单片机温度控制系统方案的分析

薛飞

摘 要：温度是影响人们生活的一个重要方面，近年来，随着电子工业的快速发展，数字仪表的反应越来越快。传统的加热炉一般均采用动圈式调节炉温，但是这种调节方法的精确度不高，并且适用适用范围比较狭窄。针对当前问题，技术人员研发出一种新工艺，即单片机温度控制系统。该文主要分析单片机温度控制的方法，针对系统的数学模型进行分析，提出温度控制的最佳状态空间方程，并结合实践研究给出通过调节参数达到目标温度的控制方案，为相关系统的应用和研究提供重要的调节参数，使方案更加具有实用性，提升整近年来，随着电子技术和计算机技术的不断发展，微机测量和控制技术也得到快速发展，并且随着工业产业的不断发展，在实践中的应用也越来越广泛。而微型测量技术作为重要的温度控制工艺，在工业控制中发挥着重要的作用，尤其是冶金、化工和石油等工业实践生产活动中，能满足生产对精度和温度等方面的高度要求。而在实践应用中，不同的温度控制工艺和设备，其采用的测温元件和测温方式不同，在具体实际操作中，要确定科学可行的控制方案，下面将针对可行性方案开展详细的论述。

1 单片机温度控制系统构成

传统的加热炉一般采用多箱式电阻炉，加热炉的温度一般<1000℃；温度测量采用镍铬—镍硅热电偶方法，将无接触双向晶闸管作为接触器，但是在实际加热的过程中，温度间频段的断断续续，造成很大的噪音，产生摩擦火花，从而实现微机控制。这种传统的工艺系统在实际适用中，存在明显的缺陷和不足。

而微机单片机控制系统的研发和应用是对传统系统的改造，其主要通过温度传感器检测加热炉的温度，并且反馈信号，系统采集信号。然后单片机根据系统设定的运算方法，根据电路中控制双向晶闸管的通断时间，智能的控制热炉的温度，使其稳定在设定的温度。系统构成如图1所示。

由图1可知，在系统中，单片机通过外接的LED显示能及时地反映系统的运行状态，温度控制单位和加热炉是主要的被监控对象，温度传感器和前置放大与抗混滤波器是反馈系统采集信号的重要设备。这些都是系统的重要构成部分，任何一个部分都具有其独特的功能和作用，缺一不可，共同作业，实现对加热炉的温度控制。

2 单片机系统的主要作业原理

整个控制系统中，其发挥核心作用设备是单片机，该系统中适用的单片机为高性能的微控制器，系统构成更加简单。而一般常见的单片机的型号很多，如本次研究的系统采用ATMEL-89C52单片机，根据性能的不同，选用的单片机芯片为X25045和E2PROM集成的芯片，主要用于设定温度的储存数值，保存数据，同时，利用其复位与看门狗等相关的电路技术和设备，实现对系统温度的准确控制。在整个作业过程中，单片机选用的芯片性能和作用非常关键，芯片影响着LED显示和键盘接口等功能。所以，整个系统的作业原理为：计算机输入目标温度控制数值，单片机系统开启温度控制，加热炉通过温度控制之后，将信号直接反馈到前置放大和抗混滤波器中，再次经过单片机对数据进行对比分析，检测是否与目标数值吻合，然后将最终结果通过LED显示输出，完成一次温度检测和控制作业。

3 单片机温度控制系统模型

设温度控制单元、加热炉和温度检测单位以及前置放大与抗混滤波器的传递函数分别为G1、G2、G3、G4，在一次作业惯性环节后，根据系统统计数据得知：

其中U（s）表示温度控制单元输出温度信号；u（s）表示单片机输出的控制信号；表示加热炉内的温度；u1（s）为温度传感器测量加热炉内的温度所产生的信号；u2（s）为u1（s）经前置放大与抗混滤波器后输出的信号。那么，选取其中4个节点的温度进行测量，分别为t1、t2、t3、t4，得出状态空间方程为：

其中A为系数矩阵，B为输入矩阵，可得出：

X=[]，u=u（t），最终得知，在初始时刻，温度控制单元输出的最高和最低温度分别为min和max，此时得出环境的最大加热功率。

4 单片机温度控制系统方案的确定和经济效益分析

将传统的温度控制系统与单片机控制系统进行对比，在未加单片机时，系统整体运行的速率为：1000/℃24（传统转换精度），即0.210℃，与设定的目标值0.0153℃相比，误差相差比较大。而在系统中添加以单片机为核心的温度检测设备，温度检测的精确度提升到0.0001，芯片的转换精度也由传统的24，提升到当前的216，其采样的速度也提升，可以实现并行输出。最终得出的换装量化误差为1000℃216，温度为0.0151℃，与标准温度设计相符，达到精确要求。传统与改进后系统的可行性对比详见表1。

由表1可知，通过改造后的温度检测系统，其投入总成本明显较传统系统少，节约的成本达到35.4%，并且系统温度检测的精确度明显提升，系统的转换精确由1000/℃24提升到1000℃216，整体控制精度得到明显提升，在传统的温度检测系统中添加单片机的方案具有可行性，完全能满足标准控制目标，取得满意的实践效果。

5 结语

综上所述，随着现代科研实践活动的不断深入，我国科技水平得到明显的提升，电子工业温度测量仪也在不断更新，新型的设备和仪器被研发，并投入实践产生活动中，得到人们的认可和青睐。在温度控制中采用单片机系统，是对传统系统改造的必然选择。该文通过建立数据模型得到状态空间方程，能更加准确地掌握系统数据，为合理控制提供重要的参数。实践证明，单片机系统的应用极大地提升了控制的精确度，满足了设计的标准要求，加热炉的可控制度明显提升，拓展了加热炉的适用范围，方案具有可行性，单片机控制系统具有积极的推广意义。

参考文献

[1]吕俊亚.一种基于单片机的温度控制系统设计与实现[J].计算机仿真，2012，29（7）：230-233.

[2]江绍春，包君.基于单片机的蔬菜大棚温度控制系统研究设计[J].农机化研究，2012，34（9）：150-153.

[3]吴进，刘同召，郝昕玉，等.定型烘干机温度控制系统的设计[J].机械设计与制造，2012（1）：21-23.

[4]刘小群，段旭朝，李中一，等.基于单片机的H62银钎焊温度控制系统的设计[J].热加工工艺，2013，42（15）：170-172，175.

[5]史玲.基于单片机的温度控制系统的研究与实现[J].电子制作，2014（17）：9-10.

[6]刘景艳，张素妍，郭顺京，等.基于PIC单片机的渗碳炉模糊PID温度控制系统[J].郑州大学学报：工学版，2010，31（6）：108-111，115.体控制的精确度。

关键词：单片机 温度控制系统 系统开发 功能

中图分类号：TP368.12 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）07（b）-0075-02