基于單片機(jī)的溫度控制系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)

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)

在我國科學(xué)技術(shù)與信息技術(shù)快速發(fā)展的過程中，溫度的測量與控制在各項(xiàng)技術(shù)發(fā)展中顯得越來越重要.在實(shí)際溫度控制與測量的過程中，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)急需解決的問題.在實(shí)際操作的過程中，應(yīng)用單機(jī)對溫度進(jìn)行控制與采集是一種較為常見的方法.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)對溫度進(jìn)行控制與測量，對傳輸數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性具有重要影響.由此可見，在溫度系統(tǒng)控制中，單機(jī)能夠解決各種問題，具有廣闊的應(yīng)用前景.

1 單片機(jī)的概述

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.在使用的過程中僅僅對單片機(jī)外加電源與晶振就能對數(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.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)用越來越受國內(nèi)外重視.

2 控制溫度的具體操作方法

在溫度數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程中，多種因素不僅影響了溫度數(shù)據(jù)的保存，還對溫度數(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.

2.1 應(yīng)用純硬件閉環(huán)控制系統(tǒng)

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題難度較大.

2.2 FPGA/CPLD或帶有IP內(nèi)核的FPGA/CPLD

該控制方法主要利用FPGA/CPLD對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集與存儲(chǔ)，進(jìn)而將A/D功能顯示出來.同時(shí)通過IP核實(shí)現(xiàn)人機(jī)互動(dòng)以及信號測量與分析等各項(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，通常可以對復(fù)雜的測量數(shù)據(jù)進(jìn)行控制，在實(shí)際操作方面較為簡便，但是該控制系統(tǒng)由于較為復(fù)雜，成本有點(diǎn)高.

2.3 應(yīng)用單片機(jī)與高精度傳感器結(jié)合的方式

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，對系統(tǒng)進(jìn)行控制，同時(shí)將測量的信號進(jìn)行分析.該項(xiàng)操作主要是由前端傳感器對信號進(jìn)行采集與轉(zhuǎn)換.在實(shí)際應(yīng)用的過程中，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)與溫度傳感器對溫度進(jìn)行控制.

3 單片機(jī)的系統(tǒng)框架與型號選擇

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.同時(shí)還應(yīng)當(dāng)對單片機(jī)系統(tǒng)框架進(jìn)行必要的分析.

3.1 單片機(jī)型號的選擇

在整個(gè)溫度控制系統(tǒng)中，單片機(jī)型號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級優(yōu)先級與6個(gè)中斷源.最后，該單片機(jī)具有相對先進(jìn)的全雙工串行通信接口.

3.2 傳感器的選擇

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)常見于工業(yè)、軍事以及民用等領(lǐng)域的溫度測量以及控制.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.

3.3 系統(tǒng)框架

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)中對溫度進(jìn)行預(yù)定主要由設(shè)置模塊來控制.在檢測到系統(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.在溫度超過設(shè)定的溫度時(shí)就會(huì)停止加熱.由此可見，不同的組成部分對系統(tǒng)溫度的控制具有不同的作用.

4 單片機(jī)的溫度控制原理

在對溫度進(jìn)行測量之后，傳感器是測量值的主要載體.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］.在此過程中，傳感器需要將接收到的毫伏級的電壓信號，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A/D轉(zhuǎn)換器將電壓信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號.經(jīng)過相應(yīng)的軟件系統(tǒng)將數(shù)字信號傳輸?shù)街鳈C(jī)中.由于單片機(jī)在信號進(jìn)行采集的過程中，所測量的數(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)確度需要對采樣的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)組信號的過濾.經(jīng)過過濾的數(shù)字信號就會(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.通過計(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)的過程中，其最初的想法就是促使單片機(jī)對溫度進(jìn)行有效的檢測與精準(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.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，將溫度保持在人們設(shè)定的范圍內(nèi).如果實(shí)際溫度并沒有在設(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.

5 單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)的開發(fā)與實(shí)現(xiàn)

5.1 硬件系統(tǒng)的開發(fā)與實(shí)現(xiàn)

在硬件系統(tǒng)開發(fā)的過程中，通常都會(huì)選擇單片微型計(jì)算機(jī)作為其主機(jī)，隨后對該主機(jī)配以相應(yīng)的傳感器開關(guān).通過多種設(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)對溫度的自動(dòng)控制.在此項(xiàng)開發(fā)技術(shù)的過程中需要依據(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，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)開始廣泛應(yīng)用LCD.但是由于LCD程序較為復(fù)雜，傳統(tǒng)的語言編寫很難修改［3］.因此就選擇C51來處理相應(yīng)的程序，這樣對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，同時(shí)功效較低，比較適合報(bào)警器件.如果系統(tǒng)需要相對較大功率的報(bào)警器件，可以設(shè)計(jì)繼電器對白熾燈進(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.通過此兩項(xiàng)功能，可以穩(wěn)定電壓.

5.2 軟件的開發(fā)與實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)在應(yīng)用軟件的過程中，主要采用的是C語言.C語言可以實(shí)現(xiàn)單片機(jī)的各項(xiàng)功能.單片機(jī)的主程序?qū)δK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，或者可以通過相應(yīng)的指令來修正這兩者之間的差距.當(dāng)然，如果實(shí)際測量數(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)定好的溫度值開啟系統(tǒng)的恢復(fù)功能.由此可見，軟件的開發(fā)與實(shí)現(xiàn)需要依據(jù)設(shè)定值進(jìn)行.

5.3 溫度檢測的開發(fā)與實(shí)現(xiàn)

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)雖然較為簡單，但是測量的范圍非常廣泛，并且在應(yīng)用中具有速度較快的優(yōu)勢.目前，在實(shí)際應(yīng)用中的熱偶傳感器電壓信號普遍較弱.在實(shí)際應(yīng)用中只能識別幾毫伏到幾十毫伏之間的電壓.因而在AID轉(zhuǎn)換的過程中，必須對信號進(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，操作較為簡單，途徑較為便捷［4］.但是，另外有一個(gè)值得人們思考的問題:在使用熱偶傳感器的過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▉砑m正此項(xiàng)操作中溫度較低的問題，進(jìn)而保證所提供的溫度保持不變.

6 結(jié)語

在工業(yè)溫度控制系統(tǒng)中，單片機(jī)具有重要的影響.其不僅可以對溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)控制與精度的測量，還能夠通過提前設(shè)定的方法對溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)，應(yīng)用前景較為廣闊.

［1］黎步銀，沈茂盛，黃兆祥，等.張平川基于單片機(jī)53F9454多通道溫度檢測模塊的設(shè)計(jì)［J］.儀表技術(shù)與傳感器，2009，(11):25.

［2］張玉偉，姚紅玲.基于STC單片機(jī)的煤礦智能溫濕度控制器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.煤炭技術(shù)，2013，(11):58－59.

［3］劉亞利，敬嵐，喬衛(wèi)民，等.基于MSP430F149型單片機(jī)的智能溫度控制系統(tǒng)［J］.計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2013，(6):1062－1065.

［4］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)，2012，(24):117－118.