殷 斌

(奧托尼克斯電子(嘉興)有限公司，浙江嘉興314001)

0 引言

縱觀單片機的發(fā)展史，單片機應用的范圍也越來越廣闊，這不僅得益于它體積小、高效能等優(yōu)點，更是因為它具有較好的穩(wěn)定性和長壽命的原因，根據實驗表明，單片機可以穩(wěn)定可靠地工作十年甚至是二十年的時間。本研究總結了單片機的發(fā)展方向:第一，它逐漸朝著低電壓、低功耗的方向發(fā)展，這是電子產品的普遍發(fā)展方向，降低電壓和功耗有利于在提高單片機的運行速度的同時，延長單片機的使用壽命，也是對國家節(jié)能減排號召的最有效的回應;第二，廣泛采用低噪聲與高可靠性技術，這項技術能夠有效的提高單片機系統(tǒng)的抗電磁干擾能力，眾所周知的是電磁干擾會影響單片機的指令的響應的準確性，低噪聲與高可靠性技術可以使產品有效地適應惡劣的工作環(huán)境，以此來提高單片機在噪聲的環(huán)境下高效的響應指令，這就滿足了高標準的電磁兼容性的要求［2］。

本研究就單片機的工作原理進行概述，并且探討單片機溫度控制原理及實現(xiàn)方法，進而分析單片機的環(huán)境應用及要求和它的發(fā)展方向，這些研究對于提高單片機的功能擴展都有利好作用。

1 基于單片機的溫度控制系統(tǒng)概述

隨著單片機所應用的領域越來越廣泛，它對溫度的檢測與控制越來越引起人們的廣泛關注，因此，本研究主要探討單片機的溫度控制的實現(xiàn)方法。其中，主要探討單片機與高精度溫度傳感器結合的方式的合理性與有效性［3］。

本研究以DALLAS 公司生產的一線式高精度數(shù)字溫度傳感器DS18B20 位例闡述單片機的溫度控制系統(tǒng)的工作流程，流程方框圖如圖1所示。

圖1 單片機的溫度控制工作流程方框圖

1.1 溫度控制系統(tǒng)工作原理分析

當溫度控制系統(tǒng)開始工作時，溫度系數(shù)振蕩器開始工作，它產生出穩(wěn)定的頻率，這種頻率用于檢測高溫的情況的發(fā)生，一旦檢測到高溫狀態(tài)的發(fā)生，低溫度系數(shù)振蕩器便開始運作，它主要運用計數(shù)門對高溫進行溫度測量，先用減法計數(shù)器和溫度寄存器將已檢測到的高溫數(shù)值減到零，再用計數(shù)比較器將溫度逐步升高至控制指數(shù)范圍內，此時需要關閉計數(shù)門，隨后再在系統(tǒng)內輸入控制指數(shù)，將這個控制指數(shù)儲存到溫度寄存器中，這樣在系統(tǒng)開始運作后，一旦機器的的溫度超出控制指數(shù)，溫度系數(shù)振蕩器就會開始工作，關閉計數(shù)門后對溫度按照控制指數(shù)進行相應的調節(jié)，直到將溫度調節(jié)到控制指數(shù)之內。由此可以看出，只要計數(shù)門保持在開啟狀態(tài)，溫度控制系統(tǒng)就會持續(xù)工作，如此循環(huán)往復，就達到了將溫度控制在控制指數(shù)范圍內的目的，DS18B20 系統(tǒng)構成方框圖如圖2所示。

圖2 DS18B20 系統(tǒng)構成方框圖

1.2 基于孵化箱對溫度控制系統(tǒng)工作原理的分析

孵化箱是一種需要能夠精準地控制溫度的電子儀器，蛋類孵化的成功率的高低與孵化箱是否能夠精準的控制溫度有直接的關系，為了保證孵化的成功率，溫度控制系統(tǒng)已經在基于單片機的孵化箱中廣泛應用。此處，筆者以基于單片機的孵化箱溫度控制系統(tǒng)為例，以對孵化箱中的孵化溫度的精準控制為主要目標，來分析DS18B20 的工作原理。首先在孵化箱中圍繞蛋盤放置4 個溫度傳感器DS18B20，為了準確的記錄溫度指數(shù)，實現(xiàn)準確的溫度控制的目的，本研究將孵化室的溫度指數(shù)設置為37 ℃，將溫度指數(shù)更新頻率設置為每15 s 一次，并將這些數(shù)據完整地記錄在數(shù)據庫文件中，隨后在溫度值趨于穩(wěn)定之后再讀取這些數(shù)據。此時，本研究發(fā)現(xiàn)，當溫度指數(shù)超過所設的控制指數(shù)時，溫度指數(shù)會迅速降低到控制指數(shù)，這說明溫度控制系統(tǒng)的響應速度很快，也很精準［4］。

1.3 重點控制電路詳解及優(yōu)勢(曲線圖)

重點控制電路結構示意圖如圖3所示，在重點控制電路圖中，電流首先從一端進入傳感器，通過變壓器將電壓變小，然后通過電路的處理變?yōu)橹绷麟?，再在C1和C2處分別輸入和輸出電容來穩(wěn)定電流，實現(xiàn)重點控制的目的，以此來影響傳感器的溫度值。重點控制電路的優(yōu)勢在在于通過降低電壓和輸入電容來使在高溫情況發(fā)生時能夠迅速的響應溫度控制器的指令，這就需要提前輸入一個控制指數(shù)來穩(wěn)定可能發(fā)生的高溫情況，此時系統(tǒng)就會實現(xiàn)對溫度的自動調節(jié)，從而保持穩(wěn)定的溫度，這就實現(xiàn)了溫度控制的目的。其中，用于穩(wěn)壓的二極管VD1串接在穩(wěn)壓器的兩腳之間，能夠提高輸出的電壓，將電壓穩(wěn)定在輸出電壓和穩(wěn)定電壓值的和中，其中VD2用于保護二極管，一旦輸出電壓低于穩(wěn)壓值是，它就會將輸入的電壓導入變壓器進行變壓，待電壓恢復到輸出電壓和穩(wěn)定電壓值的和中時，VD2就會導通并輸出電流旁路，這樣做就能夠保證穩(wěn)壓器不被損壞的同時實現(xiàn)溫度控制的功能有效地運作［5-6］。

(1)修補已經磨損看不清的人行橫道，在該處人行橫道附近安裝監(jiān)控設備，提示機動車不要搶行，禮讓行人，保障行人的優(yōu)先通行權，同時提示行人不要違章過街。

圖3 重點控制電路結構示意圖

2 溫度控制系統(tǒng)的精度分析

在企業(yè)生產的過程中，為了提高生產效率、降低生產耗能，選用合理有效的控溫系統(tǒng)尤為重要?？販叵到y(tǒng)的運作效率的高低主要依靠控溫精度的準確性來實現(xiàn)，控溫精度的實現(xiàn)需要輸入準確的控制指數(shù)，在機器運轉產生高溫狀況時有效的控制溫度，將溫度降低到控制指之內，同時依靠輸入準確的控制算法來提高溫度控制系統(tǒng)的響應速度和控溫精度的準確性。無論是對于孵化箱來說，還是對于加熱爐來說，它的溫度控制系統(tǒng)都需要靠控溫精度來實現(xiàn)，只有準確地在溫度控制系統(tǒng)中輸入準確有效的控溫精度表，才能有效地將溫度控制在控制指數(shù)，控溫精度的準確性能夠有效地減少偏差，提高生產效率的同時，減少耗能，控制機器生產溫度，延長機器生產壽命，實現(xiàn)最優(yōu)生產。

該系統(tǒng)中溫度控制值為60 ℃，實際溫度范圍在60 ℃～235 ℃，實時溫度監(jiān)控實測值如圖4所示，控溫精度分析數(shù)據如表1所示，由圖4 可以看出運用溫度控制系統(tǒng)之后，在系統(tǒng)運行之初，溫度在60 ℃，后逐步升溫到235 ℃之后溫度開始下降，到6 min 后溫度下降到最初的溫度，也就是說基于單片機的溫度控制系統(tǒng)能夠有效地將溫度控制在控制指數(shù)之內。

圖4 實時溫度監(jiān)控實測值

表1 控溫精度分析數(shù)據表

3 智能控制算法對加熱爐溫度控制的應用

加熱爐是工業(yè)生產的主要耗能設備，為了解決它存在的慣性大、參數(shù)結構落后、溫度高、能耗大等缺點，提高對它的控制水平，現(xiàn)本研究對加熱爐的溫度控制引用智能控制算法，以此來分析單片機溫度控制系統(tǒng)的運作的合理性。所謂智能算法就是傳統(tǒng)的PID 控制算法與模糊控制、專家控制和神經網絡控制算法相結合的新型算法，這種新型算法解決了加熱爐滯后性嚴重的缺點，提高了它的反應效率，加速了設備運轉速度，對于工業(yè)生產效率的提高有重要意義［7］。

傳統(tǒng)PID 控制算法基本公式:

式中:U—控制值，Kp—比例系數(shù)，e(t)—控制器輸入偏差。

此處對智能算法進行簡要介紹:

3.1 模糊控制算法

模糊控制算法主要是針對加熱爐難以現(xiàn)場準確建立模擬控制結構的缺點而應用其中的，這種算法主要是根據人工控制規(guī)則組織控制決策表，為控制對象建立精確的數(shù)學模型，來輸入控制量的大小，這種算法采用的是反饋及時、運轉高效的非線性控制器，這種算法隨著這種控制器的變化而變化［8］。

基于傳統(tǒng)PID 控制算法的模糊控制算法基本公式:

式中:u—控制值，KF－P—模糊比例系數(shù)，e—控制器輸入偏差。

3.2 專家控制算法

所謂的專家控制算法，就一種將承載了大量知識儲存量的專家系統(tǒng)與常規(guī)的PID 控制算法想結合的智能控制算法，它包含一個涵蓋了全方位的知識庫的專家系統(tǒng)，這個專家系統(tǒng)可以解決這個算法運行時出現(xiàn)的依靠解析方法不能夠解決的問題，它能夠準確的采用現(xiàn)有的經驗知識解決相應問題，還能處理各種定性信息，因此而備受推崇。

專家控制算法基本公式:

式中:up(k)—控制值，y1—控制器輸出，f(k)—比例系數(shù)。

3.3 神經網絡控制算法

神經網絡控制算法，顧名思義，就是一種主要依靠模擬生物神經網絡，來獲取思維能力和學習能力，發(fā)展為學習、聯(lián)想、記憶、校對等處理能力，這種算法的實用性高、推理速度快，適合處理加熱爐溫度控制系統(tǒng)。

神經網絡控制算法:

式中:u(k)—控制值，KP—比例比例系數(shù)，e(k)—控制器輸入偏差。

4 結束語

本研究介紹了基于單片機的溫度控制系統(tǒng)的工作原理，并以孵化箱為例分析了這種溫度控制系統(tǒng)工作原理的合理性，實驗證明，當溫度達到提前存儲到溫度寄存器中的控制指數(shù)時，計數(shù)門就會關閉，溫度控制器開始運作，將溫度逐漸降低到控制指數(shù)內。同時，為了保證控溫精度，提高系統(tǒng)的綜合響應能力，筆者以加熱爐為例研究了幾種常用的控制算法，并且提出了最為適合于該系統(tǒng)的只能控制算法，該算法基于傳統(tǒng)PID 算法發(fā)展而來，吸收了現(xiàn)代算法的精髓［9］。

基于精確度的溫度控制算法的研究對于溫度控制系統(tǒng)的發(fā)展有重要意義，具有一定的工程價值。

［1］金 波，周渝曦，寧德勝，等.基于單片機的網絡型智能多點溫度控制器［J］.機電工程，2006，23(1):12-15.

［2］李新國.單片機溫度控制系統(tǒng)［J］.機電工程，2001，18(2):16-18.

［3］吳興純，趙金燕，楊秀蓮，等.智能PID 算法在爐溫度控制系統(tǒng)中的運用［J］.機電工程，2011，28(8):948-950.

［4］夏曉南.基于單片機的溫箱溫度和濕度的控制［J］.現(xiàn)代電子技術，2005(24):117-118.

［5］趙 娜，趙 剛.基于51 單片機的溫度測量系統(tǒng)［J］.微計算機信息，2007(6):146-148.

［6］陳志勇，童寶宏，張同雪，等.基于單片機AT89C51 的多功能絞肉機開發(fā)與實現(xiàn)［J］.包裝與食品機械，2014(1):38-41.

［7］劉伯春.智能PID 調節(jié)器的設計及應用［J］.電子自動化，2005(3):20-25.

［8］王忠飛，胥 芳.MCS-51 單片機原理及嵌入式系統(tǒng)應用［M］.西安:西安電子科技大學出版社，2007.

［9］王忠全.基于單片機的溫度控制系統(tǒng)的研究［J］.科技信息，2010(33):116-118.