溫度控制系統設計中單片機的應用

吳利剛 張梁

摘要

單片機技術具有高效、可靠的使用性能，在我國各領域的應用范圍已經非常廣泛。本文首先對單片機的概念進行了了解，在此基礎上，把該技術和目前比較流行的幾種溫度控制技術進行了對比研究，進而對單片機在溫度控制系統設計中的應用效果進行了分析。該文章的核心溫度控制系統為8051單片機，其控制部分利用CPUD進行，并最終完成每個控制對象都有其相對應的控制算法，所以說，性能可靠、成本低廉、結構開放等是該控制系統最為顯著的幾個特點。

【關鍵詞】單片機 溫度控制系統 系統設計應用

1 概述單片機技術

單片微型計算機，也就是我們常說的單片機，它是指一種集合了CPU、RAM、ROM，I/O接口和終端系統等部件一體式計算機。這種計算機擁有小巧的外觀和強大的功能。在電源和晶振的共同作用下，單片機可以快速并且精準的處理需要處理的各種數字信息。從單片機這些年的發展過程分析，單片機的產生和發展和集成電路技術的聯系十分緊密。相比較于一般的計算機來看，單片機不僅體積小、能耗低，而且具有很高的性價比。單片機的主要作用是可以對工作條件做出改善和對工作效率進行提升等等。當工作任務比較危險時，就可以使用單片機對危險系數進行把控，使其降低。

2 溫度控制系統設計中單片機的應用分析

2.1 溫度控制系統的硬件結構組成及開發

就溫度自動控制系統而言，功率控制及溫度測量為其硬件組成非常重要的兩個部分。在設計溫度控制系統的時候，單片機一般會被選為主機。在配備好兩路傳感變送器、多路開關、D/A轉換器、V/I轉換器等這些部件以后，溫度控制系統就可以發揮出控制系統溫度的功能了。之前我們了解到，單片機同時擁有準確性、可靠性和安全性等特點，所以溫度控制系統的主機使用單片機，能夠最大程度的對溫度控制系統的可靠性和安全性做出保障。

在溫度測量部分這個硬件構成部分當中，將信號通過既定方式轉換為電路：根據不同的控制對象選用相對應的溫度傳感器，從而將物理信號，通過傳感器轉化為電信號，便于8051單片機進行處理。電路通過信號進行處理：通過傳感器的轉化，從而產生的電信號，通常來說為較小的電壓信號，由于控制器精度有其既定的范圍，不可能直接到達A/D，所以說就要對較小的電壓信號進行適當放大。該系統利用了電路圖如下的程控差分放大器。見圖1。

程控差分放大器A3，其主要是利用AD844;差分放大器和傳感器的匹配以及小信號的測量精度，通過前置放大器A1產生改變;其射級跟隨器A2，有效的將差分放大器及D/A的緩沖和匹配得以實現;所有數控基準電壓源其輸出電壓最大不得超過2.5V，是因為小于1.2V的基準電壓源獲得較為困難，所以說將16位D/A轉換器MAX542組合成為所需的數控基準源，2.5V/216≈0.04mV為其最小分辨率;差分放大器其放大的倍數根據傳感器所輸出的電壓信號范圍進行確定，這樣，所有程控可變增益差分放大器得以產生。采用此程控放大電路，使得傳統程控放大器的缺點得以克服，同時還有很多有點，如容易控制、精度較高等，所以說整個系統的各類精度都有了非常顯著的提升。一般來說，溫度自動控制系統，其軟件算法是通過τ（對象的純滯后時間）/Tm（對象的慣性時間常數）來進行確定，通常情況下，若使用PID算法進行控制時，則τ/Tm需小于0.5;使用達林算法進行控制時，則τ/Tm需大于0.5。在該系統的使用過程當中，不同的控制對象可采用不同的算法進行，所以說該控制系統，其靈活性大幅度提升。因為在工業控制其過程當中，純滯后性、非線性是很多被控對象的普遍特點，若采用PID算法進行控制，要想使其控制能力良好則較為困難，所以說本篇文章對達林算法進行重點研討，利用達林算法，能夠使純滯后性以及非線性對象的控制達到理想的效果。

2.2 提高溫度控制系統的工作效能

上文中，我們對目前溫度控制系統中進行溫度控制的方式進行了列舉，它們主要包括三種，分別是閉環控制系統、引用FPGA/CPUD技術和單片機與高精度傳感器的方式。前兩種方式的缺點包括建造成本高、維護難度大和實用性差等。然而如果把單片機和高精度傳感器結合到一起，這些缺點就可以被彌補了。隨著計算機技術的不斷發展，溫度控制系統中使用單片機來發揮溫度控制的作用，所消耗的經費會比較少。另外，使用單片機處理各種信息，還能夠提高處理數據的可靠性和準確性。從系統維護方面來看，溫度控制系統中選擇單片機也比較便利，通常來看，只要能夠做到日常維護核心處理部分就足夠了。

2.3 實現軟件功能

在目前大多數的溫度控制系統開發過程中，都是使用C語言、C++語言、C#語言等計算機編程語言，這樣才能夠發揮出預期功能。同時，計算機語言還可以幫助溫度控制系統對主要功能進行分模塊的管理。在生產溫度控制系統的時候，主程序通常會優先操作單片機收集到的數據，然后以這些數據作為判斷的依據，進而幫助我們選擇需要的子程序。同時，這些被轉換的數據會被傳送到單片機。隨后，單片機就會以十秒一次的速度操控溫度信息，然后對這些信息進行實時處理。得到對比分析的結果以后，溫度控制系統就會自己做出調節。這樣一來，溫度控制系統的最主要的功能就可以達成了。我們可以從此溫度控制系統的構成部分看出，此設計最顯著的特點是其具有良好的開放性，這樣，在軟硬件的重新配置及功能擴展方面更加方便，與此同時，其應用系統也可靈活的進行構造。

3 結語

通過文中的分析，我們不難發現，單片機對于溫度控制系統的設計開發來說，應用價值巨大。那些傳統工業技術解決不了的難題，單片機技術都可以通過自身性能所發揮出來的優勢進行規避。在工業工程設計過程中引入類似于單片機技術這類的高效計算機技術，能夠為我國的工業工程發展提供重要推動力。

參考文獻

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