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(jī)的發(fā)展史，單片機(jī)應(yīng)用的范圍也越來(lái)越廣闊，這不僅得益于它體積小、高效能等優(yōu)點(diǎn)，更是因?yàn)樗哂休^好的穩(wěn)定性和長(zhǎng)壽命的原因，根據(jù)實(shí)驗(yàn)表明，單片機(jī)可以穩(wěn)定可靠地工作十年甚至是二十年的時(shí)間。本研究總結(jié)了單片機(jī)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(chǎn)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(jī)的運(yùn)行速度的同時(shí)，延長(zhǎng)單片機(jī)的使用壽命，也是對(duì)國(guó)家節(jié)能減排號(hào)召的最有效的回應(yīng);第二，廣泛采用低噪聲與高可靠性技術(shù)，這項(xiàng)技術(shù)能夠有效的提高單片機(jī)系統(tǒng)的抗電磁干擾能力，眾所周知的是電磁干擾會(huì)影響單片機(jī)的指令的響應(yīng)的準(zhǔn)確性，低噪聲與高可靠性技術(shù)可以使產(chǎn)品有效地適應(yīng)惡劣的工作環(huán)境，以此來(lái)提高單片機(jī)在噪聲的環(huán)境下高效的響應(yīng)指令，這就滿足了高標(biāo)準(zhǔn)的電磁兼容性的要求［2］。

本研究就單片機(jī)的工作原理進(jìn)行概述，并且探討單片機(jī)溫度控制原理及實(shí)現(xiàn)方法，進(jìn)而分析單片機(jī)的環(huán)境應(yīng)用及要求和它的發(fā)展方向，這些研究對(duì)于提高單片機(jī)的功能擴(kuò)展都有利好作用。

1 基于單片機(jī)的溫度控制系統(tǒng)概述

隨著單片機(jī)所應(yīng)用的領(lǐng)域越來(lái)越廣泛，它對(duì)溫度的檢測(cè)與控制越來(lái)越引起人們的廣泛關(guān)注，因此，本研究主要探討單片機(jī)的溫度控制的實(shí)現(xiàn)方法。其中，主要探討單片機(jī)與高精度溫度傳感器結(jié)合的方式的合理性與有效性［3］。

本研究以DALLAS 公司生產(chǎn)的一線式高精度數(shù)字溫度傳感器DS18B20 位例闡述單片機(jī)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(jī)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(dāng)溫度控制系統(tǒng)開(kāi)始工作時(shí)，溫度系數(shù)振蕩器開(kāi)始工作，它產(chǎn)生出穩(wěn)定的頻率，這種頻率用于檢測(cè)高溫的情況的發(fā)生，一旦檢測(cè)到高溫狀態(tài)的發(fā)生，低溫度系數(shù)振蕩器便開(kāi)始運(yùn)作，它主要運(yùn)用計(jì)數(shù)門(mén)對(duì)高溫進(jìn)行溫度測(cè)量，先用減法計(jì)數(shù)器和溫度寄存器將已檢測(cè)到的高溫?cái)?shù)值減到零，再用計(jì)數(shù)比較器將溫度逐步升高至控制指數(shù)范圍內(nèi)，此時(shí)需要關(guān)閉計(jì)數(shù)門(mén)，隨后再在系統(tǒng)內(nèi)輸入控制指數(shù)，將這個(gè)控制指數(shù)儲(chǔ)存到溫度寄存器中，這樣在系統(tǒng)開(kāi)始運(yùn)作后，一旦機(jī)器的的溫度超出控制指數(shù)，溫度系數(shù)振蕩器就會(huì)開(kāi)始工作，關(guān)閉計(jì)數(shù)門(mén)后對(duì)溫度按照控制指數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)節(jié)，直到將溫度調(diào)節(jié)到控制指數(shù)之內(nèi)。由此可以看出，只要計(jì)數(shù)門(mén)保持在開(kāi)啟狀態(tài)，溫度控制系統(tǒng)就會(huì)持續(xù)工作，如此循環(huán)往復(fù)，就達(dá)到了將溫度控制在控制指數(shù)范圍內(nèi)的目的，DS18B20 系統(tǒng)構(gòu)成方框圖如圖2所示。

圖2 DS18B20 系統(tǒng)構(gòu)成方框圖

1.2 基于孵化箱對(duì)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(zhǔn)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(zhǔn)的控制溫度有直接的關(guān)系，為了保證孵化的成功率，溫度控制系統(tǒng)已經(jīng)在基于單片機(jī)的孵化箱中廣泛應(yīng)用。此處，筆者以基于單片機(jī)的孵化箱溫度控制系統(tǒng)為例，以對(duì)孵化箱中的孵化溫度的精準(zhǔn)控制為主要目標(biāo)，來(lái)分析DS18B20 的工作原理。首先在孵化箱中圍繞蛋盤(pán)放置4 個(gè)溫度傳感器DS18B20，為了準(zhǔn)確的記錄溫度指數(shù)，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的溫度控制的目的，本研究將孵化室的溫度指數(shù)設(shè)置為37 ℃，將溫度指數(shù)更新頻率設(shè)置為每15 s 一次，并將這些數(shù)據(jù)完整地記錄在數(shù)據(jù)庫(kù)文件中，隨后在溫度值趨于穩(wěn)定之后再讀取這些數(shù)據(jù)。此時(shí)，本研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)溫度指數(shù)超過(guò)所設(shè)的控制指數(shù)時(shí)，溫度指數(shù)會(huì)迅速降低到控制指數(shù)，這說(shuō)明溫度控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度很快，也很精準(zhǔn)［4］。

1.3 重點(diǎn)控制電路詳解及優(yōu)勢(shì)(曲線圖)

重點(diǎn)控制電路結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示，在重點(diǎn)控制電路圖中，電流首先從一端進(jìn)入傳感器，通過(guò)變壓器將電壓變小，然后通過(guò)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(lái)穩(wěn)定電流，實(shí)現(xiàn)重點(diǎn)控制的目的，以此來(lái)影響傳感器的溫度值。重點(diǎn)控制電路的優(yōu)勢(shì)在在于通過(guò)降低電壓和輸入電容來(lái)使在高溫情況發(fā)生時(shí)能夠迅速的響應(yīng)溫度控制器的指令，這就需要提前輸入一個(gè)控制指數(shù)來(lái)穩(wěn)定可能發(fā)生的高溫情況，此時(shí)系統(tǒng)就會(huì)實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的自動(dòng)調(diào)節(jié)，從而保持穩(wěn)定的溫度，這就實(shí)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(hù)二極管，一旦輸出電壓低于穩(wěn)壓值是，它就會(huì)將輸入的電壓導(dǎo)入變壓器進(jìn)行變壓，待電壓恢復(fù)到輸出電壓和穩(wěn)定電壓值的和中時(shí)，VD2就會(huì)導(dǎo)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(shí)實(shí)現(xiàn)溫度控制的功能有效地運(yùn)作［5-6］。

(1)修補(bǔ)已經(jīng)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(shè)備，提示機(jī)動(dòng)車不要搶行，禮讓行人，保障行人的優(yōu)先通行權(quán)，同時(shí)提示行人不要違章過(guò)街。

圖3 重點(diǎn)控制電路結(jié)構(gòu)示意圖

2 溫度控制系統(tǒng)的精度分析

在企業(yè)生產(chǎn)的過(guò)程中，為了提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)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(yùn)作效率的高低主要依靠控溫精度的準(zhǔn)確性來(lái)實(shí)現(xiàn)，控溫精度的實(shí)現(xiàn)需要輸入準(zhǔn)確的控制指數(shù)，在機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生高溫狀況時(shí)有效的控制溫度，將溫度降低到控制指之內(nèi)，同時(shí)依靠輸入準(zhǔn)確的控制算法來(lái)提高溫度控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度和控溫精度的準(zhǔn)確性。無(wú)論是對(duì)于孵化箱來(lái)說(shuō)，還是對(duì)于加熱爐來(lái)說(shuō)，它的溫度控制系統(tǒng)都需要靠控溫精度來(lái)實(shí)現(xiàn)，只有準(zhǔn)確地在溫度控制系統(tǒng)中輸入準(zhǔn)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(zhǔn)確性能夠有效地減少偏差，提高生產(chǎn)效率的同時(shí)，減少耗能，控制機(jī)器生產(chǎn)溫度，延長(zhǎng)機(jī)器生產(chǎn)壽命，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)生產(chǎn)。

該系統(tǒng)中溫度控制值為60 ℃，實(shí)際溫度范圍在60 ℃～235 ℃，實(shí)時(shí)溫度監(jiān)控實(shí)測(cè)值如圖4所示，控溫精度分析數(shù)據(jù)如表1所示，由圖4 可以看出運(yùn)用溫度控制系統(tǒng)之后，在系統(tǒng)運(yùn)行之初，溫度在60 ℃，后逐步升溫到235 ℃之后溫度開(kāi)始下降，到6 min 后溫度下降到最初的溫度，也就是說(shuō)基于單片機(jī)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(nèi)。

圖4 實(shí)時(shí)溫度監(jiān)控實(shí)測(cè)值

表1 控溫精度分析數(shù)據(jù)表

3 智能控制算法對(duì)加熱爐溫度控制的應(yīng)用

加熱爐是工業(yè)生產(chǎn)的主要耗能設(shè)備，為了解決它存在的慣性大、參數(shù)結(jié)構(gòu)落后、溫度高、能耗大等缺點(diǎn)，提高對(duì)它的控制水平，現(xiàn)本研究對(duì)加熱爐的溫度控制引用智能控制算法，以此來(lái)分析單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)的運(yùn)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(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制算法相結(jié)合的新型算法，這種新型算法解決了加熱爐滯后性嚴(yán)重的缺點(diǎn)，提高了它的反應(yīng)效率，加速了設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)速度，對(duì)于工業(yè)生產(chǎn)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(duì)智能算法進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹:

3.1 模糊控制算法

模糊控制算法主要是針對(duì)加熱爐難以現(xiàn)場(chǎng)準(zhǔn)確建立模擬控制結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)而應(yīng)用其中的，這種算法主要是根據(jù)人工控制規(guī)則組織控制決策表，為控制對(duì)象建立精確的數(shù)學(xué)模型，來(lái)輸入控制量的大小，這種算法采用的是反饋及時(shí)、運(yùn)轉(zhuǎn)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(shí)儲(chǔ)存量的專家系統(tǒng)與常規(guī)的PID 控制算法想結(jié)合的智能控制算法，它包含一個(gè)涵蓋了全方位的知識(shí)庫(kù)的專家系統(tǒng)，這個(gè)專家系統(tǒng)可以解決這個(gè)算法運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)的依靠解析方法不能夠解決的問(wèn)題，它能夠準(zhǔn)確的采用現(xiàn)有的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)解決相應(yīng)問(wèn)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(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制算法

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制算法，顧名思義，就是一種主要依靠模擬生物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，來(lái)獲取思維能力和學(xué)習(xí)能力，發(fā)展為學(xué)習(xí)、聯(lián)想、記憶、校對(duì)等處理能力，這種算法的實(shí)用性高、推理速度快，適合處理加熱爐溫度控制系統(tǒng)。

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)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(jié)束語(yǔ)

本研究介紹了基于單片機(jī)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(shí)驗(yàn)證明，當(dāng)溫度達(dá)到提前存儲(chǔ)到溫度寄存器中的控制指數(shù)時(shí)，計(jì)數(shù)門(mén)就會(huì)關(guān)閉，溫度控制器開(kāi)始運(yùn)作，將溫度逐漸降低到控制指數(shù)內(nèi)。同時(shí)，為了保證控溫精度，提高系統(tǒng)的綜合響應(yīng)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(lái)，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(duì)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(jià)值。

［1］金 波，周渝曦，寧德勝，等.基于單片機(jī)的網(wǎng)絡(luò)型智能多點(diǎn)溫度控制器［J］.機(jī)電工程，2006，23(1):12-15.

［2］李新國(guó).單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)［J］.機(jī)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(yùn)用［J］.機(jī)電工程，2011，28(8):948-950.

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

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

［6］陳志勇，童寶宏，張同雪，等.基于單片機(jī)AT89C51 的多功能絞肉機(jī)開(kāi)發(fā)與實(shí)現(xiàn)［J］.包裝與食品機(jī)械，2014(1):38-41.

［7］劉伯春.智能PID 調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)及應(yīng)用［J］.電子自動(dòng)化，2005(3):20-25.

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

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