溫度控制系統(tǒng)中的單片機討論

魏敏

摘 要 溫度是日常工作和生活中一個重要物理屬性，溫度控制在各行業(yè)中具有重要的作用。隨著經(jīng)濟水平的逐漸提高，社會中愈來愈多的生活細節(jié)和生產(chǎn)工藝對溫度的控制的準確性要求提高，由此應運而生了各種自動化和智能化控溫系統(tǒng)，其主要核心就是單片機。

關鍵詞 溫控系統(tǒng)；單片機；應用

中圖分類號：TP27 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）13-0061-01

1 單片機簡介

單片機，又稱微控制器，指一套完整的計算機系統(tǒng)集成在一個芯片上，主要包含有CPU、內(nèi)存、大部分具有外存、內(nèi)部和外部總線系統(tǒng)。單片機因其具有集成密度高、通用性能優(yōu)、功能性強等特性，以及外型體積小、單位重量低、能量損耗少、準確性高、抗外界干擾能力強和便攜式使用等優(yōu)異特點，被廣泛用于智能控溫系統(tǒng)的核心組件。

單片機最早產(chǎn)生于工業(yè)化控制行業(yè)，由僅含CPU的芯片作為專業(yè)處理器發(fā)展而來的。早期單片機基本是4位和8位的，發(fā)展最為成功的是INTEL和8031，后期8031發(fā)展為MCS51系列單片機系統(tǒng)，因其具有簡易、準確性高和優(yōu)越性能等特點，一直被沿用至今。隨科技不斷進步和工業(yè)化大發(fā)展，16位單片機應運而生，但由于性價低，后快速被32位單片機替代。當今，單片機系統(tǒng)的開發(fā)和應用不再局限于裸機領域，而是作為嵌入式設備應用到操作系統(tǒng)中。單片機在電子產(chǎn)品中的應用愈來愈廣泛，特別是溫度檢測和控制領域。

2 單片機基本結構

單片機的基本組成有中央處理器（CPU，包括運算器和控制器）、只讀存儲器（ROM）、讀寫存儲器（RAM，又稱隨機存儲器）、輸入/輸出端口（I/O口，或并行口/串行口）等組成[1]。為使單片機能夠有節(jié)奏的進行運算和控制時，單片機內(nèi)常常包含一個時鐘電路。此外，當單片機控制對象參數(shù)到達一個需要加以干預的狀態(tài)時，其內(nèi)部含有的“中斷系統(tǒng)”指導著CPU根據(jù)具體情況而采取適當?shù)膽獙Υ胧纹瑱C的各組成結構通過其內(nèi)部一條總線相互連接。

單片機的中央處理器作為單片機的核心部分，主要作用是用于數(shù)據(jù)的運算和操作控制。其包含的運算器作用是實現(xiàn)邏輯運算、位操作以及算術計算；控制器的作用是對指令進行識別，后依據(jù)指令協(xié)調(diào)計算機內(nèi)部各組成單元相互工作。

儲存器是單片機另外一個重要組成部分，存儲器內(nèi)每個儲存單元可容納一個八位二進制信息，一般使用兩位16進制數(shù)來表示。儲存器包含程序儲存器、數(shù)據(jù)儲存器和特殊功能寄存器三種。程序儲存器一般指在單片機處理問題前，將預先編好的程序、表格、常數(shù)等編為機器代碼后存入的儲存器，其可置于單片機內(nèi)或外，還可內(nèi)外兼置；數(shù)據(jù)儲存器一般由讀寫儲存器RAM構成，主要用于實時數(shù)據(jù)的存儲，容量最大為64K；特殊功能寄存器，其地址范圍一般在80H-FFH間，主要包含兩種，一種與芯片的引腳相關，另一種用于控制單片機功能。

3 單片機在溫控系統(tǒng)中的應用

下面以“貯液容器溫度控制系統(tǒng)”為研究對象，簡述單片機溫度系統(tǒng)設計要求和實現(xiàn)方案。其運行機理：溫度傳感器將現(xiàn)場實際溫度進行采樣記錄，后轉(zhuǎn)換為電壓信號，再經(jīng)過低通濾波設備將干擾信號過濾，送至放大器中，信號經(jīng)放大器放大后再通過模/數(shù)轉(zhuǎn)換器變換為數(shù)字信號，后送至單片機中，最后單片機依據(jù)設定的溫控范圍通過繼電器控制升溫設備來控制溫度。

本系統(tǒng)中，貯液的容器溫度作為被控參數(shù)，蒸汽的流量作為控制參數(shù)，降溫冷物料初溫作為前饋控制，組成前饋-反饋控制系統(tǒng)，將干擾信息排除。溫控系統(tǒng)的硬件組成主要有以單片機AT89C51作為主機，另配置有多路開關、D/A轉(zhuǎn)換器、A/D轉(zhuǎn)換器、V/I轉(zhuǎn)換器、傳感變送器兩路以達到貯液容器溫度自控目的。此外，還有輔助配件如鍵盤、電路顯示板和報警電路，保證系統(tǒng)穩(wěn)定時，貯液容器溫度在工藝要求范圍內(nèi)恒定。

1）前向通道設計。溫度傳感器（JUMU90型號，見下表）接收到CONV ERT有效命令后，寄存器從最高位順次開始經(jīng)電流輸出的DAC在比較強上與模擬量經(jīng)5KΩ電阻所產(chǎn)生的電流進行比較。所有位檢測完成后，SAP中包含轉(zhuǎn)換后的10位二進制碼。轉(zhuǎn)換完成后，SAP發(fā)出DR信號，單片機查詢到DR=0時，便使其打開三態(tài)緩沖器輸出數(shù)據(jù)。

JUMU90系列溫度傳感器性能指標

輸出范圍/℃ 0-500

輸出電流/mA 4-20

精確度/% 0.5

A/D轉(zhuǎn)換芯片型號[2] AD571

2）后向通道設計。本系統(tǒng)選用10位的D/A轉(zhuǎn)化器DA1020，以達到系統(tǒng)精確性要求。使用I/O口與AT89C51單片機相連接，這是由于D/A轉(zhuǎn)化器DA1020內(nèi)部無鎖存器。AT89C51單片機的字長為8位的，因此每次操作僅能傳輸8位數(shù)據(jù)。可見，AT89C51單片機須連續(xù)進行兩次操作才能完成一個完整的10位數(shù)據(jù)，再傳輸?shù)紸C1020中，并且其傳輸方式采用雙緩沖器方式，以免傳輸過程中輸出電壓有毛刺現(xiàn)象。

3）執(zhí)行器及調(diào)理電路的設計。本系統(tǒng)中調(diào)節(jié)閥的型號有：ZMAN 16BG型和ZGICr18Ni9Ti型，其具有對數(shù)流量特點。由于調(diào)節(jié)閥輸入信號為氣信號，而D/A轉(zhuǎn)化器輸出信號為電壓信號，因此在二者之間需加入V/I轉(zhuǎn)換器和一個電氣閥門定位器，其工作機理為先將0-5 V的電壓信號轉(zhuǎn)換為4-20 mA的電流信號，再將4-20 mA的電流信號轉(zhuǎn)換為0.02-0.04 Mpa的氣信號，從而使調(diào)節(jié)閥接收到氣信號后開始工作。

4 總結

本文主要介紹了單片機的發(fā)展史、結構組成以及以“貯液容器溫度控制系統(tǒng)”為例介紹了單片機在該系統(tǒng)中的應用。隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，科技水平的不斷進步，各行業(yè)領域?qū)囟瓤刂频囊筇岣?，溫度的監(jiān)控要求也相應提高，因此，溫度控制器的應用領域?qū)⒂鷣碛鷱V泛，基于單片機的溫度控制器的開發(fā)和應用也會越來越寬廣。

參考文獻

[1]李光弟.單片機基礎[M].北京：北京航空航天大學出版社，1994.

[2]萬光毅，嚴義，邢春香.單片機實驗與實踐教程[M].北京：北京航空航天大學出版社，2006.endprint

摘 要 溫度是日常工作和生活中一個重要物理屬性，溫度控制在各行業(yè)中具有重要的作用。隨著經(jīng)濟水平的逐漸提高，社會中愈來愈多的生活細節(jié)和生產(chǎn)工藝對溫度的控制的準確性要求提高，由此應運而生了各種自動化和智能化控溫系統(tǒng)，其主要核心就是單片機。

關鍵詞 溫控系統(tǒng)；單片機；應用

中圖分類號：TP27 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）13-0061-01

1 單片機簡介

單片機，又稱微控制器，指一套完整的計算機系統(tǒng)集成在一個芯片上，主要包含有CPU、內(nèi)存、大部分具有外存、內(nèi)部和外部總線系統(tǒng)。單片機因其具有集成密度高、通用性能優(yōu)、功能性強等特性，以及外型體積小、單位重量低、能量損耗少、準確性高、抗外界干擾能力強和便攜式使用等優(yōu)異特點，被廣泛用于智能控溫系統(tǒng)的核心組件。

單片機最早產(chǎn)生于工業(yè)化控制行業(yè)，由僅含CPU的芯片作為專業(yè)處理器發(fā)展而來的。早期單片機基本是4位和8位的，發(fā)展最為成功的是INTEL和8031，后期8031發(fā)展為MCS51系列單片機系統(tǒng)，因其具有簡易、準確性高和優(yōu)越性能等特點，一直被沿用至今。隨科技不斷進步和工業(yè)化大發(fā)展，16位單片機應運而生，但由于性價低，后快速被32位單片機替代。當今，單片機系統(tǒng)的開發(fā)和應用不再局限于裸機領域，而是作為嵌入式設備應用到操作系統(tǒng)中。單片機在電子產(chǎn)品中的應用愈來愈廣泛，特別是溫度檢測和控制領域。

2 單片機基本結構

單片機的基本組成有中央處理器（CPU，包括運算器和控制器）、只讀存儲器（ROM）、讀寫存儲器（RAM，又稱隨機存儲器）、輸入/輸出端口（I/O口，或并行口/串行口）等組成[1]。為使單片機能夠有節(jié)奏的進行運算和控制時，單片機內(nèi)常常包含一個時鐘電路。此外，當單片機控制對象參數(shù)到達一個需要加以干預的狀態(tài)時，其內(nèi)部含有的“中斷系統(tǒng)”指導著CPU根據(jù)具體情況而采取適當?shù)膽獙Υ胧?。單片機的各組成結構通過其內(nèi)部一條總線相互連接。

單片機的中央處理器作為單片機的核心部分，主要作用是用于數(shù)據(jù)的運算和操作控制。其包含的運算器作用是實現(xiàn)邏輯運算、位操作以及算術計算；控制器的作用是對指令進行識別，后依據(jù)指令協(xié)調(diào)計算機內(nèi)部各組成單元相互工作。

儲存器是單片機另外一個重要組成部分，存儲器內(nèi)每個儲存單元可容納一個八位二進制信息，一般使用兩位16進制數(shù)來表示。儲存器包含程序儲存器、數(shù)據(jù)儲存器和特殊功能寄存器三種。程序儲存器一般指在單片機處理問題前，將預先編好的程序、表格、常數(shù)等編為機器代碼后存入的儲存器，其可置于單片機內(nèi)或外，還可內(nèi)外兼置；數(shù)據(jù)儲存器一般由讀寫儲存器RAM構成，主要用于實時數(shù)據(jù)的存儲，容量最大為64K；特殊功能寄存器，其地址范圍一般在80H-FFH間，主要包含兩種，一種與芯片的引腳相關，另一種用于控制單片機功能。

3 單片機在溫控系統(tǒng)中的應用

下面以“貯液容器溫度控制系統(tǒng)”為研究對象，簡述單片機溫度系統(tǒng)設計要求和實現(xiàn)方案。其運行機理：溫度傳感器將現(xiàn)場實際溫度進行采樣記錄，后轉(zhuǎn)換為電壓信號，再經(jīng)過低通濾波設備將干擾信號過濾，送至放大器中，信號經(jīng)放大器放大后再通過模/數(shù)轉(zhuǎn)換器變換為數(shù)字信號，后送至單片機中，最后單片機依據(jù)設定的溫控范圍通過繼電器控制升溫設備來控制溫度。

本系統(tǒng)中，貯液的容器溫度作為被控參數(shù)，蒸汽的流量作為控制參數(shù)，降溫冷物料初溫作為前饋控制，組成前饋-反饋控制系統(tǒng)，將干擾信息排除。溫控系統(tǒng)的硬件組成主要有以單片機AT89C51作為主機，另配置有多路開關、D/A轉(zhuǎn)換器、A/D轉(zhuǎn)換器、V/I轉(zhuǎn)換器、傳感變送器兩路以達到貯液容器溫度自控目的。此外，還有輔助配件如鍵盤、電路顯示板和報警電路，保證系統(tǒng)穩(wěn)定時，貯液容器溫度在工藝要求范圍內(nèi)恒定。

1）前向通道設計。溫度傳感器（JUMU90型號，見下表）接收到CONV ERT有效命令后，寄存器從最高位順次開始經(jīng)電流輸出的DAC在比較強上與模擬量經(jīng)5KΩ電阻所產(chǎn)生的電流進行比較。所有位檢測完成后，SAP中包含轉(zhuǎn)換后的10位二進制碼。轉(zhuǎn)換完成后，SAP發(fā)出DR信號，單片機查詢到DR=0時，便使其打開三態(tài)緩沖器輸出數(shù)據(jù)。

JUMU90系列溫度傳感器性能指標

輸出范圍/℃ 0-500

輸出電流/mA 4-20

精確度/% 0.5

A/D轉(zhuǎn)換芯片型號[2] AD571

2）后向通道設計。本系統(tǒng)選用10位的D/A轉(zhuǎn)化器DA1020，以達到系統(tǒng)精確性要求。使用I/O口與AT89C51單片機相連接，這是由于D/A轉(zhuǎn)化器DA1020內(nèi)部無鎖存器。AT89C51單片機的字長為8位的，因此每次操作僅能傳輸8位數(shù)據(jù)?？梢?，AT89C51單片機須連續(xù)進行兩次操作才能完成一個完整的10位數(shù)據(jù)，再傳輸?shù)紸C1020中，并且其傳輸方式采用雙緩沖器方式，以免傳輸過程中輸出電壓有毛刺現(xiàn)象。

3）執(zhí)行器及調(diào)理電路的設計。本系統(tǒng)中調(diào)節(jié)閥的型號有：ZMAN 16BG型和ZGICr18Ni9Ti型，其具有對數(shù)流量特點。由于調(diào)節(jié)閥輸入信號為氣信號，而D/A轉(zhuǎn)化器輸出信號為電壓信號，因此在二者之間需加入V/I轉(zhuǎn)換器和一個電氣閥門定位器，其工作機理為先將0-5 V的電壓信號轉(zhuǎn)換為4-20 mA的電流信號，再將4-20 mA的電流信號轉(zhuǎn)換為0.02-0.04 Mpa的氣信號，從而使調(diào)節(jié)閥接收到氣信號后開始工作。

4 總結

本文主要介紹了單片機的發(fā)展史、結構組成以及以“貯液容器溫度控制系統(tǒng)”為例介紹了單片機在該系統(tǒng)中的應用。隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，科技水平的不斷進步，各行業(yè)領域?qū)囟瓤刂频囊筇岣撸瑴囟鹊谋O(jiān)控要求也相應提高，因此，溫度控制器的應用領域?qū)⒂鷣碛鷱V泛，基于單片機的溫度控制器的開發(fā)和應用也會越來越寬廣。

參考文獻

[1]李光弟.單片機基礎[M].北京：北京航空航天大學出版社，1994.

[2]萬光毅，嚴義，邢春香.單片機實驗與實踐教程[M].北京：北京航空航天大學出版社，2006.endprint

摘 要 溫度是日常工作和生活中一個重要物理屬性，溫度控制在各行業(yè)中具有重要的作用。隨著經(jīng)濟水平的逐漸提高，社會中愈來愈多的生活細節(jié)和生產(chǎn)工藝對溫度的控制的準確性要求提高，由此應運而生了各種自動化和智能化控溫系統(tǒng)，其主要核心就是單片機。

關鍵詞 溫控系統(tǒng)；單片機；應用

中圖分類號：TP27 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）13-0061-01

1 單片機簡介

單片機，又稱微控制器，指一套完整的計算機系統(tǒng)集成在一個芯片上，主要包含有CPU、內(nèi)存、大部分具有外存、內(nèi)部和外部總線系統(tǒng)。單片機因其具有集成密度高、通用性能優(yōu)、功能性強等特性，以及外型體積小、單位重量低、能量損耗少、準確性高、抗外界干擾能力強和便攜式使用等優(yōu)異特點，被廣泛用于智能控溫系統(tǒng)的核心組件。

單片機最早產(chǎn)生于工業(yè)化控制行業(yè)，由僅含CPU的芯片作為專業(yè)處理器發(fā)展而來的。早期單片機基本是4位和8位的，發(fā)展最為成功的是INTEL和8031，后期8031發(fā)展為MCS51系列單片機系統(tǒng)，因其具有簡易、準確性高和優(yōu)越性能等特點，一直被沿用至今。隨科技不斷進步和工業(yè)化大發(fā)展，16位單片機應運而生，但由于性價低，后快速被32位單片機替代。當今，單片機系統(tǒng)的開發(fā)和應用不再局限于裸機領域，而是作為嵌入式設備應用到操作系統(tǒng)中。單片機在電子產(chǎn)品中的應用愈來愈廣泛，特別是溫度檢測和控制領域。

2 單片機基本結構

單片機的基本組成有中央處理器（CPU，包括運算器和控制器）、只讀存儲器（ROM）、讀寫存儲器（RAM，又稱隨機存儲器）、輸入/輸出端口（I/O口，或并行口/串行口）等組成[1]。為使單片機能夠有節(jié)奏的進行運算和控制時，單片機內(nèi)常常包含一個時鐘電路。此外，當單片機控制對象參數(shù)到達一個需要加以干預的狀態(tài)時，其內(nèi)部含有的“中斷系統(tǒng)”指導著CPU根據(jù)具體情況而采取適當?shù)膽獙Υ胧纹瑱C的各組成結構通過其內(nèi)部一條總線相互連接。

單片機的中央處理器作為單片機的核心部分，主要作用是用于數(shù)據(jù)的運算和操作控制。其包含的運算器作用是實現(xiàn)邏輯運算、位操作以及算術計算；控制器的作用是對指令進行識別，后依據(jù)指令協(xié)調(diào)計算機內(nèi)部各組成單元相互工作。

儲存器是單片機另外一個重要組成部分，存儲器內(nèi)每個儲存單元可容納一個八位二進制信息，一般使用兩位16進制數(shù)來表示。儲存器包含程序儲存器、數(shù)據(jù)儲存器和特殊功能寄存器三種。程序儲存器一般指在單片機處理問題前，將預先編好的程序、表格、常數(shù)等編為機器代碼后存入的儲存器，其可置于單片機內(nèi)或外，還可內(nèi)外兼置；數(shù)據(jù)儲存器一般由讀寫儲存器RAM構成，主要用于實時數(shù)據(jù)的存儲，容量最大為64K；特殊功能寄存器，其地址范圍一般在80H-FFH間，主要包含兩種，一種與芯片的引腳相關，另一種用于控制單片機功能。

3 單片機在溫控系統(tǒng)中的應用

下面以“貯液容器溫度控制系統(tǒng)”為研究對象，簡述單片機溫度系統(tǒng)設計要求和實現(xiàn)方案。其運行機理：溫度傳感器將現(xiàn)場實際溫度進行采樣記錄，后轉(zhuǎn)換為電壓信號，再經(jīng)過低通濾波設備將干擾信號過濾，送至放大器中，信號經(jīng)放大器放大后再通過模/數(shù)轉(zhuǎn)換器變換為數(shù)字信號，后送至單片機中，最后單片機依據(jù)設定的溫控范圍通過繼電器控制升溫設備來控制溫度。

本系統(tǒng)中，貯液的容器溫度作為被控參數(shù)，蒸汽的流量作為控制參數(shù)，降溫冷物料初溫作為前饋控制，組成前饋-反饋控制系統(tǒng)，將干擾信息排除。溫控系統(tǒng)的硬件組成主要有以單片機AT89C51作為主機，另配置有多路開關、D/A轉(zhuǎn)換器、A/D轉(zhuǎn)換器、V/I轉(zhuǎn)換器、傳感變送器兩路以達到貯液容器溫度自控目的。此外，還有輔助配件如鍵盤、電路顯示板和報警電路，保證系統(tǒng)穩(wěn)定時，貯液容器溫度在工藝要求范圍內(nèi)恒定。

1）前向通道設計。溫度傳感器（JUMU90型號，見下表）接收到CONV ERT有效命令后，寄存器從最高位順次開始經(jīng)電流輸出的DAC在比較強上與模擬量經(jīng)5KΩ電阻所產(chǎn)生的電流進行比較。所有位檢測完成后，SAP中包含轉(zhuǎn)換后的10位二進制碼。轉(zhuǎn)換完成后，SAP發(fā)出DR信號，單片機查詢到DR=0時，便使其打開三態(tài)緩沖器輸出數(shù)據(jù)。

JUMU90系列溫度傳感器性能指標

輸出范圍/℃ 0-500

輸出電流/mA 4-20

精確度/% 0.5

A/D轉(zhuǎn)換芯片型號[2] AD571

2）后向通道設計。本系統(tǒng)選用10位的D/A轉(zhuǎn)化器DA1020，以達到系統(tǒng)精確性要求。使用I/O口與AT89C51單片機相連接，這是由于D/A轉(zhuǎn)化器DA1020內(nèi)部無鎖存器。AT89C51單片機的字長為8位的，因此每次操作僅能傳輸8位數(shù)據(jù)。可見，AT89C51單片機須連續(xù)進行兩次操作才能完成一個完整的10位數(shù)據(jù)，再傳輸?shù)紸C1020中，并且其傳輸方式采用雙緩沖器方式，以免傳輸過程中輸出電壓有毛刺現(xiàn)象。

3）執(zhí)行器及調(diào)理電路的設計。本系統(tǒng)中調(diào)節(jié)閥的型號有：ZMAN 16BG型和ZGICr18Ni9Ti型，其具有對數(shù)流量特點。由于調(diào)節(jié)閥輸入信號為氣信號，而D/A轉(zhuǎn)化器輸出信號為電壓信號，因此在二者之間需加入V/I轉(zhuǎn)換器和一個電氣閥門定位器，其工作機理為先將0-5 V的電壓信號轉(zhuǎn)換為4-20 mA的電流信號，再將4-20 mA的電流信號轉(zhuǎn)換為0.02-0.04 Mpa的氣信號，從而使調(diào)節(jié)閥接收到氣信號后開始工作。

4 總結

本文主要介紹了單片機的發(fā)展史、結構組成以及以“貯液容器溫度控制系統(tǒng)”為例介紹了單片機在該系統(tǒng)中的應用。隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，科技水平的不斷進步，各行業(yè)領域?qū)囟瓤刂频囊筇岣?，溫度的監(jiān)控要求也相應提高，因此，溫度控制器的應用領域?qū)⒂鷣碛鷱V泛，基于單片機的溫度控制器的開發(fā)和應用也會越來越寬廣。

參考文獻

[1]李光弟.單片機基礎[M].北京：北京航空航天大學出版社，1994.

[2]萬光毅，嚴義，邢春香.單片機實驗與實踐教程[M].北京：北京航空航天大學出版社，2006.endprint