單片機溫度控制系統(tǒng)方案的分析

薛飛

摘 要：溫度是影響人們生活的一個重要方面，近年來，隨著電子工業(yè)的快速發(fā)展，數(shù)字儀表的反應越來越快。傳統(tǒng)的加熱爐一般均采用動圈式調(diào)節(jié)爐溫，但是這種調(diào)節(jié)方法的精確度不高，并且適用適用范圍比較狹窄。針對當前問題，技術人員研發(fā)出一種新工藝，即單片機溫度控制系統(tǒng)。該文主要分析單片機溫度控制的方法，針對系統(tǒng)的數(shù)學模型進行分析，提出溫度控制的最佳狀態(tài)空間方程，并結(jié)合實踐研究給出通過調(diào)節(jié)參數(shù)達到目標溫度的控制方案，為相關系統(tǒng)的應用和研究提供重要的調(diào)節(jié)參數(shù)，使方案更加具有實用性，提升整近年來，隨著電子技術和計算機技術的不斷發(fā)展，微機測量和控制技術也得到快速發(fā)展，并且隨著工業(yè)產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，在實踐中的應用也越來越廣泛。而微型測量技術作為重要的溫度控制工藝，在工業(yè)控制中發(fā)揮著重要的作用，尤其是冶金、化工和石油等工業(yè)實踐生產(chǎn)活動中，能滿足生產(chǎn)對精度和溫度等方面的高度要求。而在實踐應用中，不同的溫度控制工藝和設備，其采用的測溫元件和測溫方式不同，在具體實際操作中，要確定科學可行的控制方案，下面將針對可行性方案開展詳細的論述。

1 單片機溫度控制系統(tǒng)構(gòu)成

傳統(tǒng)的加熱爐一般采用多箱式電阻爐，加熱爐的溫度一般<1000℃；溫度測量采用鎳鉻—鎳硅熱電偶方法，將無接觸雙向晶閘管作為接觸器，但是在實際加熱的過程中，溫度間頻段的斷斷續(xù)續(xù)，造成很大的噪音，產(chǎn)生摩擦火花，從而實現(xiàn)微機控制。這種傳統(tǒng)的工藝系統(tǒng)在實際適用中，存在明顯的缺陷和不足。

而微機單片機控制系統(tǒng)的研發(fā)和應用是對傳統(tǒng)系統(tǒng)的改造，其主要通過溫度傳感器檢測加熱爐的溫度，并且反饋信號，系統(tǒng)采集信號。然后單片機根據(jù)系統(tǒng)設定的運算方法，根據(jù)電路中控制雙向晶閘管的通斷時間，智能的控制熱爐的溫度，使其穩(wěn)定在設定的溫度。系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。

由圖1可知，在系統(tǒng)中，單片機通過外接的LED顯示能及時地反映系統(tǒng)的運行狀態(tài)，溫度控制單位和加熱爐是主要的被監(jiān)控對象，溫度傳感器和前置放大與抗混濾波器是反饋系統(tǒng)采集信號的重要設備。這些都是系統(tǒng)的重要構(gòu)成部分，任何一個部分都具有其獨特的功能和作用，缺一不可，共同作業(yè)，實現(xiàn)對加熱爐的溫度控制。

2 單片機系統(tǒng)的主要作業(yè)原理

整個控制系統(tǒng)中，其發(fā)揮核心作用設備是單片機，該系統(tǒng)中適用的單片機為高性能的微控制器，系統(tǒng)構(gòu)成更加簡單。而一般常見的單片機的型號很多，如本次研究的系統(tǒng)采用ATMEL-89C52單片機，根據(jù)性能的不同，選用的單片機芯片為X25045和E2PROM集成的芯片，主要用于設定溫度的儲存數(shù)值，保存數(shù)據(jù)，同時，利用其復位與看門狗等相關的電路技術和設備，實現(xiàn)對系統(tǒng)溫度的準確控制。在整個作業(yè)過程中，單片機選用的芯片性能和作用非常關鍵，芯片影響著LED顯示和鍵盤接口等功能。所以，整個系統(tǒng)的作業(yè)原理為：計算機輸入目標溫度控制數(shù)值，單片機系統(tǒng)開啟溫度控制，加熱爐通過溫度控制之后，將信號直接反饋到前置放大和抗混濾波器中，再次經(jīng)過單片機對數(shù)據(jù)進行對比分析，檢測是否與目標數(shù)值吻合，然后將最終結(jié)果通過LED顯示輸出，完成一次溫度檢測和控制作業(yè)。

3 單片機溫度控制系統(tǒng)模型

設溫度控制單元、加熱爐和溫度檢測單位以及前置放大與抗混濾波器的傳遞函數(shù)分別為G1、G2、G3、G4，在一次作業(yè)慣性環(huán)節(jié)后，根據(jù)系統(tǒng)統(tǒng)計數(shù)據(jù)得知：

其中U（s）表示溫度控制單元輸出溫度信號；u（s）表示單片機輸出的控制信號；表示加熱爐內(nèi)的溫度；u1（s）為溫度傳感器測量加熱爐內(nèi)的溫度所產(chǎn)生的信號；u2（s）為u1（s）經(jīng)前置放大與抗混濾波器后輸出的信號。那么，選取其中4個節(jié)點的溫度進行測量，分別為t1、t2、t3、t4，得出狀態(tài)空間方程為：

其中A為系數(shù)矩陣，B為輸入矩陣，可得出：

X=[]，u=u（t），最終得知，在初始時刻，溫度控制單元輸出的最高和最低溫度分別為min和max，此時得出環(huán)境的最大加熱功率。

4 單片機溫度控制系統(tǒng)方案的確定和經(jīng)濟效益分析

將傳統(tǒng)的溫度控制系統(tǒng)與單片機控制系統(tǒng)進行對比，在未加單片機時，系統(tǒng)整體運行的速率為：1000/℃24（傳統(tǒng)轉(zhuǎn)換精度），即0.210℃，與設定的目標值0.0153℃相比，誤差相差比較大。而在系統(tǒng)中添加以單片機為核心的溫度檢測設備，溫度檢測的精確度提升到0.0001，芯片的轉(zhuǎn)換精度也由傳統(tǒng)的24，提升到當前的216，其采樣的速度也提升，可以實現(xiàn)并行輸出。最終得出的換裝量化誤差為1000℃216，溫度為0.0151℃，與標準溫度設計相符，達到精確要求。傳統(tǒng)與改進后系統(tǒng)的可行性對比詳見表1。

由表1可知，通過改造后的溫度檢測系統(tǒng)，其投入總成本明顯較傳統(tǒng)系統(tǒng)少，節(jié)約的成本達到35.4%，并且系統(tǒng)溫度檢測的精確度明顯提升，系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換精確由1000/℃24提升到1000℃216，整體控制精度得到明顯提升，在傳統(tǒng)的溫度檢測系統(tǒng)中添加單片機的方案具有可行性，完全能滿足標準控制目標，取得滿意的實踐效果。

5 結(jié)語

綜上所述，隨著現(xiàn)代科研實踐活動的不斷深入，我國科技水平得到明顯的提升，電子工業(yè)溫度測量儀也在不斷更新，新型的設備和儀器被研發(fā)，并投入實踐產(chǎn)生活動中，得到人們的認可和青睞。在溫度控制中采用單片機系統(tǒng)，是對傳統(tǒng)系統(tǒng)改造的必然選擇。該文通過建立數(shù)據(jù)模型得到狀態(tài)空間方程，能更加準確地掌握系統(tǒng)數(shù)據(jù)，為合理控制提供重要的參數(shù)。實踐證明，單片機系統(tǒng)的應用極大地提升了控制的精確度，滿足了設計的標準要求，加熱爐的可控制度明顯提升，拓展了加熱爐的適用范圍，方案具有可行性，單片機控制系統(tǒng)具有積極的推廣意義。

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關鍵詞：單片機 溫度控制系統(tǒng) 系統(tǒng)開發(fā) 功能

中圖分類號：TP368.12 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）07（b）-0075-02