陳振偉
(1.安徽礦業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動(dòng)化與信息工程系,安徽淮北235000;2.淮北煤電技師學(xué)院自動(dòng)化與信息工程系,安徽淮北235000)
在我國(guó)科學(xué)技術(shù)與信息技術(shù)快速發(fā)展的過(guò)程中,溫度的測(cè)量與控制在各項(xiàng)技術(shù)發(fā)展中顯得越來(lái)越重要.在實(shí)際溫度控制與測(cè)量的過(guò)程中,實(shí)時(shí)采集溫度,同時(shí)保證溫度數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性,是目前溫度控制系統(tǒng)急需解決的問(wèn)題.在實(shí)際操作的過(guò)程中,應(yīng)用單機(jī)對(duì)溫度進(jìn)行控制與采集是一種較為常見(jiàn)的方法.將單機(jī)應(yīng)用于溫度采集與控制中,不僅僅是因?yàn)閱螜C(jī)方便控制,更重要的是在實(shí)際操作的過(guò)程中單機(jī)具有多項(xiàng)的優(yōu)點(diǎn),可以滿足溫度控制的各項(xiàng)要求.應(yīng)用單機(jī)對(duì)溫度進(jìn)行控制與測(cè)量,對(duì)傳輸數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性具有重要影響.由此可見(jiàn),在溫度系統(tǒng)控制中,單機(jī)能夠解決各種問(wèn)題,具有廣闊的應(yīng)用前景.
在科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域內(nèi),人們將微型計(jì)算機(jī)稱為單片機(jī).單片機(jī)在形體構(gòu)造中體積顯得比較小,但是其功能較為強(qiáng)大.在使用的過(guò)程中僅僅對(duì)單片機(jī)外加電源與晶振就能對(duì)數(shù)字進(jìn)行處理與控制.單片機(jī)這種強(qiáng)大的功能與其構(gòu)造有關(guān).單片機(jī)主要由CPU、I/O、ROM以及RAM眾多接口與中斷系統(tǒng)等多個(gè)部件構(gòu)成[1].因而在現(xiàn)代工業(yè)應(yīng)用中,單片機(jī)的應(yīng)用前景非常廣泛.隨著超大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展,單片微型計(jì)算機(jī)誕生并發(fā)展起來(lái).在改善勞動(dòng)條件與節(jié)約能源方面具有重大的貢獻(xiàn).在技術(shù)生產(chǎn)與設(shè)備故障方面,單片機(jī)可以獲取較好的技術(shù)指標(biāo)與經(jīng)濟(jì)效益.正是基于這些特點(diǎn),單片機(jī)在溫度系統(tǒng)控制中的應(yīng)用越來(lái)越受國(guó)內(nèi)外重視.
在溫度數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^(guò)程中,多種因素不僅影響了溫度數(shù)據(jù)的保存,還對(duì)溫度數(shù)據(jù)的真實(shí)性造成嚴(yán)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(shù)據(jù)傳輸?shù)恼鎸?shí)性.
這種系統(tǒng)在溫度控制系統(tǒng)中應(yīng)用得最為普遍.該系統(tǒng)雖然運(yùn)行速度較快,但是運(yùn)行的可靠性較低,數(shù)據(jù)控制的精度方面也存在一定問(wèn)題.同時(shí)該系統(tǒng)運(yùn)行的靈活性較小,線路較為復(fù)雜,在調(diào)試與安裝方面存在較大的不便.在溫度數(shù)據(jù)控制方面要想解決這些問(wèn)題難度較大.
該控制方法主要利用FPGA/CPLD對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集與存儲(chǔ),進(jìn)而將A/D功能顯示出來(lái).同時(shí)通過(guò)IP核實(shí)現(xiàn)人機(jī)互動(dòng)以及信號(hào)測(cè)量與分析等各項(xiàng)操作.在溫度控制系統(tǒng)中,這種控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)較為緊湊,通??梢詫?duì)復(fù)雜的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行控制,在實(shí)際操作方面較為簡(jiǎn)便,但是該控制系統(tǒng)由于較為復(fù)雜,成本有點(diǎn)高.
這種方法主要是利用單片機(jī)在完成人機(jī)界面的基礎(chǔ)上,對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制,同時(shí)將測(cè)量的信號(hào)進(jìn)行分析.該項(xiàng)操作主要是由前端傳感器對(duì)信號(hào)進(jìn)行采集與轉(zhuǎn)換.在實(shí)際應(yīng)用的過(guò)程中,這種控制方法不僅可以提高設(shè)備運(yùn)行的速度以及數(shù)據(jù)的精確度,同時(shí)成本不是很高.因此,在實(shí)際應(yīng)用中人們多采用單片機(jī)與溫度傳感器對(duì)溫度進(jìn)行控制.
將單片機(jī)應(yīng)用到溫度控制系統(tǒng)中,需要選擇合適的單片機(jī)型號(hào).同時(shí)還應(yīng)當(dāng)對(duì)單片機(jī)系統(tǒng)框架進(jìn)行必要的分析.
在整個(gè)溫度控制系統(tǒng)中,單片機(jī)型號(hào)的選擇具有重要的影響.需要滿足價(jià)格實(shí)惠、內(nèi)存較大、運(yùn)行速度快以及具有普遍通用性等要求.本文在單片機(jī)型號(hào)選擇方面主要采用的是以AT89S51作為主控芯片的單片機(jī).首先,該單片機(jī)的指令集與芯片引腳能夠與Intel公司生產(chǎn)的8051進(jìn)行兼容.其次,該型號(hào)單片機(jī)具有4KB片內(nèi)的可編程FLash程序存儲(chǔ)器,其中存儲(chǔ)器(RAM)中有128個(gè)字節(jié)可以隨機(jī)讀寫.并且在運(yùn)行頻率可以達(dá)到0-33MHZ.再次,該單片機(jī)內(nèi)含有32個(gè)可編程輸入與輸出引腳和2個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器以及2個(gè)數(shù)據(jù)指針.在數(shù)據(jù)內(nèi)部含有2級(jí)優(yōu)先級(jí)與6個(gè)中斷源.最后,該單片機(jī)具有相對(duì)先進(jìn)的全雙工串行通信接口.
本文論述的系統(tǒng)主要采用的是DALLAS半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的一線式數(shù)字溫度傳感器DS18B20進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)采集.DS18B20是一項(xiàng)全新的專門適合配置微處理器的智能溫度傳感器.該系統(tǒng)常見(jiàn)于工業(yè)、軍事以及民用等領(lǐng)域的溫度測(cè)量以及控制.該系統(tǒng)的體積雖然較為小巧,但是優(yōu)點(diǎn)明顯,應(yīng)用接口方便,可以進(jìn)行遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸,并且數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性較高.
本系統(tǒng)主要包括了數(shù)據(jù)采集模塊、驅(qū)動(dòng)電路模塊、溫度設(shè)置模塊、顯示模塊以及單片機(jī)控制模塊等幾部分.對(duì)溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)采集主要由數(shù)據(jù)采集模塊控制,將采集到的溫度數(shù)據(jù)傳輸?shù)絾纹瑱C(jī),單片機(jī)對(duì)該數(shù)據(jù)進(jìn)行處理之后再將其傳輸?shù)斤@示部分進(jìn)行顯示.系統(tǒng)中對(duì)溫度進(jìn)行預(yù)定主要由設(shè)置模塊來(lái)控制.在檢測(cè)到系統(tǒng)溫度低于設(shè)置的溫度時(shí),單片機(jī)就會(huì)自動(dòng)控制電路,啟動(dòng)電路進(jìn)行加熱,同時(shí)發(fā)出相應(yīng)的警報(bào)聲.在溫度超過(guò)設(shè)定的溫度時(shí)就會(huì)停止加熱.由此可見(jiàn),不同的組成部分對(duì)系統(tǒng)溫度的控制具有不同的作用.
在對(duì)溫度進(jìn)行測(cè)量之后,傳感器是測(cè)量值的主要載體.溫度數(shù)據(jù)途經(jīng)傳感器將相應(yīng)的信息放大到電路中[2].在此過(guò)程中,傳感器需要將接收到的毫伏級(jí)的電壓信號(hào),慢慢放大輸?shù)絾纹瑱C(jī)中,促使其能夠在可調(diào)控的范圍進(jìn)行自由處理.在此之后通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào).經(jīng)過(guò)相應(yīng)的軟件系統(tǒng)將數(shù)字信號(hào)傳輸?shù)街鳈C(jī)中.由于單片機(jī)在信號(hào)進(jìn)行采集的過(guò)程中,所測(cè)量的數(shù)據(jù)必須具備較高的準(zhǔn)確度.因此,為了提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度需要對(duì)采樣的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)組信號(hào)的過(guò)濾.經(jīng)過(guò)過(guò)濾的數(shù)字信號(hào)就會(huì)轉(zhuǎn)換成為相應(yīng)的標(biāo)度,進(jìn)而將溫度指數(shù)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(shè)定的溫度指標(biāo)進(jìn)行比較,隨后按照相應(yīng)的積分分離PLD控制算法將兩者之間的偏差計(jì)算出來(lái).通過(guò)計(jì)算就能夠獲得最終的控制值.依據(jù)輸出控制的數(shù)值確定導(dǎo)通的時(shí)間以及加熱的功率,進(jìn)而可以對(duì)溫度環(huán)境進(jìn)行有效的調(diào)節(jié).
在設(shè)計(jì)整個(gè)溫度控制系統(tǒng)的過(guò)程中,其最初的想法就是促使單片機(jī)對(duì)溫度進(jìn)行有效的檢測(cè)與精準(zhǔn)的控制.利用十進(jìn)制的數(shù)碼將實(shí)際的溫度值顯示出來(lái).但是,如果系統(tǒng)在控制溫度方面僅停留于此,還不能達(dá)到很好的效果,還需要在系統(tǒng)中提前將人工設(shè)置的溫度范圍輸入進(jìn)去,將溫度保持在人們?cè)O(shè)定的范圍內(nèi).如果實(shí)際溫度并沒(méi)有在設(shè)定的范圍內(nèi),系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)相應(yīng)的溫度調(diào)節(jié)功能.這樣可以保證在設(shè)定的溫度范圍內(nèi),保持溫度的穩(wěn)定性,實(shí)現(xiàn)控制溫度的目的.
在硬件系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的過(guò)程中,通常都會(huì)選擇單片微型計(jì)算機(jī)作為其主機(jī),隨后對(duì)該主機(jī)配以相應(yīng)的傳感器開(kāi)關(guān).通過(guò)多種設(shè)備的綜合應(yīng)用,進(jìn)而可以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的各項(xiàng)要求,實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的自動(dòng)控制.在此項(xiàng)開(kāi)發(fā)技術(shù)的過(guò)程中需要依據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際要求,將鍵盤和顯示器等相關(guān)的設(shè)備搭配在內(nèi).通過(guò)這種方法可以更好地完善系統(tǒng)功能.
首先是液晶顯示器的設(shè)計(jì).現(xiàn)代儀表的設(shè)計(jì)主要采用的是LED和LCD.LED在現(xiàn)實(shí)中不能將數(shù)字顯示出來(lái),LCD可以靈活地顯示數(shù)字與圖形和漢字.在科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展的過(guò)程中,LCD的使用成本逐漸降低.因而在高檔儀表設(shè)計(jì)中已經(jīng)開(kāi)始廣泛應(yīng)用LCD.但是由于LCD程序較為復(fù)雜,傳統(tǒng)的語(yǔ)言編寫很難修改[3].因此就選擇C51來(lái)處理相應(yīng)的程序,這樣對(duì)修改具有重要的幫助,可以達(dá)到多項(xiàng)數(shù)據(jù)共同應(yīng)用的要求.
其次是聲光報(bào)警設(shè)計(jì).報(bào)警模塊的設(shè)計(jì)會(huì)使用2個(gè)LED器件單片機(jī)的I/O,可以直接驅(qū)動(dòng)LED.LED不僅壽命較長(zhǎng),同時(shí)功效較低,比較適合報(bào)警器件.如果系統(tǒng)需要相對(duì)較大功率的報(bào)警器件,可以設(shè)計(jì)繼電器對(duì)白熾燈進(jìn)行控制.
再次是串口通信的設(shè)計(jì).系統(tǒng)的控制人員要保障系統(tǒng)通信,PC機(jī)可以控制子程序,將相關(guān)的數(shù)據(jù)傳輸給通信程序,通信程序按照數(shù)據(jù)的組合發(fā)送到各個(gè)區(qū)域.
最后就是雙路操作切換的設(shè)計(jì).雙路選擇通常有兩個(gè)用途,與系統(tǒng)通路和控制溫度的范圍.通過(guò)此兩項(xiàng)功能,可以穩(wěn)定電壓.
系統(tǒng)在應(yīng)用軟件的過(guò)程中,主要采用的是C語(yǔ)言.C語(yǔ)言可以實(shí)現(xiàn)單片機(jī)的各項(xiàng)功能.單片機(jī)的主程序?qū)δK進(jìn)行初始化操作,隨后將讀取的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,將處理好的溫度數(shù)據(jù)傳輸?shù)斤@示器和鍵盤上.在此程序操作的過(guò)程中主要采用循環(huán)查詢方式控制和顯示溫度.而單片機(jī)的主程序主要負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)顯示溫度,并讀出數(shù)據(jù),處理AT89S51測(cè)量系統(tǒng)的當(dāng)前溫度,并將溫度調(diào)用到各個(gè)程序中.在此項(xiàng)操作之后,熱電偶測(cè)量的溫度值就會(huì)將模塊式的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為電路數(shù)字,經(jīng)過(guò)P11∶3將數(shù)據(jù)傳送到單片機(jī)中.這樣的數(shù)據(jù)通常都會(huì)在10秒的間隔,在此過(guò)程中時(shí)間自動(dòng)中斷,系統(tǒng)就會(huì)發(fā)揮出其應(yīng)有的作用,將實(shí)際采集到的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行集中,并將其與之前已經(jīng)設(shè)定好的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行比較,控制系統(tǒng)依據(jù)比較結(jié)果進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié).實(shí)際的測(cè)量數(shù)值與設(shè)定的數(shù)據(jù)之間有一定差值的情況下,自動(dòng)執(zhí)行控制系統(tǒng)就會(huì)生效,或者可以通過(guò)相應(yīng)的指令來(lái)修正這兩者之間的差距.當(dāng)然,如果實(shí)際測(cè)量數(shù)值與設(shè)定的數(shù)值之間不存在差距,那么系統(tǒng)就會(huì)按照原先設(shè)定好的溫度值開(kāi)啟系統(tǒng)的恢復(fù)功能.由此可見(jiàn),軟件的開(kāi)發(fā)與實(shí)現(xiàn)需要依據(jù)設(shè)定值進(jìn)行.
熱電偶傳感器是系統(tǒng)中經(jīng)常用到的傳感器.系統(tǒng)中所使用的熱偶傳感器價(jià)格低廉,精確度較高,相較于其他的傳感器,結(jié)構(gòu)雖然較為簡(jiǎn)單,但是測(cè)量的范圍非常廣泛,并且在應(yīng)用中具有速度較快的優(yōu)勢(shì).目前,在實(shí)際應(yīng)用中的熱偶傳感器電壓信號(hào)普遍較弱.在實(shí)際應(yīng)用中只能識(shí)別幾毫伏到幾十毫伏之間的電壓.因而在AID轉(zhuǎn)換的過(guò)程中,必須對(duì)信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的處理,隨后使用放大倍數(shù)的電路在AID轉(zhuǎn)換器中實(shí)現(xiàn).通常情況下,將熱偶傳感器應(yīng)用在系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)溫度控制,操作較為簡(jiǎn)單,途徑較為便捷[4].但是,另外有一個(gè)值得人們思考的問(wèn)題:在使用熱偶傳感器的過(guò)程中需要采用冷端補(bǔ)償?shù)姆椒?即在熱偶傳感器溫度較低的時(shí)候,熱偶傳感器就會(huì)將輸出的電勢(shì)偏離冷端溫度較低的溫度數(shù)值.因而,在此種情況下,必須采用冷端補(bǔ)償?shù)姆椒▉?lái)糾正此項(xiàng)操作中溫度較低的問(wèn)題,進(jìn)而保證所提供的溫度保持不變.
在工業(yè)溫度控制系統(tǒng)中,單片機(jī)具有重要的影響.其不僅可以對(duì)溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)控制與精度的測(cè)量,還能夠通過(guò)提前設(shè)定的方法對(duì)溫度進(jìn)行調(diào)節(jié),應(yīng)用前景較為廣闊.
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長(zhǎng)沙大學(xué)學(xué)報(bào)2015年2期