單片機溫度控制系統方案的分析

薛飛

摘 要：溫度是影響人們生活的一個重要方面，近年來，隨著電子工業的快速發展，數字儀表的反應越來越快。傳統的加熱爐一般均采用動圈式調節爐溫，但是這種調節方法的精確度不高，并且適用適用范圍比較狹窄。針對當前問題，技術人員研發出一種新工藝，即單片機溫度控制系統。該文主要分析單片機溫度控制的方法，針對系統的數學模型進行分析，提出溫度控制的最佳狀態空間方程，并結合實踐研究給出通過調節參數達到目標溫度的控制方案，為相關系統的應用和研究提供重要的調節參數，使方案更加具有實用性，提升整近年來，隨著電子技術和計算機技術的不斷發展，微機測量和控制技術也得到快速發展，并且隨著工業產業的不斷發展，在實踐中的應用也越來越廣泛。而微型測量技術作為重要的溫度控制工藝，在工業控制中發揮著重要的作用，尤其是冶金、化工和石油等工業實踐生產活動中，能滿足生產對精度和溫度等方面的高度要求。而在實踐應用中，不同的溫度控制工藝和設備，其采用的測溫元件和測溫方式不同，在具體實際操作中，要確定科學可行的控制方案，下面將針對可行性方案開展詳細的論述。

1 單片機溫度控制系統構成

傳統的加熱爐一般采用多箱式電阻爐，加熱爐的溫度一般<1000℃；溫度測量采用鎳鉻—鎳硅熱電偶方法，將無接觸雙向晶閘管作為接觸器，但是在實際加熱的過程中，溫度間頻段的斷斷續續，造成很大的噪音，產生摩擦火花，從而實現微機控制。這種傳統的工藝系統在實際適用中，存在明顯的缺陷和不足。

而微機單片機控制系統的研發和應用是對傳統系統的改造，其主要通過溫度傳感器檢測加熱爐的溫度，并且反饋信號，系統采集信號。然后單片機根據系統設定的運算方法，根據電路中控制雙向晶閘管的通斷時間，智能的控制熱爐的溫度，使其穩定在設定的溫度。系統構成如圖1所示。

由圖1可知，在系統中，單片機通過外接的LED顯示能及時地反映系統的運行狀態，溫度控制單位和加熱爐是主要的被監控對象，溫度傳感器和前置放大與抗混濾波器是反饋系統采集信號的重要設備。這些都是系統的重要構成部分，任何一個部分都具有其獨特的功能和作用，缺一不可，共同作業，實現對加熱爐的溫度控制。

2 單片機系統的主要作業原理

整個控制系統中，其發揮核心作用設備是單片機，該系統中適用的單片機為高性能的微控制器，系統構成更加簡單。而一般常見的單片機的型號很多，如本次研究的系統采用ATMEL-89C52單片機，根據性能的不同，選用的單片機芯片為X25045和E2PROM集成的芯片，主要用于設定溫度的儲存數值，保存數據，同時，利用其復位與看門狗等相關的電路技術和設備，實現對系統溫度的準確控制。在整個作業過程中，單片機選用的芯片性能和作用非常關鍵，芯片影響著LED顯示和鍵盤接口等功能。所以，整個系統的作業原理為：計算機輸入目標溫度控制數值，單片機系統開啟溫度控制，加熱爐通過溫度控制之后，將信號直接反饋到前置放大和抗混濾波器中，再次經過單片機對數據進行對比分析，檢測是否與目標數值吻合，然后將最終結果通過LED顯示輸出，完成一次溫度檢測和控制作業。

3 單片機溫度控制系統模型

設溫度控制單元、加熱爐和溫度檢測單位以及前置放大與抗混濾波器的傳遞函數分別為G1、G2、G3、G4，在一次作業慣性環節后，根據系統統計數據得知：

其中U（s）表示溫度控制單元輸出溫度信號；u（s）表示單片機輸出的控制信號；表示加熱爐內的溫度；u1（s）為溫度傳感器測量加熱爐內的溫度所產生的信號；u2（s）為u1（s）經前置放大與抗混濾波器后輸出的信號。那么，選取其中4個節點的溫度進行測量，分別為t1、t2、t3、t4，得出狀態空間方程為：

其中A為系數矩陣，B為輸入矩陣，可得出：

X=[]，u=u（t），最終得知，在初始時刻，溫度控制單元輸出的最高和最低溫度分別為min和max，此時得出環境的最大加熱功率。

4 單片機溫度控制系統方案的確定和經濟效益分析

將傳統的溫度控制系統與單片機控制系統進行對比，在未加單片機時，系統整體運行的速率為：1000/℃24（傳統轉換精度），即0.210℃，與設定的目標值0.0153℃相比，誤差相差比較大。而在系統中添加以單片機為核心的溫度檢測設備，溫度檢測的精確度提升到0.0001，芯片的轉換精度也由傳統的24，提升到當前的216，其采樣的速度也提升，可以實現并行輸出。最終得出的換裝量化誤差為1000℃216，溫度為0.0151℃，與標準溫度設計相符，達到精確要求。傳統與改進后系統的可行性對比詳見表1。

由表1可知，通過改造后的溫度檢測系統，其投入總成本明顯較傳統系統少，節約的成本達到35.4%，并且系統溫度檢測的精確度明顯提升，系統的轉換精確由1000/℃24提升到1000℃216，整體控制精度得到明顯提升，在傳統的溫度檢測系統中添加單片機的方案具有可行性，完全能滿足標準控制目標，取得滿意的實踐效果。

5 結語

綜上所述，隨著現代科研實踐活動的不斷深入，我國科技水平得到明顯的提升，電子工業溫度測量儀也在不斷更新，新型的設備和儀器被研發，并投入實踐產生活動中，得到人們的認可和青睞。在溫度控制中采用單片機系統，是對傳統系統改造的必然選擇。該文通過建立數據模型得到狀態空間方程，能更加準確地掌握系統數據，為合理控制提供重要的參數。實踐證明，單片機系統的應用極大地提升了控制的精確度，滿足了設計的標準要求，加熱爐的可控制度明顯提升，拓展了加熱爐的適用范圍，方案具有可行性，單片機控制系統具有積極的推廣意義。

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關鍵詞：單片機 溫度控制系統 系統開發 功能

中圖分類號：TP368.12 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）07（b）-0075-02