基于單片機的溫度控制系統的設計

熊浚儒 何文孝

摘? 要：該文在詳細分析單片機應用于溫度控制系統可實現功能及其工作原理后，提出一種合理的應用方法，使得將單片機應用于溫度控制系統中成為可能。同時結合傳感器理論分析研究單片機的實際應用，給出了系統總體框架，并對該溫控系統實際運用的有效性進行研究并詳細講述基于單片機溫控系統的設計方案和軟硬件實現方案。

關鍵詞：軟硬件? 傳感器? 溫控? 應用? 檢測? 單片機

中圖分類號：TP273? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1672-3791（2019）04（c）-0016-03

Abstract： After analyzing the application of single-chip microcomputer in the temperature control system and its working principle in detail，this paper make a point of an application method which makes it possible to use single-chip microcomputer in temperature control system .We combined the sensor theory and the practical application of single-chip microcomputer organically， then the overall frame of the system is given. This paper studies the effectiveness of the actual application of the temperature control system and describes in detail the design scheme and the realization scheme of the hardware and software based on the single chip microcomputer temperature control system.

Key Words： Software and hardware; Sensor; Temperature control; Application; Detection; Single chip microcomputer

科學技術的發展日新月異，科技的進步推動社會進步的同時也推動著測量技術的發展。隨著航天，醫學，生物等領域的發展進步，社會生產對溫度測量控制的精度和范圍的要求也越來越高。其中，由于單片機設備具有反應靈敏、精確度高、工作環境適應性強、能量轉換效率高的特點，所以基于單片機的溫度控制系統在溫控領域尤為矚目。這種以單片機作為溫度控制系統的核心，以溫度傳感器作為檢測基礎的設計，能夠有效提高溫度控制系統的性能和效率。該系統的可靠性能能夠保證實時溫度，確保達到高效持續生產的目的。

1? 基于單片機的溫度控制系統的功能及工作流程

1.1 基于單片機的溫度控制系統的功能

基于單片機的溫度控制系統中單片機發揮主要作用，單片機完成信號測量解析，界面顯示，設備控制等功能。在對控制功能進一步細分時能夠發現在每一個功能模塊中參與者和參與部件都具有不同作用，其中前端溫度傳感器完成信號的采集與轉換，預設標準溫度上下限以作為溫控系統自動調節的標準，保證生產所需的標準條件。

1.2 基于單片機的溫度控制系統的工作流程

溫控系統反應流程主要包括以下3個部分：

實際溫度測量：溫度信息經由傳感器捕捉到后解析轉換成電壓信號，傳感器內部自我調節并放大電壓信號，并將其控制到處理范圍內。同時，信號經過數字濾波，逐漸轉換成數字信號，以此顯示溫度值。

比較：實際檢測溫度值與預設標準溫度比較。

溫度調節：通過輸出控制量的數值，來進行導通時間及加熱功率的優化，從而調節溫度環境。

流程圖如圖1所示。

2? 系統總體設計

在日常生產中，保證溫度在一定范圍內變化且不震蕩并且保持良好運行是對溫度控制系統的主要要求，其中系統中數據交互的快速性需得到保證。對基于單片機的溫度控制系統的設計過程和實現方案可扼要歸納為：溫度傳感器對場景實際的溫度采樣收集并將其轉換為模擬信號（analog signal），經Low-pass filter去噪，過濾傳遞過程中存在的干擾信號，隨后放大器將信號放大送至模/數轉換器，將轉換成功的數字信號輸入單片機，單片機通過對繼電器的控制來對加熱設備和排風設備進行控制，使溫度始終在預置的溫度控制范圍之內。

系統主要包括5個部分，分別是：單片機控制設備，溫度采集模塊，溫度設置及存儲模塊，數據顯示模塊，驅動電路模塊。系統總體框架如圖2所示。

3? 軟硬件實現方案

3.1 硬件電路的開發與設計

在硬件電路設計中將單片機看成整個系統控制設備的主機，與電路板，元器件等必要設置有效組合，集成溫度檢測及控制電路。利用調節閥結合對應轉換器等操作設備，形成控溫電路，能有效達成檢測和調節溫度的作用，也可以輕松達成對場景環境溫度自動控制的目的。還可以結合內外部環境對溫度的需求不同，自行增加鍵盤、顯示應用與報警系統等設備。

3.2 軟件程序設計與應用

計算機語言是操作系統中核心的交流媒介，其中桌面平臺軟件的編寫主要使用C語言，C51語言則運行于單片機平臺。開發時將主程序模塊化，并使用編程語言串聯各模塊并移植LCD顯示驅動。

主程序的主要功能有程序檢測溫度、實時顯示、讀取、處理等。

具體功能實現包括如下幾個。

（1）控制芯片通過溫度傳感器監測當前溫度值，同時調用各子程序有效配置軟件，達到性能優化的目的。

（2）系統比較各個時段的檢測結果，對比較結果進行自動調節控制。若實際測量溫度與預置溫度出現一定程度的偏差，系統根據具體情況采用不同措施調節偏差，以期達到預期目的。

其中主程序會對以下5個子程序進行調用。

LCD顯示程序：實時顯示溫度及其他數據。

溫度采集程序：讀取傳感器所采集到的現場溫度，并輸入到指定的數組中。

按鍵監測處理程序：實現預置數據、監測數據、處理數據時的按鍵識別，完成按鍵輸入等相關操作。

溫度越界判斷程序：將實時溫度與預置溫度限值比較，若溫度越界，并且當溫控系統處于開啟狀態時，啟動對應設備實現加熱和制冷效果。

外置存儲器讀取程序：存儲和調用預先設置的溫度標準。

4? Proteus仿真

Proteus設計平臺集成了電路仿真、PCB設計和虛擬模型仿真等軟件。相較于其他單片機仿真工具，它的突出優勢在于除了對單片機中央處理器的工作情況仿真外，還能最大程度模擬還原外圍元器件間所需的硬件電路情況，甚至單獨模擬無單片機環境下的電路情況。利用Proteus軟件對該溫控系統器件及電路進行模擬仿真。Proteus仿真如圖3。

5? 結語

目前基于單片機的溫度控制系統研究是溫控領域一個比較成熟的方向，在實際生產生活中應用廣泛。它的應用不僅可以實現溫度的精確測量以及實時溫度的監控，還可以預先設置溫度上下限值用以調整系統輸出量。同時系統本身具有設計簡單，性能穩定，可靠性高，系統移植性強的特點，能極大的降低生產成本，具有一定的工程價值。

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