基于单片机的温度控制系统的设计

熊浚儒 何文孝

摘  要：该文在详细分析单片机应用于温度控制系统可实现功能及其工作原理后，提出一种合理的应用方法，使得将单片机应用于温度控制系统中成为可能。同时结合传感器理论分析研究单片机的实际应用，给出了系统总体框架，并对该温控系统实际运用的有效性进行研究并详细讲述基于单片机温控系统的设计方案和软硬件实现方案。

关键词：软硬件  传感器  温控  应用  检测  单片机

中图分类号：TP273                                 文献标识码：A                          文章编号：1672-3791（2019）04（c）-0016-03

Abstract： After analyzing the application of single-chip microcomputer in the temperature control system and its working principle in detail，this paper make a point of an application method which makes it possible to use single-chip microcomputer in temperature control system .We combined the sensor theory and the practical application of single-chip microcomputer organically， then the overall frame of the system is given. This paper studies the effectiveness of the actual application of the temperature control system and describes in detail the design scheme and the realization scheme of the hardware and software based on the single chip microcomputer temperature control system.

Key Words： Software and hardware; Sensor; Temperature control; Application; Detection; Single chip microcomputer

科學技术的发展日新月异，科技的进步推动社会进步的同时也推动着测量技术的发展。随着航天，医学，生物等领域的发展进步，社会生产对温度测量控制的精度和范围的要求也越来越高。其中，由于单片机设备具有反应灵敏、精确度高、工作环境适应性强、能量转换效率高的特点，所以基于单片机的温度控制系统在温控领域尤为瞩目。这种以单片机作为温度控制系统的核心，以温度传感器作为检测基础的设计，能够有效提高温度控制系统的性能和效率。该系统的可靠性能能够保证实时温度，确保达到高效持续生产的目的。

1  基于单片机的温度控制系统的功能及工作流程

1.1 基于单片机的温度控制系统的功能

基于单片机的温度控制系统中单片机发挥主要作用，单片机完成信号测量解析，界面显示，设备控制等功能。在对控制功能进一步细分时能够发现在每一个功能模块中参与者和参与部件都具有不同作用，其中前端温度传感器完成信号的采集与转换，预设标准温度上下限以作为温控系统自动调节的标准，保证生产所需的标准条件。

1.2 基于单片机的温度控制系统的工作流程

温控系统反应流程主要包括以下3个部分：

实际温度测量：温度信息经由传感器捕捉到后解析转换成电压信号，传感器内部自我调节并放大电压信号，并将其控制到处理范围内。同时，信号经过数字滤波，逐渐转换成数字信号，以此显示温度值。

比较：实际检测温度值与预设标准温度比较。

温度调节：通过输出控制量的数值，来进行导通时间及加热功率的优化，从而调节温度环境。

流程图如图1所示。

2  系统总体设计

在日常生产中，保证温度在一定范围内变化且不震荡并且保持良好运行是对温度控制系统的主要要求，其中系统中数据交互的快速性需得到保证。对基于单片机的温度控制系统的设计过程和实现方案可扼要归纳为：温度传感器对场景实际的温度采样收集并将其转换为模拟信号（analog signal），经Low-pass filter去噪，过滤传递过程中存在的干扰信号，随后放大器将信号放大送至模/数转换器，将转换成功的数字信号输入单片机，单片机通过对继电器的控制来对加热设备和排风设备进行控制，使温度始终在预置的温度控制范围之内。

系统主要包括5个部分，分别是：单片机控制设备，温度采集模块，温度设置及存储模块，数据显示模块，驱动电路模块。系统总体框架如图2所示。

3  软硬件实现方案

3.1 硬件电路的开发与设计

在硬件电路设计中将单片机看成整个系统控制设备的主机，与电路板，元器件等必要设置有效组合，集成温度检测及控制电路。利用调节阀结合对应转换器等操作设备，形成控温电路，能有效达成检测和调节温度的作用，也可以轻松达成对场景环境温度自动控制的目的。还可以结合内外部环境对温度的需求不同，自行增加键盘、显示应用与报警系统等设备。

3.2 软件程序设计与应用

计算机语言是操作系统中核心的交流媒介，其中桌面平台软件的编写主要使用C语言，C51语言则运行于单片机平台。开发时将主程序模块化，并使用編程语言串联各模块并移植LCD显示驱动。

主程序的主要功能有程序检测温度、实时显示、读取、处理等。

具体功能实现包括如下几个。

（1）控制芯片通过温度传感器监测当前温度值，同时调用各子程序有效配置软件，达到性能优化的目的。

（2）系统比较各个时段的检测结果，对比较结果进行自动调节控制。若实际测量温度与预置温度出现一定程度的偏差，系统根据具体情况采用不同措施调节偏差，以期达到预期目的。

其中主程序会对以下5个子程序进行调用。

LCD显示程序：实时显示温度及其他数据。

温度采集程序：读取传感器所采集到的现场温度，并输入到指定的数组中。

按键监测处理程序：实现预置数据、监测数据、处理数据时的按键识别，完成按键输入等相关操作。

温度越界判断程序：将实时温度与预置温度限值比较，若温度越界，并且当温控系统处于开启状态时，启动对应设备实现加热和制冷效果。

外置存储器读取程序：存储和调用预先设置的温度标准。

4  Proteus仿真

Proteus设计平台集成了电路仿真、PCB设计和虚拟模型仿真等软件。相较于其他单片机仿真工具，它的突出优势在于除了对单片机中央处理器的工作情况仿真外，还能最大程度模拟还原外围元器件间所需的硬件电路情况，甚至单独模拟无单片机环境下的电路情况。利用Proteus软件对该温控系统器件及电路进行模拟仿真。Proteus仿真如图3。

5  结语

目前基于单片机的温度控制系统研究是温控领域一个比较成熟的方向，在实际生产生活中应用广泛。它的应用不仅可以实现温度的精确测量以及实时温度的监控，还可以预先设置温度上下限值用以调整系统输出量。同时系统本身具有设计简单，性能稳定，可靠性高，系统移植性强的特点，能极大的降低生产成本，具有一定的工程价值。

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