关键字：单片机，温度控制系统，设计，探索
0.前言
随着工业生产过程的不断进步，温度这个指标越来越受到生产厂家的重视。有些精密的生产过程它们的理想环境是一个恒温的环境，这种情况下对于温度动态变化过程的要求就更为严格。单片机以其稳定性强，操作简单，价格便宜等优点受到了市场的青睐。单片机体积小，却集ROM，RAM，I/O口，串行通信口和多个专用寄存器于一身。因此，以单片机为控制中枢来控制整个温度控制系统也得到了广泛的应用。
1.单片机的温度控制系统的原理分析
在目前的生产过程中，较为普遍的应用方式是将单片机与高精度传感器相结合。传感器会将采集到的温度转换为电信号，转换得到的电信号是很微弱的，需要将转换得到的电信号经过一个放大电路进行放大，使这个信号能够被单片机所接收。单片机内部的A/D模块再将放大过的电信号整合成可输出的数字信号并将其输出到显示模块上。在使用这个系统时我们要通过按键模块预先输入温度的上限与下限，当采集得到的温度高于上限时，加热管停止工作，冷却管开始工作，低于下限时启动加热管，冷却管停止工作。
2.系统的各个模块及其工作特点
基于单片机的温度控制系统可大致分为温度采集模块，电压放大模块，A/D模块，显示模块，温度控制模块和报警模块。
2.1 温度采集模块
温度采集模块的主体是一个高精度传感器，它将采集得到的温度数据转换为二进制信息存于RAM中，再将采集到的信息传到单片机中，具有灵敏度高且体积小的特点，简化了电路的复杂程度，传送过程中利用CRC校验码增强了纠错能力。
2.2 电压放大模块
电压放大模块可用场效应管作为放大器件搭建简单的放大电路，也可以直接用一个运算放大器放大电压，它将温度采集模块采集得到的微弱电压信号放大到可被单片机接收的电压信号。
2.3 A/D模块
A/D模块由采样，保持，量化和编码四个部分组成。单片机将采集得到的时间上连续的电信号先转化为离散的电信号，通过保持和量化转换成时间和幅度都离散的信号，最后将信号整合成二进制代码输出到显示模块。
2.4 显示模块
显示模块是最终的输出端，用来输出采集到的当前温度值，用户通过按键设定的温度上限值与下限值也会输出到显示模块中。
2.5 温度控制模块
简单的温度控制模块可由一个加热管和一个冷却管构成，根据PID算法算出相应的温差。当温度产生小范围的波动时，可通过反馈电路启动或停止加热管进行调节，当温度突然升高时，冷却管也将启动使温度迅速下降，避免因温度过高所带来的危险。
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2.6 报警模块
报警模块可由指示灯和蜂鸣器组成，正常情况下指示灯显示为绿色，当温度高于上限值或低于下限值时，指示灯变为红色且蜂鸣器发出声响提醒用户控制系统出现问题。
3.单片机温度控制系统的分析
一个优质的系统离不开耐用的硬件和缜密的软件的支撑，在针对不同的情况时要通过选择合适的硬件和编写合理的软件使温度控制系统的功能发挥到最大化。
3.1 单片机温度控制系统的硬件电路
除了利用高精度传感器进行温度采集外，还可以采用纯硬件的闭环控制系统和FPGA/GPLD等方法实现对温度的采集。其中纯硬件的闭环控制系统对于硬件有着较高的要求，稳定性相对低一些，但若从实时性的角度考虑，纯硬件闭环控制系统的快速性会更优。开发FPGA/GPLD的成本相对较高，但当测量的环境较为复杂时，利用FPGA/GPLD的方法测量所得的结果会更为准确，操作的时候更易于控制。在设计时可以根据自身情况选择性价比较高的一种方法。
如果想要构建一个稳定性更好，精确度更高的温度控制系统，可以在温度控制模块中加入更多的小功率加热管，通过控制这些小功率加热管的启动与停止使温度的波动稳定在一个更小的区间，遇到温度的突变时的反应也会更加灵敏迅速。在外围电路中还可以加入湿度采集器和滤波电路等模块使最终测得的结果更接近实际值。
3.2 单片机温度控制系统的软件开发
单片机的软件部分通常采用C语言进行进行编写，不同的功能模块分别对应一个自己的函数，在主函数中对这些函数进行初始化，当需要使用某个功能模块时就调用对应的函数，这样在使用软件进行操控时逻辑会更为清晰，不容易出错。即使软件编写过程中出现问题，分块式的编程方式也会使用户更快锁定出错的部分，只需在出错的模块中分析错误原因 就可以了。
当用户想通过按键人为来控制温度的高低或者因紧急情况想关闭整个系统时，需要在编写软件过程中添加外部中断，通过中断优先级的高低对系统进行调控。也可以根据用户的需求加入定时的功能，同样利用单片机的定时器累计到预设数值后系统自动停止。
3.3 单片机温度控制系统的设计分析
在系统的设计过程中，安全性是要永远放在第一位的。对于用户所输入的不同的值所对应的输出都要考虑在内。这要求设计者充分考虑到系统在运行过程中的所有可能情况。当温度产生骤升或骤降时，机器需要迅速作出反应，当机器承受不住环境温度时，要能自动切断电源。系统在日后的维护时，也要针对不同的情况进行针对性的测试，对于突发情况考虑得越全面，系统的耐用性也会更好。设计时可以将一些模块进行集成，用户在控制过程只需要操控几个按键就可对整个系统进行控制，使对系统的操控更加简单方便。
4.结语
本文主要介绍了基于单片机的温度控制系统的基本原理，并对设计过程中所涉及的各个功能模块进行了阐述，对设计过程中软件，硬件等方面的问题及注意事项进行了说明。随着工业生产的不断进步，对于温度控制的快速性与精确性的要求也会越来越高。基于单片机的温度控制系统的设计与探索也将更加受到重视且日趋成熟，并产生重要意义。
参考文献：
【1】宋慧 王智檀 基于单片机的温度控制系统研究【J】电子制作 2014
【2】孙杰 张学军 刘 云 鄢金山 史曾录 靳伟 李超新 刘立果 基于单片机的温度控制系统设计及仿真【J】农机化研究 2015
论文作者:俞金鑫
论文发表刊物:《科技中国》2018年3期
论文发表时间:2018/8/6
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