摘  要： 溫度是生產(chǎn)、生活及科學(xué)研究等方面中的一個(gè)重要參數(shù)，在很多場(chǎng)合起著極為關(guān)鍵的作用，需要精確控制。因此，高精度溫度控制器具有廣闊的市場(chǎng)前景和迫切的應(yīng)用需求。研究和設(shè)計(jì)了一個(gè)由單片機(jī)控制的具有一定智能水平的溫度控制系統(tǒng)，能夠按照實(shí)際需要設(shè)定溫度控制的范圍，并根據(jù)在溫度調(diào)整過程中的溫度變化情況，輸出智能控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)溫度的精確控制。

關(guān)鍵詞： 溫度控制；單片機(jī)；STC89C52；智能

0 引言

　　隨著社會(huì)發(fā)展和科技進(jìn)步，溫度的測(cè)量及控制在人們的生產(chǎn)、生活和科學(xué)研究中發(fā)揮著越來越重要的作用[1-3]。在現(xiàn)代社會(huì)中，對(duì)各種過程的控制要求日趨精密，對(duì)于溫度的測(cè)量和控制要求也進(jìn)一步提高[4-9]。目前國內(nèi)的傳統(tǒng)溫控箱控制精度低，價(jià)格高，難以滿足高精度溫度控制的要求，國外的溫度控制箱控制精度高，但價(jià)格昂貴，如德國西門子（Siemens）、恩德斯豪斯公司（Endress+Hauser）、美國江森（Johnson）、霍尼韋爾（Honeywell）、羅斯蒙特公司（Rosemount）、英國森威爾（Saswell）、瑞士ABB公司、日本松下公司（Panasonic）等都生產(chǎn)性能優(yōu)良的溫度控制箱，在社會(huì)各行業(yè)中得到廣泛的應(yīng)用。為滿足國內(nèi)低成本溫度控制要求，本文研制了一個(gè)采用單片機(jī)控制的高精度智能溫度控制箱，它具有結(jié)構(gòu)緊湊、工藝簡單、智能化等優(yōu)點(diǎn)。

1 溫控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　溫度控制的基本原理是在需要進(jìn)行溫度控制的場(chǎng)合用傳感器測(cè)量其溫度值，與控制器內(nèi)存儲(chǔ)的溫度值進(jìn)行比較，當(dāng)測(cè)得的溫度高于或低于設(shè)定值時(shí)，啟動(dòng)加熱或降溫設(shè)備，使溫度回歸到設(shè)定值范圍內(nèi)，其原理如圖1所示。

　　1.1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　本溫控箱以單片機(jī)STC89C52作為溫控中心，用溫度傳感器DS18B20作為溫度測(cè)量單元，將采集的溫度值經(jīng)過串行通信方式傳輸?shù)綔乜刂行倪M(jìn)行判斷，并進(jìn)行智能處理。當(dāng)測(cè)得的溫度T低于設(shè)定的最低溫度Tl時(shí)，單片機(jī)發(fā)出控制信號(hào)，啟動(dòng)加熱器件；當(dāng)測(cè)得的溫度T高于設(shè)定的溫度Th時(shí)，單片機(jī)發(fā)出控制信號(hào)，啟動(dòng)降溫器件，將溫度保持在設(shè)定的范圍內(nèi)，完成溫控工作。本溫控器帶有LCD顯示模塊和按鍵輸入模塊，可顯示實(shí)時(shí)溫度值和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)定溫度控制范圍。溫控系統(tǒng)主要由溫度檢測(cè)模塊、單片機(jī)控制模塊、溫度顯示模塊、溫控執(zhí)行模塊（繼電器及加熱、降溫器件）等部分組成。

　　1.2 溫度檢測(cè)單元設(shè)計(jì)

　　為提高測(cè)溫精度，降低成本，本溫控箱采用較成熟的DS18B20溫度傳感器來完成溫控箱內(nèi)部和外部的溫度檢測(cè)。DS18B20是由Dallas公司生產(chǎn)的一線式數(shù)字溫度傳感器，它將溫度感測(cè)、信號(hào)變換、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、A/D轉(zhuǎn)換等功能集成于一體，其溫度檢測(cè)范圍寬，達(dá)到-55℃～+125℃，可以用一線總線方式連接微處理器，以編程方式（9~12位）轉(zhuǎn)換精度，測(cè)溫分辨率達(dá)0.062 5 ℃。DS18B20溫度傳感器的工作電源可從外部輸入，也可采用寄生電源方式工作；多個(gè)DS18B20可以并聯(lián)連接到CPU，實(shí)現(xiàn)多個(gè)DS18B20與CPU的通信，因此連線少，可節(jié)省引線和邏輯電路，減少CPU端口的占用，但以增加軟件復(fù)雜性為代價(jià)，對(duì)讀寫的數(shù)據(jù)位有著嚴(yán)格的時(shí)序要求。

　　DS18B20溫度傳感器具有體積小、功能強(qiáng)、精度高、連接方便、抗干擾性好等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)控制、智能家居等環(huán)境中得到較廣泛的應(yīng)用。

　　1.3 溫度控制執(zhí)行部分設(shè)計(jì)

　　由于單片機(jī)的輸出功率較小，不宜直接驅(qū)動(dòng)繼電器，否則會(huì)造成單片機(jī)功耗過大，加重單片機(jī)內(nèi)部電源的負(fù)擔(dān)，易導(dǎo)致單片機(jī)工作不穩(wěn)定。為安全平穩(wěn)控制繼電器，本溫控系統(tǒng)采用固態(tài)繼電器SSR-40DA，固態(tài)繼電器也稱作固態(tài)開關(guān)SSR（Solid State Relay），它是利用現(xiàn)代微電子技術(shù)與電力電子技術(shù)相結(jié)合而發(fā)展起來的一種新型無觸點(diǎn)電子開關(guān)，集光電藕合、大功率雙向晶閘管及觸發(fā)電路、阻容吸收回路于一體，用于代替?zhèn)鹘y(tǒng)的電磁式繼電器，實(shí)現(xiàn)對(duì)單相或者三相電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制，或者其他控制。無觸點(diǎn)無動(dòng)作噪音，具有開關(guān)速度快、無火花干擾和可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。

　　1.4 溫度顯示模塊

　　溫度顯示模塊采用1602C型字符型液晶顯示器。1602C型顯示器具有功耗低、體積小、顯示內(nèi)容豐富、超薄輕巧等優(yōu)點(diǎn)，在袖珍式儀表和低功耗應(yīng)用系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛，是一種專門用于顯示字母、數(shù)字、符號(hào)等點(diǎn)陣式的LCD，顯示的格式為16×2行。在模塊內(nèi)部已經(jīng)存儲(chǔ)了160個(gè)不同的點(diǎn)陣字符圖形，這些字符包括：英文字母的大小寫、阿拉伯?dāng)?shù)字、常用的符號(hào)等，每一個(gè)字符都有一個(gè)固定的代碼。

　　1.5 加熱／通風(fēng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)

　　當(dāng)單片機(jī)檢測(cè)到溫度不在調(diào)控范圍以內(nèi)時(shí)，需要啟動(dòng)加熱或降溫器件使溫度回到溫控范圍內(nèi)。一般加熱的方式為電熱絲和風(fēng)扇，本系統(tǒng)用電熱絲為加熱器件，以風(fēng)扇為降溫器件。為使溫度變化過程平穩(wěn)，通常要對(duì)加熱或降溫器件的功率進(jìn)行調(diào)整。功率調(diào)整的方法一般用可控硅，具體的方式有調(diào)相和ＰＷＭ。調(diào)相就是調(diào)整加在負(fù)載上的電壓的導(dǎo)通角，ＰＷＭ是通過調(diào)整單位時(shí)間內(nèi)加在負(fù)載上的電壓次數(shù)來改變負(fù)載功率。為降低對(duì)電網(wǎng)的污染和對(duì)其他用電器件的干擾，本系統(tǒng)采用PWM方式對(duì)溫控器件進(jìn)行調(diào)整。

　　1.6 報(bào)警電路

　　本溫控箱采用聲光報(bào)警方式進(jìn)行異常狀態(tài)報(bào)警，以晶體管和蜂鳴器構(gòu)成聲音報(bào)警電路，以紅、綠色發(fā)光二極管構(gòu)成光線報(bào)警電路。在系統(tǒng)正常工作時(shí)，只有綠色發(fā)光二極管點(diǎn)亮；當(dāng)系統(tǒng)測(cè)得的溫度超出設(shè)定的溫度范圍，綠色發(fā)光二極管熄滅，紅色二極管點(diǎn)亮，同時(shí)由單片機(jī)控制蜂鳴器發(fā)出報(bào)警聲，10 s后停止聲音報(bào)警。

2 溫控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　2.1 控制流程圖

　　智能溫控系統(tǒng)控制流程如圖2所示。系統(tǒng)開機(jī)后首先初始化程序，接著進(jìn)行溫度測(cè)量，將測(cè)得的溫度值通過顯示屏顯示；檢測(cè)是否有按鍵操作，若有則執(zhí)行按鍵掃描及處理程序，存儲(chǔ)新輸入的溫度控制范圍，若無按鍵操作則直接顯示當(dāng)前溫度及設(shè)定值；將測(cè)得的溫度值與設(shè)定值進(jìn)行比較，若在設(shè)定范圍內(nèi)，程序自動(dòng)返回測(cè)量溫度，若不在設(shè)定范圍內(nèi)，則程序根據(jù)測(cè)得的溫度與設(shè)定值，確定調(diào)溫停止的溫度，進(jìn)行智能處理后輸出控制信號(hào)，啟動(dòng)報(bào)警，運(yùn)行加熱或降溫設(shè)備進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)。

　　2.2 軟件設(shè)計(jì)

　　為實(shí)現(xiàn)上述控制流程，達(dá)到溫度控制目的，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了溫度采集程序、LCD顯示程序、按鍵掃描及處理程序、溫度比較及計(jì)算程序、智能控制程序、報(bào)警程序等，其控制過程如圖2所示。

　　溫度采集程序用于將DS18B20所采集的溫控箱內(nèi)部、外部溫度通過串行通信送入到指定地址；LCD顯示程序用于顯示測(cè)得的溫度值及設(shè)定溫度等數(shù)據(jù)；按鍵掃描及處理程序用于處理按鍵相關(guān)事項(xiàng)，即判斷是否有按鍵行為、記錄按鍵輸入值及將輸入值送往指定地址等。

　　傳統(tǒng)的溫控箱只是簡單地將測(cè)量得到的實(shí)時(shí)溫度值與設(shè)定值進(jìn)行比較，控制加熱器件或降溫器件的通斷狀態(tài)進(jìn)行溫度調(diào)整。這種控制方式很容易出現(xiàn)過沖現(xiàn)象，對(duì)控制精度造成嚴(yán)重影響。同時(shí)單片機(jī)的功能只使用了一小部分，造成了資源浪費(fèi)。本系統(tǒng)利用單片機(jī)的計(jì)算和比較功能對(duì)加熱和降溫過程進(jìn)行智能控制，能較好地解決過沖問題，減少加熱和降溫狀態(tài)的轉(zhuǎn)換次數(shù)，實(shí)現(xiàn)溫度的平穩(wěn)控制，同時(shí)節(jié)省能源。

　　在進(jìn)行智能控制時(shí)，根據(jù)設(shè)定的溫度范圍及探測(cè)到的系統(tǒng)溫度，確定加熱或降溫時(shí)的結(jié)束溫度，如果環(huán)境溫度高于設(shè)定溫度的上限，則降溫器件停止工作時(shí)的溫度由單片機(jī)根據(jù)公式Th-0.8（Th-Tl）計(jì)算出來。當(dāng)環(huán)境溫度低于設(shè)定溫度的下限，則加熱器件停止工作時(shí)的溫度由單片機(jī)根據(jù)公式Tl+0.8（Th-Tl）計(jì)算出來。當(dāng)環(huán)境溫度在設(shè)定溫度的上、下限之間，則降溫器件停止工作時(shí)的溫度由單片機(jī)根據(jù)公式Tl+0.5（Th+Tl）計(jì)算出來，通過此種方式進(jìn)行溫度調(diào)控，能有效減少加熱或降溫器件的啟停次數(shù)，延長系統(tǒng)壽命，同時(shí)也使溫度變化過程更平穩(wěn)。在調(diào)溫過程中以PID方式對(duì)系統(tǒng)溫度進(jìn)行控制，即在控制過程中，將測(cè)得實(shí)際溫度值與設(shè)定值進(jìn)行比較，經(jīng)單片機(jī)計(jì)算后得到溫度的偏差值、偏差變化率等，根據(jù)溫度值、偏差值、偏差變化率算出控制增量，以控制加熱器件或風(fēng)扇的導(dǎo)通時(shí)間，達(dá)到溫度控制的目的。

　　報(bào)警程序用于輸出報(bào)警信號(hào)，控制報(bào)警電路實(shí)現(xiàn)聲光報(bào)警。

3 總結(jié)

　　本溫控箱以單片機(jī)作為溫控系統(tǒng)的中央控制單元，充分利用了單片機(jī)的運(yùn)算功能對(duì)溫控過程進(jìn)行自動(dòng)控制，實(shí)時(shí)性強(qiáng)，可實(shí)現(xiàn)高精度控制，同時(shí)本系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理，結(jié)構(gòu)簡單，具有可靠性高、運(yùn)行穩(wěn)定、成本較低、操作簡便等優(yōu)點(diǎn)，適用于需要較高控制精度的各種場(chǎng)合。

參考文獻(xiàn)

　　[1] 張瀚文，張博，杜巖，等.多路高精度擴(kuò)散爐溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2013，32（17）：83-86.

　　[2] 劉雷，張高飛，尤政.環(huán)境溫度對(duì)RF-MEMS開關(guān)閉合電壓影響研究[J].傳感器與微系統(tǒng)，2013，32（5）：6-8.

　　[3] SELAK G V， PERICA S， BAN S G， et al. The effect of temperature and genotype on pollen performance in olive[J]. Scientia Horticulturae， 2013，156（1）：38-46.

　　[4] 陳新海，張侃健，魏海坤，等.無人值守的南極科考平臺(tái)溫控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].自動(dòng)化儀表，2013，34（10）：23-27.

　　[5] VITEL G， SURU M G， PARASCHIV A L. Structural effects of training cycles in shape memory actuators for temperature control[J]. Materials and Manufacturing Processes， 2012， 28 （1）： 79-84.

　　[6] 李曉明，馮志書，徐剛，等.基于PC104的某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫度測(cè)試系統(tǒng)[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2013，32（11）：95-96.

　　[7] COSTA B A， LEMOS J M， ROSA L G. Temperature control of a solar furnace for material testing[J]. International Journal of Systems Science， 2011，42（8）：1253-1264.

　　[8] 文春明，溫志渝，尤政，等.硅基微型超級(jí)電容器三維微電極結(jié)構(gòu)制備[J].電子元件與材料，2012，31（5）：42-45.

　　[9] ASTRAIN D， MART?魱NEZ A， GORRAIZ J， et al. Computational study on temperature control systems for thermoelectric refrigerators[J]. Journal of Electronic Materials， 2012， 41 （6）： 1081-1090.