基于單片機(jī)的溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

摘 要：使用51單片機(jī)作為控制中心，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度系統(tǒng)有效準(zhǔn)確的相應(yīng)控制，不但具有控制簡(jiǎn)單、組態(tài)簡(jiǎn)潔與靈活性好等各種優(yōu)點(diǎn)，并且能夠大幅度地提升被控溫度的技術(shù)性能指標(biāo)。在詳細(xì)分析基于單片機(jī)的溫度控制系統(tǒng)的硬件構(gòu)成、軟件設(shè)計(jì)與相應(yīng)的通信接口電路設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ)上，研究在實(shí)際過(guò)程控制當(dāng)中單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)中的實(shí)際應(yīng)用，最后提出了單片機(jī)的溫度控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的合理性與有效性。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)；溫度傳感器；檢測(cè)與控制

1 引言

近些年以來(lái)，伴隨著社會(huì)的上升發(fā)展，溫度的測(cè)量與控制逐漸變得愈來(lái)愈重要，然而在實(shí)際測(cè)量與控制環(huán)節(jié)當(dāng)中，怎樣保證迅速實(shí)時(shí)地對(duì)溫度實(shí)現(xiàn)采樣功能，保證數(shù)據(jù)的正確無(wú)誤傳輸，而且可以對(duì)所測(cè)溫度場(chǎng)實(shí)行較為精確的控制，是目前階段溫控系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)迫切關(guān)注并且給予充分解決的重要環(huán)節(jié)[1]。在實(shí)際的具體實(shí)踐應(yīng)用當(dāng)中，通常使用單片機(jī)對(duì)溫度實(shí)行相應(yīng)的控制，由于其不但具有控制方便、使用簡(jiǎn)單與靈活性強(qiáng)等各種不同的實(shí)質(zhì)優(yōu)點(diǎn)，并且能夠大幅度地提升并且滿足被控溫度的技術(shù)性能指標(biāo)要求，然后對(duì)提升產(chǎn)品的質(zhì)量與數(shù)量具有極大的幫助。

2 單片機(jī)的理論介紹

單片機(jī)即為單片微型計(jì)算機(jī)的名字簡(jiǎn)稱(chēng)。其為一種集CPU、RAM、ROM、I/O接口與中斷系統(tǒng)等各個(gè)部件于一體模式的器件，體積雖然小然而功能強(qiáng)大，只需要外加電源與晶振就能夠簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)字信息的相關(guān)操作與控制。所以單片機(jī)在現(xiàn)代工業(yè)控制領(lǐng)域中已經(jīng)得到相當(dāng)良好的實(shí)際應(yīng)用。單片微型計(jì)算機(jī)是伴隨著超大規(guī)模形式集成電路技術(shù)的前進(jìn)發(fā)展而產(chǎn)生的。因?yàn)槠渚哂畜w積小、功能強(qiáng)與性?xún)r(jià)比高等各種實(shí)質(zhì)優(yōu)點(diǎn)，主要可以改善勞動(dòng)條件，節(jié)約能源，預(yù)防生產(chǎn)與設(shè)備事故，以便可以取得較好的技術(shù)性能指標(biāo)與經(jīng)濟(jì)效益[2]。

3 溫度系統(tǒng)的控制設(shè)計(jì)

（1）使用純硬件形式的閉環(huán)控制系統(tǒng)。此系統(tǒng)的突出優(yōu)點(diǎn)在于執(zhí)行速度較快，但是可靠性相對(duì)比較差、控制精度相對(duì)比較低、靈活性小、線路復(fù)雜、調(diào)試、安裝等各種環(huán)節(jié)都表現(xiàn)出不方便，需要實(shí)現(xiàn)題目所有的要求難度相對(duì)較大。

（2）FPGA/CPLD或者使用配置有IP內(nèi)核的FPGA/CPLD執(zhí)行形式。即為使用FPGA/CPLD完成采集、存儲(chǔ)、顯示與A/D等各種實(shí)質(zhì)化功能，根據(jù)IP核實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互與信號(hào)測(cè)量分析等各種功能。這種類(lèi)型方案的優(yōu)勢(shì)在于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)體系緊湊，能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜形式的測(cè)量和控制，操作便捷；其相應(yīng)的缺點(diǎn)為調(diào)試過(guò)程復(fù)雜與成本較高。

（3）單片機(jī)和高精度溫度傳感器相互結(jié)合的方式。即為使用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)人機(jī)界面，系統(tǒng)相關(guān)控制，信號(hào)分析處理，根據(jù)前端溫度傳感器實(shí)現(xiàn)信號(hào)的采集和轉(zhuǎn)換目的。此類(lèi)方法克服了前面兩種方法的缺陷，因此使用基于單片機(jī)與溫度傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度系統(tǒng)的實(shí)質(zhì)控制。

4 單片機(jī)的溫度控制原理

傳感器作為測(cè)量溫度數(shù)據(jù)信息的主要器件，經(jīng)過(guò)傳感器將通過(guò)的溫度數(shù)據(jù)信息放大于電路中，先經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換變?yōu)楹练?jí)的電壓信號(hào)，將弱電壓信號(hào)逐漸放大至單片機(jī)可以實(shí)現(xiàn)自由處理的可調(diào)控范圍以?xún)?nèi)，然后再經(jīng)過(guò)輸入A/D轉(zhuǎn)換器將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)變成為數(shù)字信號(hào)，經(jīng)過(guò)相應(yīng)的軟件將取得的數(shù)字信號(hào)成功地輸送到主機(jī)模塊中[3]。在應(yīng)用單片機(jī)對(duì)信號(hào)實(shí)現(xiàn)采集時(shí)，通常為了強(qiáng)化測(cè)量的準(zhǔn)確度，應(yīng)當(dāng)要求在進(jìn)行采樣的同時(shí)對(duì)信號(hào)實(shí)現(xiàn)數(shù)字濾波處理。通過(guò)數(shù)字濾波的信號(hào)之后就會(huì)逐步轉(zhuǎn)變成為相應(yīng)的標(biāo)度，將獲取到的溫度指數(shù)顯示于LED屏上。

在溫度控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)的具體環(huán)節(jié)當(dāng)中，其主要目的在于為了使得單片機(jī)可以對(duì)溫度實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)有效的檢測(cè)與準(zhǔn)確的相應(yīng)控制，從而可以解決工業(yè)生產(chǎn)與日常生活領(lǐng)域當(dāng)中對(duì)溫度控制難以掌握的實(shí)質(zhì)問(wèn)題。對(duì)于這種難以實(shí)現(xiàn)控制的狀況，使用十進(jìn)制的數(shù)碼形式來(lái)顯示實(shí)際的溫度數(shù)值，會(huì)有有助于簡(jiǎn)便地實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的檢測(cè)。當(dāng)實(shí)際環(huán)境的溫度沒(méi)有呈現(xiàn)出規(guī)定溫度范圍之內(nèi)時(shí)，系統(tǒng)則會(huì)啟動(dòng)自動(dòng)調(diào)節(jié)溫度的功能，以便維持不間斷地提供穩(wěn)定的溫度，從而達(dá)到自動(dòng)控溫的操作目的。

5 溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

5.1 硬件電路的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用

在硬件電路的實(shí)際研究實(shí)踐開(kāi)發(fā)過(guò)程當(dāng)中，通常選取單片機(jī)作為系統(tǒng)控制主機(jī)，然后再配置兩路傳感變送器與多路開(kāi)關(guān)，充分結(jié)合D/A 轉(zhuǎn)換器、V/l 轉(zhuǎn)換器與調(diào)節(jié)閥等各種操作設(shè)備，就基本能夠達(dá)到預(yù)先設(shè)定的目標(biāo)，可以輕松實(shí)現(xiàn)對(duì)于貯液容器溫度進(jìn)行有效的自動(dòng)控制目的。同時(shí)能夠依據(jù)各自實(shí)際操作應(yīng)用過(guò)程當(dāng)中的不同實(shí)際需求，適當(dāng)搭配設(shè)定一部分比如鍵盤(pán)、報(bào)警電路與顯示電路等各種設(shè)備以便可以更好完善系統(tǒng)的實(shí)際功能[4]。

5.2 軟件開(kāi)發(fā)與應(yīng)用

系統(tǒng)的操作軟件主要是使用C語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)，對(duì)單片機(jī)實(shí)行編程以達(dá)到各項(xiàng)功能的目的。主程序?qū)τ谀K實(shí)行初始化操作，然后進(jìn)行讀溫度、處理溫度、顯示、鍵盤(pán)等各種處理模塊的調(diào)用處理。使用循環(huán)查詢(xún)形式，用于顯示與控制溫度，主程序的主要功能為負(fù)責(zé)溫度的實(shí)時(shí)顯示、讀出并且處理控制芯片的測(cè)量當(dāng)前溫度值，同時(shí)負(fù)責(zé)調(diào)用各個(gè)子程序。熱電偶測(cè)量得到的溫度數(shù)值會(huì)逐步從模數(shù)轉(zhuǎn)換電路變?yōu)閿?shù)字，再通過(guò)P11：3將其傳輸至單片機(jī)內(nèi)部。然后每隔10s的階段，時(shí)間自動(dòng)中斷控制系統(tǒng)便開(kāi)始功能實(shí)現(xiàn)，對(duì)實(shí)際測(cè)量的溫度實(shí)現(xiàn)集中采樣操作，并且統(tǒng)一把采集到的溫度和之前預(yù)定的溫度數(shù)值實(shí)行比對(duì)分析。依據(jù)不同程度的比較結(jié)果，系統(tǒng)則會(huì)實(shí)行自動(dòng)調(diào)節(jié)控制。假如實(shí)際測(cè)量的溫度和預(yù)先在系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)置的溫度具有一定程度的差距時(shí)，系統(tǒng)能夠自動(dòng)執(zhí)行截?cái)喙δ?，或者可以?jīng)過(guò)全功率的輸出指令來(lái)實(shí)現(xiàn)可控硅的導(dǎo)通角，從而達(dá)到調(diào)整偏差的目的。

5.3 溫度檢測(cè)的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用

熱電偶傳感器是對(duì)溫度系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)溫度檢測(cè)過(guò)程時(shí)通常使用的一種傳感器。這種熱電偶傳感器不但有質(zhì)優(yōu)價(jià)廉的優(yōu)點(diǎn)，而且具有非常高的精度，和其它一部分傳感器相對(duì)比，其整體構(gòu)造顯得相對(duì)比較簡(jiǎn)單，然而其測(cè)量的范圍卻顯得極為廣泛，并且有反應(yīng)速度較為快速的理想優(yōu)勢(shì)。然而目前階段的熱電偶傳感器所輸出的電壓信號(hào)仍然相對(duì)比較微弱，只可以識(shí)別幾毫伏至幾十毫伏范圍以?xún)?nèi)的電壓，所以通常在實(shí)行AID轉(zhuǎn)換的時(shí)候，首先應(yīng)當(dāng)對(duì)其信號(hào)實(shí)行一定程度的調(diào)節(jié)處理，然后經(jīng)過(guò)使用高放大倍數(shù)的電路放置于AID轉(zhuǎn)換器上來(lái)得以實(shí)現(xiàn)[5]。

6 結(jié)束語(yǔ)

基于單片機(jī)的溫度控制系統(tǒng)在當(dāng)前階段的工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中表現(xiàn)相當(dāng)?shù)膶?shí)用，不但能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)環(huán)境溫度的實(shí)時(shí)有效的檢測(cè)與精確測(cè)量，還可以依據(jù)提前設(shè)置的溫度數(shù)值來(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié)溫度與控制溫度的目的。這系統(tǒng)具有研制成本低、精度高、可靠性強(qiáng)、操作靈活與可擴(kuò)展性強(qiáng)的實(shí)質(zhì)特點(diǎn)，能夠極大地方便使用者實(shí)現(xiàn)查詢(xún)操作，很大程度上能夠提升生產(chǎn)效率，具有很高的推廣價(jià)值與較理想的應(yīng)用發(fā)展前景。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介

田少鋒（1989-），男，學(xué)歷，本科，研究方向： 工廠供配電方向。