基于單片機的溫度控制系統的研究與實現

陳振偉

(1.安徽礦業職業技術學院自動化與信息工程系，安徽淮北235000;2.淮北煤電技師學院自動化與信息工程系，安徽淮北235000)

在我國科學技術與信息技術快速發展的過程中，溫度的測量與控制在各項技術發展中顯得越來越重要.在實際溫度控制與測量的過程中，實時采集溫度，同時保證溫度數據傳輸的準確性，是目前溫度控制系統急需解決的問題.在實際操作的過程中，應用單機對溫度進行控制與采集是一種較為常見的方法.將單機應用于溫度采集與控制中，不僅僅是因為單機方便控制，更重要的是在實際操作的過程中單機具有多項的優點，可以滿足溫度控制的各項要求.應用單機對溫度進行控制與測量，對傳輸數據的準確性具有重要影響.由此可見，在溫度系統控制中，單機能夠解決各種問題，具有廣闊的應用前景.

1 單片機的概述

在科學技術領域內，人們將微型計算機稱為單片機.單片機在形體構造中體積顯得比較小，但是其功能較為強大.在使用的過程中僅僅對單片機外加電源與晶振就能對數字進行處理與控制.單片機這種強大的功能與其構造有關.單片機主要由CPU、I/O、ROM以及RAM眾多接口與中斷系統等多個部件構成［1］.因而在現代工業應用中，單片機的應用前景非常廣泛.隨著超大規模集成電路技術的發展，單片微型計算機誕生并發展起來.在改善勞動條件與節約能源方面具有重大的貢獻.在技術生產與設備故障方面，單片機可以獲取較好的技術指標與經濟效益.正是基于這些特點，單片機在溫度系統控制中的應用越來越受國內外重視.

2 控制溫度的具體操作方法

在溫度數據傳輸的過程中，多種因素不僅影響了溫度數據的保存，還對溫度數據的真實性造成嚴重的干擾.在此情況下，需要采取有效的措施控制溫度，保證溫度數據傳輸的真實性.

2.1 應用純硬件閉環控制系統

這種系統在溫度控制系統中應用得最為普遍.該系統雖然運行速度較快，但是運行的可靠性較低，數據控制的精度方面也存在一定問題.同時該系統運行的靈活性較小，線路較為復雜，在調試與安裝方面存在較大的不便.在溫度數據控制方面要想解決這些問題難度較大.

2.2 FPGA/CPLD或帶有IP內核的FPGA/CPLD

該控制方法主要利用FPGA/CPLD對數據進行采集與存儲，進而將A/D功能顯示出來.同時通過IP核實現人機互動以及信號測量與分析等各項操作.在溫度控制系統中，這種控制系統的結構較為緊湊，通常可以對復雜的測量數據進行控制，在實際操作方面較為簡便，但是該控制系統由于較為復雜，成本有點高.

2.3 應用單片機與高精度傳感器結合的方式

這種方法主要是利用單片機在完成人機界面的基礎上，對系統進行控制，同時將測量的信號進行分析.該項操作主要是由前端傳感器對信號進行采集與轉換.在實際應用的過程中，這種控制方法不僅可以提高設備運行的速度以及數據的精確度，同時成本不是很高.因此，在實際應用中人們多采用單片機與溫度傳感器對溫度進行控制.

3 單片機的系統框架與型號選擇

將單片機應用到溫度控制系統中，需要選擇合適的單片機型號.同時還應當對單片機系統框架進行必要的分析.

3.1 單片機型號的選擇

在整個溫度控制系統中，單片機型號的選擇具有重要的影響.需要滿足價格實惠、內存較大、運行速度快以及具有普遍通用性等要求.本文在單片機型號選擇方面主要采用的是以AT89S51作為主控芯片的單片機.首先，該單片機的指令集與芯片引腳能夠與Intel公司生產的8051進行兼容.其次，該型號單片機具有4KB片內的可編程FLash程序存儲器，其中存儲器(RAM)中有128個字節可以隨機讀寫.并且在運行頻率可以達到0－33MHZ.再次，該單片機內含有32個可編程輸入與輸出引腳和2個16位定時/計數器以及2個數據指針.在數據內部含有2級優先級與6個中斷源.最后，該單片機具有相對先進的全雙工串行通信接口.

3.2 傳感器的選擇

本文論述的系統主要采用的是DALLAS半導體公司生產的一線式數字溫度傳感器DS18B20進行溫度數據采集.DS18B20是一項全新的專門適合配置微處理器的智能溫度傳感器.該系統常見于工業、軍事以及民用等領域的溫度測量以及控制.該系統的體積雖然較為小巧，但是優點明顯，應用接口方便，可以進行遠距離數據傳輸，并且數據傳輸的準確性較高.

3.3 系統框架

本系統主要包括了數據采集模塊、驅動電路模塊、溫度設置模塊、顯示模塊以及單片機控制模塊等幾部分.對溫度進行實時采集主要由數據采集模塊控制，將采集到的溫度數據傳輸到單片機，單片機對該數據進行處理之后再將其傳輸到顯示部分進行顯示.系統中對溫度進行預定主要由設置模塊來控制.在檢測到系統溫度低于設置的溫度時，單片機就會自動控制電路，啟動電路進行加熱，同時發出相應的警報聲.在溫度超過設定的溫度時就會停止加熱.由此可見，不同的組成部分對系統溫度的控制具有不同的作用.

4 單片機的溫度控制原理

在對溫度進行測量之后，傳感器是測量值的主要載體.溫度數據途經傳感器將相應的信息放大到電路中［2］.在此過程中，傳感器需要將接收到的毫伏級的電壓信號，慢慢放大輸到單片機中，促使其能夠在可調控的范圍進行自由處理.在此之后通過A/D轉換器將電壓信號轉換為數字信號.經過相應的軟件系統將數字信號傳輸到主機中.由于單片機在信號進行采集的過程中，所測量的數據必須具備較高的準確度.因此，為了提高數據的準確度需要對采樣的數據進行數組信號的過濾.經過過濾的數字信號就會轉換成為相應的標度，進而將溫度指數顯示到LED屏幕上.除此之外，還可以將所獲取的溫度值與之前設定的溫度指標進行比較，隨后按照相應的積分分離PLD控制算法將兩者之間的偏差計算出來.通過計算就能夠獲得最終的控制值.依據輸出控制的數值確定導通的時間以及加熱的功率，進而可以對溫度環境進行有效的調節.

在設計整個溫度控制系統的過程中，其最初的想法就是促使單片機對溫度進行有效的檢測與精準的控制.利用十進制的數碼將實際的溫度值顯示出來.但是，如果系統在控制溫度方面僅停留于此，還不能達到很好的效果，還需要在系統中提前將人工設置的溫度范圍輸入進去，將溫度保持在人們設定的范圍內.如果實際溫度并沒有在設定的范圍內，系統就會自動啟動相應的溫度調節功能.這樣可以保證在設定的溫度范圍內，保持溫度的穩定性，實現控制溫度的目的.

5 單片機溫度控制系統的開發與實現

5.1 硬件系統的開發與實現

在硬件系統開發的過程中，通常都會選擇單片微型計算機作為其主機，隨后對該主機配以相應的傳感器開關.通過多種設備的綜合應用，進而可以實現設計的各項要求，實現對溫度的自動控制.在此項開發技術的過程中需要依據系統的實際要求，將鍵盤和顯示器等相關的設備搭配在內.通過這種方法可以更好地完善系統功能.

首先是液晶顯示器的設計.現代儀表的設計主要采用的是LED和LCD.LED在現實中不能將數字顯示出來，LCD可以靈活地顯示數字與圖形和漢字.在科學技術不斷發展的過程中，LCD的使用成本逐漸降低.因而在高檔儀表設計中已經開始廣泛應用LCD.但是由于LCD程序較為復雜，傳統的語言編寫很難修改［3］.因此就選擇C51來處理相應的程序，這樣對修改具有重要的幫助，可以達到多項數據共同應用的要求.

其次是聲光報警設計.報警模塊的設計會使用2個LED器件單片機的I/O，可以直接驅動LED.LED不僅壽命較長，同時功效較低，比較適合報警器件.如果系統需要相對較大功率的報警器件，可以設計繼電器對白熾燈進行控制.

再次是串口通信的設計.系統的控制人員要保障系統通信，PC機可以控制子程序，將相關的數據傳輸給通信程序，通信程序按照數據的組合發送到各個區域.

最后就是雙路操作切換的設計.雙路選擇通常有兩個用途，與系統通路和控制溫度的范圍.通過此兩項功能，可以穩定電壓.

5.2 軟件的開發與實現

系統在應用軟件的過程中，主要采用的是C語言.C語言可以實現單片機的各項功能.單片機的主程序對模塊進行初始化操作，隨后將讀取的溫度數據進行處理，將處理好的溫度數據傳輸到顯示器和鍵盤上.在此程序操作的過程中主要采用循環查詢方式控制和顯示溫度.而單片機的主程序主要負責實時顯示溫度，并讀出數據，處理AT89S51測量系統的當前溫度，并將溫度調用到各個程序中.在此項操作之后，熱電偶測量的溫度值就會將模塊式的數據轉換為電路數字，經過P11∶3將數據傳送到單片機中.這樣的數據通常都會在10秒的間隔，在此過程中時間自動中斷，系統就會發揮出其應有的作用，將實際采集到的溫度數據進行集中，并將其與之前已經設定好的溫度數據進行比較，控制系統依據比較結果進行自動調節.實際的測量數值與設定的數據之間有一定差值的情況下，自動執行控制系統就會生效，或者可以通過相應的指令來修正這兩者之間的差距.當然，如果實際測量數值與設定的數值之間不存在差距，那么系統就會按照原先設定好的溫度值開啟系統的恢復功能.由此可見，軟件的開發與實現需要依據設定值進行.

5.3 溫度檢測的開發與實現

熱電偶傳感器是系統中經常用到的傳感器.系統中所使用的熱偶傳感器價格低廉，精確度較高，相較于其他的傳感器，結構雖然較為簡單，但是測量的范圍非常廣泛，并且在應用中具有速度較快的優勢.目前，在實際應用中的熱偶傳感器電壓信號普遍較弱.在實際應用中只能識別幾毫伏到幾十毫伏之間的電壓.因而在AID轉換的過程中，必須對信號進行相應的處理，隨后使用放大倍數的電路在AID轉換器中實現.通常情況下，將熱偶傳感器應用在系統中實現溫度控制，操作較為簡單，途徑較為便捷［4］.但是，另外有一個值得人們思考的問題:在使用熱偶傳感器的過程中需要采用冷端補償的方法.即在熱偶傳感器溫度較低的時候，熱偶傳感器就會將輸出的電勢偏離冷端溫度較低的溫度數值.因而，在此種情況下，必須采用冷端補償的方法來糾正此項操作中溫度較低的問題，進而保證所提供的溫度保持不變.

6 結語

在工業溫度控制系統中，單片機具有重要的影響.其不僅可以對溫度進行實時控制與精度的測量，還能夠通過提前設定的方法對溫度進行調節，應用前景較為廣闊.

［1］黎步銀，沈茂盛，黃兆祥，等.張平川基于單片機53F9454多通道溫度檢測模塊的設計［J］.儀表技術與傳感器，2009，(11):25.

［2］張玉偉，姚紅玲.基于STC單片機的煤礦智能溫濕度控制器的設計與實現［J］.煤炭技術，2013，(11):58－59.

［3］劉亞利，敬嵐，喬衛民，等.基于MSP430F149型單片機的智能溫度控制系統［J］.計算機工程與設計，2013，(6):1062－1065.

［4］夏曉南.基于單片機的溫箱溫度和濕度的控制［J］.現代電子技術，2012，(24):117－118.