基于单片机的温度控制系统的探究

摘 要：随着科学技术的发展，人类对温度的控制需求越来越高，实现手段也日益丰富。单片机温控系统是当前温度控制领域的主流方案。文章围绕单片机温度控制系统有关问题进行探讨，简要介绍了单片机的基本概念和常见温度控制方案。详细阐述了如何单片机类型和确定系统框架的方法以及单片机温控技术原理，重点讨论了单片机温控系统的开发与应用。

关键词：单片机；温度传感器；检测与控制

引言

现代社会，无论是出于满足人们生活质量的需要，还是为了满足生产过程中复杂工艺方面的需要，人们对于温度控制的要求越来越高。温度测量及控制技术广泛应用于社会生产、人们生活的许多方面。对监测对象温度进行迅速、可靠、精准的测量，并以此为基础对其温度进行相应的调整与控制，成为温度测量、控制领域相关技术人员孜孜以求的攻关重点与难点。在实际工作中，单片机常常被用来作为温度测控制的主要设备。相对于其他种类设备，单片机便于使用，操作灵活，具有较好的适应性，技术性能优异，能够满足温控设备较高水平的技术要求，这些都有利于温控产品的质量和工作效率。基于上述原因，单片机在温控设备市场中发展势头良好，前景广阔。

1 单片机基本概念简介

所谓单片机，指的就是单片微型计算机。该种计算机整合了中央处理器（CPU）、随机存取存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、输入输出（I/O）接口和中断系统等多个功能单元于一身，具有很强的数据分析处理功能，但本身占用的空间却很小，辅以外加电源和晶振就能够正常工作，广泛应用于现代工业生产多个领域，并发挥出显著的作用。单片机的出现，本质上是计算机硬件技术高度发展的成果之一。当计算机的主要元件从晶体管发展到集成电路，集成电路集成度越来越高，伴随这一过程，计算机的体积也就越来越小。当大规模集成电路技术成熟后，单片机也就随之出现。单片机具有体积小，功能强大、价格低廉的优点，环境适应性良好，工作能耗低，技术指标和经济指标优良，是现代工业领域重要的元器件，常用于生产控制环节，对于保障产品质量和生产安全，有着极为重要的作用。单片机温控系统是当前各国都在竞相研发的重要设备，是温控设备领域的主要发展方向。

2 目前常见温度控制技术

2.1 完全依赖于硬件平台的闭环控制系统技术方案

这种控制方法最大的优势是反应迅速，缺点是可靠性欠缺、控制精度不高，结构复杂，使用、管理、维护难度大、成本高，适用范围小。

2.2 FPGA/CPLD或采用带有IP内核的FPGA/CPLD技术方案

该技术以FPGA/CPLD技术作为温度数据采集、存储、显示及A/D的手段，而人机交互功能和信号测量分析等功能则由IP核负责实现。该技术具有结构紧凑、数据处理性能强、使用简单的特点，适合进行过程复杂的测量与控制作业，但调试工作难度较大，经济性不好。

2.3 综合使用单片机和高精度温度传感器的技术方案

该方案将人机交互、系统控制、数据分析处理功能交由单片机负责，温度信号采集和转换交由前端温度传感器负责。这种温度测量控制方式有效避免了前两个方案的缺陷和不足，是目前温度控制技术的主流。

3 构建单片机系统框架的方法

3.1 选择单片机技术要点分析

单片机是单片机温控系统中的核心元件，单片机选择的好坏，直接关系到温控系统整体的运行质量安全。在挑选单片机时，要优先选择内存空间大、运行速度快，通用性好，经济效益好的类型。下面以AT89S51作为主控芯片进行讨论。该芯片具有以下性能优势：

（1）指令集和芯片引脚和与Intel公司的8051具有良好的兼容性；（2）集成有4KB的可编程Flash程序存储器和128字节的可随机读写存储器（RAM）；（3）时钟频率范围从0到33兆赫；（4）输入/输出引脚32个，可实现编程，16位定时/计数器2个，数据指针2个；（5）拥有高达6个的中断源和2级优先级；（6）全双工串行通信接口技术性能优异。

3.2 选择传感器技术要点分析

在传感器的选择上，文章选择了DS18B20进行温度数据采集工作，该型号传感器是DALLAS半导体公司生产的一线式数字温度传感器。DS18B20采用了新型技术，专为与微处理器相配合而设计，广泛应用于工业生产、民生保障和军事国防等领域的温度测控设备及其它功能设备中。具有占用空间小，接口灵活，传输距离远、智能化的特点。

3.3 系统框架配置技术要点分析

温控系统采用模块设计，每个主要功能都对应一个模块，配置更为方便，灵活性更高，具体包括数据采集模块，单片机控制模块，显示模块，温度设置模块和驱动电路5个部分。温度数据经由传感器输送到数据采集模块，实现实时采集，然后在传送到单片机进行数据分析处理，并在显示模块上将结果显示出来，使用时可以通过设置模块设置温度，当控制对象的温度比预设温度低时，单片机会想驱动电路发出信号，启动加热系统，同时报警鸣笛，温度超过设定温度时，加热系统停止工作，从而实现对温度的控制。

4 单片机温控系统的基本工作原理

单片机温控系统使用传感器作为温度数据采集元件，温度信号经由传感器转为电压信号在电路中传播。电压信号毫伏级逐步增强到可以满足单片机工作需求的程度，然后经由A/D转换器转换为数字信号。使用专业软件对数字信号进行采样并传送到主机。为避免数字信号中杂波的存在影响数据采集精确度，单片机在采用的过程中同步进行滤波处理。与此同时，信号经过数字滤波后转换到相应标度，再通过IED屏对温度指数进行显示。在这个过程中，还可以将采集到的温度数据与预设温度指标相对比，通常采用PID控制算法确定设定值和实际值间的偏差大小，再以此确定并输出控制量值，控制量值决定了加热系统通导时间和加热功率，以此实现将温度控制在设定值附近波动的目的。

5 单片机温控系统开发与应用

单片机温控系统的开发与应用主要分为硬件平台、配套软件和传感器三个方面。其中，硬件平台是温控系统功能得以实现的基础，主要组成包括单片机、传感器和多路开关机相应附属设备。为了更好的开展工作，还可以根据实际需求，添加键盘、报警装置和显示电路等。软件部分目前主要使用C语言编程。软件采用模块化设计，主程序主要承担温度的实时显示和读取，并依照设计要求对子程序进行调用，协调子程序完成数据对比，输出控制值，等工作。第三个方面是传感器的开发与应用。温控系统性能水平很大程度上取决于温度传感器的灵敏性和测量精度，高品质的传感器不仅测量范围广，而且反应十分迅速，能够将测量对象的温度变化及时反馈给温控系统。目前主要使用热电偶传感器，做好热电偶补偿非常重要。

6 结束语

单片机温控系统在当前工业生产领域应用范围十分广泛，不仅温度测量及时、准确、精度高，而且可以根据预设的程序对目标温度予以有效的控制，从而达到控制生产过程的目的。单片机温控系统性能质量高，成本投入少，性价比高，便于操作，使用灵活，具有很强的可扩展性，应用前景十分广阔，市场潜力巨大。

参考文献

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