基于單片機的溫度控制系統設計研究

李鑫宇，肖 雪

（佳木斯大學 信息電子技術學院，黑龍江 佳木斯 154007）

0 引 言

溫度控制系統是一種廣泛應用于社會生活的控制系統。在工、農業生產領域，人們通常需要關注加熱爐、熱處理爐、鍋爐系統或動植物生長區域（農業）的溫度變化情況。單片機是溫度控制系統開發過程中常用的一種芯片。從單片機技術的研究現狀來看，ARM單片機、AT89S51單片機和AT89C51單片機等，已經開始在溫度控制系統的研發過程中得到應用。

1 單片機溫度控制系統的功能與工作原理

1.1 單片機溫度控制系統的主要功能

單片機是溫度控制系統中的核心元件，在工、農業生產領域的溫度控制工作中發揮著重要作用。分析單片機的功能發現，對溫度的檢測是基于單片機的溫度控制系統的主要功能[1]。在完成溫度檢測工作后，溫度控制系統可以借助一定的傳輸介質，將檢測信息傳送給監控人員。在系統設置階段，監控人員需要通過對溫度進行適時調整的方式，構建使用不同維度、難度控制系統的應用場所。在工業領域，這一措施可以為產品生產所需的溫度提供保障；在農業領域，這一技術可以有效促進農產品產量的提升。

1.2 單片機溫度控制系統的工作原理

溫度信息的獲取離不開傳感器發揮的作用。在將溫度信息轉變為電壓信號后，傳感器可以對電壓信號進行放大處理，以便使單片機將其控制于可處理范圍。在電壓型號進入單片機處理范圍后，單片機可以通過對與溫度有關的信號進行數字濾波處理的方式，完成溫度標度轉換，并展示溫度值信息。此時，系統也可以啟動分析實際檢測過程中獲得的溫度值與先前設定的溫度值的情況，進而實現導通時間與加熱功率的優化。在輸出控制量數值的基礎上，單片機溫度控制系統可以發揮出調節溫度變化的作用。單片機在溫度控制系統中可以對溫度值進行實時檢測，并對檢測結果進行控制。圖1為單片機溫度控制系統的整體設計。

圖1 單片機溫度控制系統的整體設計

2 溫度控制系統的溫度檢測方法分析

根據不同的分類標準，溫度檢測方法的分類具有一定的差異性。例如，從敏感元件與被測介質的接觸情況來看，溫度控制系統的溫度檢測方法可以分為接觸式監測方法和非接觸式檢測方法兩種。在溫度控制系統投入使用后，接觸式溫度檢測方法主要與以下幾方面因素有關：一是基于物體受熱體積膨脹性質的膨脹式溫度檢測儀表；二是基于熱電效應的熱電偶溫度檢測儀表。非接觸是溫度檢測方法建立在物體的熱輻射特性基礎上，與熱輻射特性和溫度之間的對應關系存在一定聯系。不同環境下，人們往往需要根據物質溫度的檢測結果，對實際場所的情況進行調整，并要在做好相關記錄的基礎上，為工作人員的查詢和使用提供方便。下面介紹幾種較為常用的溫度檢測方法。

2.1 半導體模擬溫度傳感器法

在實際生產生活中，半導體模擬溫度傳感器法具有實現溫度可視化的作用[2]。與之相關的半導體傳感器，可以借助一定方式，將測量的溫度信息轉化為電壓和電流，并借助測量溫度與電壓、電流之間的轉換，實現溫度的可視化。一般情況下，傳感器輸出的電壓與電流均與溫度之間存在線性關系，從而利用因素之間的線性關系實現溫度的可視化，也可以發揮出放大采樣信息的功能。

2.2 熱電偶法

相比于半導體模擬溫度傳感器測量法，熱電偶法的測量能力相對較弱。但是，在實際應用環節，熱電偶測量法在測量精度方面具有一定的優勢。除此以外，這一測量方式也存在測量過程復雜、測量工作持續時間長的問題。電路是熱電偶法應用過程中不可缺少的因素。外界不確定因素對電路的影響，往往會給測量結果帶來一定的誤差。

3 溫度控制系統的設計

3.1 單片機溫度控制系統的硬件電路開發

硬件電路在單片機溫度控制系統中發揮著重要作用。從單片機溫度控制系統的研究現狀來看，很多學者都提出以單片機為主機，將傳感變送器與多路開關等設備進行有效結合，并借助相關轉換器和調節閥等操作設備，對某些環境的溫度進行自動控制的措施。筆者認為，在借助上述措施對某一特定環境的溫度進行控制的基礎上，設計人員也可以從內外部環境的差異性入手，完善系統的實際功能，如系統中可以安裝鍵盤、報警電路和顯示電路等設備。

針對目前溫度控制系統中使用單片機的不足，一些研究者在AVR單片機的溫度控制系統中安裝了AT91RM9200微處理器。這一設備可以為溫度控制系統的通用性和實時性提供一定的保障。從這一控制系統的硬件電路建構情況來看，系統的硬件設計采用了ARM9高性能處理器，而基于嵌入式操作系統的應用程序設計，在這一系統的運行過程中發揮著重要作用。為了對系統的數據處理、通訊目標和存儲目標進行優化，設計人員可以在系統中拓展SDRAM，并借助可控硅PWM控制溫度，借助RS-232串口連接通訊PC機。此外，系統的Internet輸入需要具有支持1EEESO2.3標準的DM9161的能力。

3.2 單片機溫度控制系統的軟件開發與應用

單片機控制系統的操作軟件離不開語言的作用。根據一些學者的研究結果，C語言系統可以應用于這一系統的語言編程中。在軟件開發層面，主程序需要對各個模塊的功能進行明確劃分，并借助語言與各個模塊聯系。在利用一定程序對溫度進行監測的同時，在不同時段對溫度進行展示，這是這一系統主程序的主要功能。控制芯片對當前溫度值的測量，也可以被看作是溫度控制系統的主程序所發揮的功能。如果實際測量的溫度與預先設置于系統中的溫度存在一定偏差，系統可以借助不同措施進行調整。

此外，數據采集模塊和USB通道模塊也是單片機溫度控制系統中不可缺少的軟件形式。以前文所論述的AVR單片機控制系統為例，并假設數據采集模塊應用的微處理器為AT91PMM9200模擬器。在溫度控制系統的設計階段，相關人員需要對SPI模塊中的各個寄存器進行初始化處理，并要對SPI接收數據寄存器中的數據信息進行及時讀取。同時，要從現場情況入手，開展后續觀察分析工作。筆者認為，基于單片機溫度控制系統的USB通道可以采用以FATI6為核心的通道模塊應用方案。這一通道模塊具有的2G分區支持和容量為32 kB的分區簇，可以為文件系統中所采集的數據轉移提供保障，也可以借助計算機對上述過程進行統一管理。從工、農業生產的實際情況來看，Linux API功能函數控制是實現USB設備配置的有效方式。如果人們在溫度檢測系統的運行過程中需要獲取設備的數據傳輸通道，利用USB設備中包含的設備描述符，就可以對數據傳輸通道進行讀取和解析。除此以外，相關人員也需要充分關注文件名的作用，如文件存放的起始簇號、目錄項和文件扇區號等信息均與文件名之間存在著較為密切的聯系。圖2為單片機溫度控制系統的軟件系統程序流程圖。

圖2 溫度控制系統主程序流程

3.3 溫度檢測的開發與應用

在一些學者看來，熱電偶傳感器的應用是對溫度系統檢測技術的突破，筆者對這樣的觀點持肯定態度。作為傳感器的重要組成部分，熱電偶傳感器在精度方面具有一定優勢[3]。從實際生產生活來看，熱電偶傳感器也具有整體構造簡單、測量范圍廣的特點。但是，在溫度檢測環節，熱電偶傳感器也存在輸出的電壓信號相對薄弱、可識別的電壓范圍較窄的問題。因此，在熱電偶傳感器應用于溫度控制系統后，人們也需要對信號進行一定程度的調節處理。

4 結 論

基于單片機的溫度控制系統，對社會生產效率的提升有著積極的促進作用。在微觀層面，這一系統具有較為良好的應用前景。其中，硬件開發與軟件開發是溫度控制系統設計環節的重中之中。不同環境下，人們往往需要根據物質溫度的檢測結果，對實際場所的情況進行調整。在軟件開發層面，主程序需要對各個模塊的功能進行明確劃分，并借助語言與各個模塊進行聯系。此外，文件名的作用也是溫度控制系統工作開展過程中不可忽視的內容。

參考文獻：

[1] 陳 勇，許 亮，于海闊，等.基于單片機的溫度控制系統的設計[J].計算機測量與控制，2016，24（2）：77-79.

[2] 霍坤明.基于單片機的溫度控制系統設計[J].企業導報，2015，（6）：15，17.

[3] 方雙蓮，李小力.基于ARM單片機的溫度控制系統的設計與實現[J].無線互聯科技，2014，（5）：66.