基于单片机的温度控制系统的设计与实现
摘要：纺织业是我国传统产业，印染控制的核心是温度控制，温度控制的好坏直接影响染布的质量。本文以51系列单片机为核心、从硬软件分析印染温度控制系统的设计。
关键词：单片机；印染；温度控制 引言
在工业生产中，电流、电压、温度等都是常用的被控参数。比如：在化工生产、机械制造等领域中，我们都必须对各种加热炉、反应炉的温度加以检测与控制。通常情况下，对温度的检测和控制可以借助单片机来实现，这主要是因为单片机不仅体积较小，而且重量非常轻便，具有很强的抗干扰能力，另外，对环境没有很高的要求等优点。即便不是电子专业的人员，经过自己不断的对单片机理论知识的学习，再加上一定的实践经验，也能开发会预期的单片机系统。而文章所探讨的单片机的温度控制系统是工业生产中应用最广泛的例子，相信广大学者凭借自己的聪明才智，将单片机系统广泛应用到工业生产中，从而提高工业生产产品的数量与质量，使单片机在市场中占有较大的比例，利用最科学设计为企业带来更大的经济效益。
二．设计思想及功能
为满足系统对温度的控制要求，本设计包括硬件电路设计和软件设计2部分。硬件电路设计主要包括：控制电路、数据采集、数据处理、模/数（A/D）转换；外部硬件包括接口、键盘和显示器3部分。软件部分主要运用MCS-51系列单片集中的8051单片机为主控制器，通过软件设计实现人机对话功能及温度控制。主程序是本系统的监控程序，用户可通过监控程序监控系统工作。
三．硬件、软件设计
1.温度检测部分
①热电偶的种类及结构形式。A.热电偶的种类。常用热电偶可分为标准热电偶和非标准热电偶2大类。B.热电偶的结构形式。为了保证热电偶可靠、稳定地工作。
②热电偶冷端的温度补偿。由于热电偶的材料一般都较贵重，而测温点到仪
表的距离都很远，为了节省热电偶材料，降低成本，通常采用补偿导线把热电偶的冷端延伸到温度较稳定的控制室内，连接到仪表端子上。
③热电阻测温原理及材料。热电阻测温基于金属导体的电阻值随温度的增加而增加这一特性测量温度。
④热电阻的结构。A.精通型热电阻。从热电阻的测温原理可知，被测温度的变化直接通过热电阻阻值的变化来测量。B.铠装热电阻。
⑤热电阻测温系统的组成。热电阻测温系统一般由热电阻、连接导线和显示仪表等组成。
2.变换器
①功能介绍。测量范围：5%～98%RH；温度测量范围：-50～200℃；温度精度：±0.25℃；输出：4～20mA，0～20mA，0～10V；
防护等级：IP67；负载：电流小于500欧，电压大于10000欧；供电：24VAC；工作温度：传感器-4～+150℃，变送器：-5～+50℃。
②特点。采用全密封防水结构，对传感器采用烧结头防尘处理、保证其在粉尘环境可靠工作；工作温度范围广，量程宽、响应时间短；有探头分体安装形式，可分离2m引线。
③工作原理。利用环境温度、湿度变化引起材料电特性变化的原理进行温、湿度测量。整机采用进口热敏器件，温敏芯片进行信号处理，并将其整理为标准信号输出。
④资源分配
根据系统设计思想，对单片机进行地址分配如下：地址位50H～51H用来存储当前的检测温度，高位在前；地址位52H～53H用来存储预设温度，高位在前；54H～56H为采用BCD码存储的温度显示缓冲区，分别表示百十个位；59H～7FH为堆栈区；报警标志位为PSW.5位，F0为0时表示禁止报警，F0为1时表示允许报警。系统初始化时上述地址中的内容均为0。
单片机的接口分配如下：I/O口的P1.0～P1.3为键盘输入端口；P1.6～P1.7为报警和电炉控制端口。
若系统温度不是非常高，A/D转换器使用ADC0809即可满足要求。
3.软件系统设计
硬件电路设计完之后，再进行的就是软件设计的工作，通常单片机的工作必
须要做到软硬件相结合，因为许多的硬件功能都是需要依靠软件的支持来实现的，所以软件的设计也至关重要，其成功与否关系着单片机工作的稳定性与可靠性。一般在软件的设计中，主程序的功能是将定时器与 I/O 接口初始化，另外需要依靠中断程序来控制与检测温度，而中程序则是单片机初始化过程与CPU 的终端。ATC51单片机共有5个中断源。各个中断源的功能在总体设计时就已经确定，设计者根据已定义的功能来编写相应的中断服务程序。作为设计者，在设计前期就应充分考虑与中断服务程序所相关的各项处理，包括合理分配程序任务，保证程序合理运行。在软件控制中控制部分子程序设计：
本部分的主要功能就是接收上位机的命令，实现整体正常运行。
当接收的命令为“K”，相应的，对单片机P0.1就会输出低电平，继而固态继电器会呈现闭合状态，如此就能实现接通加热丝并使其对水进行加热的效果；
反之，若接收的命令为“G”，相应的P0.1口会输出高电平，加热丝会停止加热达到温度回落的目的。
4.软件开发与应用
系统的操作软件主要是使用C语言实现，对单片机实行编程以达到各项功能的目的。主程序对于模块实行初始化操作，然后进行读温度、处理温度、显示、键盘等各种处理模块的调用处理。使用循环查询形式，用于显示与控制温度，主程序的主要功能为负责温度的实时显示、读出并且处理控制芯片的测量当前温度值，同时负责调用各个子程序。热电偶测量得到的温度数值会逐步从模数转换电路变为数字，再通过P11：3将其传输至单片机内部。然后每隔10s的阶段，时间自动中断控制系统便开始功能实现，对实际测量的温度实现集中采样操作，并且统一把采集到的温度和之前预定的温度数值实行比对分析。依据不同程度的比较结果，系统则会实行自动调节控制。假如实际测量的温度和预先在系统内部设置的温度具有一定程度的差距时，系统能够自动执行截断功能，或者可以经过全功率的输出指令来实现可控硅的导通角，从而达到调整偏差的目的。
四．温控系统的控制模块
温控系统的控制模块在本次设计模块中占据重要比例。在过零同步脉冲同步后经光电耦合管和驱动器输出送到可控硅的控制极上。
1.硬件电路设计
通常情况下，电子学中不同的模型会通过不同的算法来实现，我们在对不同对象进行温度控制设计时，采取不同的温度检测算法。譬如我们会选择使用人工智能控制算法来针对一些时间滞后明显而难以建立精确的数学模型。
2.单片机软件设计
系统数据库设计。系统所需数据结构包括各测温元件的序列号表，汉字字模存储、系统运行时间表存储、各温控点的设定值及测量值、系统时间的存放及一些临时数据存储。
五．结束语
采用51系列单片机为核心构成的控制系统实现印染工艺过程的温度控制。单片机应用于印染行业具有体积小，重量轻，价格低廉，可靠性高，灵活性好、安装方便等优点，在抗干扰方面还存在一些问题，系统还需进一步完善。该系统响应速度快，存储量大，CPU使用率较小，因此能够及时的处理，并且实时的采集数据等各方面的优势和性能相对较好。基于这些优势，单片机的温度控制系统的设计必将得到更广泛的应用。
参考文献
[1] 尚玉沛,石林锁,张振仁.最小二乘法在高精度温度测量中的应用[J]. 传感器技术. 2000(01)
[2] 刘国强,唐东红,李兴伟.基于ATC51单片机的高精度测温系统的研制[J]. 仪器仪表学报. 2005(S1)
[3] 郑善锋,郑华杰,黄其智,尚志红.利用微机数据处理提高温度测量精度[J]. 电路与系统学报. 2005(01)
[4] 苏卫东,任思聪,刘升才.温控箱数学模型的建立及其自适应PID控制[J]. 中国惯性技术学报. 1995(04)
