基于單片機溫度控制系統的研究*

呂穎利 ，張新軍

（濟源職業技術學院，河南 濟源 459000）

在社會經濟不斷發展的背景下，工業生產對溫度條件的要求越發嚴苛，加強對溫度控制系統的開發與應用，具有重要的理論意義與實踐意義。單片機是目前應用較為廣泛的溫度檢測和控制手段，加強對這類器件的研究與開發，可提升系統檢測溫度的精確性、便捷性、高效性，發揮系統對溫度的控制功能，調控溫度到合理范圍內，滿足工業生產的技術要求，保證產品質量，具有廣闊的應用前景[1]。

1 單片機概述

單片機，即單片微型計算機，由CPU芯片、ROM只讀存儲器、RAM隨機存取存儲器等部件構成，其體積通常較小，但性能卻十分強大，在接入電源、晶振的條件下，可處理一系列的復雜信息，在現代工業生產中，具有極為廣闊的應用面，對其進行合理的使用，可顯著提升機械設備的運行效率，改良工業生產環境，避免一些安全事故的發生，應得到相關工作者的重視[2]。

2 基于單片機的溫度控制系統概述

2.1 單片機選擇

在設計溫度控制系統時，合理選擇單片機至關重要，很大程度上決定著溫度控制系統的性能水平。一般來講被選中的單片機應當具有運算速率快、內存高的特點，還應具有一定的經濟適用性。本次研究選擇51單片機，作為系統開發中用到的控制主芯片，同時這也是目前業界使用較為廣泛的一種單片機，其指令集與芯片引腳，與英特爾的8051單芯片微控制器兼容，同時包含4kB可編程程序處理器與128RAM隨機存取存儲器，能夠實現對溫度的高效控制。

2.2 傳感器選擇

傳感器亦是溫度控制系統的重要組成部分，目前實際生產中較為常見的數字溫度傳感器是DSI8B20，具有一定的智能性，與處理器十分適配，可快速完成對溫度數據的采集，同時具有體積小、傳輸速率高等一系列的優勢，應用價值可觀。

2.3 系統框架設計

通常情況下，對溫度控制系統模塊的劃分，需結合其具體的運作過程，如可分為如下五部分：數據采集模塊、單片機控制模塊、溫度設計模塊、顯示模塊、驅動電路。其中，數據采集模塊的主要作用為采集溫度數據，單片機控制模塊的主要作用是接收數據信息，將其傳送給顯示模塊，顯示為具體的溫度值[3]。技術人員可提前為溫度控制系統設置溫度標準值，當系統檢測到實際溫度與標準值不符時，單片機中的驅動電路會發出預警信號，啟動或停止加熱操作，調節溫度，保證工業生產的正常進行。

2.4 溫度控制原理

單片機是溫度控制系統控制溫度的主要載體。系統中的傳感器，在接收到溫度數據后，會將溫度信息放大到電路上，并將其轉化為電壓信號，放大到合適范圍內，之后單片機會處理這一信息，再利用A/D轉換器，將其轉化為數字信號，傳輸至主機，如此便完成了對溫度數據的采集與處理。此外，對信號進行數字濾波操作，也是這一過程中不可或缺的重要環節，此環節的主要目的，是轉換信號為對應的標度，便于LED屏幕顯示溫度指數，同時提升溫度測量的精確度。對于提前設定好的溫度值，溫度控制系統會應用積分分離的PID算法，比較其與采集到的溫度值的不同，進行偏差分析后，得到最終的輸出控制量值，獲得準確的導通時間與加熱功率，有效調節溫度[4]。

總之，合理設計單片機下的溫度控制系統，可通過上述工作原理，強化其工作性能，實現對溫度的精準控制。需要注意的是，一般情況下，溫度數值是以十進制數碼的形式顯現的，這提升實時監測的便捷性。

3 單片機溫度控制的具體實操方法

在單片機溫度控制系統的實際運行中，來源于工業場所的多種因素，都會為溫度數據的保存帶來一定的影響，進而破壞數據的真實性，因此相關工作者有必要采取一定的措施，避免上述情況的出現。以下列舉幾種方法。

3.1 聯合使用高精度傳感器

可聯合使用單片機和高精確度的傳感器，提升溫度控制的精確性。一般來講在系統中，單片機發揮的主要作用是控制溫度系統，即建立人機操作界面、對數據信號信息進行分析和處理等，因此在系統的前端，安裝精度較高的傳感器，可提升系統采集數據信號的精確性與效率，進而提升溫度控制系統的運行效率[5]。

3.2 設計純硬件式的閉環控制系統

相較于常規的控制系統，此種控制系統的最大優點，是運行速度快、效率高，可顯著縮短系統控制溫度的時間，提升工業生產效率。但此類系統也具有一定的缺陷，即測量精確度較低，同時線路相對復雜，易為工作人員的安裝調試操作帶來不便，很難全面推廣應用于實際的工業生產[6]。企業可結合自身的條件，以及溫度調節的具體需求，判斷是否選用此類控制系統。

3.3 測量人機交互信號

在單片機控制溫控系統的過程中，可使用FPGA/CPLD，采集、顯示溫度數據，實現A/D功能，再借助IP核，完成人機交互、檢測信號。采用此種方法設計而成的溫度控制系統，在結構上相對緊湊，溫度控制效率較高，也可相對妥善地面對來自工業生產環境的各種復雜因素，更為重要的是，在操作上也十分便捷。但此種方法也具有不足之處，即調試過程復雜、成本昂貴、性價比低等，因此中小型企業通常并不會采用此種方式設計溫控系統。

4 單片機溫度控制系統的深度開發應用

單片機溫度控制系統包括軟件、硬件等一系列復雜的組成部分，涉及的技術要點相對繁多，因此在開發時，工作人員需統籌兼顧所有的技術要點與設計環節，最大程度上提升單片機溫度控制系統的性能水平，利用其更好地助力實際的工業生產。此外，通過合理的手段，降低溫控系統的研發成本亦很有必要，可提升溫度控制系統的經濟適用性，擴大其在實際生產中的應用面。以下主要從硬件、軟件與溫度檢測系統三方面，討論對溫控系統的開發與應用。

4.1 硬件系統的開發與應用

將單片微型機用作主機，是開發溫度控制系統的硬件系統主要方式之一，在采用此種方式的前提下，研發者需為主機配置相應的傳感器開關，對多種設備以及元器件進行綜合設計，保證溫度控制系統的整體性能與工作細節能夠符合要求，利用其實現對溫度的合理控制。在這一過程中，不可或缺的是對自動控制技術的開發與應用，研發者需充分考慮溫度控制系統的實際特點，在此基礎上，合理安排對鍵盤、顯示器等設備的配置，逐步完善溫度控制系統的功能細節[7]。以下從液晶顯示器、聲光報警模塊、串口通信三方面探討對溫控系統硬件的設計。

4.1.1 液晶顯示器設計

目前LED與LCD的液晶顯示器，在現代儀表設計中具有極為廣闊的應用面。在實際應用中，LED液晶顯示器通常無法明確地顯示數字，因此在設計溫控系統硬件時，設計者應重點關注這一點，盡量采用能夠靈活顯示數字、漢字與圖形的LCD液晶顯示器來設計，但后者的成本也相對高昂。不過，近年來隨著科學技術不斷發展，LCD液晶顯示器的價格也在日益降低，相信溫控系統設計對此類顯示器的應用會越發增多。但需要注意的是，相較于LED液晶顯示器，LCD液晶顯示器在程序編寫上較為復雜，傳統語言的編寫難度很高，因此研發者可采用C51處理程序，進行對程序的編寫與修改，協調應用多項數據，提升溫控系統的設計效率。LED與LCD液晶顯示器的對比如表1所示。

表1 LED與LCD液晶顯示器對比

4.1.2 聲光報警設計

對報警模塊的設計，通常需用到兩個LED器件單片機的I/O，以直接驅動LED顯示器。正如上文所述，LED液晶顯示器的功效較不理想，但使用壽命較長，因此應用于對聲光報警器件的設計，還是可以取得不錯的效果。在設計大功率報警器件時，研發者還可為其設計繼電器，實現有效控制。

4.1.3 串口通信設計

在設計串口通信時，為保證系統通信功能的正常運行，研發者通常需要利用PC機，控制系統的相關子程序，確保相應的數據信息，能夠被妥善地傳輸到通信程序之中，讓系統得以穩定、高效地運轉。通信程序在收到數據信息后，會按照一定的組合，將數據發送至各指定區域，實現系統運行目標。

4.2 軟件的開發與應用

對溫度控制系統軟件的開發，離不開對C語言的應用。有效的C語言編程操作，可強化單片機在溫度控制系統中的功能，提升系統的運行效率。一般來講單片機在這一環節中的工作順序是：主程序進行初始化模塊操作，之后系統會分析處理器得到的數據，再將數據輸送到顯示器與鍵盤上。這一過程中，對溫度的查詢與顯示，通常需依托循環查詢方式來完成。

在實際應用中，溫度控制系統的主程序，主要承擔著實時顯示溫度數據、實時讀取的作用，同時，處理AT89S51測量到的溫度數據，亦是主程序的重要工作，在完成這一工序后，系統會在各子程序中，調用溫度數據，再將熱電偶測量出的溫度值，轉換為電路數字，傳輸到單片機中[8]。時間控制系統會每隔10秒鐘重啟一次，在此基礎上，系統會集中采集而來的溫度數據，對比操作人員設置的溫度標準值，依據結果，驅動控制系統調節溫度。一般來講，當設定數據與實際測量數據之間存在一定范圍的差值時，溫度控制系統便會啟動執行系統，若有其他指令，也可依托指令，修正設定數據與實際測量數據之間的差值，若設定數據與實際測量數據之間沒有差值，系統會按照事先設定好的溫度值，開啟恢復功能。由此可見，在溫度控制系統的日常運行中，設定溫度標準值是十分重要的，在進行軟件開發應用時，應注意這一點。

4.3 溫度檢測系統的開發與應用

在實際的工業生產中，半導體模擬溫度傳感器，是溫度控制系統應用較多的一種溫度檢測方法，此種傳感器會在測量溫度信息的前提下，將信息數據轉換為電壓或電流的形式，這些電壓與電流，在一定范圍內，與溫度數據具有緊密的聯系，主要呈現為線性關系。此外，熱電偶亦是溫度檢測應用較多的一種方法，相較于半導體模擬溫度傳感器測量法，這種測量方法具有精度高、價格低廉、運行速度快、測量范圍廣等優勢，但運行過程也相對復雜，同時電路受外界因素影響的可能性也很大，在一定情況下，易出現測量誤差，為使用者帶來不必要的麻煩。除此之外，電壓信號弱，也是熱電偶傳感器的重要缺陷[9]。具體而言，熱電偶對電壓的識別，多以毫伏與十毫伏計，因此在轉換AID的過程中，可對信號進行一定的處理，在AID轉換器中，使用放大倍數的電路，彌補上述問題。

需要注意的是，熱電偶傳感器具有冷端補償功能。所謂冷端補償功能，就是指在溫度較低的時候，熱電偶的輸出電勢會偏離冷端溫度的低數值。因此有必要應用冷端補償方法糾正其數值，避免溫度控制系統出現問題，更好地保障溫度的恒溫不變。

另外，溫度檢測方法，按照不同的標準，又可有不同的分類。例如，按照敏感元件是否接觸被測介質，可將其分為接觸式/非接觸式兩種，這兩種檢測方法皆有其特定的適用區間，接觸式溫度檢測方法的運行原理是物體受熱體積膨脹，因此需用到膨脹式溫度檢測儀表，以及基于熱電效應的熱電偶溫度檢測儀表；非接觸式溫度檢測方法的運行原理是物體熱輻射特性與溫度之間的對應關系，在設計單片機溫度控制系統時，通常需要在單片機的外部，加設各種接口，滿足系統的檢測需要，實現對不同環境下的物質溫度的檢測與顯示，依據實際情況，進行自動調整[10]。

5 結語

綜上所述，單片機溫度控制系統在目前的工業生產中，具有較為廣闊的應用面與可觀的應用價值。企業可利用這類溫度控制系統，實現對環境溫度的精準檢測、有效控制，提升工業生產效率，保證產品質量。研發者應加強對單片機的研究與應用，以及對系統軟、硬件的開發，提升溫度控制系統的經濟性與實用性，合理使用多種先進的溫度檢測、控制方法，不斷完善溫度控制系統的性能，利用控制系統，更好地促進工業產業的向前發展。