單片機(jī)的溫度控制系統(tǒng)

張軼

摘要：本文介紹了一種以MCS-51單片機(jī)為核心的溫度檢測(cè)控制系統(tǒng)，由溫度檢測(cè)電路、顯示電路、A/D傳換電路、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、控制電路和單片微處理器等組成。用單片機(jī)作為控制器，可對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出指令，實(shí)現(xiàn)溫度參數(shù)調(diào)節(jié)，具有上下位機(jī)直接設(shè)置溫度范圍，溫度實(shí)時(shí)顯示等功能。實(shí)現(xiàn)了對(duì)培養(yǎng)容器內(nèi)溫度參數(shù)的自動(dòng)檢測(cè)及顯示，可由鍵盤輸入兩項(xiàng)參數(shù)的設(shè)定值，也可用PC上位機(jī)設(shè)定溫度值送入單片機(jī)。通過(guò)比較檢測(cè)值和設(shè)定值（包括上限和下限）的大小來(lái)控制繼電器的開(kāi)關(guān)，從而控制相應(yīng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的通斷，調(diào)節(jié)容器內(nèi)溫度，使其達(dá)到所設(shè)定的范圍內(nèi)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高，可解決實(shí)際應(yīng)用中的問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：溫度監(jiān)控系統(tǒng)；MCS-51單片機(jī)；檢測(cè)控制

一、引言

溫度是與人類的生活和工作關(guān)系最密切的物理量，也是各門學(xué)科與工程研究設(shè)計(jì)中經(jīng)常遇到和必須精確測(cè)定的物理量。從工業(yè)爐溫、環(huán)境氣溫到人體溫度；從空間、海洋到家用電器等各個(gè)技術(shù)領(lǐng)域都離不開(kāi)測(cè)溫和控溫。因此，測(cè)溫、控溫技術(shù)發(fā)展最快，范圍最廣。

眾所周知，溫度對(duì)生物繁殖起著至關(guān)重要的作用。就生物總體而言，其生長(zhǎng)溫度范圍很寬，但各種生物都有其生長(zhǎng)繁殖的最低溫度、最適溫度、最高溫度，稱為生長(zhǎng)溫度三基點(diǎn)。所以我們需要將培養(yǎng)液的溫度設(shè)定在生物繁殖需要的溫度以供其生長(zhǎng)。采用單片機(jī)來(lái)對(duì)培養(yǎng)液溫度控制不僅具有控制方便，簡(jiǎn)單和靈活性大等優(yōu)點(diǎn)，而且可以大幅度提高被控溫度的技術(shù)指標(biāo)，從而能夠大大的提高生物繁殖的速度和質(zhì)量。

溫度監(jiān)控系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于社會(huì)生活的各個(gè)領(lǐng)域，如家電、汽車、材料、電力電子等，常用的監(jiān)控電路根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合和所要求的性能指標(biāo)有所不同，在工業(yè)企業(yè)中，如何提高溫度控制對(duì)象的運(yùn)行性能一直以來(lái)都是控制人員和現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員努力解決的問(wèn)題。這類控制對(duì)象慣性大，滯后現(xiàn)象嚴(yán)重，存在很多不確定的因素，難以建立精確的數(shù)學(xué)模型，從而導(dǎo)致控制系統(tǒng)性能不佳，甚至出現(xiàn)控制不穩(wěn)定、失控現(xiàn)象。傳統(tǒng)的繼電器調(diào)溫電路簡(jiǎn)單實(shí)用，但由于繼電器動(dòng)作頻繁，可能會(huì)因觸點(diǎn)不良而影響正常工作。控制領(lǐng)域還大量采用傳統(tǒng)的PID控制方式，但PID控制對(duì)象的模型難以建立，并且當(dāng)擾動(dòng)因素不明確時(shí)，參數(shù)調(diào)整不便仍是普遍存在的問(wèn)題。而采用溫度傳感器AD590，使得電路結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單，而且減少了溫度測(cè)量轉(zhuǎn)換時(shí)的精度損失，使得測(cè)量溫度更加精確。溫度傳感器AD590傳感器有三個(gè)引腳，在使用時(shí)“+”極引腳接電源，“一”極接一電阻到地，“NC”懸空即可，大大減少了接線的麻煩，使得單片機(jī)更加具有擴(kuò)展性。由于AD590芯片的小型化，更加可以通過(guò)單跳數(shù)據(jù)線就可以和主電路連接，故可以把溫度傳感器AD590做成探頭，探入到狹小的地方，增加了實(shí)用性。

二、設(shè)計(jì)要求及系統(tǒng)框圖

（一）控制要求

1）生物繁殖培養(yǎng)液的溫度要保證在適于細(xì)胞繁殖的溫度內(nèi)，溫度控制范圍為15℃～25”，升溫、降溫階段的溫度控制精度要求為0.5℃，保溫階段溫度控制精度為0.5℃，溫度控制曲線見(jiàn)圖1。

2）微機(jī)自動(dòng)調(diào)節(jié)正常情況下，系統(tǒng)投入自動(dòng)。

3）模擬手動(dòng)操作當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生異常，投入手動(dòng)操作。

4）微機(jī)監(jiān)控功能顯示當(dāng)前被控量的設(shè)定值、實(shí)際值，控制量的輸出。

（二）系統(tǒng)整體工作過(guò)程

生物繁殖的培養(yǎng)液主要用于生物的繁殖研究，而溫度是影響生物繁殖的重要因素。本系統(tǒng)要求長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)視培養(yǎng)液的溫度，并對(duì)當(dāng)前的溫度進(jìn)行控制。本控制對(duì)象為生物繁殖用培養(yǎng)液，采用繼電器進(jìn)行控制。

本系統(tǒng)的一大特點(diǎn)是用戶可以通過(guò)下位機(jī)中的鍵盤輸入溫度的上、下限值，也可以通過(guò)上位機(jī)對(duì)溫度的上、下限值進(jìn)行輸入，從而實(shí)現(xiàn)上位機(jī)對(duì)培養(yǎng)容器溫度檢測(cè)控制的遠(yuǎn)程操作。

系統(tǒng)下位機(jī)設(shè)在培養(yǎng)容器里，下位機(jī)中的溫度傳感器可以將環(huán)境中的溫度非電量參數(shù)轉(zhuǎn)化成電量信號(hào)，再將這些信號(hào)進(jìn)行處理后送至下位機(jī)中的單片機(jī)，單片機(jī)讀取數(shù)據(jù)后將數(shù)據(jù)送到緩沖區(qū)內(nèi)，通過(guò)LED數(shù)碼管進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，同時(shí)與原來(lái)內(nèi)部設(shè)定的上、下限值進(jìn)行比較，單片機(jī)可以根據(jù)比較的結(jié)果對(duì)溫度控制電路內(nèi)的繼電器發(fā)出相應(yīng)的通斷信號(hào)，并通過(guò)繼電器的吸合狀態(tài)去控制相應(yīng)的設(shè)備進(jìn)行操作，調(diào)節(jié)培養(yǎng)容器內(nèi)的溫度狀態(tài)。用戶直接通過(guò)鍵盤對(duì)溫度的上、下限值進(jìn)行設(shè)置后，如果環(huán)境的實(shí)時(shí)參數(shù)超越上、下限值，系統(tǒng)自動(dòng)啟動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)培養(yǎng)容器內(nèi)溫度狀態(tài)，直到溫度狀態(tài)處于上下限值范圍內(nèi)為止。

下位機(jī)LED顯示部分能直接實(shí)現(xiàn)溫度值的實(shí)時(shí)顯示。上位機(jī)可通過(guò)通信接口模塊接收下位機(jī)傳送過(guò)來(lái)的溫度值，可以設(shè)置溫度值并通過(guò)單片機(jī)去控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)對(duì)培養(yǎng)容器進(jìn)行操作。

參考文獻(xiàn)：

[1]何立民.單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)配置與接口技術(shù)[D].北京：北京航空航天大學(xué)，1990.

[2]許志詳.D590集成溫度傳感器的應(yīng)用[J].利水文自動(dòng)化，2000（1）：58-59.

[3]何希才.薛勇毅.感器及其應(yīng)用實(shí)例[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

[4]徐愛(ài)鈞.單片機(jī)高級(jí)語(yǔ)言C51應(yīng)用程序設(shè)計(jì)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2002.

[5]謝自美.電子線路設(shè)計(jì)（第二版）[M].武漢：華中科技大學(xué)出版社，2000.

[6]江國(guó)強(qiáng).現(xiàn)代數(shù)字邏輯電路[M].北京：電子工業(yè)出版社，2002.

[7]樊昌信.通信原理（第五版）[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2001.