呂穎利 ，張新軍

（濟源職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 濟源 459000）

在社會經(jīng)濟不斷發(fā)展的背景下，工業(yè)生產(chǎn)對溫度條件的要求越發(fā)嚴苛，加強對溫度控制系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用，具有重要的理論意義與實踐意義。單片機是目前應(yīng)用較為廣泛的溫度檢測和控制手段，加強對這類器件的研究與開發(fā)，可提升系統(tǒng)檢測溫度的精確性、便捷性、高效性，發(fā)揮系統(tǒng)對溫度的控制功能，調(diào)控溫度到合理范圍內(nèi)，滿足工業(yè)生產(chǎn)的技術(shù)要求，保證產(chǎn)品質(zhì)量，具有廣闊的應(yīng)用前景[1]。

1 單片機概述

單片機，即單片微型計算機，由CPU芯片、ROM只讀存儲器、RAM隨機存取存儲器等部件構(gòu)成，其體積通常較小，但性能卻十分強大，在接入電源、晶振的條件下，可處理一系列的復(fù)雜信息，在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，具有極為廣闊的應(yīng)用面，對其進行合理的使用，可顯著提升機械設(shè)備的運行效率，改良工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境，避免一些安全事故的發(fā)生，應(yīng)得到相關(guān)工作者的重視[2]。

2 基于單片機的溫度控制系統(tǒng)概述

2.1 單片機選擇

在設(shè)計溫度控制系統(tǒng)時，合理選擇單片機至關(guān)重要，很大程度上決定著溫度控制系統(tǒng)的性能水平。一般來講被選中的單片機應(yīng)當具有運算速率快、內(nèi)存高的特點，還應(yīng)具有一定的經(jīng)濟適用性。本次研究選擇51單片機，作為系統(tǒng)開發(fā)中用到的控制主芯片，同時這也是目前業(yè)界使用較為廣泛的一種單片機，其指令集與芯片引腳，與英特爾的8051單芯片微控制器兼容，同時包含4kB可編程程序處理器與128RAM隨機存取存儲器，能夠?qū)崿F(xiàn)對溫度的高效控制。

2.2 傳感器選擇

傳感器亦是溫度控制系統(tǒng)的重要組成部分，目前實際生產(chǎn)中較為常見的數(shù)字溫度傳感器是DSI8B20，具有一定的智能性，與處理器十分適配，可快速完成對溫度數(shù)據(jù)的采集，同時具有體積小、傳輸速率高等一系列的優(yōu)勢，應(yīng)用價值可觀。

2.3 系統(tǒng)框架設(shè)計

通常情況下，對溫度控制系統(tǒng)模塊的劃分，需結(jié)合其具體的運作過程，如可分為如下五部分：數(shù)據(jù)采集模塊、單片機控制模塊、溫度設(shè)計模塊、顯示模塊、驅(qū)動電路。其中，數(shù)據(jù)采集模塊的主要作用為采集溫度數(shù)據(jù)，單片機控制模塊的主要作用是接收數(shù)據(jù)信息，將其傳送給顯示模塊，顯示為具體的溫度值[3]。技術(shù)人員可提前為溫度控制系統(tǒng)設(shè)置溫度標準值，當系統(tǒng)檢測到實際溫度與標準值不符時，單片機中的驅(qū)動電路會發(fā)出預(yù)警信號，啟動或停止加熱操作，調(diào)節(jié)溫度，保證工業(yè)生產(chǎn)的正常進行。

2.4 溫度控制原理

單片機是溫度控制系統(tǒng)控制溫度的主要載體。系統(tǒng)中的傳感器，在接收到溫度數(shù)據(jù)后，會將溫度信息放大到電路上，并將其轉(zhuǎn)化為電壓信號，放大到合適范圍內(nèi)，之后單片機會處理這一信息，再利用A/D轉(zhuǎn)換器，將其轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，傳輸至主機，如此便完成了對溫度數(shù)據(jù)的采集與處理。此外，對信號進行數(shù)字濾波操作，也是這一過程中不可或缺的重要環(huán)節(jié)，此環(huán)節(jié)的主要目的，是轉(zhuǎn)換信號為對應(yīng)的標度，便于LED屏幕顯示溫度指數(shù)，同時提升溫度測量的精確度。對于提前設(shè)定好的溫度值，溫度控制系統(tǒng)會應(yīng)用積分分離的PID算法，比較其與采集到的溫度值的不同，進行偏差分析后，得到最終的輸出控制量值，獲得準確的導(dǎo)通時間與加熱功率，有效調(diào)節(jié)溫度[4]。

總之，合理設(shè)計單片機下的溫度控制系統(tǒng)，可通過上述工作原理，強化其工作性能，實現(xiàn)對溫度的精準控制。需要注意的是，一般情況下，溫度數(shù)值是以十進制數(shù)碼的形式顯現(xiàn)的，這提升實時監(jiān)測的便捷性。

3 單片機溫度控制的具體實操方法

在單片機溫度控制系統(tǒng)的實際運行中，來源于工業(yè)場所的多種因素，都會為溫度數(shù)據(jù)的保存帶來一定的影響，進而破壞數(shù)據(jù)的真實性，因此相關(guān)工作者有必要采取一定的措施，避免上述情況的出現(xiàn)。以下列舉幾種方法。

3.1 聯(lián)合使用高精度傳感器

可聯(lián)合使用單片機和高精確度的傳感器，提升溫度控制的精確性。一般來講在系統(tǒng)中，單片機發(fā)揮的主要作用是控制溫度系統(tǒng)，即建立人機操作界面、對數(shù)據(jù)信號信息進行分析和處理等，因此在系統(tǒng)的前端，安裝精度較高的傳感器，可提升系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)信號的精確性與效率，進而提升溫度控制系統(tǒng)的運行效率[5]。

3.2 設(shè)計純硬件式的閉環(huán)控制系統(tǒng)

相較于常規(guī)的控制系統(tǒng)，此種控制系統(tǒng)的最大優(yōu)點，是運行速度快、效率高，可顯著縮短系統(tǒng)控制溫度的時間，提升工業(yè)生產(chǎn)效率。但此類系統(tǒng)也具有一定的缺陷，即測量精確度較低，同時線路相對復(fù)雜，易為工作人員的安裝調(diào)試操作帶來不便，很難全面推廣應(yīng)用于實際的工業(yè)生產(chǎn)[6]。企業(yè)可結(jié)合自身的條件，以及溫度調(diào)節(jié)的具體需求，判斷是否選用此類控制系統(tǒng)。

3.3 測量人機交互信號

在單片機控制溫控系統(tǒng)的過程中，可使用FPGA/CPLD，采集、顯示溫度數(shù)據(jù)，實現(xiàn)A/D功能，再借助IP核，完成人機交互、檢測信號。采用此種方法設(shè)計而成的溫度控制系統(tǒng)，在結(jié)構(gòu)上相對緊湊，溫度控制效率較高，也可相對妥善地面對來自工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境的各種復(fù)雜因素，更為重要的是，在操作上也十分便捷。但此種方法也具有不足之處，即調(diào)試過程復(fù)雜、成本昂貴、性價比低等，因此中小型企業(yè)通常并不會采用此種方式設(shè)計溫控系統(tǒng)。

4 單片機溫度控制系統(tǒng)的深度開發(fā)應(yīng)用

單片機溫度控制系統(tǒng)包括軟件、硬件等一系列復(fù)雜的組成部分，涉及的技術(shù)要點相對繁多，因此在開發(fā)時，工作人員需統(tǒng)籌兼顧所有的技術(shù)要點與設(shè)計環(huán)節(jié)，最大程度上提升單片機溫度控制系統(tǒng)的性能水平，利用其更好地助力實際的工業(yè)生產(chǎn)。此外，通過合理的手段，降低溫控系統(tǒng)的研發(fā)成本亦很有必要，可提升溫度控制系統(tǒng)的經(jīng)濟適用性，擴大其在實際生產(chǎn)中的應(yīng)用面。以下主要從硬件、軟件與溫度檢測系統(tǒng)三方面，討論對溫控系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用。

4.1 硬件系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用

將單片微型機用作主機，是開發(fā)溫度控制系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)主要方式之一，在采用此種方式的前提下，研發(fā)者需為主機配置相應(yīng)的傳感器開關(guān)，對多種設(shè)備以及元器件進行綜合設(shè)計，保證溫度控制系統(tǒng)的整體性能與工作細節(jié)能夠符合要求，利用其實現(xiàn)對溫度的合理控制。在這一過程中，不可或缺的是對自動控制技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用，研發(fā)者需充分考慮溫度控制系統(tǒng)的實際特點，在此基礎(chǔ)上，合理安排對鍵盤、顯示器等設(shè)備的配置，逐步完善溫度控制系統(tǒng)的功能細節(jié)[7]。以下從液晶顯示器、聲光報警模塊、串口通信三方面探討對溫控系統(tǒng)硬件的設(shè)計。

4.1.1 液晶顯示器設(shè)計

目前LED與LCD的液晶顯示器，在現(xiàn)代儀表設(shè)計中具有極為廣闊的應(yīng)用面。在實際應(yīng)用中，LED液晶顯示器通常無法明確地顯示數(shù)字，因此在設(shè)計溫控系統(tǒng)硬件時，設(shè)計者應(yīng)重點關(guān)注這一點，盡量采用能夠靈活顯示數(shù)字、漢字與圖形的LCD液晶顯示器來設(shè)計，但后者的成本也相對高昂。不過，近年來隨著科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展，LCD液晶顯示器的價格也在日益降低，相信溫控系統(tǒng)設(shè)計對此類顯示器的應(yīng)用會越發(fā)增多。但需要注意的是，相較于LED液晶顯示器，LCD液晶顯示器在程序編寫上較為復(fù)雜，傳統(tǒng)語言的編寫難度很高，因此研發(fā)者可采用C51處理程序，進行對程序的編寫與修改，協(xié)調(diào)應(yīng)用多項數(shù)據(jù)，提升溫控系統(tǒng)的設(shè)計效率。LED與LCD液晶顯示器的對比如表1所示。

表1 LED與LCD液晶顯示器對比

4.1.2 聲光報警設(shè)計

對報警模塊的設(shè)計，通常需用到兩個LED器件單片機的I/O，以直接驅(qū)動LED顯示器。正如上文所述，LED液晶顯示器的功效較不理想，但使用壽命較長，因此應(yīng)用于對聲光報警器件的設(shè)計，還是可以取得不錯的效果。在設(shè)計大功率報警器件時，研發(fā)者還可為其設(shè)計繼電器，實現(xiàn)有效控制。

4.1.3 串口通信設(shè)計

在設(shè)計串口通信時，為保證系統(tǒng)通信功能的正常運行，研發(fā)者通常需要利用PC機，控制系統(tǒng)的相關(guān)子程序，確保相應(yīng)的數(shù)據(jù)信息，能夠被妥善地傳輸?shù)酵ㄐ懦绦蛑?，讓系統(tǒng)得以穩(wěn)定、高效地運轉(zhuǎn)。通信程序在收到數(shù)據(jù)信息后，會按照一定的組合，將數(shù)據(jù)發(fā)送至各指定區(qū)域，實現(xiàn)系統(tǒng)運行目標。

4.2 軟件的開發(fā)與應(yīng)用

對溫度控制系統(tǒng)軟件的開發(fā)，離不開對C語言的應(yīng)用。有效的C語言編程操作，可強化單片機在溫度控制系統(tǒng)中的功能，提升系統(tǒng)的運行效率。一般來講單片機在這一環(huán)節(jié)中的工作順序是：主程序進行初始化模塊操作，之后系統(tǒng)會分析處理器得到的數(shù)據(jù)，再將數(shù)據(jù)輸送到顯示器與鍵盤上。這一過程中，對溫度的查詢與顯示，通常需依托循環(huán)查詢方式來完成。

在實際應(yīng)用中，溫度控制系統(tǒng)的主程序，主要承擔著實時顯示溫度數(shù)據(jù)、實時讀取的作用，同時，處理AT89S51測量到的溫度數(shù)據(jù)，亦是主程序的重要工作，在完成這一工序后，系統(tǒng)會在各子程序中，調(diào)用溫度數(shù)據(jù)，再將熱電偶測量出的溫度值，轉(zhuǎn)換為電路數(shù)字，傳輸?shù)絾纹瑱C中[8]。時間控制系統(tǒng)會每隔10秒鐘重啟一次，在此基礎(chǔ)上，系統(tǒng)會集中采集而來的溫度數(shù)據(jù)，對比操作人員設(shè)置的溫度標準值，依據(jù)結(jié)果，驅(qū)動控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)溫度。一般來講，當設(shè)定數(shù)據(jù)與實際測量數(shù)據(jù)之間存在一定范圍的差值時，溫度控制系統(tǒng)便會啟動執(zhí)行系統(tǒng)，若有其他指令，也可依托指令，修正設(shè)定數(shù)據(jù)與實際測量數(shù)據(jù)之間的差值，若設(shè)定數(shù)據(jù)與實際測量數(shù)據(jù)之間沒有差值，系統(tǒng)會按照事先設(shè)定好的溫度值，開啟恢復(fù)功能。由此可見，在溫度控制系統(tǒng)的日常運行中，設(shè)定溫度標準值是十分重要的，在進行軟件開發(fā)應(yīng)用時，應(yīng)注意這一點。

4.3 溫度檢測系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用

在實際的工業(yè)生產(chǎn)中，半導(dǎo)體模擬溫度傳感器，是溫度控制系統(tǒng)應(yīng)用較多的一種溫度檢測方法，此種傳感器會在測量溫度信息的前提下，將信息數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為電壓或電流的形式，這些電壓與電流，在一定范圍內(nèi)，與溫度數(shù)據(jù)具有緊密的聯(lián)系，主要呈現(xiàn)為線性關(guān)系。此外，熱電偶亦是溫度檢測應(yīng)用較多的一種方法，相較于半導(dǎo)體模擬溫度傳感器測量法，這種測量方法具有精度高、價格低廉、運行速度快、測量范圍廣等優(yōu)勢，但運行過程也相對復(fù)雜，同時電路受外界因素影響的可能性也很大，在一定情況下，易出現(xiàn)測量誤差，為使用者帶來不必要的麻煩。除此之外，電壓信號弱，也是熱電偶傳感器的重要缺陷[9]。具體而言，熱電偶對電壓的識別，多以毫伏與十毫伏計，因此在轉(zhuǎn)換AID的過程中，可對信號進行一定的處理，在AID轉(zhuǎn)換器中，使用放大倍數(shù)的電路，彌補上述問題。

需要注意的是，熱電偶傳感器具有冷端補償功能。所謂冷端補償功能，就是指在溫度較低的時候，熱電偶的輸出電勢會偏離冷端溫度的低數(shù)值。因此有必要應(yīng)用冷端補償方法糾正其數(shù)值，避免溫度控制系統(tǒng)出現(xiàn)問題，更好地保障溫度的恒溫不變。

另外，溫度檢測方法，按照不同的標準，又可有不同的分類。例如，按照敏感元件是否接觸被測介質(zhì)，可將其分為接觸式/非接觸式兩種，這兩種檢測方法皆有其特定的適用區(qū)間，接觸式溫度檢測方法的運行原理是物體受熱體積膨脹，因此需用到膨脹式溫度檢測儀表，以及基于熱電效應(yīng)的熱電偶溫度檢測儀表；非接觸式溫度檢測方法的運行原理是物體熱輻射特性與溫度之間的對應(yīng)關(guān)系，在設(shè)計單片機溫度控制系統(tǒng)時，通常需要在單片機的外部，加設(shè)各種接口，滿足系統(tǒng)的檢測需要，實現(xiàn)對不同環(huán)境下的物質(zhì)溫度的檢測與顯示，依據(jù)實際情況，進行自動調(diào)整[10]。

5 結(jié)語

綜上所述，單片機溫度控制系統(tǒng)在目前的工業(yè)生產(chǎn)中，具有較為廣闊的應(yīng)用面與可觀的應(yīng)用價值。企業(yè)可利用這類溫度控制系統(tǒng)，實現(xiàn)對環(huán)境溫度的精準檢測、有效控制，提升工業(yè)生產(chǎn)效率，保證產(chǎn)品質(zhì)量。研發(fā)者應(yīng)加強對單片機的研究與應(yīng)用，以及對系統(tǒng)軟、硬件的開發(fā)，提升溫度控制系統(tǒng)的經(jīng)濟性與實用性，合理使用多種先進的溫度檢測、控制方法，不斷完善溫度控制系統(tǒng)的性能，利用控制系統(tǒng)，更好地促進工業(yè)產(chǎn)業(yè)的向前發(fā)展。