基于单片机的温度控制系统的研究与实现

2015-02-20陈振伟

长沙大学学报 2015年2期

陈振伟

(1.安徽矿业职业技术学院自动化与信息工程系，安徽淮北235000;2.淮北煤电技师学院自动化与信息工程系，安徽淮北235000)

在我国科学技术与信息技术快速发展的过程中，温度的测量与控制在各项技术发展中显得越来越重要.在实际温度控制与测量的过程中，实时采集温度，同时保证温度数据传输的准确性，是目前温度控制系统急需解决的问题.在实际操作的过程中，应用单机对温度进行控制与采集是一种较为常见的方法.将单机应用于温度采集与控制中，不仅仅是因为单机方便控制，更重要的是在实际操作的过程中单机具有多项的优点，可以满足温度控制的各项要求.应用单机对温度进行控制与测量，对传输数据的准确性具有重要影响.由此可见，在温度系统控制中，单机能够解决各种问题，具有广阔的应用前景.

1 单片机的概述

在科学技术领域内，人们将微型计算机称为单片机.单片机在形体构造中体积显得比较小，但是其功能较为强大.在使用的过程中仅仅对单片机外加电源与晶振就能对数字进行处理与控制.单片机这种强大的功能与其构造有关.单片机主要由CPU、I/O、ROM以及RAM众多接口与中断系统等多个部件构成［1］.因而在现代工业应用中，单片机的应用前景非常广泛.随着超大规模集成电路技术的发展，单片微型计算机诞生并发展起来.在改善劳动条件与节约能源方面具有重大的贡献.在技术生产与设备故障方面，单片机可以获取较好的技术指标与经济效益.正是基于这些特点，单片机在温度系统控制中的应用越来越受国内外重视.

2 控制温度的具体操作方法

在温度数据传输的过程中，多种因素不仅影响了温度数据的保存，还对温度数据的真实性造成严重的干扰.在此情况下，需要采取有效的措施控制温度，保证温度数据传输的真实性.

2.1 应用纯硬件闭环控制系统

这种系统在温度控制系统中应用得最为普遍.该系统虽然运行速度较快，但是运行的可靠性较低，数据控制的精度方面也存在一定问题.同时该系统运行的灵活性较小，线路较为复杂，在调试与安装方面存在较大的不便.在温度数据控制方面要想解决这些问题难度较大.

2.2 FPGA/CPLD或带有IP内核的FPGA/CPLD

该控制方法主要利用FPGA/CPLD对数据进行采集与存储，进而将A/D功能显示出来.同时通过IP核实现人机互动以及信号测量与分析等各项操作.在温度控制系统中，这种控制系统的结构较为紧凑，通常可以对复杂的测量数据进行控制，在实际操作方面较为简便，但是该控制系统由于较为复杂，成本有点高.

2.3 应用单片机与高精度传感器结合的方式

这种方法主要是利用单片机在完成人机界面的基础上，对系统进行控制，同时将测量的信号进行分析.该项操作主要是由前端传感器对信号进行采集与转换.在实际应用的过程中，这种控制方法不仅可以提高设备运行的速度以及数据的精确度，同时成本不是很高.因此，在实际应用中人们多采用单片机与温度传感器对温度进行控制.

3 单片机的系统框架与型号选择

将单片机应用到温度控制系统中，需要选择合适的单片机型号.同时还应当对单片机系统框架进行必要的分析.

3.1 单片机型号的选择

在整个温度控制系统中，单片机型号的选择具有重要的影响.需要满足价格实惠、内存较大、运行速度快以及具有普遍通用性等要求.本文在单片机型号选择方面主要采用的是以AT89S51作为主控芯片的单片机.首先，该单片机的指令集与芯片引脚能够与Intel公司生产的8051进行兼容.其次，该型号单片机具有4KB片内的可编程FLash程序存储器，其中存储器(RAM)中有128个字节可以随机读写.并且在运行频率可以达到0－33MHZ.再次，该单片机内含有32个可编程输入与输出引脚和2个16位定时/计数器以及2个数据指针.在数据内部含有2级优先级与6个中断源.最后，该单片机具有相对先进的全双工串行通信接口.

3.2 传感器的选择

本文论述的系统主要采用的是DALLAS半导体公司生产的一线式数字温度传感器DS18B20进行温度数据采集.DS18B20是一项全新的专门适合配置微处理器的智能温度传感器.该系统常见于工业、军事以及民用等领域的温度测量以及控制.该系统的体积虽然较为小巧，但是优点明显，应用接口方便，可以进行远距离数据传输，并且数据传输的准确性较高.

3.3 系统框架

本系统主要包括了数据采集模块、驱动电路模块、温度设置模块、显示模块以及单片机控制模块等几部分.对温度进行实时采集主要由数据采集模块控制，将采集到的温度数据传输到单片机，单片机对该数据进行处理之后再将其传输到显示部分进行显示.系统中对温度进行预定主要由设置模块来控制.在检测到系统温度低于设置的温度时，单片机就会自动控制电路，启动电路进行加热，同时发出相应的警报声.在温度超过设定的温度时就会停止加热.由此可见，不同的组成部分对系统温度的控制具有不同的作用.

4 单片机的温度控制原理

在对温度进行测量之后，传感器是测量值的主要载体.温度数据途经传感器将相应的信息放大到电路中［2］.在此过程中，传感器需要将接收到的毫伏级的电压信号，慢慢放大输到单片机中，促使其能够在可调控的范围进行自由处理.在此之后通过A/D转换器将电压信号转换为数字信号.经过相应的软件系统将数字信号传输到主机中.由于单片机在信号进行采集的过程中，所测量的数据必须具备较高的准确度.因此，为了提高数据的准确度需要对采样的数据进行数组信号的过滤.经过过滤的数字信号就会转换成为相应的标度，进而将温度指数显示到LED屏幕上.除此之外，还可以将所获取的温度值与之前设定的温度指标进行比较，随后按照相应的积分分离PLD控制算法将两者之间的偏差计算出来.通过计算就能够获得最终的控制值.依据输出控制的数值确定导通的时间以及加热的功率，进而可以对温度环境进行有效的调节.

在设计整个温度控制系统的过程中，其最初的想法就是促使单片机对温度进行有效的检测与精准的控制.利用十进制的数码将实际的温度值显示出来.但是，如果系统在控制温度方面仅停留于此，还不能达到很好的效果，还需要在系统中提前将人工设置的温度范围输入进去，将温度保持在人们设定的范围内.如果实际温度并没有在设定的范围内，系统就会自动启动相应的温度调节功能.这样可以保证在设定的温度范围内，保持温度的稳定性，实现控制温度的目的.

5 单片机温度控制系统的开发与实现

5.1 硬件系统的开发与实现

在硬件系统开发的过程中，通常都会选择单片微型计算机作为其主机，随后对该主机配以相应的传感器开关.通过多种设备的综合应用，进而可以实现设计的各项要求，实现对温度的自动控制.在此项开发技术的过程中需要依据系统的实际要求，将键盘和显示器等相关的设备搭配在内.通过这种方法可以更好地完善系统功能.

首先是液晶显示器的设计.现代仪表的设计主要采用的是LED和LCD.LED在现实中不能将数字显示出来，LCD可以灵活地显示数字与图形和汉字.在科学技术不断发展的过程中，LCD的使用成本逐渐降低.因而在高档仪表设计中已经开始广泛应用LCD.但是由于LCD程序较为复杂，传统的语言编写很难修改［3］.因此就选择C51来处理相应的程序，这样对修改具有重要的帮助，可以达到多项数据共同应用的要求.

其次是声光报警设计.报警模块的设计会使用2个LED器件单片机的I/O，可以直接驱动LED.LED不仅寿命较长，同时功效较低，比较适合报警器件.如果系统需要相对较大功率的报警器件，可以设计继电器对白炽灯进行控制.

再次是串口通信的设计.系统的控制人员要保障系统通信，PC机可以控制子程序，将相关的数据传输给通信程序，通信程序按照数据的组合发送到各个区域.

最后就是双路操作切换的设计.双路选择通常有两个用途，与系统通路和控制温度的范围.通过此两项功能，可以稳定电压.

5.2 软件的开发与实现

系统在应用软件的过程中，主要采用的是C语言.C语言可以实现单片机的各项功能.单片机的主程序对模块进行初始化操作，随后将读取的温度数据进行处理，将处理好的温度数据传输到显示器和键盘上.在此程序操作的过程中主要采用循环查询方式控制和显示温度.而单片机的主程序主要负责实时显示温度，并读出数据，处理AT89S51测量系统的当前温度，并将温度调用到各个程序中.在此项操作之后，热电偶测量的温度值就会将模块式的数据转换为电路数字，经过P11∶3将数据传送到单片机中.这样的数据通常都会在10秒的间隔，在此过程中时间自动中断，系统就会发挥出其应有的作用，将实际采集到的温度数据进行集中，并将其与之前已经设定好的温度数据进行比较，控制系统依据比较结果进行自动调节.实际的测量数值与设定的数据之间有一定差值的情况下，自动执行控制系统就会生效，或者可以通过相应的指令来修正这两者之间的差距.当然，如果实际测量数值与设定的数值之间不存在差距，那么系统就会按照原先设定好的温度值开启系统的恢复功能.由此可见，软件的开发与实现需要依据设定值进行.

5.3 温度检测的开发与实现

热电偶传感器是系统中经常用到的传感器.系统中所使用的热偶传感器价格低廉，精确度较高，相较于其他的传感器，结构虽然较为简单，但是测量的范围非常广泛，并且在应用中具有速度较快的优势.目前，在实际应用中的热偶传感器电压信号普遍较弱.在实际应用中只能识别几毫伏到几十毫伏之间的电压.因而在AID转换的过程中，必须对信号进行相应的处理，随后使用放大倍数的电路在AID转换器中实现.通常情况下，将热偶传感器应用在系统中实现温度控制，操作较为简单，途径较为便捷［4］.但是，另外有一个值得人们思考的问题:在使用热偶传感器的过程中需要采用冷端补偿的方法.即在热偶传感器温度较低的时候，热偶传感器就会将输出的电势偏离冷端温度较低的温度数值.因而，在此种情况下，必须采用冷端补偿的方法来纠正此项操作中温度较低的问题，进而保证所提供的温度保持不变.