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基于单片机的温度控制系统的研究与实现

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  摘 要随着经济的快速发展,人们的生活水平不断提高,对温度的测量与控制提出了更高标准的要求,以满足人们的生活需要,推动经济的可持续发展。现代社会发展中,工业企业和人们的日常生活,温度的测量和控制越来越受到关注,因此,在进行温度的实际测量和控制中,要求温度采样的快速性和有效性,以确保相关数据真实可靠,使数据得以快速传输到相关数据中心,并对其进行研究分析。本文以常用的51单片机为研究对象,对温度进行预先控制,根据所监测的温度高低,来决定是否需要在使用热偶传感器的过程中采用冷端补偿的方式,从而实现对温度的控制,不仅具有操作简单、组态简单、灵活性强等优点,还可以大大提高被控温度的技术指标。分析中讨论了单片机温度控制系统的应用,并提出了单片机温度系统实现的可行性和有效性。
  【关键词】单片机 温度控制系统 研究 温度传感器
  人们水平的提高必然对生活品质有了越来越高的要求,对于产品的使用周期也逐渐加大了关注度。在实际生活中,如何对对待测样本进行实时采样、确保数据的快速准确传输以及对所测温度现场进行有效的控制等工作,成为目前温度控制系统需要解决的关键问题。目前,单片机在实际应用中较为广泛,在温度控制领域不仅使用起来便捷灵活,还能提高被控温度的技术指标,进而提高产品的生产效率。科学技术和信息技术的发展,为单片机温度控制系统的改革提供了技术支撑,因此,未来单片机技术温度控制系统在工业生产领域具有广阔的发展空间。
  1 单片机概述
  在科学技术行业,人们将微型计算机成为单片机,单片机虽然在形体构造中体积较小,但其功能非常强大,在使用的过程中,仅对单片机外加电源与晶振就能对数字进行处理与控制。单片机是一种单片微型计算机,集CPU、RAM、ROM、I/O接口以及中断系统等多个部件于一体的计算机型。单片机的诞生与发展是随着超大规模集成电路技术的成熟而逐渐形成的,常用于改善劳动条件、减少能耗、避免生产事故等方面,并以此来获得较为理想的技术指标与经济效益,因此,单片机的温度控系统才在世界范围内的得到了广泛应用,为工业发展作出了巨大贡献。
  2 温度控制的方法
  在温度传输数据的过程当中,影响温度数据的保存、对温度数据的真实性可靠性产生干扰的因素很多,因此,需要采取有效措施,确保温度数据传输的安全。
  2.1 采用纯硬件闭环控制系统
  这是在温度控制中运用得最为普遍的一种系统,采用纯硬件闭环控制系统来进行温度控制,该系统的优点在于运行速度较快,可以节约控制时间,但其缺点较多,数据传输的可靠性达不到理想要求、控制精确性不高、灵活性差、线路复杂,在系统安装调试等方面具有很多问题,因此在实际工作中推广应用有很大的难度。
  2.2 FPGA/CPLD或采用IP内核的FPGA/CPLD方式
  这种方法指的是采用FPGA/CPLD将温度数据进行采集、储存、显示,从而将A/D等功能展现出来,然后通过IP核实现人机交互以及信号测量分析等各项操作。这种方法的优点在于系统结构较为紧凑,能够在简便的操作下实现复杂的测量与控制,并且操作简便、快捷。但是,在使用过程中也有所不足,表现在调试过程较为复杂,应用成本相对较高,性价比偏低,企业使用会加大投入成本。
  2.3 单片机与高精度温度传感器相结合
  这种方法指的是采用单片机对人机界面进行建立,同时对系统进行控制,然后对数据信息、信号进行传输、分析、处理,通过前端安置的温度传感器对信号进行采集与转换。这种方法在实际应用过程中,可以提高设备的运行速度和数据传输的精确度,同时性价比较高,这种方法解决了前两种方法的不足,因此,在实际应用中,多采用单片机与温度传感器对温度进行控制。
  3 单片机的系统框架与型号选择
  将单片机运用到温度控制系统中,需要选择适当的单片机型号,同时,还要求对单片机系统框架进行分析。
  3.1 单片机型号的选择
  在整个温度控制系统中,选择正确的单片机型号非常重要,对温度控制系统有着重大影响。单片机需要满足性价比高、内存较大、运行速度快以及具有普遍通用性等要求。本文讨论的单片机型号,主要采用的是以AT89S51作为主控芯片的单片机。首先,该单片机的兼容性较强,其指令集与芯片引脚能够与Intel公司生产的8051进行兼容;其次,该型号单片机具有4KB片内的可编程F;再次,该单片机内含有32个可编程输入与输出的引脚和2个16位定时、计数器以及2个数据指南,在数据内部具有2级优先级与6个中断源,还具有相对先进的双全工串行通信接口。
  3.2 传感器的选择
  本文讨论的单片机温度控制系统主要是采用DALLAS半导体公司生产的一线式数字温度传感器DS18B20进行温度数据采集。DS18B20是一项全新的专门适合配置微处理器的智能温度传感器。该系统常见于工业企业、军事行业以及居民生活领域的温度测量和控制,该系统体积较小,应用接口方便,可进行远距离数据传输,且其数据传输准去性很高,逐步被推广到了其他领域。
  3.3 系统框架结构情况
  本系统主要包含了数据采集模块、电路驱动模块、温度设置模块、显示模块以及单片控制模块等。数据模块负责对温度进行实时采集,并将采集到的数据传送到单机片,单机片对该数据信息进行处理之后再传送到显示模块显示出来。设置模块主要是对温度进行预定,在检测到系统温度低于预定温度时,单机片就会自动控制电路,运行电路进行加热,同时发出警报声,提醒异常,当温度加热超过预定的温度时便会停止,从而达到系统正常运行的效果。由此可见,不同的模块,其功能具有很大的差异,组合起来,有利于共同为单机片温度控制系统服务。
  4 单机片的温度控制原理
  传感器是单片机温度控制系统测量值的主要载体,在对温度进行测量后,将相应的数据信息放大到电路中,在此过程中,传感器需要将接收到的电压信号,逐渐放大并传输的单片机上,促使其能够在可控的范围进行自由处理。处理之后,将通过A/D转换器将电压信号转换为数字信号,经过安装的相应软件,把数字信号传送到主机当中。单片机在进行信号采集时,必须保证其所采集数据的精准度,因此,为了提高数据的精准度,需要对采集的数据进行数据信号的分析过滤,经过过滤的数字信号就会转换为相应的标度,进而将温度指数显示到屏幕上。在此之外,还可以将所获取的温度值与之前设定的温度指标进行比较,计算出两者的偏差,进而对温度环境进行有效的调节。   在这整个设计环境中,最初的想法是使单机片对温度进行有效的检测与精准的控制,利用十进制的数码将实际的温度值显示出来,但是,这样的设计理念不能达到很好的效果,在温度控制方面也紧停留于此。还需要提前将人工设置的温度范围输入到系统中去,将温度控制在人们设定的范围内。如果实际温度没有在设定的范围内,系统将会自动启动修复措施并报警,这样可以可以是温度保持稳定,实现真正温度控制的高效性。单机片温度控制系统的硬件电路以单机片为主机,配备两路传感变送器等辅助设施,能够达到预期的控制要求,另外,还可以根据实际需要,适当增加一些辅助元件进行搭配,进而使其功能更加完善;单机片温度控制系统的软件为C语言,C语言可以实现单机片的各项功能,主程序对模块进行初始化操作,然后将获取的温度数据进行处理,再将处理好的数据传输到显示器上,若温度与设定的温度存在差异,则会主动启动温控设施,对温度进行控制,使其达恢复到预先设定的树值范围内。
  在温度检测的开发与运用中,热电偶是对系统温度检测时经常采用的一种传感器,这种传感器不仅价格低,而且质量很好,具有很高的精确度,与其他传感器相比,其测量的范围极为广泛,且构造还较为简单。当热电偶的温度不在0℃的时候,其输出的电势会逐渐偏离冷端0℃的温度数值,这种情况,需要进行冷端补偿,以保证提供恒定不变的温度。
  5 结束语
  在工业企业温度控制中,单片机的温度控制系统实用性较高,其不仅可以对温度进行实时控制与精度的测量,还可以通过提前设定温度的方法对温度进行调节,能提高企业生产效率,对生产成本有重大影响,应用前景较为广阔。单机片的温度控制系统的高效性,能让使用者在运用过程中及时发现温度异常问题,并制定措施予以纠正,从而降低问题扩大化的可能性,值得在实际应用中推广。
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  作者单位
  武汉东湖学院机电工程学院 湖北省武汉市 430212
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