基于單片機的溫度控制系統的探究

摘 要：隨著科學技術的發展，人類對溫度的控制需求越來越高，實現手段也日益豐富。單片機溫控系統是當前溫度控制領域的主流方案。文章圍繞單片機溫度控制系統有關問題進行探討，簡要介紹了單片機的基本概念和常見溫度控制方案。詳細闡述了如何單片機類型和確定系統框架的方法以及單片機溫控技術原理，重點討論了單片機溫控系統的開發與應用。

關鍵詞：單片機；溫度傳感器；檢測與控制

引言

現代社會，無論是出于滿足人們生活質量的需要，還是為了滿足生產過程中復雜工藝方面的需要，人們對于溫度控制的要求越來越高。溫度測量及控制技術廣泛應用于社會生產、人們生活的許多方面。對監測對象溫度進行迅速、可靠、精準的測量，并以此為基礎對其溫度進行相應的調整與控制，成為溫度測量、控制領域相關技術人員孜孜以求的攻關重點與難點。在實際工作中，單片機常常被用來作為溫度測控制的主要設備。相對于其他種類設備，單片機便于使用，操作靈活，具有較好的適應性，技術性能優異，能夠滿足溫控設備較高水平的技術要求，這些都有利于溫控產品的質量和工作效率。基于上述原因，單片機在溫控設備市場中發展勢頭良好，前景廣闊。

1 單片機基本概念簡介

所謂單片機，指的就是單片微型計算機。該種計算機整合了中央處理器（CPU）、隨機存取存儲器（RAM）、只讀存儲器（ROM）、輸入輸出（I/O）接口和中斷系統等多個功能單元于一身，具有很強的數據分析處理功能，但本身占用的空間卻很小，輔以外加電源和晶振就能夠正常工作，廣泛應用于現代工業生產多個領域，并發揮出顯著的作用。單片機的出現，本質上是計算機硬件技術高度發展的成果之一。當計算機的主要元件從晶體管發展到集成電路，集成電路集成度越來越高，伴隨這一過程，計算機的體積也就越來越小。當大規模集成電路技術成熟后，單片機也就隨之出現。單片機具有體積小，功能強大、價格低廉的優點，環境適應性良好，工作能耗低，技術指標和經濟指標優良，是現代工業領域重要的元器件，常用于生產控制環節，對于保障產品質量和生產安全，有著極為重要的作用。單片機溫控系統是當前各國都在競相研發的重要設備，是溫控設備領域的主要發展方向。

2 目前常見溫度控制技術

2.1 完全依賴于硬件平臺的閉環控制系統技術方案

這種控制方法最大的優勢是反應迅速，缺點是可靠性欠缺、控制精度不高，結構復雜，使用、管理、維護難度大、成本高，適用范圍小。

2.2 FPGA/CPLD或采用帶有IP內核的FPGA/CPLD技術方案

該技術以FPGA/CPLD技術作為溫度數據采集、存儲、顯示及A/D的手段，而人機交互功能和信號測量分析等功能則由IP核負責實現。該技術具有結構緊湊、數據處理性能強、使用簡單的特點，適合進行過程復雜的測量與控制作業，但調試工作難度較大，經濟性不好。

2.3 綜合使用單片機和高精度溫度傳感器的技術方案

該方案將人機交互、系統控制、數據分析處理功能交由單片機負責，溫度信號采集和轉換交由前端溫度傳感器負責。這種溫度測量控制方式有效避免了前兩個方案的缺陷和不足，是目前溫度控制技術的主流。

3 構建單片機系統框架的方法

3.1 選擇單片機技術要點分析

單片機是單片機溫控系統中的核心元件，單片機選擇的好壞，直接關系到溫控系統整體的運行質量安全。在挑選單片機時，要優先選擇內存空間大、運行速度快，通用性好，經濟效益好的類型。下面以AT89S51作為主控芯片進行討論。該芯片具有以下性能優勢：

（1）指令集和芯片引腳和與Intel公司的8051具有良好的兼容性；（2）集成有4KB的可編程Flash程序存儲器和128字節的可隨機讀寫存儲器（RAM）；（3）時鐘頻率范圍從0到33兆赫；（4）輸入/輸出引腳32個，可實現編程，16位定時/計數器2個，數據指針2個；（5）擁有高達6個的中斷源和2級優先級；（6）全雙工串行通信接口技術性能優異。

3.2 選擇傳感器技術要點分析

在傳感器的選擇上，文章選擇了DS18B20進行溫度數據采集工作，該型號傳感器是DALLAS半導體公司生產的一線式數字溫度傳感器。DS18B20采用了新型技術，專為與微處理器相配合而設計，廣泛應用于工業生產、民生保障和軍事國防等領域的溫度測控設備及其它功能設備中。具有占用空間小，接口靈活，傳輸距離遠、智能化的特點。

3.3 系統框架配置技術要點分析

溫控系統采用模塊設計，每個主要功能都對應一個模塊，配置更為方便，靈活性更高，具體包括數據采集模塊，單片機控制模塊，顯示模塊，溫度設置模塊和驅動電路5個部分。溫度數據經由傳感器輸送到數據采集模塊，實現實時采集，然后在傳送到單片機進行數據分析處理，并在顯示模塊上將結果顯示出來，使用時可以通過設置模塊設置溫度，當控制對象的溫度比預設溫度低時，單片機會想驅動電路發出信號，啟動加熱系統，同時報警鳴笛，溫度超過設定溫度時，加熱系統停止工作，從而實現對溫度的控制。

4 單片機溫控系統的基本工作原理

單片機溫控系統使用傳感器作為溫度數據采集元件，溫度信號經由傳感器轉為電壓信號在電路中傳播。電壓信號毫伏級逐步增強到可以滿足單片機工作需求的程度，然后經由A/D轉換器轉換為數字信號。使用專業軟件對數字信號進行采樣并傳送到主機。為避免數字信號中雜波的存在影響數據采集精確度，單片機在采用的過程中同步進行濾波處理。與此同時，信號經過數字濾波后轉換到相應標度，再通過IED屏對溫度指數進行顯示。在這個過程中，還可以將采集到的溫度數據與預設溫度指標相對比，通常采用PID控制算法確定設定值和實際值間的偏差大小，再以此確定并輸出控制量值，控制量值決定了加熱系統通導時間和加熱功率，以此實現將溫度控制在設定值附近波動的目的。

5 單片機溫控系統開發與應用

單片機溫控系統的開發與應用主要分為硬件平臺、配套軟件和傳感器三個方面。其中，硬件平臺是溫控系統功能得以實現的基礎，主要組成包括單片機、傳感器和多路開關機相應附屬設備。為了更好的開展工作，還可以根據實際需求，添加鍵盤、報警裝置和顯示電路等。軟件部分目前主要使用C語言編程。軟件采用模塊化設計，主程序主要承擔溫度的實時顯示和讀取，并依照設計要求對子程序進行調用，協調子程序完成數據對比，輸出控制值，等工作。第三個方面是傳感器的開發與應用。溫控系統性能水平很大程度上取決于溫度傳感器的靈敏性和測量精度，高品質的傳感器不僅測量范圍廣，而且反應十分迅速，能夠將測量對象的溫度變化及時反饋給溫控系統。目前主要使用熱電偶傳感器，做好熱電偶補償非常重要。

6 結束語

單片機溫控系統在當前工業生產領域應用范圍十分廣泛，不僅溫度測量及時、準確、精度高，而且可以根據預設的程序對目標溫度予以有效的控制，從而達到控制生產過程的目的。單片機溫控系統性能質量高，成本投入少，性價比高，便于操作，使用靈活，具有很強的可擴展性，應用前景十分廣闊，市場潛力巨大。

參考文獻

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