陳振偉

(1.安徽礦業(yè)職業(yè)技術學院自動化與信息工程系，安徽淮北235000;2.淮北煤電技師學院自動化與信息工程系，安徽淮北235000)

在我國科學技術與信息技術快速發(fā)展的過程中，溫度的測量與控制在各項技術發(fā)展中顯得越來越重要.在實際溫度控制與測量的過程中，實時采集溫度，同時保證溫度數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏蚀_性，是目前溫度控制系統(tǒng)急需解決的問題.在實際操作的過程中，應用單機對溫度進行控制與采集是一種較為常見的方法.將單機應用于溫度采集與控制中，不僅僅是因為單機方便控制，更重要的是在實際操作的過程中單機具有多項的優(yōu)點，可以滿足溫度控制的各項要求.應用單機對溫度進行控制與測量，對傳輸數(shù)據(jù)的準確性具有重要影響.由此可見，在溫度系統(tǒng)控制中，單機能夠解決各種問題，具有廣闊的應用前景.

1 單片機的概述

在科學技術領域內，人們將微型計算機稱為單片機.單片機在形體構造中體積顯得比較小，但是其功能較為強大.在使用的過程中僅僅對單片機外加電源與晶振就能對數(shù)字進行處理與控制.單片機這種強大的功能與其構造有關.單片機主要由CPU、I/O、ROM以及RAM眾多接口與中斷系統(tǒng)等多個部件構成［1］.因而在現(xiàn)代工業(yè)應用中，單片機的應用前景非常廣泛.隨著超大規(guī)模集成電路技術的發(fā)展，單片微型計算機誕生并發(fā)展起來.在改善勞動條件與節(jié)約能源方面具有重大的貢獻.在技術生產(chǎn)與設備故障方面，單片機可以獲取較好的技術指標與經(jīng)濟效益.正是基于這些特點，單片機在溫度系統(tǒng)控制中的應用越來越受國內外重視.

2 控制溫度的具體操作方法

在溫度數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程中，多種因素不僅影響了溫度數(shù)據(jù)的保存，還對溫度數(shù)據(jù)的真實性造成嚴重的干擾.在此情況下，需要采取有效的措施控制溫度，保證溫度數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼鎸嵭?

2.1 應用純硬件閉環(huán)控制系統(tǒng)

這種系統(tǒng)在溫度控制系統(tǒng)中應用得最為普遍.該系統(tǒng)雖然運行速度較快，但是運行的可靠性較低，數(shù)據(jù)控制的精度方面也存在一定問題.同時該系統(tǒng)運行的靈活性較小，線路較為復雜，在調試與安裝方面存在較大的不便.在溫度數(shù)據(jù)控制方面要想解決這些問題難度較大.

2.2 FPGA/CPLD或帶有IP內核的FPGA/CPLD

該控制方法主要利用FPGA/CPLD對數(shù)據(jù)進行采集與存儲，進而將A/D功能顯示出來.同時通過IP核實現(xiàn)人機互動以及信號測量與分析等各項操作.在溫度控制系統(tǒng)中，這種控制系統(tǒng)的結構較為緊湊，通?？梢詫碗s的測量數(shù)據(jù)進行控制，在實際操作方面較為簡便，但是該控制系統(tǒng)由于較為復雜，成本有點高.

2.3 應用單片機與高精度傳感器結合的方式

這種方法主要是利用單片機在完成人機界面的基礎上，對系統(tǒng)進行控制，同時將測量的信號進行分析.該項操作主要是由前端傳感器對信號進行采集與轉換.在實際應用的過程中，這種控制方法不僅可以提高設備運行的速度以及數(shù)據(jù)的精確度，同時成本不是很高.因此，在實際應用中人們多采用單片機與溫度傳感器對溫度進行控制.

3 單片機的系統(tǒng)框架與型號選擇

將單片機應用到溫度控制系統(tǒng)中，需要選擇合適的單片機型號.同時還應當對單片機系統(tǒng)框架進行必要的分析.

3.1 單片機型號的選擇

在整個溫度控制系統(tǒng)中，單片機型號的選擇具有重要的影響.需要滿足價格實惠、內存較大、運行速度快以及具有普遍通用性等要求.本文在單片機型號選擇方面主要采用的是以AT89S51作為主控芯片的單片機.首先，該單片機的指令集與芯片引腳能夠與Intel公司生產(chǎn)的8051進行兼容.其次，該型號單片機具有4KB片內的可編程FLash程序存儲器，其中存儲器(RAM)中有128個字節(jié)可以隨機讀寫.并且在運行頻率可以達到0－33MHZ.再次，該單片機內含有32個可編程輸入與輸出引腳和2個16位定時/計數(shù)器以及2個數(shù)據(jù)指針.在數(shù)據(jù)內部含有2級優(yōu)先級與6個中斷源.最后，該單片機具有相對先進的全雙工串行通信接口.

3.2 傳感器的選擇

本文論述的系統(tǒng)主要采用的是DALLAS半導體公司生產(chǎn)的一線式數(shù)字溫度傳感器DS18B20進行溫度數(shù)據(jù)采集.DS18B20是一項全新的專門適合配置微處理器的智能溫度傳感器.該系統(tǒng)常見于工業(yè)、軍事以及民用等領域的溫度測量以及控制.該系統(tǒng)的體積雖然較為小巧，但是優(yōu)點明顯，應用接口方便，可以進行遠距離數(shù)據(jù)傳輸，并且數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏蚀_性較高.

3.3 系統(tǒng)框架

本系統(tǒng)主要包括了數(shù)據(jù)采集模塊、驅動電路模塊、溫度設置模塊、顯示模塊以及單片機控制模塊等幾部分.對溫度進行實時采集主要由數(shù)據(jù)采集模塊控制，將采集到的溫度數(shù)據(jù)傳輸?shù)絾纹瑱C，單片機對該數(shù)據(jù)進行處理之后再將其傳輸?shù)斤@示部分進行顯示.系統(tǒng)中對溫度進行預定主要由設置模塊來控制.在檢測到系統(tǒng)溫度低于設置的溫度時，單片機就會自動控制電路，啟動電路進行加熱，同時發(fā)出相應的警報聲.在溫度超過設定的溫度時就會停止加熱.由此可見，不同的組成部分對系統(tǒng)溫度的控制具有不同的作用.

4 單片機的溫度控制原理

在對溫度進行測量之后，傳感器是測量值的主要載體.溫度數(shù)據(jù)途經(jīng)傳感器將相應的信息放大到電路中［2］.在此過程中，傳感器需要將接收到的毫伏級的電壓信號，慢慢放大輸?shù)絾纹瑱C中，促使其能夠在可調控的范圍進行自由處理.在此之后通過A/D轉換器將電壓信號轉換為數(shù)字信號.經(jīng)過相應的軟件系統(tǒng)將數(shù)字信號傳輸?shù)街鳈C中.由于單片機在信號進行采集的過程中，所測量的數(shù)據(jù)必須具備較高的準確度.因此，為了提高數(shù)據(jù)的準確度需要對采樣的數(shù)據(jù)進行數(shù)組信號的過濾.經(jīng)過過濾的數(shù)字信號就會轉換成為相應的標度，進而將溫度指數(shù)顯示到LED屏幕上.除此之外，還可以將所獲取的溫度值與之前設定的溫度指標進行比較，隨后按照相應的積分分離PLD控制算法將兩者之間的偏差計算出來.通過計算就能夠獲得最終的控制值.依據(jù)輸出控制的數(shù)值確定導通的時間以及加熱的功率，進而可以對溫度環(huán)境進行有效的調節(jié).

在設計整個溫度控制系統(tǒng)的過程中，其最初的想法就是促使單片機對溫度進行有效的檢測與精準的控制.利用十進制的數(shù)碼將實際的溫度值顯示出來.但是，如果系統(tǒng)在控制溫度方面僅停留于此，還不能達到很好的效果，還需要在系統(tǒng)中提前將人工設置的溫度范圍輸入進去，將溫度保持在人們設定的范圍內.如果實際溫度并沒有在設定的范圍內，系統(tǒng)就會自動啟動相應的溫度調節(jié)功能.這樣可以保證在設定的溫度范圍內，保持溫度的穩(wěn)定性，實現(xiàn)控制溫度的目的.

5 單片機溫度控制系統(tǒng)的開發(fā)與實現(xiàn)

5.1 硬件系統(tǒng)的開發(fā)與實現(xiàn)

在硬件系統(tǒng)開發(fā)的過程中，通常都會選擇單片微型計算機作為其主機，隨后對該主機配以相應的傳感器開關.通過多種設備的綜合應用，進而可以實現(xiàn)設計的各項要求，實現(xiàn)對溫度的自動控制.在此項開發(fā)技術的過程中需要依據(jù)系統(tǒng)的實際要求，將鍵盤和顯示器等相關的設備搭配在內.通過這種方法可以更好地完善系統(tǒng)功能.

首先是液晶顯示器的設計.現(xiàn)代儀表的設計主要采用的是LED和LCD.LED在現(xiàn)實中不能將數(shù)字顯示出來，LCD可以靈活地顯示數(shù)字與圖形和漢字.在科學技術不斷發(fā)展的過程中，LCD的使用成本逐漸降低.因而在高檔儀表設計中已經(jīng)開始廣泛應用LCD.但是由于LCD程序較為復雜，傳統(tǒng)的語言編寫很難修改［3］.因此就選擇C51來處理相應的程序，這樣對修改具有重要的幫助，可以達到多項數(shù)據(jù)共同應用的要求.

其次是聲光報警設計.報警模塊的設計會使用2個LED器件單片機的I/O，可以直接驅動LED.LED不僅壽命較長，同時功效較低，比較適合報警器件.如果系統(tǒng)需要相對較大功率的報警器件，可以設計繼電器對白熾燈進行控制.

再次是串口通信的設計.系統(tǒng)的控制人員要保障系統(tǒng)通信，PC機可以控制子程序，將相關的數(shù)據(jù)傳輸給通信程序，通信程序按照數(shù)據(jù)的組合發(fā)送到各個區(qū)域.

最后就是雙路操作切換的設計.雙路選擇通常有兩個用途，與系統(tǒng)通路和控制溫度的范圍.通過此兩項功能，可以穩(wěn)定電壓.

5.2 軟件的開發(fā)與實現(xiàn)

系統(tǒng)在應用軟件的過程中，主要采用的是C語言.C語言可以實現(xiàn)單片機的各項功能.單片機的主程序對模塊進行初始化操作，隨后將讀取的溫度數(shù)據(jù)進行處理，將處理好的溫度數(shù)據(jù)傳輸?shù)斤@示器和鍵盤上.在此程序操作的過程中主要采用循環(huán)查詢方式控制和顯示溫度.而單片機的主程序主要負責實時顯示溫度，并讀出數(shù)據(jù)，處理AT89S51測量系統(tǒng)的當前溫度，并將溫度調用到各個程序中.在此項操作之后，熱電偶測量的溫度值就會將模塊式的數(shù)據(jù)轉換為電路數(shù)字，經(jīng)過P11∶3將數(shù)據(jù)傳送到單片機中.這樣的數(shù)據(jù)通常都會在10秒的間隔，在此過程中時間自動中斷，系統(tǒng)就會發(fā)揮出其應有的作用，將實際采集到的溫度數(shù)據(jù)進行集中，并將其與之前已經(jīng)設定好的溫度數(shù)據(jù)進行比較，控制系統(tǒng)依據(jù)比較結果進行自動調節(jié).實際的測量數(shù)值與設定的數(shù)據(jù)之間有一定差值的情況下，自動執(zhí)行控制系統(tǒng)就會生效，或者可以通過相應的指令來修正這兩者之間的差距.當然，如果實際測量數(shù)值與設定的數(shù)值之間不存在差距，那么系統(tǒng)就會按照原先設定好的溫度值開啟系統(tǒng)的恢復功能.由此可見，軟件的開發(fā)與實現(xiàn)需要依據(jù)設定值進行.

5.3 溫度檢測的開發(fā)與實現(xiàn)

熱電偶傳感器是系統(tǒng)中經(jīng)常用到的傳感器.系統(tǒng)中所使用的熱偶傳感器價格低廉，精確度較高，相較于其他的傳感器，結構雖然較為簡單，但是測量的范圍非常廣泛，并且在應用中具有速度較快的優(yōu)勢.目前，在實際應用中的熱偶傳感器電壓信號普遍較弱.在實際應用中只能識別幾毫伏到幾十毫伏之間的電壓.因而在AID轉換的過程中，必須對信號進行相應的處理，隨后使用放大倍數(shù)的電路在AID轉換器中實現(xiàn).通常情況下，將熱偶傳感器應用在系統(tǒng)中實現(xiàn)溫度控制，操作較為簡單，途徑較為便捷［4］.但是，另外有一個值得人們思考的問題:在使用熱偶傳感器的過程中需要采用冷端補償?shù)姆椒?即在熱偶傳感器溫度較低的時候，熱偶傳感器就會將輸出的電勢偏離冷端溫度較低的溫度數(shù)值.因而，在此種情況下，必須采用冷端補償?shù)姆椒▉砑m正此項操作中溫度較低的問題，進而保證所提供的溫度保持不變.

6 結語

在工業(yè)溫度控制系統(tǒng)中，單片機具有重要的影響.其不僅可以對溫度進行實時控制與精度的測量，還能夠通過提前設定的方法對溫度進行調節(jié)，應用前景較為廣闊.

［1］黎步銀，沈茂盛，黃兆祥，等.張平川基于單片機53F9454多通道溫度檢測模塊的設計［J］.儀表技術與傳感器，2009，(11):25.

［2］張玉偉，姚紅玲.基于STC單片機的煤礦智能溫濕度控制器的設計與實現(xiàn)［J］.煤炭技術，2013，(11):58－59.

［3］劉亞利，敬嵐，喬衛(wèi)民，等.基于MSP430F149型單片機的智能溫度控制系統(tǒng)［J］.計算機工程與設計，2013，(6):1062－1065.

［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，2012，(24):117－118.