基于单片机的温度控制系统的开发与应用

来源:用户上传      作者: 胡 朝

　　[摘 要] 温度是工业生产和科学实验中至关重要的一个因素,在医药、冶金、航空和化工中都起着相应的作用,温度的高低可以影响着许多产品的质量和使用的寿命。因此,研究高性能的温度控制系统是现今的主要任务,本文基于单片机的温度控制系统的开发与应用做出了相应的探讨。
　　 [ 关键词 ] 单片机 温度控制 开发与应用
　　
　　在科学实验中,我们要对温度进行有效的控制,可以采用数字调节仪表或者模拟,但是它们却存在着一定的缺陷。而用单片机进行温度的调节就具备更高的可靠性和灵活性。基于单片机所组成的数据采集和控制系统,被广泛的应用于各个领域,本文分析了单片机在温度控制系统中的开发和应用情况。
　　
　　一、基于单片机温度控制原理
　　
　　温度信息主要是由传感器进行测量,并转换成为豪伏级的电压信号,把经过的信号放大电路,就会把弱电压信号逐渐放大到单片机可以处理的范围以内。再经过输入A/D转换器来转换到数字信号,并且输入到主机中去。在单片机对信号进行采集的时候,想要更大程度的提高测量的精度,在采样的时候就必须对信号进行数字滤波。在这个时候,信号经过数字滤波以后,标度就会逐渐转换出来,并通过IED把温度显示出来。此外,还可以将该温度值与已经设定的温度值进行比较,根据两者之间存在的偏差的大小来按照积分分离的PID控制算法得出最后的输出控制量值。在通过输出控制量的数值来确定导通的时间以及加热的功率,从而来有效的调节温度环境。整个系统设计中,主要的目的就是为了使单片机能够对温度进行实时的检测和控制,用来解决工业以及日常生活中对温度控制的问题。可以运用十进制的数码来显示实际的温度值,方面人们的监视,此外,在键盘上输入人工设置的温度范围,可以方便温度控制器在不同的范围查看温度。如果当实际的温度不在规定范围内,那么系统将会自动的调节温度,确保温度的稳定性,实现自动控制的目的。温度的区分度规定在1℃内,当环境温度出现变化的时候,那么温度控制的静态误差就会小于等于0.5℃。在整个系统设计中,主要的目的就是为了能够达到检测和控制温度的目的,使测控的精度更加准确,尽量使整个系统稳定性更好、可靠性更高并且速度较快,具备灵活性。
　　
　　二、温度检测运用的主要方法
　　
　　在温度的测量中,其主要采用方法多采用集成的半导体模拟温度传感器,传感器输出的电压或电流与温度在一定范围呈线性关系。通过放大,采样得到被测量。另一种温度测量方法是使用热电偶,其测量精度较高,但测试过程复杂,测量时间长,而且采用电桥测量的系统抗干扰能力较差,误差较大。随着集成电路技术的迅速发展,新型的数字化温度传感器其精度、稳定性、可靠性及抗干扰能力都优于模拟的温度传感器。数字温度传感器也越来越的到广泛的应用。
　　温度检测的方法根据敏感元件和被测介质接触与否,可以分为接触式与非接触式两大类。接触式检测的方法主要包括基于物体受热体积膨胀性质的膨胀式温度检测仪表;基于热电效应的热电偶温度检测仪表。非接触式检测方法是利用物体的热辐射特性与温度之间的对应关系,对物体的温度进行检测,主要有亮度法、全辐射法和比色法等。接触式测温是使测温敏感元件与被测介质接触,当被测介质与感温元件达到热平衡时,感温元件与被测介质的温度相等。由单片机组成的温度测控系统,通过在单片机外部添加各种接口电路,可构成单片机最小系统,用以实现对温度控制对象的温度的显示和控制。同时也能根据实际情况实现多路巡回检测、数据处理、报警及记录,对各个参数以一定的周期进行检查和测量,检测的结果经计算机处理后再进行显示、打印和报警,以提醒操作人员注意或直接用于生产控制。
　　
　　三、单片机的温度控制系统的开发与应用
　　
　　1.硬件电路的开发与应用
　　选用单片机为主机,再配以两路传感变送器和多路开关,还包括D/A转换器、V/I转换器和调节阀等,可以实现对贮液容器温度进行有效的自动控制,与此同时,还可以设置一些键盘、报警电路和显示电路。当系统处于稳定的状态,那么贮液容器内的温度就不会发生相应的变化,始终保持在工艺要求的数值之内,当原先设定的初始温度和设定值存在一定的差异的时候,而且变化的范围较小,那么就可以使用前馈控制来进行克服,这种变化会给系统带来一定的影响,如果变化范围较大,那么前馈控制就不能完全进行克服,那么整个时候反馈控制就会开始相应的动作。如果当初始温度不发生变化,但是贮液容器内的温度却因为其他因素发生变化的时候,那么反馈控制在这个时候就会发生动作,使整个系统恢复到正常的状态,呈现稳态。
　　2.软件开发与应用
　　当热电偶测量的温度值逐渐转变成为电信号以后,就会由模数逐渐转换电路为数字皱,再由P1口送入单片机内。此后每隔10s就由时间自动中断控制来对实际的温度进行采样,并将采集到的温度与原来的设定值进行比较。如果实际温度与原先设定的温度存在不同,那么系统就会自动执行截断功能或者全功率的输出指令,来控制可控硅的导通角,如果所控制温度的升降情况没有超出原先所设定的范围,那么就按照原先设定的温度预定值恢复。每一个时段的温度预定值存储都会存在存储器中,系统会自动每隔20s查询一次,看下额定值是不是在固定的恒温标准内,如果不是在恒温的范围内,那么就会取出一组温度值,于此同时再输入下一组的预定值来导通脉冲数。经锁存器74LS273送往由CD40192组成的预置计数器进行计数,当整个计数满了预置数以后,计数器就会全部清零,并发出一定的控制信号。
　　3.温度检测的开发与应用
　　在对其进行温度检测的时候,一般采用的是热电偶传感器,这种热电偶传感器价廉,并且精度较高,整体的构造较为简单,所测量的范围较广,且反应快速。但是由于热电偶传感器它所输出的电压信号较为微弱,只有几豪伏到几十豪伏,因此,在进行A/D转换的时候,必须对其信号进行相应的调节,可以使用高放大倍数的电路来放在A/D转换器上,一般情况下,运用热电偶调理模板和调理板块来实现这项工作较为简单和便捷。如果自己设计和制作调理模板就会花费大量的时间和精力,而且过程较为繁琐,所以很难保证所需的精度。除此之外,在使用热电偶传感器的时候应该注意冷端补偿的方法,就是在热电偶的温度不在0℃的时候,这个时候热电偶所输出的电势将会逐渐偏离冷端0℃的温度数值,因此在这个时候必须采取冷端补偿的措施来进行。所谓冷端补偿,可以采用软件补偿的方法,在IC的温度传感器检测热电偶冷端处的温度值,经过A/D的转换来把其送入单片机内,再运用软件对温度进行检查和测量,当出现问题的时候及时修正,从而保证实际的温度。在测控系统中,其监控系统中被测量的变量存在不同,例如压力和温度的数值都是不同的。因此,必须进行标度的变换。当热点偶的传感器的输出电压和被测量的温度之间具有一种特性的曲线,并且这种曲线呈非线性,在这个时候输出电压的求取所对应的温度值,就可以采用计算法和查表法来得出。
　　4.温度数据采集模块
　　在对其进行温度采集的时候,使用的是由DALLAS公司生产的一线式数字温度传感器DS18B20进行采集。DS18B20测温的范围为-55°C~+125°C之间,所测得的温度分辨率可达0.0625°C,所测得的温度均使用符号进行拓展,并且拓展到16位补码,并且通过串行输出。CPU只需要一根端口线就可以与诸多的DS18B20进行通信,所占用的微处理器的端口较少,可以在一定程度上节约许多的逻辑电路和引线。由于DS18B20内部有一个9字节的高速存储器用于存储温度值,其中前两个字节是所测得的温度数据,第其中前两个字节是测得的温度数据,第1字节的内容是温度的低八位,第2字节是温度的高八位,第3和第4字节是温度上限TH与温度下限TL的易失性拷贝,第5字节是结构寄存器的易失性拷贝,这三个字节的内容在每一次上电复位时被刷新,第6、7、8这三个字节用于内部计算,第9个字节是冗余检验字节,可用来保证通信的正确性。
　　此传感器的主要特点是在于能够使用单总线的数据传输方式,因此,在读写数据的时候,需要具备很严格的时序要求,在进行一次命令的时候,单片机都会启动写时序,如果按照要求DS18B20回送数据,那么在进行写命令后,单片机需启动读时序完成数据接收。
　　5.加热控制电路的开发与应用
　　用于在闭环控制系统中对被控对象实施控制,采用对电压进行通断的方法进行控制,以实现温度控制的目的。对电炉丝通断的控制采用固态继电器。它的使用非常简单,只要在控制电平,即可实现对继电器的开关,使用时完全可以用NPN型三极管接成电压跟随器的形式驱动。当单片机的P1.3为高点平时,三极管驱动固态继电器工作接通加热器工作,反之则不正常运行。
　　6.报警及指示灯电路的开发与应用
　　当用户设定的目标温度达到时需用声音的形式提醒用户,此时蜂鸣器为三声断续的滴答滴答的叫声。在本系统中我们为用户设计了越限报警,当温度低于用户设置的目标温度10度或高于10度时蜂鸣器为连续不断的滴答滴答叫声。当单片机输出高电平时,三极管导通,蜂鸣器工作发出报警声。
　　
　　四、结束语
　　
　　综上所述,基于单片机的温度控制系统可以对环境温度进行检查和测量,能够根据已设定的定制来调节温度,控制执行的机构,实现调节温度的目的。当温度超出规定范围内,就会发出警报,及时调节到规定的温度,此系统的应用较广,且实用性和可靠性较高,能够在室内温度测量、实验仪器温度测试和锅炉温度测试等一些列工业环境中进行使用,具有较好的应用前景。
　　
　　参考文献:
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