基于單片機(jī)的溫度控制系統(tǒng)設(shè)計研究

李鑫宇，肖 雪

（佳木斯大學(xué) 信息電子技術(shù)學(xué)院，黑龍江 佳木斯 154007）

0 引 言

溫度控制系統(tǒng)是一種廣泛應(yīng)用于社會生活的控制系統(tǒng)。在工、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，人們通常需要關(guān)注加熱爐、熱處理爐、鍋爐系統(tǒng)或動植物生長區(qū)域（農(nóng)業(yè)）的溫度變化情況。單片機(jī)是溫度控制系統(tǒng)開發(fā)過程中常用的一種芯片。從單片機(jī)技術(shù)的研究現(xiàn)狀來看，ARM單片機(jī)、AT89S51單片機(jī)和AT89C51單片機(jī)等，已經(jīng)開始在溫度控制系統(tǒng)的研發(fā)過程中得到應(yīng)用。

1 單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)的功能與工作原理

1.1 單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)的主要功能

單片機(jī)是溫度控制系統(tǒng)中的核心元件，在工、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的溫度控制工作中發(fā)揮著重要作用。分析單片機(jī)的功能發(fā)現(xiàn)，對溫度的檢測是基于單片機(jī)的溫度控制系統(tǒng)的主要功能[1]。在完成溫度檢測工作后，溫度控制系統(tǒng)可以借助一定的傳輸介質(zhì)，將檢測信息傳送給監(jiān)控人員。在系統(tǒng)設(shè)置階段，監(jiān)控人員需要通過對溫度進(jìn)行適時調(diào)整的方式，構(gòu)建使用不同維度、難度控制系統(tǒng)的應(yīng)用場所。在工業(yè)領(lǐng)域，這一措施可以為產(chǎn)品生產(chǎn)所需的溫度提供保障；在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，這一技術(shù)可以有效促進(jìn)農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量的提升。

1.2 單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)的工作原理

溫度信息的獲取離不開傳感器發(fā)揮的作用。在將溫度信息轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘柡?，傳感器可以對電壓信號進(jìn)行放大處理，以便使單片機(jī)將其控制于可處理范圍。在電壓型號進(jìn)入單片機(jī)處理范圍后，單片機(jī)可以通過對與溫度有關(guān)的信號進(jìn)行數(shù)字濾波處理的方式，完成溫度標(biāo)度轉(zhuǎn)換，并展示溫度值信息。此時，系統(tǒng)也可以啟動分析實(shí)際檢測過程中獲得的溫度值與先前設(shè)定的溫度值的情況，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通時間與加熱功率的優(yōu)化。在輸出控制量數(shù)值的基礎(chǔ)上，單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)可以發(fā)揮出調(diào)節(jié)溫度變化的作用。單片機(jī)在溫度控制系統(tǒng)中可以對溫度值進(jìn)行實(shí)時檢測，并對檢測結(jié)果進(jìn)行控制。圖1為單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)的整體設(shè)計。

圖1 單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)的整體設(shè)計

2 溫度控制系統(tǒng)的溫度檢測方法分析

根據(jù)不同的分類標(biāo)準(zhǔn)，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(zhì)的接觸情況來看，溫度控制系統(tǒng)的溫度檢測方法可以分為接觸式監(jiān)測方法和非接觸式檢測方法兩種。在溫度控制系統(tǒng)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(guān)：一是基于物體受熱體積膨脹性質(zhì)的膨脹式溫度檢測儀表；二是基于熱電效應(yīng)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(chǔ)上，與熱輻射特性和溫度之間的對應(yīng)關(guān)系存在一定聯(lián)系。不同環(huán)境下，人們往往需要根據(jù)物質(zhì)溫度的檢測結(jié)果，對實(shí)際場所的情況進(jìn)行調(diào)整，并要在做好相關(guān)記錄的基礎(chǔ)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(dǎo)體模擬溫度傳感器法

在實(shí)際生產(chǎn)生活中，半導(dǎo)體模擬溫度傳感器法具有實(shí)現(xiàn)溫度可視化的作用[2]。與之相關(guān)的半導(dǎo)體傳感器，可以借助一定方式，將測量的溫度信息轉(zhuǎn)化為電壓和電流，并借助測量溫度與電壓、電流之間的轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)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(guān)系，從而利用因素之間的線性關(guān)系實(shí)現(xiàn)溫度的可視化，也可以發(fā)揮出放大采樣信息的功能。

2.2 熱電偶法

相比于半導(dǎo)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(shí)際應(yīng)用環(huán)節(jié)，熱電偶測量法在測量精度方面具有一定的優(yōu)勢。除此以外，這一測量方式也存在測量過程復(fù)雜、測量工作持續(xù)時間長的問題。電路是熱電偶法應(yīng)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(jié)果帶來一定的誤差。

3 溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計

3.1 單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)的硬件電路開發(fā)

硬件電路在單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用。從單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀來看，很多學(xué)者都提出以單片機(jī)為主機(jī)，將傳感變送器與多路開關(guān)等設(shè)備進(jìn)行有效結(jié)合，并借助相關(guān)轉(zhuǎn)換器和調(diào)節(jié)閥等操作設(shè)備，對某些環(huán)境的溫度進(jìn)行自動控制的措施。筆者認(rèn)為，在借助上述措施對某一特定環(huán)境的溫度進(jìn)行控制的基礎(chǔ)上，設(shè)計人員也可以從內(nèi)外部環(huán)境的差異性入手，完善系統(tǒng)的實(shí)際功能，如系統(tǒng)中可以安裝鍵盤、報警電路和顯示電路等設(shè)備。

針對目前溫度控制系統(tǒng)中使用單片機(jī)的不足，一些研究者在AVR單片機(jī)的溫度控制系統(tǒng)中安裝了AT91RM9200微處理器。這一設(shè)備可以為溫度控制系統(tǒng)的通用性和實(shí)時性提供一定的保障。從這一控制系統(tǒng)的硬件電路建構(gòu)情況來看，系統(tǒng)的硬件設(shè)計采用了ARM9高性能處理器，而基于嵌入式操作系統(tǒng)的應(yīng)用程序設(shè)計，在這一系統(tǒng)的運(yùn)行過程中發(fā)揮著重要作用。為了對系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理、通訊目標(biāo)和存儲目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化，設(shè)計人員可以在系統(tǒng)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(jī)。此外，系統(tǒng)的Internet輸入需要具有支持1EEESO2.3標(biāo)準(zhǔn)的DM9161的能力。

3.2 單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)的軟件開發(fā)與應(yīng)用

單片機(jī)控制系統(tǒng)的操作軟件離不開語言的作用。根據(jù)一些學(xué)者的研究結(jié)果，C語言系統(tǒng)可以應(yīng)用于這一系統(tǒng)的語言編程中。在軟件開發(fā)層面，主程序需要對各個模塊的功能進(jìn)行明確劃分，并借助語言與各個模塊聯(lián)系。在利用一定程序?qū)囟冗M(jìn)行監(jiān)測的同時，在不同時段對溫度進(jìn)行展示，這是這一系統(tǒng)主程序的主要功能?？刂菩酒瑢Ξ?dāng)前溫度值的測量，也可以被看作是溫度控制系統(tǒng)的主程序所發(fā)揮的功能。如果實(shí)際測量的溫度與預(yù)先設(shè)置于系統(tǒng)中的溫度存在一定偏差，系統(tǒng)可以借助不同措施進(jìn)行調(diào)整。

此外，數(shù)據(jù)采集模塊和USB通道模塊也是單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)中不可缺少的軟件形式。以前文所論述的AVR單片機(jī)控制系統(tǒng)為例，并假設(shè)數(shù)據(jù)采集模塊應(yīng)用的微處理器為AT91PMM9200模擬器。在溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計階段，相關(guān)人員需要對SPI模塊中的各個寄存器進(jìn)行初始化處理，并要對SPI接收數(shù)據(jù)寄存器中的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行及時讀取。同時，要從現(xiàn)場情況入手，開展后續(xù)觀察分析工作。筆者認(rèn)為，基于單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)的USB通道可以采用以FATI6為核心的通道模塊應(yīng)用方案。這一通道模塊具有的2G分區(qū)支持和容量為32 kB的分區(qū)簇，可以為文件系統(tǒng)中所采集的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移提供保障，也可以借助計算機(jī)對上述過程進(jìn)行統(tǒng)一管理。從工、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的實(shí)際情況來看，Linux API功能函數(shù)控制是實(shí)現(xiàn)USB設(shè)備配置的有效方式。如果人們在溫度檢測系統(tǒng)的運(yùn)行過程中需要獲取設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸通道，利用USB設(shè)備中包含的設(shè)備描述符，就可以對數(shù)據(jù)傳輸通道進(jìn)行讀取和解析。除此以外，相關(guān)人員也需要充分關(guān)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(qū)號等信息均與文件名之間存在著較為密切的聯(lián)系。圖2為單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)程序流程圖。

圖2 溫度控制系統(tǒng)主程序流程

3.3 溫度檢測的開發(fā)與應(yīng)用

在一些學(xué)者看來，熱電偶傳感器的應(yīng)用是對溫度系統(tǒng)檢測技術(shù)的突破，筆者對這樣的觀點(diǎn)持肯定態(tài)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(yōu)勢[3]。從實(shí)際生產(chǎn)生活來看，熱電偶傳感器也具有整體構(gòu)造簡單、測量范圍廣的特點(diǎn)。但是，在溫度檢測環(huán)節(jié)，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(yīng)用于溫度控制系統(tǒng)后，人們也需要對信號進(jìn)行一定程度的調(diào)節(jié)處理。

4 結(jié) 論

基于單片機(jī)的溫度控制系統(tǒng)，對社會生產(chǎn)效率的提升有著積極的促進(jìn)作用。在微觀層面，這一系統(tǒng)具有較為良好的應(yīng)用前景。其中，硬件開發(fā)與軟件開發(fā)是溫度控制系統(tǒng)設(shè)計環(huán)節(jié)的重中之中。不同環(huán)境下，人們往往需要根據(jù)物質(zhì)溫度的檢測結(jié)果，對實(shí)際場所的情況進(jìn)行調(diào)整。在軟件開發(fā)層面，主程序需要對各個模塊的功能進(jìn)行明確劃分，并借助語言與各個模塊進(jìn)行聯(lián)系。此外，文件名的作用也是溫度控制系統(tǒng)工作開展過程中不可忽視的內(nèi)容。

參考文獻(xiàn)：

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[3] 方雙蓮，李小力.基于ARM單片機(jī)的溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)[J].無線互聯(lián)科技，2014，（5）：66.