基于单片机的温度控制系统的研究与实现

高 敏

(江苏商贸职业学院 艺术与电子信息学院, 江苏 226011)



基于单片机的温度控制系统的研究与实现

高 敏

(江苏商贸职业学院 艺术与电子信息学院, 江苏 226011)

在工业生产中，很多重要环节对温度的控制越来越高，在实际的温度控制操作中，需要对相关环节的温度做好快速的采样和有效的分析，以保证数据的精确，并做好温度的控制工作。当前的温度控制多由单片机来实现，因此本文着重介绍单片机相关知识，包括单片机的类型选择、单片机的框架结构以及单片机的温度控制原理等，并简单介绍单片机的温度控制系统。

单片机; 温度控制系统; 控制原理; 研究与实现

前言

随着社会经济的逐步发展，工业生产过程中对一些生产条件也变得日益严苛，在对温度的测量和控制方面也是如此。在测量和温度控制的具体过程中，该如何做到准确且实效的测量，并在测量的同时对温度进行有效的控制，是工作中比较重要的课题。其当前最主要的检测和控制手段就是单片机。使用单片机对温度进行控制，不仅在操作上比较简便，还能最大程度地满足工业生产中的温度技术指标，能在很大程度上保证产品质量，因此其应用前景相当广阔。

一、单片机及其研究背景介绍

单片机是指单片微型计算机，其包括了CPU芯片、ROM只读存储器、RAM随机存取存储器、I/O输入输出端口和中断系统等多个部件。单片机的体积很小，但是功能却很强大，只需要通过接入外加电源和晶振，就可以有效地对信息进行处理。因此，其被广泛地应用于现代工业生产中[1]，在对能源的利用上面有着很好的提升效率的作用，并能改善劳动的条件，降低生产和设备的事故发生率，对安全节能生产工作有着很好的促进作用。

二、单片机的类型选择及其系统框架结构设计

(一)单片机类型选择

在整个温度控制系统中，单片机的类型选择有着至关重要的作用。其需要满足运算速率快和内存高要求，并且需要将成本因素和通用性等因素加以考量。本文选取51单片机作为系统开发的控制主芯片进行参考。在生产过程中，51单片机是当前最主要的温度控制芯片[2]，其指令集与芯片引脚可以兼容英特尔的8051单芯片微控制器；而且其具有4KB可编程程序处理器以及128RAM随机存取存储器，再结合先进的串行通信借口，使其能十分高效地完成温度的控制。

(二)选择传感器

目前的温度控制系统最常用的一线式数字温度传感器是DSI8B20,其是由美国著名的半导体公司达拉斯半导体公司所生产。这款传感器可以快速地采集数据，是专门用于适配为处理器的智能温度传感器，由于具有体积小、传输速率高等特点，在各个行业都得到了广泛的应用。

(三)系统框架结构的设计

通常情况下，温度控制系统是按照其运作过程来划分模块的，主要包括五个部分，即数据的采集模块、单片机控制模块、温度的设计模块、显示模块以及驱动电路。其中，数据采集模块能够对温度数据进行实时地采集，然后将采集到的数据传输到单片机中；单片机控制模块则负责处理接受到的信息并传送到显示模块上，通过显示与温度设计模块则可以进行温度值的设定。若出现实时温度低于设定温度的情况，单片机中的驱动电路就会预警，同时执行加热操作；若实时温度高于设定温度，控制驱动电路就会停止加热，从而使系统能够合理有序地运行。

基于单片机的温度控制系统的框架结构见图1。

数据的采集模块温度的设计模块单片机控制模块显示模块驱动电路

图1 基于单片机的温度控制系统的框架结构

三、关于单片机的温度控制原理分析

传感器是单片机对温度进行控制的重要载体。传感器可以将温度信息放大到电路上，并将之转换成为毫伏级别的电压信号，再将其放大到单片机可处理的范围，以便于单片机对信息的处理；再将以电压形式存在的信号经A/D转换器转变成数字信号传输到主机[3]，这样就完成了对温度的采集工作。同时，在采集相关信号的过程中，需要在采样的时候进行信号的数字滤波操作，这样能将相应的信号转换成相对应的标度，便于温度指数在LED中的显示，也能提高测量的准确度。还可以提前设定温度值，再将此温度值与采集到的温度数值进行对照，应用积分分离的PID算法，进行两者的偏差分析，这样能得到最终的输出控制量值，输出控制量的得出，能使导通时间和加热功率的确定更加准确，对温度环境的有效调节也有很大帮助。这个过程表示在图2中。

原始温度信息温度传感器A/D转换数字滤波LED显示

图2 温度采集及显示流程

对温度控制系统的规划和设计，是为了有效、实时且精准对温度实施控制，只有完成了这一步，才能将其应用在工业生产中和生活中。一般情况下，温度数值是使用十进制数码进行显示的，这能很大程度提升实时监测工作的便利性。同时，还要对温度范围进行提前的设定输入，这样就能保证温度不在设定范围内时的自动控制，以便于维持温度的稳定。

四、单片机温度控制的具体实操方法

在温度传输的过程中，许多因素会对温度的保存造成不良影响，会对温度数据真实性造成干扰[4]。因此需要采取相应的措施，避免上述情况的发生。

(一)单片机与高精确度的传感器结合使用

单片机对温度系统能进行有效的控制，它能建立起人机操作界面，同时对系统进行有效的控制，还能分析和处理数据信号信息。通过前端安装高精度的传感器，提高了信号采集的精度和效率，因此被广泛地采用。

(二)纯硬件式的闭环控制系统

这种系统的最大优点就是速度快，在生产过程中，纯硬件式的闭环控制系统的应用，能提高温度测量的效率，控制的时间就会相应缩短。但其对温度测量的精确度会有所降低。而且，纯硬件式的闭环控制系统中的线路一般都比较复杂，安装和调试难度较高，对操作也提出了较高要求。因此，虽然使用纯硬件式的闭环控制系统速度较快，也能保证温度的实时测量，却无法保证精度，调试难度也大，故此种方法无法在实际的生产活动中得到大面积的推广使用。

(三)人机交互信号的测量工作

单片机对温度系统的控制过程中，使用FPGA/CPLD来执行温度的采集及显示工作，可以实现A/D功能。再通过IP核来完成人机交互以及信号检测分析工作。这种方法对温度的控制，其系统结构就比较紧凑，对诸多复杂的情况也能进行有效的检测控制，更为重要的是，其操作也十分便捷。不足之处则表现为调试过程复杂，成本较高，性价比优势不明显，所以普通企业往往不会选择这种方式。

五、单片机温度控制系统的深度开发与应用

单片机温度控制系统是一整套的系统，包括软件、硬件的各个方面及温度检测系统的开发。只有做好各个方面的系统开发[5]，才能对整套的单片机温度控制系统有所助益，并提高整个单片机温度控制系统的效率，降低其成本，使单片机温度控制系统得到更大的发展，并将之作更加广泛的推广和应用。单片机温度控制系统的深度开发与应用主要包括硬件方面、软件方面和温度检测系统开发这三个方面：

(一)硬件系统的开发与应用

开发硬件系统的过程中，最常见的方法是选择单片微型机作为主机的方式，其后在主机上配置相应的传感器开关。将多种设备进行综合地应用与设计，就能符合设计的各项要求，进而完成对温度的自动控制。在自动控制技术的开发过程中，要根据系统的实际需要来进行，如根据实际需要配置键盘和显示器等设备。这种方法能更好地完善系统功能。

第一，配合做好液晶显示器的设计工作。LED 和LCD的液晶显示器被广泛地采用于现代仪表的设计之中。 LED的液晶显示器在现实中不能将数字显示出来，这是一个需要注意的问题。LCD液晶显示器就能比较灵活地显示数字、汉字与图形，但成本较LED高得多。不过科技在不断发展，这也使得LCD生产成本不断降低。因此许多高档仪表设计中已经开始广泛地使用LCD显示器了。

另一方面，LCD 的程序比较复杂，传统语言的编写难度很高。所以在编写上会选择C51来处理程序，为修改方面提供了极大便利，也因此可以完成多项数据的共同应用。

LED和LCD显示器的对比见表1。

表1 LED和LCD显示器的对比

第二，声光报警设计方面。报警模块的设计中，一般会用到2个LED器件单片机的I/O，以便于直接驱动LED显示器。由于LED显示器功效较低且寿命较长，所以被广泛应用于报警器件之中。针对较大功率的报警器件，可通过设计继电器来进行控制。

第三，串口通信设计方面。控制人员若要保障系统通信工作的正常有序，则需要利用PC机对相关子程序进行控制[6]，从而使相关数据传输到通信程序中，通信程序进一步按照数据的组合将之发送到各指定区域，进而完成设计要求。

最后，是双路操作的切换设计。双路操作的切换设计是为稳定电压所做的。

(二)软件方面的开发与应用

C语言是主要的软件应用语言，贯穿于系统应用软件的整个编写过程中。单片机的各项功能都需要C语言的编程操作来实现。首先，单片机的主程序会进行初始化的模块操作。然后，分析处理读取到的温度数据。最后，将处理完成的温度数据输送到显示器和键盘上。这个过程中，采用循环查询方式控制并显示温度。

实际的应用过程中，主程序需要进行实时的温度显示和读取，并对AT89S51 测量的当前温度进行相应处理，与此同时，将温度数据在各子程序中进行调用。然后，将热电偶测量的温度值转换成电路数字传送到单片机中。每隔10秒钟，时间控制系统将自动中断重启，系统就会将实际采集到的温度数据集中，并与之前设定好的温度数据进行对比，根据结果，控制系统会进行一定程度的自动调节。当设定数据与实际测量的数值存在一定范围的差值时，就会启动自动执行控制系统。如果有其它的指令，也可以通过相应的指令修正设定数据与实际测量数值之间的差距。若是设定与实际测量值没有差距或者差距相当小，系统就会按预先设定好的温度值开启系统恢复功能[7]。由上述的步骤可以看出，设定值在软件的开发与应用中是十分重要的。

(三)温度检测的开发与应用

温度检测一般使用热电偶传感器，它是目前应用最广泛的一种传感器。热偶传感器的造价比较低廉，且其精确度比较高。虽然热电偶传感器的结构较其它传感器要简单得多，但热电偶传感器的测量范围却十分广泛，在具体的应用过程中，热电偶传感器的速度也相对较快。

不过，热偶传感器的缺点也很明显，那就是其在实际应用中电压信号较弱。热偶传感器对电压的识别以毫伏和十毫伏计，因此在转换AID的过程中，可对信号进行相应处理，然后需要在AID转换器中使用对其放大倍数的电路。这样可以对上述问题进行弥补。

系统中用以实现温度控制的热偶传感器操作一般比较简单[8]。但需要注意的是：在热偶传感器的使用过程中，热电偶传感器是具有冷端补偿功能的。所谓冷端补偿功能，就是指热偶传感器的温度在相对较低的时候，热偶传感器的输出电势就会出现偏离冷端温度较低的数值。这种情况下需要采用冷端补偿的方法来纠正，及时有效地修正温度控制系统的问题，才能使温度保持恒温不变。

六、结语

单片机的温度控制系统在当前的工业生产和生活中的应用已经相当广泛，单片机的温度控制系统在目前的工业生产当中，实用价值也比较高。在工业生产中应用单片机的温度控制系统，能有效地对环境温度进行精确的检测和有效的控制，系统的应用成本低廉、效果突出，不仅准确度较高，操作人员在查询与控制上也十分便利。对企业生产效率的提高，促进制造生产行业的发展具有十分重要的作用，对实现现代化生产也具有十分重要的作用。基于单片机温度系统的开发和设计也将不断地持续改进下去。

[1] 张星梅,周玉成,闫承琳,侯晓鹏,徐佳鹤,安源. 基于单片机的人造板连续平压热压机分布式温度控制系统的开发[J]. 木材工业,2012,05:14-18.

[2] 侯凡,赵宇. 基于MSP430单片机的高压电力设备温度在线监测系统[J]. 工业控制计算机,2007,03:57-58+60.

[3] 朱奕丹,倪浩如. 基于单片机控制的高精度多点温度检测显示系统[J]. 自动化仪表,2008,08:58-61+64.

[4] 赵娜,宋文爱. 基于MSP430单片机的温度和瓦斯报警系统的设计[J]. 仪表技术与传感器,2008,08:49-50+60.

[5] 李建伟,李慧琴,刘军. 基于C8051F020单片机的模糊PID温度测控系统设计[J]. 机电产品开发与创新,2006,06:127-128.

[6] 陈名鑫,张文威. 基于AT89S52单片机的多路温度监测系统的设计与实现[J]. 中国医疗设备,2013,03:46-49.

[7] 冯为蕾,雷卉,刘玉县,刘关玉,蔡志岗. 基于PID算法和ATmega16单片机的温度控制系统[J]. 仪表技术,2010,12:44-46+49.

[8] 刘晓春. 基于单片机、温度传感器的温度智能控制系统的设计[J]. 电子世界,2011,09:24-25.

(责任编辑 夏侯国论)

Temperature Control System: Based on Single Chip Microcomputer

GAOMin

(School of Arts and Electronics,Jiangsu Commerce and Trade Career Academy, Jiangsu 226011, China)

In industrial production, requirements over temperature control are more than before. In reality, when operating temperature control, the sampling and effective analysis should be done very fast in order to ensure the accuracy of data. At present, the temperature is controlled normally by single chip microcomputer (SCM). Therefore, this paper focuses on the introduction of SCM related knowledge, including MCU type selection, frame structure and single chip temperature control principle, and the SCM temperature control system, etc.

single chip microcomputer; temperature control system; principle of control; research and implementation

2016-06-19

移动图书馆信息服务体系评价研究(SY2015122104)

高 敏，女，江苏商贸职业学院艺术与电子信息学院讲师。

TP273

A

1674-0408(2016)04-0026-04