基于单片机的温度控制系统的设计与实现

刘莹

摘要：该文采用51单片微型计算机作为样本，以实现对温度的控制，51单片微型计算机不仅组态简单，更具有良好的灵活性。此外，51单片微型计算机还能够提高其控制指标。在阐述温度控制系统的设计基础上，该文讨论了单片控制中的应用，并在最后提出温度控制的合理性。

关键词：单片机；控制系统；设计

中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2014）09-2098-02

近年来，温度的测量已经越来越重要，在实际测量中，如何保证快速的测量，并确保数据传输中的正确性，对所有的温度进行控制，是当前温度控制的重要问题之一。在具体的应用之中，单片机的温度控制是经常被用到的，不仅是因为单片机具有控制方便的原因，另一方面还是因为单片机能够有效的满足产被控温度的指标。因此，基于单片机的温度控制有着良好的前景。

1 单片机的背景

所谓单片机，就是单片微型计算机的意思。单片微型计算机是一种集cpu、rom等多种系统于一体的期间，单片微型计算机拥有体积小、功能强大、便于控制等多个特点，在现代工业中可以得到良好的应用。

单片机是随着超大规模集成电路产生的，由于他的诸多特点，能够有效改善劳动条件，并防止产生事故，能够带来更高的经济效益。因此，基于单片微型计算机的温度控制已经得到了国内外的重视，并受到了广泛的关注。

2 如何实现温度控制

2.1采用纯硬件闭环控制系统

纯硬件闭环控制系统拥有速度快的特点，但其可靠性和控制精度都比较低。此外，纯硬件闭环控制系统安装不便，线路复杂，要实现题目的要求难度比较大。

2.2 FPGA/CPLD或采用带有IP内核的FPGA/CPLD的方式

这种方式的重点在于，采用FPGA/CPLD的方式，进行采集、显示等功能。有点在于其结构紧凑，可以实现复杂的控制，此外操作方便。但FPGA/CPLD成本比较高，且调试复杂。

2.3单片微型计算机以及高精度温度传感器结合的方式

首先采用单片微型计算机来完成控制系统以及信号分析，随后采利用搞极端的温度传感器来完成信号的采集。利用单片微型计和高精度温度传感器结合的方式，能够有效的避免前两种方法的缺点。因此，该文采用单片微型计算机进行对温度的控制。

3 单片机的选择与系统框架

3.1单片微型计算机的选型

单片微型计算机的选择是非常重要的，为了要满足大内存、价格便宜的要求，该文采用51单片机作为主要的控制芯片。1）具有4KB的芯片可变成Flash存储器128字节内科随机读写存储器；2）指令集和51单片机可以与Intle公司实现兼容；3）时钟的频率应该打到0～33MHz；4）包含32个输入引导以及2个计数器，此外还应有2个数据指针；5）含有6个2级优先级，另外还应有6个中断源；6）具有先进的通信接口。

3.2传感器选择

传感器选择系统要应用DALLAS公司生产的传感器DS18B20采集数据，DS18B20是新一代的智能温度传感器，在多种领域的温度测量、测控系统中有广泛的应用。DS18B20职能温度传感器的特点在于其体积小巧，并且方便接口，此外还具有传输距离远等多种特点。

3.3系统框架

系统的主要框架应包括才单片微型计算机控制模块、单片微型计算机显示模块、采集模块等5个部分。其中，数据采集模块要做实时采集数据，并将采集到的数据及时传送到单片微型计算机的显示部分以显示。而设置模块应预先设定温度，当温度过低时单片微型计算机会报出报警声；而当温度过高时，则会停止加热。

4 基于单片机的温度控制原理

作为测量温度的主要载体，传感器能够把经过自身的温度放大到电路，转换为电压信号放大到单片机的可控范围之内，然后通过转换器将其转换为数字信号，随后，通过软件将属下自信号输入到主机中。在使用单片微型计算机采集信号的时候，为了提高准确度，要在采集时进行数字滤波。与此同时，经过数字滤波，信号会转换成相应的标度，将得到的指数显示出来。除此之外，还可以将得到的数值与设定的数值进行比对，然后按照PID控制算法计算偏差，并由此得出最后的控制量。随后，通过数值来确定导通的时间，从而达到调节温度的目的。

在温度控制的环节，其初衷是为了让单片微型计算机对温度进行有效的控制，以解决温度控制的难题。面对这种情况，运用十进制来显示温度，有利于人们简单的对温度进行控制。当然，这还需要键盘提前输入控制范围，这样能够让温度控制满足需要。当实际温度不在规定范围内的时候，系统会自动调节温度，来保持稳定的温度，从而实现自动控制温度。

5 单片微型计算机温度控制系统的开发

5.1硬件电路的开发与应用

在硬件电路的开发中，经常选用单片微型计算机做主机，然后配以两路传感器开关，结合其余多种设备，就可以达到设计要求，轻松实现对温度的自动控制。当然，也可以根据实际需求，搭配键盘、显示电路等设备，以用来更好的完善系统。

1）液晶显示模块设计：在现代化仪表中，常用的显示设备有LED和LCD等。其中LED只能显示数字无法显示汉字，而LCD则可以灵活显示汉字、数字和图形，便于使用，随着技术发展，LCD的成本也正在不断降低。因此，现在的高档仪表中已经在广泛使用LCD，是否拥有LCD输出现在已经成为了重要指标。由于LCD程序复杂，用传统的语言编写方法较难修改，因此应选择C51来进行白那些程序，这样便于修改，能够达到多数应用的要求。

系统之中LED采取动态显示，能够提高性价比，并且能够为数码保证正常的工作电流，如果让数据维持一段时间，也可以进行锁存操作。

如果想要进一步提高工作效率，系统充分利用单片微型计算机中断源，采用多种方式，只对键盘按键进行反应，并进入服务器程序进行处理。

2）声光报警模块设计：光报警采用2个LED作为器件，单片机的I/O能够直接驱动LED。LED的特点是寿命长，且功效较低，适合作为报警器件。如果需求更大功率的报警器件，可以设计继电器对白炽灯的控制。声报警则用NPN型三级管完成，其构造简单，已经在很多电路中实际应用，并且声音洪亮，工作可靠。

3）串口通信模块设计：系统通信要保障操作人员控制时，PC机能够控制子程序将控制参数传递给通信程序，通信成熟按照各式组合数据，发送到缓冲区。这种心痛主要是为了实现单片机和PC机的串口通信，RS-422、RS-232等标准接口，为了保证通信，在选择时要考虑通信速度等因素。

4）双路操作切换设计：系统以转换器的输出电压经过集成后的输出电压为输出，双路选择一般而言有两个用途，一是与系统构成通路，而是当温度超出预先设定的温度范围时，可以一场控制，只要通过调节电阻器就可以人为控制，为了防止开关转换时电压引起波动，应引入稳压二级电路。

5.2软件的开发的应用

系统软件主要以C语言为主，对单片微型计算机实现各种功能。主程序对模块进行初始化，然后调用显示、读温度等模块。用循环的方式显示温度，其主要功能是负责显示温度，并负责调用各个子程序。

此后，热点测量的温度会转化为数字，在经过P11：3传送到单片微型计算机内。然后开始发挥作用，对测量的温度进行采样，并统一将温度与预先设定的温度进行比对。根据不同的结果，系统会自动调节。如果实际温度与设定温度存在差异较大，系统则会自动截断，或者通过输出指令达到修正偏差的目的；如果采集到的温度在设定的分安慰之内，那么就会按照原先设定的温度开启恢复功能。

5.3温度检测的开发与应用

热电偶传感器是经常用到的传感器。这种传感器质优价廉，并且精度很高，与其他传感器相比，整体结构较为简单，但测量范围较广，且反应较快。但是，目前其所输出的信号比较脆弱，只能识别几毫伏到几十毫伏的电压，因此，一般在进行转换的时候，首先要对信号进行处理，然后通过放大倍数的电路来得意实现。一般情况下，运用热电偶调理模板来实现这项工作，是简单操作的途径。

此外，在热点偶传感器的时候也可以采用冷不长的方法，也就是说，热电偶的问不读不在0℃的时候，其所输出电势会逐渐0℃。因此，这时要采取补偿的措施来纠正，以解决其他情况来修正处理，从而保证不变的温度。

6 结束语

基于单片微型计算机的温度控制在当前生产中非常使用，不仅可以实现对温度的控制，还能够根据设定的数值来调节温度。这种系统成本较低，精度较高，拥有可以扩展性的特点，可以方便使用者，提升生产效率，具有较好的应用前景。

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