基于單片機(jī)的溫度控制系統(tǒng)的探究

摘 要：隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人類對(duì)溫度的控制需求越來(lái)越高，實(shí)現(xiàn)手段也日益豐富。單片機(jī)溫控系統(tǒng)是當(dāng)前溫度控制領(lǐng)域的主流方案。文章圍繞單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)有關(guān)問(wèn)題進(jìn)行探討，簡(jiǎn)要介紹了單片機(jī)的基本概念和常見(jiàn)溫度控制方案。詳細(xì)闡述了如何單片機(jī)類型和確定系統(tǒng)框架的方法以及單片機(jī)溫控技術(shù)原理，重點(diǎn)討論了單片機(jī)溫控系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)；溫度傳感器；檢測(cè)與控制

引言

現(xiàn)代社會(huì)，無(wú)論是出于滿足人們生活質(zhì)量的需要，還是為了滿足生產(chǎn)過(guò)程中復(fù)雜工藝方面的需要，人們對(duì)于溫度控制的要求越來(lái)越高。溫度測(cè)量及控制技術(shù)廣泛應(yīng)用于社會(huì)生產(chǎn)、人們生活的許多方面。對(duì)監(jiān)測(cè)對(duì)象溫度進(jìn)行迅速、可靠、精準(zhǔn)的測(cè)量，并以此為基礎(chǔ)對(duì)其溫度進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整與控制，成為溫度測(cè)量、控制領(lǐng)域相關(guān)技術(shù)人員孜孜以求的攻關(guān)重點(diǎn)與難點(diǎn)。在實(shí)際工作中，單片機(jī)常常被用來(lái)作為溫度測(cè)控制的主要設(shè)備。相對(duì)于其他種類設(shè)備，單片機(jī)便于使用，操作靈活，具有較好的適應(yīng)性，技術(shù)性能優(yōu)異，能夠滿足溫控設(shè)備較高水平的技術(shù)要求，這些都有利于溫控產(chǎn)品的質(zhì)量和工作效率?；谏鲜鲈?，單片機(jī)在溫控設(shè)備市場(chǎng)中發(fā)展勢(shì)頭良好，前景廣闊。

1 單片機(jī)基本概念簡(jiǎn)介

所謂單片機(jī)，指的就是單片微型計(jì)算機(jī)。該種計(jì)算機(jī)整合了中央處理器（CPU）、隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（RAM）、只讀存儲(chǔ)器（ROM）、輸入輸出（I/O）接口和中斷系統(tǒng)等多個(gè)功能單元于一身，具有很強(qiáng)的數(shù)據(jù)分析處理功能，但本身占用的空間卻很小，輔以外加電源和晶振就能夠正常工作，廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)多個(gè)領(lǐng)域，并發(fā)揮出顯著的作用。單片機(jī)的出現(xiàn)，本質(zhì)上是計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)高度發(fā)展的成果之一。當(dāng)計(jì)算機(jī)的主要元件從晶體管發(fā)展到集成電路，集成電路集成度越來(lái)越高，伴隨這一過(guò)程，計(jì)算機(jī)的體積也就越來(lái)越小。當(dāng)大規(guī)模集成電路技術(shù)成熟后，單片機(jī)也就隨之出現(xiàn)。單片機(jī)具有體積小，功能強(qiáng)大、價(jià)格低廉的優(yōu)點(diǎn)，環(huán)境適應(yīng)性良好，工作能耗低，技術(shù)指標(biāo)和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)優(yōu)良，是現(xiàn)代工業(yè)領(lǐng)域重要的元器件，常用于生產(chǎn)控制環(huán)節(jié)，對(duì)于保障產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)安全，有著極為重要的作用。單片機(jī)溫控系統(tǒng)是當(dāng)前各國(guó)都在競(jìng)相研發(fā)的重要設(shè)備，是溫控設(shè)備領(lǐng)域的主要發(fā)展方向。

2 目前常見(jiàn)溫度控制技術(shù)

2.1 完全依賴于硬件平臺(tái)的閉環(huán)控制系統(tǒng)技術(shù)方案

這種控制方法最大的優(yōu)勢(shì)是反應(yīng)迅速，缺點(diǎn)是可靠性欠缺、控制精度不高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，使用、管理、維護(hù)難度大、成本高，適用范圍小。

2.2 FPGA/CPLD或采用帶有IP內(nèi)核的FPGA/CPLD技術(shù)方案

該技術(shù)以FPGA/CPLD技術(shù)作為溫度數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、顯示及A/D的手段，而人機(jī)交互功能和信號(hào)測(cè)量分析等功能則由IP核負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)。該技術(shù)具有結(jié)構(gòu)緊湊、數(shù)據(jù)處理性能強(qiáng)、使用簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，適合進(jìn)行過(guò)程復(fù)雜的測(cè)量與控制作業(yè)，但調(diào)試工作難度較大，經(jīng)濟(jì)性不好。

2.3 綜合使用單片機(jī)和高精度溫度傳感器的技術(shù)方案

該方案將人機(jī)交互、系統(tǒng)控制、數(shù)據(jù)分析處理功能交由單片機(jī)負(fù)責(zé)，溫度信號(hào)采集和轉(zhuǎn)換交由前端溫度傳感器負(fù)責(zé)。這種溫度測(cè)量控制方式有效避免了前兩個(gè)方案的缺陷和不足，是目前溫度控制技術(shù)的主流。

3 構(gòu)建單片機(jī)系統(tǒng)框架的方法

3.1 選擇單片機(jī)技術(shù)要點(diǎn)分析

單片機(jī)是單片機(jī)溫控系統(tǒng)中的核心元件，單片機(jī)選擇的好壞，直接關(guān)系到溫控系統(tǒng)整體的運(yùn)行質(zhì)量安全。在挑選單片機(jī)時(shí)，要優(yōu)先選擇內(nèi)存空間大、運(yùn)行速度快，通用性好，經(jīng)濟(jì)效益好的類型。下面以AT89S51作為主控芯片進(jìn)行討論。該芯片具有以下性能優(yōu)勢(shì)：

（1）指令集和芯片引腳和與Intel公司的8051具有良好的兼容性；（2）集成有4KB的可編程Flash程序存儲(chǔ)器和128字節(jié)的可隨機(jī)讀寫存儲(chǔ)器（RAM）；（3）時(shí)鐘頻率范圍從0到33兆赫；（4）輸入/輸出引腳32個(gè)，可實(shí)現(xiàn)編程，16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器2個(gè)，數(shù)據(jù)指針2個(gè)；（5）擁有高達(dá)6個(gè)的中斷源和2級(jí)優(yōu)先級(jí)；（6）全雙工串行通信接口技術(shù)性能優(yōu)異。

3.2 選擇傳感器技術(shù)要點(diǎn)分析

在傳感器的選擇上，文章選擇了DS18B20進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)采集工作，該型號(hào)傳感器是DALLAS半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的一線式數(shù)字溫度傳感器。DS18B20采用了新型技術(shù)，專為與微處理器相配合而設(shè)計(jì)，廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)、民生保障和軍事國(guó)防等領(lǐng)域的溫度測(cè)控設(shè)備及其它功能設(shè)備中。具有占用空間小，接口靈活，傳輸距離遠(yuǎn)、智能化的特點(diǎn)。

3.3 系統(tǒng)框架配置技術(shù)要點(diǎn)分析

溫控系統(tǒng)采用模塊設(shè)計(jì)，每個(gè)主要功能都對(duì)應(yīng)一個(gè)模塊，配置更為方便，靈活性更高，具體包括數(shù)據(jù)采集模塊，單片機(jī)控制模塊，顯示模塊，溫度設(shè)置模塊和驅(qū)動(dòng)電路5個(gè)部分。溫度數(shù)據(jù)經(jīng)由傳感器輸送到數(shù)據(jù)采集模塊，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)采集，然后在傳送到單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理，并在顯示模塊上將結(jié)果顯示出來(lái)，使用時(shí)可以通過(guò)設(shè)置模塊設(shè)置溫度，當(dāng)控制對(duì)象的溫度比預(yù)設(shè)溫度低時(shí)，單片機(jī)會(huì)想驅(qū)動(dòng)電路發(fā)出信號(hào)，啟動(dòng)加熱系統(tǒng)，同時(shí)報(bào)警鳴笛，溫度超過(guò)設(shè)定溫度時(shí)，加熱系統(tǒng)停止工作，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的控制。

4 單片機(jī)溫控系統(tǒng)的基本工作原理

單片機(jī)溫控系統(tǒng)使用傳感器作為溫度數(shù)據(jù)采集元件，溫度信號(hào)經(jīng)由傳感器轉(zhuǎn)為電壓信號(hào)在電路中傳播。電壓信號(hào)毫伏級(jí)逐步增強(qiáng)到可以滿足單片機(jī)工作需求的程度，然后經(jīng)由A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。使用專業(yè)軟件對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行采樣并傳送到主機(jī)。為避免數(shù)字信號(hào)中雜波的存在影響數(shù)據(jù)采集精確度，單片機(jī)在采用的過(guò)程中同步進(jìn)行濾波處理。與此同時(shí)，信號(hào)經(jīng)過(guò)數(shù)字濾波后轉(zhuǎn)換到相應(yīng)標(biāo)度，再通過(guò)IED屏對(duì)溫度指數(shù)進(jìn)行顯示。在這個(gè)過(guò)程中，還可以將采集到的溫度數(shù)據(jù)與預(yù)設(shè)溫度指標(biāo)相對(duì)比，通常采用PID控制算法確定設(shè)定值和實(shí)際值間的偏差大小，再以此確定并輸出控制量值，控制量值決定了加熱系統(tǒng)通導(dǎo)時(shí)間和加熱功率，以此實(shí)現(xiàn)將溫度控制在設(shè)定值附近波動(dòng)的目的。

5 單片機(jī)溫控系統(tǒng)開(kāi)發(fā)與應(yīng)用

單片機(jī)溫控系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用主要分為硬件平臺(tái)、配套軟件和傳感器三個(gè)方面。其中，硬件平臺(tái)是溫控系統(tǒng)功能得以實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)，主要組成包括單片機(jī)、傳感器和多路開(kāi)關(guān)機(jī)相應(yīng)附屬設(shè)備。為了更好的開(kāi)展工作，還可以根據(jù)實(shí)際需求，添加鍵盤、報(bào)警裝置和顯示電路等。軟件部分目前主要使用C語(yǔ)言編程。軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，主程序主要承擔(dān)溫度的實(shí)時(shí)顯示和讀取，并依照設(shè)計(jì)要求對(duì)子程序進(jìn)行調(diào)用，協(xié)調(diào)子程序完成數(shù)據(jù)對(duì)比，輸出控制值，等工作。第三個(gè)方面是傳感器的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用。溫控系統(tǒng)性能水平很大程度上取決于溫度傳感器的靈敏性和測(cè)量精度，高品質(zhì)的傳感器不僅測(cè)量范圍廣，而且反應(yīng)十分迅速，能夠?qū)y(cè)量對(duì)象的溫度變化及時(shí)反饋給溫控系統(tǒng)。目前主要使用熱電偶傳感器，做好熱電偶補(bǔ)償非常重要。

6 結(jié)束語(yǔ)

單片機(jī)溫控系統(tǒng)在當(dāng)前工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域應(yīng)用范圍十分廣泛，不僅溫度測(cè)量及時(shí)、準(zhǔn)確、精度高，而且可以根據(jù)預(yù)設(shè)的程序?qū)δ繕?biāo)溫度予以有效的控制，從而達(dá)到控制生產(chǎn)過(guò)程的目的。單片機(jī)溫控系統(tǒng)性能質(zhì)量高，成本投入少，性價(jià)比高，便于操作，使用靈活，具有很強(qiáng)的可擴(kuò)展性，應(yīng)用前景十分廣闊，市場(chǎng)潛力巨大。

參考文獻(xiàn)

[1]趙娜，趙剛.基于51單片機(jī)的溫度測(cè)量系統(tǒng)[J].微計(jì)算機(jī)信息，2007（6）：146-148.

[2]王忠飛，胥芳.MCS-51單片機(jī)原理及嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2007.

[3]夏曉南.基于單片機(jī)的溫箱溫度和濕度的控制[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2005（24）：117-118.