基于單片機的溫度控制系統設計與實現

摘 "要： 根據當前化工、醫療、航空、航天等高科技領域對溫度調節和控制的要求，設計了一套分布式溫度控制和采集系統，給出了具體的硬件電路設計和系統軟件實現，使用一線制數字溫度傳感器采集溫度。與傳統測溫裝置相比，具有結構簡單，測溫精度高、應用面廣等特點。結合AT89S51單片機與PC機的通信機理，采用基于多線程的串行通信技術，擴展了和上位機的串行通信，實現遠程監控，實現了對目標區域溫度的自動實時監控、自動調節及智能報警功能。試驗結果表明，整個系統不但成本低廉、而且使用和擴展方便，可廣泛應用于人們日常生活、工農業生產和科學研究領域，為廣泛深入應用提供了借鑒。

關鍵詞： AT89S51; 串口通信; 分布式溫度控制; 電路設計

中圖分類號： TN919?34; V211.74 " " " " " " " 文獻標識碼： A " " " " " " " " " " "文章編號： 1004?373X（2015）02?0073?04

Design and implementation of temperature control system based on MCU

CHEN Yong?lu ， ZHANG Li

（Chinese Fight Test Establishment，Xi’an 710089， China）

Abstract： According to the temperature regulation and control requirements in current chemical， medical， aviation， aerospace and other high?tech fields， a set of distributed temperature control and acquisition system was designed. The specific hardware circuit design and software implementation methods are given. A digital temperature sensor is used to collect temperature. Compared with the traditional temperature measurement device， it has more simple structure， higher temperature measurement precision， wider application rang， etc. In combination with AT89S51 and PC communication mechanism， the serial communication based on multi?thread technology is adopted to extend the functions of serial communication with PC and remote monitoring， and achieve the real?time temperature automatic monitoring， automatic adjustment and intelligent alarm in object region. Experimental results show that the system has the characteristics of low cost， convenient application and extension， which can be widely used in people's daily life， industry， agriculture and scientific research， and can provide a reference for the extensive application.

Key words： AT89S51; series?port communication; distributed temperature control; circuit design

0 "引 "言

在工業控制過程中，例如航空、航天、石油等領域對溫度有著較高的要求。在實際測量和控制中，如何保證快速實時地對溫度進行采樣，確保數據的正確傳輸，并能對所測溫度場依據實際需要進行較精確的控制，是當前溫控系統需要迫切關注并給予解決的重要問題之一。本文研究的傳感器結合單片機嵌入式控制、采集一體化技術，具有能耗低、便攜、高精度的特點，克服了傳統溫度檢測系統的校準復雜、精度低等缺點，能夠實現多通道、高精度以及大容量的要求。

1 "系統工作原理及架構

溫度控制與采集系統主要是針對制定區域或空間進行溫度實時的監測，實時地采集記錄溫度信息，并實現對溫度的自動化智能控制、調節，以確保溫度一直保持在預計的范圍內。系統設計模塊包括溫控范圍的設定模塊、溫度檢測模塊、加溫控制模塊、溫度信息采集模塊、記錄模塊、溫度信息顯示模塊及超溫報警模塊。系統設計架構圖見圖1所示。

由圖1可知，被控對象區域的溫度可通過一線制數字溫度傳感器感應獲得，再由AT89S51單片機將數字溫度傳感器輸出的電壓信號通過串口傳送至便攜式計算機，便攜式計算機上位機軟件將電壓信號轉換為溫度信號，打上時間標記，實時顯示并存儲。同時，上位機軟件依據設定的溫度范圍及控制算法，自動判斷當前被控對象區域溫度是否在預計的溫控范圍內，通過串口向AT89S51單片機發送控制指令，單片機依據控制指令自動調節繼電器控制指令，以決定是否通過加熱爐對被控對象區域加溫，最終實現對被控對象區域溫度的全自動閉環控制。若被控對象區域溫度在規定的時間段內沒有達到預計溫度，則上位機軟件會自動向AT89S51單片機發送告警指令，由單片機控制蜂鳴器實現報警功能[1]。

lt;E：＼王芳＼現代電子技術201502＼Image＼29t1.tifgt;

圖1 系統設計架構圖

2 "硬件電路設計

2.1 "串口通信電路設計

AT89S51單片機具有串口RXD和TXD，而PC機上也具有RXD和TXD兩個端口。通過串口通信可實現單片機與PC機之間的控制和采集功能。由于單片機的TTL邏輯中的2～5 V和0～0.8 V與PC機的RS 232標準定義的高低電平-3～-25 V和3～25 V不匹配，需通過MAX232接口芯片實現二者之間的通信鏈路連接[2]。單片機與PC機串口通信電路設計原理圖見圖2所示。AT89S51單片機的TXD與

MAX232的第2組電平轉換器的輸入端T2IN（10管腳）相連，

經過MAX232轉換后，輸出端T2OUT（7管腳）輸出的信號進入計算機串口的RXD。同樣地，計算機串口的TXD與MAX232的R2IN（8管腳）相連，經過電平轉換后，由R2OUT（9管腳）輸出到單片機的RXD上。

2.2 "溫度信號調理電路設計

溫度信號調理電路主要是根據K型熱電偶的特點進行設計的。由于K型熱電偶使用溫度范圍為使用溫度范圍為-200～1 200 ℃，其輸出電壓信號為mV級，因此，信號調理電路包括信號放大電路、濾波電路以及冷端補償電路。針對熱電偶測試的冷端補償，本文采用軟件補償的方式。

溫度信號調理電路原理圖如圖3所示。

3 "系統軟件設計

3.1 "單片機軟件設計

單片機的主要功能（數據采集、通信、控制）分別在不同的程序模塊中實現，依據實現功能，單片機的軟件設計可分為采集控制模塊和串口通信模塊。

根據測控系統的特點，針對進行調理、A/D轉換后送來的溫度信號，在單片機主程序中采取查詢法進行循環采集。在程序編寫過程中，針對溫度信號，結合K型熱電偶的溫度范圍，采用上、下限判斷的方法進行二次軟件濾波，消除干擾，確保數據采集的可靠性及真實性。同時，判斷串口通信模塊送來的加溫控制信號，實時通過繼電器控制加熱爐工作，以確保被控區域溫度在規定的范圍內。

圖2 串口通信電路設計原理圖

串口通信模塊主要是與上位機進行數據及控制命令的通信傳輸。上位機每隔50 ms發一個命令字，要求單片機上傳數據。當要修改溫度控制范圍等參數時，上位機先發一個命令字，再發數據，串口通信模塊根據命令字和數據首先判斷修改的溫度范圍數據是否合理，如果數據錯誤，則向上位機反饋錯誤信息，如果合理，則完成相應的控制采集操作。

lt;E：＼王芳＼現代電子技術201502＼Image＼29t3.tifgt;

圖3 溫度信號調理電路設計原理圖

單片機軟件設計流程圖見圖4所示。

lt;E：＼王芳＼現代電子技術201502＼Image＼29t4.tifgt;

圖4 單片機軟件設計流程圖

3.2 "上位機軟件設計

根據系統設計的功能，上位機軟件主要包括串口通信模塊、數據存儲模塊、實時數據顯示模塊及信號控制模塊。系統采用VC++ 6.0平臺編寫，采用了多線程技術，在軟件界面運行的同時開啟串口通信、數據存儲工作線程，代碼如下：

void Start（）

{

CWinThread* pThread;

//開啟串口通信、數據存儲線程

pThread = AfxBeginThread（Thread， this）;

}

//串口通信、數據存儲線程

UINT Thread（）

{

//采用分時工作方式

ThreadFun1（）; " " " " " " " " " " " " " " " " " " //串口通信函數

ThreadFun2（）; " " " " " " " " " " " " " " " " "http://數據存儲函數

return 0;

}

3.2.1 "串口通信模塊設計

數據通信程序使用PC機Com1口與單片機通信，在Visual C++6.0中利用Windows API接口函數編程實現[3]。根據通信協議，上位機軟件使用WriteFile（）函數將控制命令傳送給單片機，單片機在后續進行循環采集、發送，將數據送至PC機串口緩沖區，上位機軟件以緩沖區中有數據到來為判斷條件，采用中斷方式，使用ReadFile（）函數，實時將緩沖區中的數據取出，進而進行實時保存及顯示。同時，串口通信模塊循環監測信號控制模塊送來的控制命令，以確保實時將控制命令傳送至單片機。

3.2.2 "數據存儲模塊設計

數據存儲模塊主要是使用SQL數據庫數據庫實現，將從串口緩沖區中獲取的數據實時保存至數據庫中。主要使用VC++中的ADO Data控件和DataGrid控件實現與數據庫的連接及數據的調閱顯示，同時需要配置ODBC數據源，以確保數據庫連接成功[4]。ADO Data控件主要用來連接和配置數據源，DataGrid控件用于調閱、查看數據庫中的數據信息。

3.2.3 "實時數據顯示模塊設計

實時數據顯示模塊主要是用于實時監測溫度信息，以便工程人員實時掌握被控區域的溫度變化趨勢，根據實際情況需要實時進行溫度調整或分析。實時數據顯示程序設計界面見圖5所示。

lt;E：＼王芳＼現代電子技術201502＼Image＼29t5.tifgt;

圖5 實時數據顯示程序界面

3.2.4 "信號控制模塊設計

信號控制模塊設計主要是在顯示界面上設置溫度控制的上、下限和極限報警時間。當被控區域的溫度超出下限時，由信號控制模塊自動通過串口通信模塊向單片機發送加溫控制信號，以控制加溫爐向被控區域加溫，同時實時監測由串口通信模塊接收到的溫度信息，當溫度達到預定值時，再次通過串口通信模塊向單片機發送控制信號，停止向被控區域加溫。當被控區域的溫度長時間超出預定的溫度上、下限時，信號控制模塊向單片機發送報警控制信號，以供工程技術人員進行現場檢查和確認。信號控制模塊的設計流程圖見圖6所示。

lt;E：＼王芳＼現代電子技術201502＼Image＼29t6.tifgt;

圖6 信號控制模塊設計流程圖

4 結 "語

本文設計的溫度控制與采集系統可實現對被控區域溫度的有效實時監測，能夠根據預定的溫度上、下限范圍實現溫度的自動化調節、控制，并能夠對溫度信息進行存儲和二次處理分析。該系統具有研制成本低、精度高、可靠性強、操作靈活、可擴展性強的特點，可以廣泛應用于工業控制領域。

參考文獻

[1] 胡乾斌，李光斌，李玲，等.單片微型計算機原理與應用[M].

2版.武漢：華中科技大學出版社，2006.

[2] 蔣輝平，周國雄.單片機原理與應用設計[M].北京：北京航空航天大學出版社，2007.

[3] 李景峰，潘恒.Visual C++串口通信技術詳解[M].2版.北京：機械工業出版社，2013.

[4] 明日科技. SQL Server從入門到精通[M].北京：清華大學出版社，2012.

[5] 王軍琴.廣義預測控制算法在加熱爐溫度控制中的應用[J].現代電子技術，2010，33（10）：18?20.

[6] 王惠平.基于多線程溫度控制專家系統[J].現代電子技術，2012，35（2）：115?117.