溫度控制系統(tǒng)，在結(jié)構(gòu)上相對緊湊，溫度控制效率較高，也可相對妥善地面對來自工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境的各種復(fù)雜因素，更為重要的是，在操作上也十分便捷。但此種方法也具有不足之處，即調(diào)試過程復(fù)雜、成本昂貴、性價(jià)比低等，因此中小型企業(yè)通常并不會采用此種方式設(shè)計(jì)溫控系統(tǒng)。

4 單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)的深度開發(fā)應(yīng)用

單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)包括軟件、硬件等一系列復(fù)雜的組成部分，涉及的技術(shù)要點(diǎn)相對繁多，因此在開發(fā)時(shí)，工作人員需統(tǒng)籌兼顧所有的技術(shù)要點(diǎn)與設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，最大程度上提升單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)的性能水平，利用其更好地助力實(shí)際的工業(yè)生產(chǎn)。此外，通過合理的手段，降低溫控系統(tǒng)的研發(fā)成本亦很有必要，可提升溫度控制系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)適用性，擴(kuò)大其在實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用面。以下主要從硬件、軟件與溫度檢測系統(tǒng)三方面，討論對溫控系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用。

4.1 硬件系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用

將單片微型機(jī)用作主機(jī)，是開發(fā)溫度控制系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)主要方式之一，在采用此種方式的前提下，研發(fā)者需為主機(jī)配置相應(yīng)的傳感器開關(guān)，對多種設(shè)備以及元器件進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)，保證溫度控制系統(tǒng)的整體性能與工作細(xì)節(jié)能夠符合要求，利用其實(shí)現(xiàn)對溫度的合理控制。在這一過程中，不可或缺的是對自動(dòng)控制技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用，研發(fā)者需充分考慮溫度控制系統(tǒng)的實(shí)際特點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上，合理安排對鍵盤、顯示器等設(shè)備的配置，逐步完善溫度控制系統(tǒng)的功能細(xì)節(jié)[7]。以下從液晶顯示器、聲光報(bào)警模塊、串口通信三方面探討對溫控系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)。

4.1.1 液晶顯示器設(shè)計(jì)

目前LED與LCD的液晶顯示器，在現(xiàn)代儀表設(shè)計(jì)中具有極為廣闊的應(yīng)用面。在實(shí)際應(yīng)用中，LED液晶顯示器通常無法明確地顯示數(shù)字，因此在設(shè)計(jì)溫控系統(tǒng)硬件時(shí)，設(shè)計(jì)者應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注這一點(diǎn)，盡量采用能夠靈活顯示數(shù)字、漢字與圖形的LCD液晶顯示器來設(shè)計(jì)，但后者的成本也相對高昂。不過，近年來隨著科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展，LCD液晶顯示器的價(jià)格也在日益降低，相信溫控系統(tǒng)設(shè)計(jì)對此類顯示器的應(yīng)用會越發(fā)增多。但需要注意的是，相較于LED液晶顯示器，LCD液晶顯示器在程序編寫上較為復(fù)雜，傳統(tǒng)語言的編寫難度很高，因此研發(fā)者可采用C51處理程序，進(jìn)行對程序的編寫與修改，協(xié)調(diào)應(yīng)用多項(xiàng)數(shù)據(jù)，提升溫控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)效率。LED與LCD液晶顯示器的對比如表1所示。

表1 LED與LCD液晶顯示器對比

4.1.2 聲光報(bào)警設(shè)計(jì)

對報(bào)警模塊的設(shè)計(jì)，通常需用到兩個(gè)LED器件單片機(jī)的I/O，以直接驅(qū)動(dòng)LED顯示器。正如上文所述，LED液晶顯示器的功效較不理想，但使用壽命較長，因此應(yīng)用于對聲光報(bào)警器件的設(shè)計(jì)，還是可以取得不錯(cuò)的效果。在設(shè)計(jì)大功率報(bào)警器件時(shí)，研發(fā)者還可為其設(shè)計(jì)繼電器，實(shí)現(xiàn)有效控制。

4.1.3 串口通信設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)串口通信時(shí)，為保證系統(tǒng)通信功能的正常運(yùn)行，研發(fā)者通常需要利用PC機(jī)，控制系統(tǒng)的相關(guān)子程序，確保相應(yīng)的數(shù)據(jù)信息，能夠被妥善地傳輸?shù)酵ㄐ懦绦蛑?，讓系統(tǒng)得以穩(wěn)定、高效地運(yùn)轉(zhuǎn)。通信程序在收到數(shù)據(jù)信息后，會按照一定的組合，將數(shù)據(jù)發(fā)送至各指定區(qū)域，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行目標(biāo)。

4.2 軟件的開發(fā)與應(yīng)用

對溫度控制系統(tǒng)軟件的開發(fā)，離不開對C語言的應(yīng)用。有效的C語言編程操作，可強(qiáng)化單片機(jī)在溫度控制系統(tǒng)中的功能，提升系統(tǒng)的運(yùn)行效率。一般來講單片機(jī)在這一環(huán)節(jié)中的工作順序是：主程序進(jìn)行初始化模塊操作，之后系統(tǒng)會分析處理器得到的數(shù)據(jù)，再將數(shù)據(jù)輸送到顯示器與鍵盤上。這一過程中，對溫度的查詢與顯示，通常需依托循環(huán)查詢方式來完成。

在實(shí)際應(yīng)用中，溫度控制系統(tǒng)的主程序，主要承擔(dān)著實(shí)時(shí)顯示溫度數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)讀取的作用，同時(shí)，處理AT89S51測量到的溫度數(shù)據(jù)，亦是主程序的重要工作，在完成這一工序后，系統(tǒng)會在各子程序中，調(diào)用溫度數(shù)據(jù)，再將熱電偶測量出的溫度值，轉(zhuǎn)換為電路數(shù)字，傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)中[8]。時(shí)間控制系統(tǒng)會每隔10秒鐘重啟一次，在此基礎(chǔ)上，系統(tǒng)會集中采集而來的溫度數(shù)據(jù)，對比操作人員設(shè)置的溫度標(biāo)準(zhǔn)值，依據(jù)結(jié)果，驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)溫度。一般來講，當(dāng)設(shè)定數(shù)據(jù)與實(shí)際測量數(shù)據(jù)之間存在一定范圍的差值時(shí)，溫度控制系統(tǒng)便會啟動(dòng)執(zhí)行系統(tǒng)，若有其他指令，也可依托指令，修正設(shè)定數(shù)據(jù)與實(shí)際測量數(shù)據(jù)之間的差值，若設(shè)定數(shù)據(jù)與實(shí)際測量數(shù)據(jù)之間沒有差值，系統(tǒng)會按照事先設(shè)定好的溫度值，開啟恢復(fù)功能。由此可見，在溫度控制系統(tǒng)的日常運(yùn)行中，設(shè)定溫度標(biāo)準(zhǔn)值是十分重要的，在進(jìn)行軟件開發(fā)應(yīng)用時(shí)，應(yīng)注意這一點(diǎn)。

4.3 溫度檢測系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用

在實(shí)際的工業(yè)生產(chǎn)中，半導(dǎo)體模擬溫度傳感器，是溫度控制系統(tǒng)應(yīng)用較多的一種溫度檢測方法，此種傳感器會在測量溫度信息的前提下，將信息數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為電壓或電流的形式，這些電壓與電流，在一定范圍內(nèi)，與溫度數(shù)據(jù)具有緊密的聯(lián)系，主要呈現(xiàn)為線性關(guān)系。此外，熱電偶亦是溫度檢測應(yīng)用較多的一種方法，相較于半導(dǎo)體模擬溫度傳感器測量法，這種測量方法具有精度高、價(jià)格低廉、運(yùn)行速度快、測量范圍廣等優(yōu)勢，但運(yùn)行過程也相對復(fù)雜，同時(shí)電路受外界因素影響的可能性也很大，在一定情況下，易出現(xiàn)測量誤差，為使用者帶來不必要的麻煩。除此之外，電壓信號弱，也是熱電偶傳感器的重要缺陷[9]。具體而言，熱電偶對電壓的識別，多以毫伏與十毫伏計(jì)，因此在轉(zhuǎn)換AID的過程中，可對信號進(jìn)行一定的處理，在AID轉(zhuǎn)換器中，使用放大倍數(shù)的電路，彌補(bǔ)上述問題。

需要注意的是，熱電偶傳感器具有冷端補(bǔ)償功能。所謂冷端補(bǔ)償功能，就是指在溫度較低的時(shí)候，熱電偶的輸出電勢會偏離冷端溫度的低數(shù)值。因此有必要應(yīng)用冷端補(bǔ)償方法糾正其數(shù)值，避免溫度控制系統(tǒng)出現(xiàn)問題，更好地保障溫度的恒溫不變。

另外，溫度檢測方法，按照不同的標(biāo)準(zhǔn)，又可有不同的分類。例如，按照敏感元件是否接觸被測介質(zhì)，可將其分為接觸式/非接觸式兩種，這兩種檢測方法皆有其特定的適用區(qū)間，接觸式溫度檢測方法的運(yùn)行原理是物體受熱體積膨脹，因此需用到膨脹式溫度檢測儀表，以及基于熱電效應(yīng)的熱電偶溫度檢測儀表；非接觸式溫度檢測方法的運(yùn)行原理是物體熱輻射特性與溫度之間的對應(yīng)關(guān)系，在設(shè)計(jì)單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)時(shí)，通常需要在單片機(jī)的外部，加設(shè)各種接口，滿足系統(tǒng)的檢測需要，實(shí)現(xiàn)對不同環(huán)境下的物質(zhì)溫度的檢測與顯示，依據(jù)實(shí)際情況，進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整[10]。

5 結(jié)語

綜上所述，單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)在目前的工業(yè)生產(chǎn)中，具有較為廣闊的應(yīng)用面與可觀的應(yīng)用價(jià)值。企業(yè)可利用這類溫度控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對環(huán)境溫度的精準(zhǔn)檢測、有效控制，提升工業(yè)生產(chǎn)效率，保證產(chǎn)品質(zhì)量。研發(fā)者應(yīng)加強(qiáng)對單片機(jī)的研究與應(yīng)用，以及對系統(tǒng)軟、硬件的開發(fā)，提升溫度控制系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性與實(shí)用性，合理使用多種先進(jìn)的溫度檢測、控制方法，不斷完善溫度控制系統(tǒng)的性能，利用控制系統(tǒng)，更好地促進(jìn)工業(yè)產(chǎn)業(yè)的向前發(fā)展。