基于单片机温度控制系统的研究

摘　要：笔者基于单片机的温度控制系统，从单片机选择、传感器选择、系统框架设计等方面概述了单片机的温度控制系统内涵，分析了其运行原理，列举了单片机温度控制系统设计的实操方法，从硬件系统、软件系统、温度检测方法等方面阐述了单片机温度控制系统的开发与应用。仿真结果表明：企业可利用单片机温度控制系统，实现对环境温度的精准检测、有效控制，提升工业生产效率，保证产品质量。
关键词：单片机；温度控制系统；传感器；热电偶

在社会经济不断发展的背景下，工业生产对温度条件的要求越发严苛，加强对温度控制系统的开发与应用，具有重要的理论意义与实践意义。单片机是目前应用较为广泛的温度检测和控制手段，加强对这类器件的研究与开发，可提升系统检测温度的精确性、便捷性、高效性，发挥系统对温度的控制功能，调控温度到合理范围内，满足工业生产的技术要求，保证产品质量，具有广阔的应用前景。

1 单片机概述

单片机，即单片微型计算机，由CPU芯片、ROM只读存储器、RAM随机存取存储器等部件构成，其体积通常较小，但性能却十分强大，在接入电源、晶振的条件下，可处理一系列的复杂信息，在现代工业生产中，具有极为广阔的应用面，对其进行合理的使用，可显著提升机械设备的运行效率，改良工业生产环境，避免一些安全事故的发生，应得到相关工作者的重视。

2 基于单片机的温度控制系统概述

2.1 单片机选择

在设计温度控制系统时，合理选择单片机至关重要，很大程度上决定着温度控制系统的性能水平。一般来讲被选中的单片机应当具有运算速率快、内存高的特点，还应具有一定的经济适用性。本次研究选择51 单片机，作为系统开发中用到的控制主芯片，同时这也是目前业界使用较为广泛的一种单片机，其指令集与芯片引脚，与英特尔的8051 单芯片微控制器兼容，同时包含4kB 可编程程序处理器与128RAM随机存取存储器，能够实现对温度的高效控制。

2.2 传感器选择

传感器亦是温度控制系统的重要组成部分，目前实际生产中较为常见的数字温度传感器是DSI8B20，具有一定的智能性，与处理器十分适配，可快速完成对温度数据的采集，同时具有体积小、传输速率高等一系列的优势，应用价值可观。

2.3 系统框架设计

通常情况下，对温度控制系统模块的划分，需结合其具体的运作过程，如可分为如下五部分：数据采集模块、单片机控制模块、温度设计模块、显示模块、驱动电路。其中，数据采集模块的主要作用为采集温度数据，单片机控制模块的主要作用是接收数据信息，将其传送给显示模块，显示为具体的温度值。技术人员可提前为温度控制系统设置温度标准值，当系统检测到实际温度与标准值不符时，单片机中的驱动电路会发出预警信号，启动或停止加热操作，调节温度，保证工业生产的正常进行。

2.4 温度控制原理

单片机是温度控制系统控制温度的主要载体。系统中的传感器，在接收到温度数据后，会将温度信息放大到电路上，并将其转化为电压信号，放大到合适范围内，之后单片机会处理这一信息，再利用A/D 转换器，将其转化为数字信号，传输至主机，如此便完成了对温度数据的采集与处理。此外，对信号进行数字滤波操作，也是这一过程中不可或缺的重要环节，此环节的主要目的，是转换信号为对应的标度，便于LED 屏幕显示温度指数，同时提升温度测量的精确度。对于提前设定好的温度值，温度控制系统会应用积分分离的PID 算法，比较其与采集到的温度值的不同，进行偏差分析后，得到最终的输出控制量值，获得准确的导通时间与加热功率，有效调节温度。
总之，合理设计单片机下的温度控制系统，可通过上述工作原理，强化其工作性能，实现对温度的精准控制。需要注意的是，一般情况下，温度数值是以十进制数码的形式显现的，这提升实时监测的便捷性。

3 单片机温度控制的具体实操方法

在单片机温度控制系统的实际运行中，来源于工业场所的多种因素，都会为温度数据的保存带来一定的影响，进而破坏数据的真实性，因此相关工作者有必要采取一定的措施，避免上述情况的出现。以下列举几种方法。

3.1 联合使用高精度传感器

可联合使用单片机和高精确度的传感器，提升温度控制的精确性。一般来讲在系统中，单片机发挥的主要作用是控制温度系统，即建立人机操作界面、对数据信号信息进行分析和处理等，因此在系统的前端，安装精度较高的传感器，可提升系统采集数据信号的精确性与效率，进而提升温度控制系统的运行效率。

3.2 设计纯硬件式的闭环控制系统

相较于常规的控制系统，此种控制系统的最大优点，是运行速度快、效率高，可显著缩短系统控制温度的时间，提升工业生产效率。但此类系统也具有一定的缺陷，即测量精确度较低，同时线路相对复杂，易为工作人员的安装调试操作带来不便，很难全面推广应用于实际的工业生产[6]。企业可结合自身的条件，以及温度调节的具体需求，判断是否选用此类控制系统。

3.3 测量人机交互信号

在单片机控制温控系统的过程中，可使用FPGA/CPLD，采集、显示温度数据，实现A/D 功能，再借助IP 核，完成人机交互、检测信号。采用此种方法设计而成的温度控制系统，在结构上相对紧凑，温度控制效率较高，也可相对妥善地面对来自工业生产环境的各种复杂因素，更为重要的是，在操作上也十分便捷。但此种方法也具有不足之处，即调试过程复杂、成本昂贵、性价比低等，因此中小型企业通常并不会采用此种方式设计温控系统。

4 单片机温度控制系统的深度开发应用

单片机温度控制系统包括软件、硬件等一系列复杂的组成部分，涉及的技术要点相对繁多，因此在开发时，工作人员需统筹兼顾所有的技术要点与设计环节，最大程度上提升单片机温度控制系统的性能水平，利用其更好地助力实际的工业生产。此外，通过合理的手段，降低温控系统的研发成本亦很有必要，可提升温度控制系统的经济适用性，扩大其在实际生产中的应用面。以下主要从硬件、软件与温度检测系统三方面，讨论对温控系统的开发与应用。

4.1 硬件系统的开发与应用

将单片微型机用作主机，是开发温度控制系统的硬件系统主要方式之一，在采用此种方式的前提下，研发者需为主机配置相应的传感器开关，对多种设备以及元器件进行综合设计，保证温度控制系统的整体性能与工作细节能够符合要求，利用其实现对温度的合理控制。在这一过程中，不可或缺的是对自动控制技术的开发与应用，研发者需充分考虑温度控制系统的实际特点，在此基础上，合理安排对键盘、显示器等设备的配置，逐步完善温度控制系统的功能细节。以下从液晶显示器、声光报警模块、串口通信三方面探讨对温控系统硬件的设计。

4.1.1 液晶显示器设计

目前LED 与LCD的液晶显示器，在现代仪表设计中具有极为广阔的应用面。在实际应用中，LED
液晶显示器通常无法明确地显示数字，因此在设计温控系统硬件时，设计者应重点关注这一点，尽量采用能够灵活显示数字、汉字与图形的LCD液晶显示器来设计，但后者的成本也相对高昂。不过，近年来随着科学技术不断发展，LCD 液晶显示器的价格也在日益降低，相信温控系统设计对此类显示器的应用会越发增多。但需要注意的是，相较于LED 液晶显示器，LCD液晶显示器在程序编写上较为复杂，传统语言的编写难度很高，因此研发者可采用C51 处理程序，进行对程序的编写与修改，协调应用多项数据，提升温控系统的设计效率。LED与LCD液晶显示器的对比如表1 所示。

4.1.2 声光报警设计

对报警模块的设计，通常需用到两个LED 器件单片机的I/O，以直接驱动LED显示器。正如上文所
述，LED液晶显示器的功效较不理想，但使用寿命较长，因此应用于对声光报警器件的设计，还是可以取得不错的效果。在设计大功率报警器件时，研发者还可为其设计继电器，实现有效控制。

4.1.3 串口通信设计

在设计串口通信时，为保证系统通信功能的正常运行，研发者通常需要利用PC 机，控制系统的相关子程序，确保相应的数据信息，能够被妥善地传输到通信程序之中，让系统得以稳定、高效地运转。通信程序在收到数据信息后，会按照一定的组合，将数据发送至各指定区域，实现系统运行目标。

4.2 软件的开发与应用

对温度控制系统软件的开发，离不开对C语言的应用。有效的C语言编程操作，可强化单片机在温度控制系统中的功能，提升系统的运行效率。一般来讲单片机在这一环节中的工作顺序是：主程序进行初始化模块操作，之后系统会分析处理器得到的数据，再将数据输送到显示器与键盘上。这一过程中，对温度的查询与显示，通常需依托循环查询方式来完成。
在实际应用中，温度控制系统的主程序，主要承担着实时显示温度数据、实时读取的作用，同时，处理AT89S51 测量到的温度数据，亦是主程序的重要工作，在完成这一工序后，系统会在各子程序中，调用温度数据，再将热电偶测量出的温度值，转换为电路数字，传输到单片机中[8]。时间控制系统会每隔10秒钟重启一次，在此基础上，系统会集中采集而来的温度数据，对比操作人员设置的温度标准值，依据结果，驱动控制系统调节温度。一般来讲，当设定数据与实际测量数据之间存在一定范围的差值时，温度控制系统便会启动执行系统，若有其他指令，也可依托指令，修正设定数据与实际测量数据之间的差值，若设定数据与实际测量数据之间没有差值，系统会按照事先设定好的温度值，开启恢复功能。由此可见，在温度控制系统的日常运行中，设定温度标准值是十分重要的，在进行软件开发应用时，应注意这一点。

4.3 温度检测系统的开发与应用

在实际的工业生产中，半导体模拟温度传感器，是温度控制系统应用较多的一种温度检测方法，此种传感器会在测量温度信息的前提下，将信息数据转换为电压或电流的形式，这些电压与电流，在一定范围内，与温度数据具有紧密的联系，主要呈现为线性关系。此外，热电偶亦是温度检测应用较多的一种方法，相较于半导体模拟温度传感器测量法，这种测量方法具有精度高、价格低廉、运行速度快、测量范围广等优势，但运行过程也相对复杂，同时电路受外界因素影响的可能性也很大，在一定情况下，易出现测量误差，为使用者带来不必要的麻烦。除此之外，电压信号弱，也是热电偶传感器的重要缺陷[9]。具体而言，热电偶对电压的识别，多以毫伏与十毫伏计，因此在转换AID 的过程中，可对信号进行一定的处理，在AID 转换器中，使用放大倍数的电路，弥补上述问题。
需要注意的是，热电偶传感器具有冷端补偿功能。所谓冷端补偿功能，就是指在温度较低的时候，热电偶的输出电势会偏离冷端温度的低数值。因此有必要应用冷端补偿方法纠正其数值，避免温度控制系统出现问题，更好地保障温度的恒温不变。另外，温度检测方法，按照不同的标准，又可有
不同的分类。例如，按照敏感元件是否接触被测介质，可将其分为接触式/ 非接触式两种，这两种检测方法皆有其特定的适用区间，接触式温度检测方法的运行原理是物体受热体积膨胀，因此需用到膨胀式温度检测仪表，以及基于热电效应的热电偶温度检测仪表；非接触式温度检测方法的运行原理是物体热辐射特性与温度之间的对应关系，在设计单片机温度控制系统时，通常需要在单片机的外部，加设各种接口，满足系统的检测需要，实现对不同环境下的物质温度的检测与显示，依据实际情况，进行自动调整[10]。

5 结语

综上所述，单片机温度控制系统在目前的工业生产中，具有较为广阔的应用面与可观的应用价值。企业可利用这类温度控制系统，实现对环境温度的精准检测、有效控制，提升工业生产效率，保证产品质量。研发者应加强对单片机的研究与应用，以及对系统软、硬件的开发，提升温度控制系统的经济性与实用性，合理使用多种先进的温度检测、控制方法，不断完善温度控制系统的性能，利用控制系统，更好地促进工业产业的向前发展。