温度控制系统中的单片机讨论

摘 要 温度是日常工作和生活中一个重要物理属性，温度控制在各行业中具有重要的作用。随着经济水平的逐渐提高，社会中愈来愈多的生活细节和生产工艺对温度的控制的准确性要求提高，由此应运而生了各种自动化和智能化控温系统，其主要核心就是单片机。

关键词 温控系统；单片机；应用

中图分类号：TP27 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）13-0061-01

1 单片机简介

单片机，又称微控制器，指一套完整的计算机系统集成在一个芯片上，主要包含有CPU、内存、大部分具有外存、内部和外部总线系统。单片机因其具有集成密度高、通用性能优、功能性强等特性，以及外型体积小、单位重量低、能量损耗少、准确性高、抗外界干扰能力强和便携式使用等优异特点，被广泛用于智能控温系统的核心组件。

单片机最早产生于工业化控制行业，由仅含CPU的芯片作为专业处理器发展而来的。早期单片机基本是4位和8位的，发展最为成功的是INTEL和8031，后期8031发展为MCS51系列单片机系统，因其具有简易、准确性高和优越性能等特点，一直被沿用至今。随科技不断进步和工业化大发展，16位单片机应运而生，但由于性价低，后快速被32位单片机替代。当今，单片机系统的开发和应用不再局限于裸机领域，而是作为嵌入式设备应用到操作系统中。单片机在电子产品中的应用愈来愈广泛，特别是温度检测和控制领域。

2 单片机基本结构

单片机的基本组成有中央处理器（CPU，包括运算器和控制器）、只读存储器（ROM）、读写存储器（RAM，又称随机存储器）、输入/输出端口（I/O口，或并行口/串行口）等组成[1]。为使单片机能够有节奏的进行运算和控制时，单片机内常常包含一个时钟电路。此外，当单片机控制对象参数到达一个需要加以干预的状态时，其内部含有的“中断系统”指导着CPU根据具体情况而采取适当的应对措施。单片机的各组成结构通过其内部一条总线相互连接。

单片机的中央处理器作为单片机的核心部分，主要作用是用于数据的运算和操作控制。其包含的运算器作用是实现逻辑运算、位操作以及算术计算；控制器的作用是对指令进行识别，后依据指令协调计算机内部各组成单元相互工作。

储存器是单片机另外一个重要组成部分，存储器内每个储存单元可容纳一个八位二进制信息，一般使用两位16进制数来表示。储存器包含程序储存器、数据储存器和特殊功能寄存器三种。程序储存器一般指在单片机处理问题前，将预先编好的程序、表格、常数等编为机器代码后存入的储存器，其可置于单片机内或外，还可内外兼置；数据储存器一般由读写储存器RAM构成，主要用于实时数据的存储，容量最大为64K；特殊功能寄存器，其地址范围一般在80H-FFH间，主要包含两种，一种与芯片的引脚相关，另一种用于控制单片机功能。

3 单片机在温控系统中的应用

下面以“贮液容器温度控制系统”为研究对象，简述单片机温度系统设计要求和实现方案。其运行机理：温度传感器将现场实际温度进行采样记录，后转换为电压信号，再经过低通滤波设备将干扰信号过滤，送至放大器中，信号经放大器放大后再通过模/数转换器变换为数字信号，后送至单片机中，最后单片机依据设定的温控范围通过继电器控制升温设备来控制温度。

本系统中，贮液的容器温度作为被控参数，蒸汽的流量作为控制参数，降温冷物料初温作为前馈控制，组成前馈-反馈控制系统，将干扰信息排除。温控系统的硬件组成主要有以单片机AT89C51作为主机，另配置有多路开关、D/A转换器、A/D转换器、V/I转换器、传感变送器两路以达到贮液容器温度自控目的。此外，还有辅助配件如键盘、电路显示板和报警电路，保证系统稳定时，贮液容器温度在工艺要求范围内恒定。

1）前向通道设计。温度传感器（JUMU90型号，见下表）接收到CONV ERT有效命令后，寄存器从最高位顺次开始经电流输出的DAC在比较强上与模拟量经5KΩ电阻所产生的电流进行比较。所有位检测完成后，SAP中包含转换后的10位二进制码。转换完成后，SAP发出DR信号，单片机查询到DR=0时，便使其打开三态缓冲器输出数据。

JUMU90系列温度传感器性能指标

输出范围/℃ 0-500

输出电流/mA 4-20

精确度/% 0.5

A/D转换芯片型号[2] AD571

2）后向通道设计。本系统选用10位的D/A转化器DA1020，以达到系统精确性要求。使用I/O口与AT89C51单片机相连接，这是由于D/A转化器DA1020内部无锁存器。AT89C51单片机的字长为8位的，因此每次操作仅能传输8位数据。可见，AT89C51单片机须连续进行两次操作才能完成一个完整的10位数据，再传输到AC1020中，并且其传输方式采用双缓冲器方式，以免传输过程中输出电压有毛刺现象。

3）执行器及调理电路的设计。本系统中调节阀的型号有：ZMAN 16BG型和ZGICr18Ni9Ti型，其具有对数流量特点。由于调节阀输入信号为气信号，而D/A转化器输出信号为电压信号，因此在二者之间需加入V/I转换器和一个电气阀门定位器，其工作机理为先将0-5 V的电压信号转换为4-20 mA的电流信号，再将4-20 mA的电流信号转换为0.02-0.04 Mpa的气信号，从而使调节阀接收到气信号后开始工作。

4 总结

本文主要介绍了单片机的发展史、结构组成以及以“贮液容器温度控制系统”为例介绍了单片机在该系统中的应用。随着社会经济的快速发展，科技水平的不断进步，各行业领域对温度控制的要求提高，温度的监控要求也相应提高，因此，温度控制器的应用领域将愈来愈广泛，基于单片机的温度控制器的开发和应用也会越来越宽广。

参考文献

[1]李光弟.单片机基础[M].北京：北京航空航天大学出版社，1994.

[2]万光毅，严义，邢春香.单片机实验与实践教程[M].北京：北京航空航天大学出版社，2006.