基于單片機的溫度控制系統的開發與應用

[摘 要] 溫度是工業生產和科學實驗中至關重要的一個因素，在醫藥、冶金、航空和化工中都起著相應的作用，溫度的高低可以影響著許多產品的質量和使用的壽命。因此，研究高性能的溫度控制系統是現今的主要任務，本文基于單片機的溫度控制系統的開發與應用做出了相應的探討。

[ 關鍵詞 ] 單片機 溫度控制 開發與應用

在科學實驗中，我們要對溫度進行有效的控制，可以采用數字調節儀表或者模擬，但是它們卻存在著一定的缺陷。而用單片機進行溫度的調節就具備更高的可靠性和靈活性。基于單片機所組成的數據采集和控制系統，被廣泛的應用于各個領域，本文分析了單片機在溫度控制系統中的開發和應用情況。

一、基于單片機溫度控制原理

溫度信息主要是由傳感器進行測量，并轉換成為豪伏級的電壓信號，把經過的信號放大電路，就會把弱電壓信號逐漸放大到單片機可以處理的范圍以內。再經過輸入A/D轉換器來轉換到數字信號，并且輸入到主機中去。在單片機對信號進行采集的時候，想要更大程度的提高測量的精度，在采樣的時候就必須對信號進行數字濾波。在這個時候，信號經過數字濾波以后，標度就會逐漸轉換出來，并通過IED把溫度顯示出來。此外，還可以將該溫度值與已經設定的溫度值進行比較，根據兩者之間存在的偏差的大小來按照積分分離的PID控制算法得出最后的輸出控制量值。在通過輸出控制量的數值來確定導通的時間以及加熱的功率，從而來有效的調節溫度環境。整個系統設計中，主要的目的就是為了使單片機能夠對溫度進行實時的檢測和控制，用來解決工業以及日常生活中對溫度控制的問題。可以運用十進制的數碼來顯示實際的溫度值，方面人們的監視，此外，在鍵盤上輸入人工設置的溫度范圍，可以方便溫度控制器在不同的范圍查看溫度。如果當實際的溫度不在規定范圍內，那么系統將會自動的調節溫度，確保溫度的穩定性，實現自動控制的目的。溫度的區分度規定在1℃內，當環境溫度出現變化的時候，那么溫度控制的靜態誤差就會小于等于0.5℃。在整個系統設計中，主要的目的就是為了能夠達到檢測和控制溫度的目的，使測控的精度更加準確，盡量使整個系統穩定性更好、可靠性更高并且速度較快，具備靈活性。

二、溫度檢測運用的主要方法

在溫度的測量中，其主要采用方法多采用集成的半導體模擬溫度傳感器，傳感器輸出的電壓或電流與溫度在一定范圍呈線性關系。通過放大，采樣得到被測量。另一種溫度測量方法是使用熱電偶，其測量精度較高，但測試過程復雜，測量時間長，而且采用電橋測量的系統抗干擾能力較差，誤差較大。隨著集成電路技術的迅速發展，新型的數字化溫度傳感器其精度、穩定性、可靠性及抗干擾能力都優于模擬的溫度傳感器。數字溫度傳感器也越來越的到廣泛的應用。

溫度檢測的方法根據敏感元件和被測介質接觸與否，可以分為接觸式與非接觸式兩大類。接觸式檢測的方法主要包括基于物體受熱體積膨脹性質的膨脹式溫度檢測儀表;基于熱電效應的熱電偶溫度檢測儀表。非接觸式檢測方法是利用物體的熱輻射特性與溫度之間的對應關系，對物體的溫度進行檢測，主要有亮度法、全輻射法和比色法等。接觸式測溫是使測溫敏感元件與被測介質接觸，當被測介質與感溫元件達到熱平衡時，感溫元件與被測介質的溫度相等。由單片機組成的溫度測控系統，通過在單片機外部添加各種接口電路，可構成單片機最小系統，用以實現對溫度控制對象的溫度的顯示和控制。同時也能根據實際情況實現多路巡回檢測、數據處理、報警及記錄，對各個參數以一定的周期進行檢查和測量，檢測的結果經計算機處理后再進行顯示、打印和報警，以提醒操作人員注意或直接用于生產控制。

三、單片機的溫度控制系統的開發與應用

1.硬件電路的開發與應用

選用單片機為主機，再配以兩路傳感變送器和多路開關，還包括D/A轉換器、V/I轉換器和調節閥等，可以實現對貯液容器溫度進行有效的自動控制，與此同時，還可以設置一些鍵盤、報警電路和顯示電路。當系統處于穩定的狀態，那么貯液容器內的溫度就不會發生相應的變化，始終保持在工藝要求的數值之內，當原先設定的初始溫度和設定值存在一定的差異的時候，而且變化的范圍較小，那么就可以使用前饋控制來進行克服，這種變化會給系統帶來一定的影響，如果變化范圍較大，那么前饋控制就不能完全進行克服，那么整個時候反饋控制就會開始相應的動作。如果當初始溫度不發生變化，但是貯液容器內的溫度卻因為其他因素發生變化的時候，那么反饋控制在這個時候就會發生動作，使整個系統恢復到正常的狀態，呈現穩態。

2.軟件開發與應用

當熱電偶測量的溫度值逐漸轉變成為電信號以后，就會由模數逐漸轉換電路為數字皺，再由P1口送入單片機內。此后每隔10s就由時間自動中斷控制來對實際的溫度進行采樣，并將采集到的溫度與原來的設定值進行比較。如果實際溫度與原先設定的溫度存在不同，那么系統就會自動執行截斷功能或者全功率的輸出指令，來控制可控硅的導通角，如果所控制溫度的升降情況沒有超出原先所設定的范圍，那么就按照原先設定的溫度預定值恢復。每一個時段的溫度預定值存儲都會存在存儲器中，系統會自動每隔20s查詢一次，看下額定值是不是在固定的恒溫標準內，如果不是在恒溫的范圍內，那么就會取出一組溫度值，于此同時再輸入下一組的預定值來導通脈沖數。經鎖存器74LS273送往由CD40192組成的預置計數器進行計數，當整個計數滿了預置數以后，計數器就會全部清零，并發出一定的控制信號。

3.溫度檢測的開發與應用

在對其進行溫度檢測的時候，一般采用的是熱電偶傳感器，這種熱電偶傳感器價廉，并且精度較高，整體的構造較為簡單，所測量的范圍較廣，且反應快速。但是由于熱電偶傳感器它所輸出的電壓信號較為微弱，只有幾豪伏到幾十豪伏，因此，在進行A/D轉換的時候，必須對其信號進行相應的調節，可以使用高放大倍數的電路來放在A/D轉換器上，一般情況下，運用熱電偶調理模板和調理板塊來實現這項工作較為簡單和便捷。如果自己設計和制作調理模板就會花費大量的時間和精力，而且過程較為繁瑣，所以很難保證所需的精度。除此之外，在使用熱電偶傳感器的時候應該注意冷端補償的方法，就是在熱電偶的溫度不在0℃的時候，這個時候熱電偶所輸出的電勢將會逐漸偏離冷端0℃的溫度數值，因此在這個時候必須采取冷端補償的措施來進行。所謂冷端補償，可以采用軟件補償的方法，在IC的溫度傳感器檢測熱電偶冷端處的溫度值，經過A/D的轉換來把其送入單片機內，再運用軟件對溫度進行檢查和測量，當出現問題的時候及時修正，從而保證實際的溫度。在測控系統中，其監控系統中被測量的變量存在不同，例如壓力和溫度的數值都是不同的。因此，必須進行標度的變換。當熱點偶的傳感器的輸出電壓和被測量的溫度之間具有一種特性的曲線，并且這種曲線呈非線性，在這個時候輸出電壓的求取所對應的溫度值，就可以采用計算法和查表法來得出。

4.溫度數據采集模塊

在對其進行溫度采集的時候，使用的是由DALLAS公司生產的一線式數字溫度傳感器DS18B20進行采集。DS18B20測溫的范圍為-55°C~+125°C之間，所測得的溫度分辨率可達0.0625°C，所測得的溫度均使用符號進行拓展，并且拓展到16位補碼，并且通過串行輸出。CPU只需要一根端口線就可以與諸多的DS18B20進行通信，所占用的微處理器的端口較少，可以在一定程度上節約許多的邏輯電路和引線。由于DS18B20內部有一個9字節的高速存儲器用于存儲溫度值，其中前兩個字節是所測得的溫度數據，第其中前兩個字節是測得的溫度數據，第1字節的內容是溫度的低八位，第2字節是溫度的高八位，第3和第4字節是溫度上限TH與溫度下限TL的易失性拷貝，第5字節是結構寄存器的易失性拷貝，這三個字節的內容在每一次上電復位時被刷新，第6、7、8這三個字節用于內部計算，第9個字節是冗余檢驗字節，可用來保證通信的正確性。

此傳感器的主要特點是在于能夠使用單總線的數據傳輸方式，因此，在讀寫數據的時候，需要具備很嚴格的時序要求，在進行一次命令的時候，單片機都會啟動寫時序，如果按照要求DS18B20回送數據，那么在進行寫命令后，單片機需啟動讀時序完成數據接收。

5.加熱控制電路的開發與應用

用于在閉環控制系統中對被控對象實施控制，采用對電壓進行通斷的方法進行控制，以實現溫度控制的目的。對電爐絲通斷的控制采用固態繼電器。它的使用非常簡單，只要在控制電平，即可實現對繼電器的開關，使用時完全可以用NPN型三極管接成電壓跟隨器的形式驅動。當單片機的P1.3為高點平時，三極管驅動固態繼電器工作接通加熱器工作，反之則不正常運行。

6.報警及指示燈電路的開發與應用

當用戶設定的目標溫度達到時需用聲音的形式提醒用戶，此時蜂鳴器為三聲斷續的滴答滴答的叫聲。在本系統中我們為用戶設計了越限報警，當溫度低于用戶設置的目標溫度10度或高于10度時蜂鳴器為連續不斷的滴答滴答叫聲。當單片機輸出高電平時，三極管導通，蜂鳴器工作發出報警聲。

四、結束語

綜上所述，基于單片機的溫度控制系統可以對環境溫度進行檢查和測量，能夠根據已設定的定制來調節溫度，控制執行的機構，實現調節溫度的目的。當溫度超出規定范圍內，就會發出警報，及時調節到規定的溫度，此系統的應用較廣，且實用性和可靠性較高，能夠在室內溫度測量、實驗儀器溫度測試和鍋爐溫度測試等一些列工業環境中進行使用，具有較好的應用前景。

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