关键词：单片机；温度；控制系统；设计
中图分类号：PT23 文献标识码：A文章编号：1673-0992（2010）11-0000-02
一、引言
温度，由于具有大惯性、大滞后性和时变性等控制特点【1】，应用传统的模拟控制方法很难达到控制要求，随着科学技术的发展，各个行业对温度检测技术也提出了更高的要求，希望制造出适应性更强、精确度更高、以及性能更稳定的温度控制系统。单片机控制系统在冶金、化工、建材、机械、食品、石油等各类工业中得到了普遍应用，它不仅有一般计算机系统的功能和特点，而且在实时性、可靠性、功耗和体积结构方面具有卓越的性能。因此采用单片机对温度系统进行智能控制，而且在单片机内加入可靠的软件算法，进一步保证了温度控制的准确性和可靠性。
二、系统总体方案设计
考虑到传统的温度控制系统的控制电路复杂、采用元器件较多、维修和调试任务难度大，以及采用的模拟控制结构在实现功能上受到一定的限制，只能采用简单的控制规律，能达到的温度控制目的效果不佳。鉴于此，我们考虑提出了基于单片机的温度自动控制方案，单片机处理器具有高精度、高灵敏度、高响应速度，以及能耗低、结构小，能够达到连续、实时、自动控制、安全可靠的控制效果。同时，在单片机内部的软件实现上可以加入针对温度控制的各种复杂的控制逻辑算法，而且不受外界运行环境的影响。因此，运用单片机系统进行温度的自动控制，是一个高效、可靠、有益的方案。
本系统主要采用Atmega 16L单片机为核心控制器件，设备由温度传感器、温度控制系统、运算放大电路、液晶显示系统、键盘输入系统、串口通信系统等结构组成。Atmega 16L单片机具有自带的一个10位的逐次逼近型的ADC，该ADC与一个8通道的模拟多路复用器连接，能对来自8路的单端输入电压进行采样，其参数指标可以达到10位精度，0.5LSB非线性度，±2LSB的绝对精度，最高采样率高达15ksps等【2】。不但能够达到温度控制的条件，而且其自带的控制模块还能减少电路的设计，进一步减少系统的体积结构。总体结构框图如下图1所示：
该温度自动控制系统以单片机为核心，通过单片机来控制温度传感器和运算放大器的供电，传感器采集的温度信号经过运算放大器放大，然后通过单片机内部的A\D转换器把模拟量的温度信号转换为数字量信号，接着单片机根据预设的校准值进行分析得出测得的实际温度，根据该测得的温度值和设定的温度控制规律来控制温度控制器，进而调节外部控制目标的温度。该系统还具有通过键盘可以对单片机的控制规律、控制参数等进行调整和设置，通过液晶显示器显示出来。系统还设计了一个RS232的通信接口，通过该接口可以与计算机进行远程通信，达到远程监控和传递各种参数的目的。
三、系统硬件设计
根据系统的总体设计思路选择各个部分器件的型号，由于选用Atmega 16L单片机作为控制芯片，其内部具有丰富的资源可以配置使用，因此减少了电路的硬件设计，进而减小了整个系统的结构。对于整个系统的硬件设计，主要包括对温度传感器的选型，液晶显示器的选型，运算放大电路的设计，温度控制电路的设计，串行接口的设计，键盘电路的设计等。
该控制系统主要考虑用于一般的工业环境，选用点阵式液晶显示器DMF50174，温度传感器选用铂电阻PT100，通信接口选用MAX232芯片。具体硬件描述如下：
1.温度传感器。
温度传感器采用的是铂电阻PT100，它的物理性质和化学性质都很稳定，耐氧化，并且在很宽的范围内有较好的线性稳定性【3】。当温度在-200℃-+650℃范围内时，其电阻和温度变化的关系式如下：R= (1+αT),其中α=0.00392， 为100Ω（在0℃的时候测得的电阻值），T为摄氏温度。
2.运算放大电路设计
考虑到PT100在0℃时的电阻值为100Ω，计算时一律使用0-300℃。
可得出＝0.0756883V
如此小的输出电压，若直接送ATmega16L，会造成系统的灵敏度降低。因此在送ATmega16之前需要将电压放大。采用差分放大电路如图2：
3.温度控制电路。
温度控制电路必须保证可靠、灵活地对外部加热，就需考虑整个控制系统的高效性，以及防止外部一定干扰的设计。该控制电路主要由光电耦合器和可控硅组成，如图3所示，单片机发出的控制信号经过驱动器后控制光电耦合器的工作状态，当光电耦合器工作导通后，使双向可控硅呈导通状态，进而对加热棒进行加热。
4.通信接口。
通信方式采用RS232串行通信，接口芯片选用MAX232芯片，该芯片是由美信公司专门为电脑的RS232标准串口设计的单电源电平转换芯片，使用+5v单电源供电，主要是将单片机的电平转换为符合RS232标准的物理电平传输信号。该芯片的主要特点就是：
a、符合所有的RS-232C技术标准。
b、只需要单一 +5V电源供电。
c、片载电荷泵具有升压、电压极性反转能力，能够产生+10V和-10V电压V+、V-。
d、功耗低，典型供电电流5mA。
e、内部集成2个RS-232C驱动器。
f、内部集成两个RS-232C接收器。
具体引脚【4】：
第一部分是电荷泵电路。由1、2、3、4、5、6脚和4只电容构成。功能是产生+12v和-12v两个电源，提供给RS-232串口电平的需要。
第二部分是数据转换通道。由7、8、9、10、11、12、13、14脚构成两个数据通道。TTL/CMOS数据从T1IN、T2IN输入转换成RS-232数据从T1OUT、T2OUT送到电脑DB9插头；DB9插头的RS-232数据从R1IN、R2IN输入转换成TTL/CMOS数据后从R1OUT、R2OUT输出。
第三部分是供电。15脚GND、16脚VCC（+5v）。
5.键盘电路设计。
对于一个人机交互系统，必须保障由一个输入设备。人为对系统的干预和数据参数的输入的设备常用键和键盘代替，由于单片机系统设计的专用型，不同的系统环境其输入设备会有很大的区别，在本系统中考虑到整个系统的干预和参数设置不太复杂，而且需要的按键不多，因此选用独立式的非编码键盘。键盘电路原理图如图4所示：
四、系统软件设计
该温度控制系统以Atmega16L 为控制核心，系统能够可靠、有效的达到控制目标，不仅在硬件上要保证系统稳定、可靠，而且要在软件上保证系统正常、有序的运行。程序的主题框架上要做到逻辑的严密性，软件的编写本来就是依据程序的设计流程来做的，没有好的程序框架是不可能编出优秀的程序来的。本系统的程序流程如图5所示：
图5 温度控制系统软件程序流程图
在系统软件的编写过程中，考虑到系统对温度的检测，以及控制的准确性和速度要求，系统全部采用汇编语言编写。
五、总结
考虑到系统整体的控制要求和需要控制对象的特点，选用了Atmega16L作为核心控制部件，其内部资源丰富，极大了减少了电路的设计，并针对温度控制特点在软件编程中加入了特定算法。该系统对温度的控制目标基本能达到控制要求，具有操作容易、运行稳定可靠，适用于一般的工业环境。
参考文献：
[1]陈胜勇，张凯翔多点温度采集控制系统的分析与研究[J]宁夏机械，2007
[2] 李震，洪添胜基于AVR单片机和PID算法的水温控制器[J] 国外电子测量技术 2006
【关键词】单片机；温度控制系统；开发与研究
基于单片机的温度控制系统的开发与研究有很高的技术要求，控制系统分为硬件系统和软件系统两大部分，可以实现对温度的精确控制，在实际的生产生活当中，精确的温度控制具有很大的意义，可以大大提高系统的性价比，可以提高整个装置的稳定性与安全性。目前，国内外都很重视对温度控制系统的开发与研究，经过长期的努力与开发，基于单片机的温度控制系统的开发与研究已经取得了很大的发展，但是在实际应用过程中，仍然存在不小的问题，难以完全实现对温度的精确控制，整个装置的稳定性有待加强。
1.国内外温度测控系统的研究
1.1国外温度测控系统研究
在实际的生产生活中，对温度的精确控制具有相当重要的意义，国外很早就开展对温度控制技术的研究，这个研究始于20世纪70年代。国外最先采用模拟式的组合仪表，采集现场信息并进行指示、记录和控制，在80年代末出现了分布式控制系统，目前正开发和研制计算机数据采集控制系统的多因子综合控制系统。现在世界各国的温度测控技术发展很快，一些国家在实现自动化的基础上正向着完全自动化、无人化的方向发展。
1.2国内温度测控系统研究
我国对于温度测控技术的研究较晚，始于20世纪80年代。我国工程技术人员在吸收发达国家温度测控技术的基础上，才掌握了温度室内微机控制技术，该技术仅限于对温度的单项环境因子的控制。我国温度测控设施计算机应用，在总体上正从消化吸收、简单应用阶段向实用化、综合性应用阶段过渡和发展。在技术上，以单片机控制的单参数单回路系统居多，尚无真正意义上的多参数综合控制系统，与发达国家相比，存在较大差距。我国温度测量控制现状还远远没有达到工厂化的程度，生产实际中仍然有许多问题困扰着我们，存在着装备配套能力差，产业化程度低，环境控制水平落后，软硬件资源不能共享和可靠性差等缺点。
2.基于单片机的温度控制原理
2.1基于单片机的温度控制系统的组成
传统单片机的温度控制系统在实际工作中，很容易受到外界环境的影响，工作很不稳定，功能比较单一。多功能温度控制系统由五部分组成，这五个部分分别是温度测控电路、按键电路、报警电路、显示器和恒温控制器，这种多功能的温度控制系统具有很多的有点，它的能耗比较低，整个装置的体积比较小，节省空间，在实际工作中，工作可靠性高，对温度的控制精度也很高。
2.2基于单片机的温度控制原理
在生产生活中，要实现对温度的控制与采集，通常情况下都会用到传感器。传感器可以对温度信息进行采集和记录，并将信息进行转换，转换成为豪伏级的电压信号，微弱的电压信号经过放大就可以被单片机处理，处理之后的数据输入A/O转换器，就可以转换成数字信号，这个数字信号又会被输入到主机中去。基于单片机的温度控制系统，要想大幅度的提高温度的测量精度，在进行温度采样工作时，就必须要对数字信号进行数字滤波操作，这个操作可以将信号的标度逐渐转换出来，并可以借助其他仪器将温度数值清楚地显示出来。
3.单片机温度检测方法
在实际的生产生活中，温度测量大多采用集成的半导体模拟温度传感器，这种传感器可以将测量的温度信息转换成电压或者电流，而且传感器输出的电压或电流与温度在一定范围呈线性关系。这种测量信息之间的相互转换，可以实现对温度的更直观研究，可以实现对采样信息的放大。
温度测量可以使用热电偶进行测量工作，这种测量方法没有半导体模拟温度传感器测量法使用的普遍，在实际应用中，热电偶测量法的测量精度是相当高的，但是整个测量过程相对来说复杂，测量工作持续的时间比较长，此外，这种测量方法要使用电路，受到外界环境干扰的程度比较大，稳定性较差，容易出现较大的测量误差。
温度检测方法的分类有很多种，按照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，每一种温度检测方式在一定程度上具有相应的检测范围。基于物体受热体积膨胀性质的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采用的是接触式温度检测方法，非接触式温度检测方法主要是利用物体的热辐射特性与温度之间的对应关系。基于单片机的温度控制系统，通过在单片机的外部添加各种接口，可以实现对不同物质的温度检测与显示，并且可以通过不断的改进，或者根据实际情况进行调整，实现对温度检测的报警与提醒记录，便于工作人员使用。
4.单片机的温度控制系统的开发与应用
4.1硬件电路的开发与应用
基于单片机的温度控制系统的设计，采用单片机为主机，配合两路传感变送器和多路开关，并包含各种转换器，快速实现不同信息之间的转换与显示，还配有调节阀等，可以实现对贮液容器温度的自动控制。在开发与研究中，基于单片机控制的温度系统有很多种，有时间温度控制系统和数字温度系统等。
下图是基于单片机控制的时间温度控制系统的仿真图，在这个图上，P1口来控制键盘扫描，其中P1.0～P1.3为行线输入，P1.4～P1.7为列线输入；P2口是控制字形的，而P0口控制位；P3.7为电平输出。这个温度控制系统的使用操作是很简单的，在进行温度监测时，操作人员通过数字键盘选择好系统提示需要选择的对象，这个选择对象可以是时间或者其他的参数，然后输入需要控制的时间，时、分、秒位都要认真输入，检查无误之后按下确认键，整个温度控制系统就会开始倒计时；在计时结束时，控制模块会通过P3.7输出一个电平，在下图的仿真图中，这个电平会驱动发光二极管，而在实际的电路中，这个电平要经过放大器进行放大然后传输到执行模块，这样才能最终实现对整个电路的自动控制触发，使后续电路动作。整个倒计时过程会在液晶显示屏上显示出来，便于人们的直观理解。最简单的控制模块可采用双向可控硅来实现，从P3.7输出的高电平经三极管放大后送至可控硅的控制极，而可控硅的其他两极分别与被控器件、电源相接即可。
时间控制系统仿真图
4.2软件开发与应用
在整个温度控制系统中，采样得到的温度信息要经过多次转换，还要经过相关电路的放大作用使得数据进入单片机的处理范围之内，经过一系列作用的数据最终会被输入到单片机之中进行处理与显示，显示的结果可以根据人们的实际需要进行调整，温度信息可以借助于一定的数学表达式、图标、函数等进行显示，便于人们对数据的直观认识。
5.结语
在实际的生产生活当中，精确的温度控制具有十分重要的意义，国内外都相当重视对温度控制系统的开发与研究，随着经济社会的发展，人们对温度控制精度的要求越来越高，与此同时，新型的温度采集技术和温度控制办法开始逐渐应用到整个温度控制系统当中，整个系统的检测精度和工作稳定度得到很大提升，性价比也不断提升！
【参考文献】
关键词:单片机;温度控制;算法;程序
中图分类号:TP273.2文献标识码:A
1 系统组成及工作原理
其主要组成包括8051单片机、温度检测元件和变送器、A/D转换器、键盘与显示电路、温度控制电路和报警电路等几个部分。因为8051单片机内部有4K字节的程序存储器,空间足够,所以不必再扩展程序存储器。其工作过程为,热电偶可将检测的温度转变成mV级的电压信号,经温度变送器放大后,送入A/D转换器,转换成数字量送入计算机,与设定值进行比较,经PID调节后,输出驱动信号,控制可控硅的导通与关断,从而达到调节温度的目的。若检测的实际值与设定值相比较越限,则产生报警信号。温度控制系统原理图如图1所示:
图1温度控制系统原理图
1.1 温度检测元件和变送器
温度检测元件和变送器的类型选择与被控温度及精度等级有关。0~1000°C范围内的温度可以选用镍铬/镍铝热电偶,其输出电压为0~41.32mV。这个信号比较小,故需要变送器将其变换成A/D转换器所需的电压范围。
变送器由毫伏变送器和电流/电压变送器组成。毫伏变送器用于把热电偶输出的0~41.32mV变换成0~10mA范围内的电流;电流/电压变送器用于把毫伏变送器输出的0~10mA电流变换成0~5V范围内的电压。为了提高测量精度,变送器可以进行零点迁移。例如:若温度测量范围为400~1000,则热电偶输出为16.4~41.32mV,毫伏变送器零点迁移后输出0~10mA范围电流。这样,采用8位A/D转换器就可使量化温度误差达到±2.34以内。
1.2 A/D转换电路
ADC0809为温度测量电路的输入接口。ADC0809的IN0和变送器输出端相连,故当P0.2~0.0=000时,就选中IN0通道。当P2.1=0时,启动A/D转换器。EOC引脚连接到8051单片机的P1.3引脚,正在转换时EOC=0,转换结束时EOC=1,通过查询方式,若D/A转换结束,将转换后的数字量读入单片机。
1.3 键盘/显示电路的扩展
8051单片机通过并行接口8255扩展键盘/显示电路,由上图可见,在P2.7=0时,选中8255芯片,8255的PA口、PB口、PC口和控制口的地址分别为7FFCH、7FFDH、7FFEH和7FFFH。1.4 过零触发电路
过零同步脉冲是一种50Hz交流电压过零时刻的脉冲,可使可控硅在交流电压正弦波过零时触发导通。过零同步脉冲由过零触发电路产生,更为详细的电路原理图如图2所示。图中,电压比较器LM311用于把50Hz正弦交流电压变为方波。方波的正边沿和负边沿分别作为两个单稳态触发器的输入触发信号,单稳态触发器输出的两个窄脉冲经二极管或门混合后就可得到对应于交流220V市电的过零同步脉冲。此脉冲一方面作为可控硅的触发同步脉冲加到温度控制电路,另一方面还作为计数脉冲加到8051的T0和T1端。
图2 电路原理图
1.5 温度控制执行电路
8051单片机对温度的控制是通过可控硅调功电路实现的。双向可控硅和加热丝串接在交流220V、50Hz交流市电回路。在给定周期T内,8051单片机只要改变可控硅的接通时间便可改变加热丝功率,以达到调节温度的目的。
可控硅接通时间可以通过可控硅控制极上触发脉冲控制。该触发脉冲由8051单片机用软件在P1.4引脚上输出的信号,其时间的长短由PID运算后对控制量取整完成,再经过零同步脉冲同步后再经光耦和驱动器输出送到可控硅的控制极上,从而达到调功的目的。调功控制信号关系示意图如图3所示:
图3 调功控制信号关系示意图
1.6 报警电路
8051单片机的P1.0~P1.2引脚用于报警,可以和报警电路相连。可采用声、光、电等报警方式。
2 温度控制的算法和程序
2.1 温度控制的算法
通常采用偏差控制法。偏差控制的原理是先求出实际温度与对所需温度的偏差值,然后对偏差值处理而获得控制信号去调节热源的加热功率,以实现对温度的控制。
在工业上,偏差控制又称为PID控制。模拟PID控制的理想微分方程为:
式中:
u(n)――PID调节器n次输出值(操作量);
u(n-1)――n-1次输出值;
E(n)――n次测量值与设定温度值的偏差;
E(n-1)――n-1次测量值与设定温度值的偏差;
E(n-2)――n-2次测量值与设定温度值的偏差;
KP――比例系数;
KI――积分系数;
KD――微分系数;
T――采样周期。
2.2 温度控制程序
本机软件采用模块结构,分为如下几个部分。
2.2.1 主程序
主程序是本系统的监控程序,用户可以通过监控程序监控系统工作。在程序运行中,必须首先对系统进行初始化,为简化起见本程序只给出有关标志、暂存单元和显示缓冲区清零、T0初始化、开中断、温度显示和键盘扫描等程序。其相应的框图如图4所示:
图4 主程序简易图
2.2.2 T0中断处理程序
T0中断处理程序是温度控制系统的主体程序,用于启动A/D转换、读入采样数据、数字滤波、越限报警和越限处理、PID计算和输出可控硅的同步触发脉冲等。P1.4引脚上输出的该同步触发脉冲宽度由T1计数器的溢出中断控制,8051利用等待T1溢出中断空隙时间(形成P1.4输出脉冲顶宽)完成把本次采样值转换成显示值而放入显示缓冲区和调用温度显示程序。8051从T1中断服务程序返回后便可恢复现场和返回主程序,以等待下次T0中断。
在T0中断处理程序中,还需要用到一系列子程序。例如:采样温度值的子程序、数字滤波子程序、越限处理子程序、PID计算子程序、标度变换子程序、键盘扫描子程序和温度显示子程序等。T0中断服务程序流程图如图5所示:
图5 T0中断服务程序流程图
为了使程序设计简单,每一个功能模块设计成一个模块形式。本程序的基本思想是对IN0通道的信号采样5次,然后对信号进行数字滤波、越限报警、PID计算等一系列处理。程序中每个模块用一个子程序代替。因此,在中断服务程序中,只需按顺序调用各功能模块子程序即可。以数据采集模块为例:
数据采集程序的主要任务是将温度参数采样5次,并将它们存放在内部RAM指定单元30H~39H。本系统采用查询方式进行采样。程序流程图如图6所示:
图6 程序流程图
3 结束语
本文以温度控制为例介绍了一种实用型单片机控制系统。实际上,这种思路和方法适用于各种控制对象的多种参数,诸如压力、流量、位移、重量等的控制。我们有理由相信:单片机将在越来越多的领域得到更加广泛的应用。
参考文献
[1]陈明荧. 8051单片机课程设计实训教材[M]. 北京: 清华大学出版社, 2004.
[2]万光毅, 严义, 邢春香. 单片机实验与实践教程[M]. 北京: 北京航空航天大学出版社, 2006.
[3]李大友等. 微型计算机接口技术[M]. 成都: 电子科技大学出版社, 1998.
[4]徐惠民等. 单片微型计算机原理、接口及应用[M]. 北京: 北京邮电大学出版社, 2000.
【关键词】DS18B20；单片机；温度控制；LED显示
在今天手机得到广泛应用，一般手机信号发射机要求工作温度在之间，这也就要求手机信号发射机室内温度得在5-45度之间，我们可以设计一个温度控制电路来控制空调的温度，从而使手机信号发射机正常工作。
一、总体方案
考虑到该温度控制系统功能比较少，由单片机控制即可实现。而89C52单片机体积小、重量轻、抗干扰能力强、对环境要求不高、价格低廉、可靠性高、灵活性好，故本系统选择采用89C52单片机。采用单线数字温度传感器DS18B20进行数据采集。DSB18B20S数字温度计提供9到12位温度读数，指示器件的温度信息经过单线接口送入DS18B20送出，因此从中央处理器到DS18B20仅需连接一条线和地，读写和完成温度变换所需的电源可以由数据线本身提供，甚至不需要外部电源。
二、系统工作原理
该空调控制系统用到89C52单片机作为系统的CPU进行控制控制，由数字传感器DS18B20进行数据采集，89C52对采集到的数据进行处理，得到各种信号。而这些信号将分别作为LED数码管显示的信号输入和启动空调制冷、制热的输入。同时将利用单片机的其它使能端口实现系统的复位，手动调节和自动调节。
三、系统硬件设计
系统的硬件部分主要可分为温度采集电路，信号处理与控制控制，温度显示电路，温度调节电路，控制指示电路五大部分。
四、系统软件设计
DS18B20通信，其命令序列有3步：初始化、ROM命令（跟随需要交换的数据）和功能命令（跟随需要交换的数据）。
每次访问DS18B20，必须严格遵守这个命令时序，如果出现序列混乱，则单总线则单总线器件不会响应主机。这个准则对于搜索ROM命令和报警搜索命令例外，在执行两者中任何一条命令之后，主机不能执行其后的功能命令，而必须返回至第一步。
（一）初始化
单总线上的所有传输过程都是以初始化开始的，初始化过程由主机发出的复位脉冲和从机响应的应答脉冲组成，应答脉冲使主机知道总线上有从机设备且准备就绪。
（二）ROM命令
在主机检测到应答脉冲后，就可以发出ROM命令。ROM命令与各个从机设备的唯一64位ROM代码相关，允许主机在单总线上连接多个从机设备时，指定操作某个从机设备。ROM命令还允许能够检测到总线上有多少个从机设备及其设备类型，或者有没有设备处于报警状态。
（1）搜索ROM
当系统初始上电时，主机必须找出总线上所有从机设备的ROM代码，这样主机才能够判断出从机的数目和类型。主机通过重复执行搜索ROM循环（搜索ROM命令跟随着位数据交换），以找出总线上所有的从机设备。如果总线只有一个从机设备，则可以采用读ROM命令来替代搜索ROM命令。在每次执行完搜索ROM循环后，主机必须返回至命令序列的第一步：初始化。
（2）读ROM
该命令仅适用于总线上只有一个从机设备，它允许主机直接读出从机的64位ROM代码，而无须执行搜索ROM过程。如果该命令用于多节点，系统则必然发生数据冲突，因为每个从机设备都会响应该命令。
（3）匹配ROM
匹配ROM命令跟随64位ROM代码，从而允许主机访问多节点系统中某个指定的从机设备。仅当从机完全匹配64位ROM代码时，才会响应主机随后发出的功能命令，其他设备将处于等待复位脉冲状态。
（4） 跳跃ROM
主机能够采用该命令同时访问总线上的所有从机设备，而无须发出任何ROM代码信息。
（5） 报警搜索
除那些设置了报警标志的从机响应外，该命令的工作方式完全等同于搜索ROM命令，该命令允许主机设备判断哪些从机设备发生了报警（如最近的测量温度过高或过低等）。同搜索ROM命令一样，在完成报警搜索循环后，主机必须返回至命令序列的第一步。
（三）功能命令
在主机发出ROM命令，以访问某个指定的DS18B20，接着就可以发出DS18B20的某个功能命令。这些命令允许主机写入或读出DS18B20的存储器，启动温度转换以及判断从机的供电方式。
（1） 读RAM存储器
此命令读RAM存储器的内容，开始读字节0，并继续读到第九个字节（CRC）。如果不是所有位置均可读，那么主机可以再任何时候发出一复位命令以中止读操作。
（2）复制RAM存储器
此命令读RAM存储器的内容，开始读字节0，并继续读到第九个字节（CRC）。如果不是所有位置均可读，那么主机可以再任何时候发出一复位命令以中止读操作。
（3）重新调出EERAM
此命令把存储在EERAM中TH、TL、CONF的值重新调至RAM存储器。这种重新调出的操作在对DS18B20上电时也自动发生，因此只要器件一接电，暂存存储器内就有有效的数据可供使用。
（4） 读电源
在此命令送至DS18B20之后最先发出的读数据时间片，器件都会给其电源方式的信号：0=强上拉电阻供电；1=电源供电。
（5）写RAM存储器
写数据到RAM存储器，地址为第2、第3、第4字节（TH、TL、CONF）。
（6）温度变换
此命令开始温度变换，不需要另外的数据。温度变换将被执行，接着DS18B20便保持在空闲状态。
五、调试结果
从实物图可以看出，温度控制器能正常显示温度值，当超出18-26℃这个温度范围时输出启动制冷或电暖设备信号。
六、结论
基于DS18B2O的数字温度计在实际应用中取得了良好的效果，提高了温度采集系统的可靠性，且硬件电路简单、工作稳定、可靠，体积小巧、线路简单、成本低、应用灵活、测温精度和的实现转换速度足以保证大多数测温系统工作的要求。
参考文献：
[1]李广弟，朱月秀，王秀山. 单片机基础[M]. 北京：北京航空航天大学出版社，2001.
[2]何立民. 单片机应用技术选编（1）[M]. 北京：北京航空航天大学出版社，1993.
[3]丁镇生.传感器及传感器技术 [M].北京：电子工业出版社，1998.
[4]彭国贤.数码显示 [M].北京：电子工业出版社，1993.
关键词 单片机 温湿度控制系统 研究
中图分类号：TP27 文献标识码：A
工业控制自动化系统的不断发展，使得很多设备实现了无人值守或者不间断的运行，这些设备正常运行的基础就是管理人员要确保设备各个参数的正确。温度与湿度是常用的被控参数，利用单片机对温度和湿度进行智能的监测和控制，将有利于设备的正常运行。本文就温室温度湿度控制系统进行分析，对温湿度控制系统中单片机系统的应用做出了详细的阐述。
1单片机概述
单片机实际上就是一个高度集成的电路芯片，其中包括中央处理器、随机存储器、只读存储器和多种中断系统、定时系统等，这些部件通过超大规模集成电路系统集成到硅片上的计算机系统就是单片机。单片机实现自动控制的技术简称为单片机技术。单片机技术随着科技的发展而得到了越来越广泛的应用，比如工程自动化控制、温室等。单片机使得温室设计走向了集约化和规模化的道路，使其成为了最有活力的产业之一。
单片机的体积较小、能耗非常低、可控制性强、扩展灵活和使用方便的特点，使其广泛地被运用到仪器、仪表、汽车等行业。单片机在近几年的发展尤为快速，在以往功能的基础上又增添了很多新功能，成为了工业控制领域不能缺少的微控制器。
正是由于单片机的众多特点，温室中温度湿度的控制才更加便捷，管理人员只要通过电脑就能够监测和控制温室中的温度、湿度各种参数，还可以同时对多个温室进行监测和控制，在一定程度上节约了人力和物力，提高了工作效率。
2基于单片机的温湿度控制系统的工作原理
温室温湿度控制系统开始工作之后，管理人员要在系统内输入最初设定的温度与湿度的数值，单片机系统将管理人员的设置保持到芯片中。单片机进入到主程序之后，开始检测温度传感器和湿度传感器的温度、湿度状态，将测量数据通过显示屏显示出来。当温度（或者湿度）测量数值小于芯片中的设定值时，单片机根据处理的结果通过控制的输出接口是加温（或者加湿）设备开始工作；当测量的数值大于芯片中的设定值时，单片机通过控制输出接口是加温（或者加湿）设备停止工作。
3基于单片机的温湿度控制系统研究
3.1温湿度控制系统的功能
利用温湿度控制器对温室的温湿度进行控制，要实现该设备的独立工作，将测量得到的温湿度参数通过液晶显示屏实时地显示出来，当测量的温湿度参数不在设定范围内时，系统进行语音报警，提示管理人员温室温湿度的异常情况。
3.2温湿度控制系统设计原理
3.2.1温湿度控制系统要安全可靠
温湿度控制系统在特定的条件、时间完成规定的功能就称其为系统安全可靠。如果温湿度系统安全和可靠程度不达标，系统出现故障的几率就会加大，经济方面和信誉方面的损失也会加大，还可能威胁到人身安全或者造成其他更加严重的后果。
要做到单片机温湿度控制系统的安全可靠就需要注意以下几个方面：元器件选用方面、电路板设计方面、供电电源和输入输出通道抗干扰措施方面、软硬件的滤波方面和系统自我诊断功能方面。
3.2.2温湿度控制系统要有高性价比
性能与价格之间的比例就是性价比，在温湿度控制系统设计时要考虑到这个方面。要在满足产品性能需要的基础上找到价位最为合适的。在系统设计过程中保证系统的高性能是一个方面，同时也要注意到系统的成本问题，尽量降低成本。
3.3温湿度控制系统的设计方案
采集温湿度参数、处理和显示参数、存储数据、播报语音和控制温湿度是温湿度系统需要实现的几个功能。系统既能够独立对数据进行处理和对电路进行控制，也要能够实现人机交流，这就要求重要处理器要选用处理能力强、可靠性高、结构简单的CPU。系统主要包括的模块有温度采集、湿度采集、时钟、存在和语言报警。
4温湿度控制系统的硬件、软件介绍
温湿度控制系统的硬件主要的是两个部分，一个是温湿度传感器部分，另一个是温湿度控制器部分。具体的硬件包括传感器、系统电位电路、时钟与复位电路、存储芯片、语音报警线路、其他电路等。在温湿度控制系统的设计过程中，要先考虑硬件各个模块的功能，根据功能选择最适合的芯片，最后进行电路的搭接，在电路的实现过程中PCB板设计及焊接的过程中要对出现的问题多加注意，避免之后在系统调试和工作中出现问题。
温湿度控制系统的软件设计主要要注意的是：软件的机构、数据、硬件结构程序及软件的过程设计。温湿度控制系统中的软件主要包括：系统开发工具、主函数、显示界面程序、温湿度数据采集程序、I2C总线和SPI总线程序、语言报警程序等。
5总结
本文对温湿度控制系统的工作原理、组成结构及设计原则、性能进行了详细地阐述，基于单片机的温湿度控制系统具有结构简单，响应快、抗干扰强的特点，能够实现温室中温度和湿度的监测和控制，具有非常好的实用性。
参考文献
[1] 刘爱民，林莘，刘向东.基于单片机的蔬菜大棚温湿度控制系统的研究[J].计算机光盘软件与应用，2012.03（34）：09-12.
关键词： AT89S51; 串口通信; 分布式温度控制; 电路设计
中图分类号： TN919?34; V211.74 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2015）02?0073?04
Design and implementation of temperature control system based on MCU
CHEN Yong?lu ， ZHANG Li
（Chinese Fight Test Establishment，Xi’an 710089， China）
Abstract： According to the temperature regulation and control requirements in current chemical， medical， aviation， aerospace and other high?tech fields， a set of distributed temperature control and acquisition system was designed. The specific hardware circuit design and software implementation methods are given. A digital temperature sensor is used to collect temperature. Compared with the traditional temperature measurement device， it has more simple structure， higher temperature measurement precision， wider application rang， etc. In combination with AT89S51 and PC communication mechanism， the serial communication based on multi?thread technology is adopted to extend the functions of serial communication with PC and remote monitoring， and achieve the real?time temperature automatic monitoring， automatic adjustment and intelligent alarm in object region. Experimental results show that the system has the characteristics of low cost， convenient application and extension， which can be widely used in people's daily life， industry， agriculture and scientific research， and can provide a reference for the extensive application.
Key words： AT89S51; series?port communication; distributed temperature control; circuit design
0 引 言
在工业控制过程中，例如航空、航天、石油等领域对温度有着较高的要求。在实际测量和控制中，如何保证快速实时地对温度进行采样，确保数据的正确传输，并能对所测温度场依据实际需要进行较精确的控制，是当前温控系统需要迫切关注并给予解决的重要问题之一。本文研究的传感器结合单片机嵌入式控制、采集一体化技术，具有能耗低、便携、高精度的特点，克服了传统温度检测系统的校准复杂、精度低等缺点，能够实现多通道、高精度以及大容量的要求。
1 系统工作原理及架构
温度控制与采集系统主要是针对制定区域或空间进行温度实时的监测，实时地采集记录温度信息，并实现对温度的自动化智能控制、调节，以确保温度一直保持在预计的范围内。系统设计模块包括温控范围的设定模块、温度检测模块、加温控制模块、温度信息采集模块、记录模块、温度信息显示模块及超温报警模块。系统设计架构图见图1所示。
由图1可知，被控对象区域的温度可通过一线制数字温度传感器感应获得，再由AT89S51单片机将数字温度传感器输出的电压信号通过串口传送至便携式计算机，便携式计算机上位机软件将电压信号转换为温度信号，打上时间标记，实时显示并存储。同时，上位机软件依据设定的温度范围及控制算法，自动判断当前被控对象区域温度是否在预计的温控范围内，通过串口向AT89S51单片机发送控制指令，单片机依据控制指令自动调节继电器控制指令，以决定是否通过加热炉对被控对象区域加温，最终实现对被控对象区域温度的全自动闭环控制。若被控对象区域温度在规定的时间段内没有达到预计温度，则上位机软件会自动向AT89S51单片机发送告警指令，由单片机控制蜂鸣器实现报警功能[1]。
<E：＼王芳＼现代电子技术201502＼Image＼29t1.tif>
图1 系统设计架构图
2 硬件电路设计
2.1 串口通信电路设计
AT89S51单片机具有串口RXD和TXD，而PC机上也具有RXD和TXD两个端口。通过串口通信可实现单片机与PC机之间的控制和采集功能。由于单片机的TTL逻辑中的2～5 V和0～0.8 V与PC机的RS 232标准定义的高低电平-3～-25 V和3～25 V不匹配，需通过MAX232接口芯片实现二者之间的通信链路连接[2]。单片机与PC机串口通信电路设计原理图见图2所示。AT89S51单片机的TXD与
MAX232的第2组电平转换器的输入端T2IN（10管脚）相连，
经过MAX232转换后，输出端T2OUT（7管脚）输出的信号进入计算机串口的RXD。同样地，计算机串口的TXD与MAX232的R2IN（8管脚）相连，经过电平转换后，由R2OUT（9管脚）输出到单片机的RXD上。
2.2 温度信号调理电路设计
温度信号调理电路主要是根据K型热电偶的特点进行设计的。由于K型热电偶使用温度范围为使用温度范围为-200～1 200 ℃，其输出电压信号为mV级，因此，信号调理电路包括信号放大电路、滤波电路以及冷端补偿电路。针对热电偶测试的冷端补偿，本文采用软件补偿的方式。
温度信号调理电路原理图如图3所示。
3 系统软件设计
3.1 单片机软件设计
单片机的主要功能（数据采集、通信、控制）分别在不同的程序模块中实现，依据实现功能，单片机的软件设计可分为采集控制模块和串口通信模块。
根据测控系统的特点，针对进行调理、A/D转换后送来的温度信号，在单片机主程序中采取查询法进行循环采集。在程序编写过程中，针对温度信号，结合K型热电偶的温度范围，采用上、下限判断的方法进行二次软件滤波，消除干扰，确保数据采集的可靠性及真实性。同时，判断串口通信模块送来的加温控制信号，实时通过继电器控制加热炉工作，以确保被控区域温度在规定的范围内。
图2 串口通信电路设计原理图
串口通信模块主要是与上位机进行数据及控制命令的通信传输。上位机每隔50 ms发一个命令字，要求单片机上传数据。当要修改温度控制范围等参数时，上位机先发一个命令字，再发数据，串口通信模块根据命令字和数据首先判断修改的温度范围数据是否合理，如果数据错误，则向上位机反馈错误信息，如果合理，则完成相应的控制采集操作。
<E：＼王芳＼现代电子技术201502＼Image＼29t3.tif>
图3 温度信号调理电路设计原理图
单片机软件设计流程图见图4所示。
<E：＼王芳＼现代电子技术201502＼Image＼29t4.tif>
图4 单片机软件设计流程图
3.2 上位机软件设计
根据系统设计的功能，上位机软件主要包括串口通信模块、数据存储模块、实时数据显示模块及信号控制模块。系统采用VC++ 6.0平台编写，采用了多线程技术，在软件界面运行的同时开启串口通信、数据存储工作线程，代码如下：
void Start（）
{
CWinThread* pThread;
//开启串口通信、数据存储线程
pThread = AfxBeginThread（Thread， this）;
}
//串口通信、数据存储线程
UINT Thread（）
{
//采用分时工作方式
ThreadFun1（）; //串口通信函数
ThreadFun2（）; //数据存储函数
return 0;
}
3.2.1 串口通信模块设计
数据通信程序使用PC机Com1口与单片机通信，在Visual C++6.0中利用Windows API接口函数编程实现[3]。根据通信协议，上位机软件使用WriteFile（）函数将控制命令传送给单片机，单片机在后续进行循环采集、发送，将数据送至PC机串口缓冲区，上位机软件以缓冲区中有数据到来为判断条件，采用中断方式，使用ReadFile（）函数，实时将缓冲区中的数据取出，进而进行实时保存及显示。同时，串口通信模块循环监测信号控制模块送来的控制命令，以确保实时将控制命令传送至单片机。
3.2.2 数据存储模块设计
数据存储模块主要是使用SQL数据库数据库实现，将从串口缓冲区中获取的数据实时保存至数据库中。主要使用VC++中的ADO Data控件和DataGrid控件实现与数据库的连接及数据的调阅显示，同时需要配置ODBC数据源，以确保数据库连接成功[4]。ADO Data控件主要用来连接和配置数据源，DataGrid控件用于调阅、查看数据库中的数据信息。
3.2.3 实时数据显示模块设计
实时数据显示模块主要是用于实时监测温度信息，以便工程人员实时掌握被控区域的温度变化趋势，根据实际情况需要实时进行温度调整或分析。实时数据显示程序设计界面见图5所示。
<E：＼王芳＼现代电子技术201502＼Image＼29t5.tif>
图5 实时数据显示程序界面
3.2.4 信号控制模块设计
信号控制模块设计主要是在显示界面上设置温度控制的上、下限和极限报警时间。当被控区域的温度超出下限时，由信号控制模块自动通过串口通信模块向单片机发送加温控制信号，以控制加温炉向被控区域加温，同时实时监测由串口通信模块接收到的温度信息，当温度达到预定值时，再次通过串口通信模块向单片机发送控制信号，停止向被控区域加温。当被控区域的温度长时间超出预定的温度上、下限时，信号控制模块向单片机发送报警控制信号，以供工程技术人员进行现场检查和确认。信号控制模块的设计流程图见图6所示。
<E：＼王芳＼现代电子技术201502＼Image＼29t6.tif>
图6 信号控制模块设计流程图
4 结 语
本文设计的温度控制与采集系统可实现对被控区域温度的有效实时监测，能够根据预定的温度上、下限范围实现温度的自动化调节、控制，并能够对温度信息进行存储和二次处理分析。该系统具有研制成本低、精度高、可靠性强、操作灵活、可扩展性强的特点，可以广泛应用于工业控制领域。
参考文献
[1] 胡乾斌，李光斌，李玲，等.单片微型计算机原理与应用[M].
2版.武汉：华中科技大学出版社，2006.
[2] 蒋辉平，周国雄.单片机原理与应用设计[M].北京：北京航空航天大学出版社，2007.
[3] 李景峰，潘恒.Visual C++串口通信技术详解[M].2版.北京：机械工业出版社，2013.
[4] 明日科技. SQL Server从入门到精通[M].北京：清华大学出版社，2012.
关键词：51单片机；DS18B20；多点温度检测；温度控制系统
中图分类号：TP274文献标识码：B
文章编号：1004 373X(2009)02 186 03
Multi－point Temperature Control System Based on 51 Single Chip Computer
XI Jianrong
(Weinan Teachers University,Weinan,714000,China)
Abstract：A multi－point temperature control system based on MCS－51 single chip computer is designed to solve the inaccurate problem of current temperature control system.Using DS18B20,"1－Wire" digital thermometer,and the component controlled by electric pulse.According to the temperatures got from multi－pointtemperature sensor,it can control heating water circuit and the burning or shutting of the stove.It makesthe room more comfortable and enhances the efficiency of the heating system.
Keywords：single chip computer；DS18B20；multi－point temperature measurement；temperature control system
随着生活水平的提高，人们对家居需求由面积需求变为舒适需求。地板采暖采用辐射方式供暖，符合人体生理需求曲线，如果控制系统选取得当，不仅可以提高房间舒适度，更可以使系统运行费用降低许多。如今一般是在典型位置安装一个温控装置，温控装置连接到壁挂炉，温控器根据室温和温度设定直接控制锅炉运行，各房间不同回路由工作人员凭经验手动调节分水器球阀，改变不同回路的流量，从而达到调节各房间的室温的效果。使用这种控制方法，即使是有经验的工作人员，也难以调节得十分准确，何况各家庭成员由于年龄不同，所需舒适温度不同，需要经常对室温进行调节。
针对以上问题，利用SST89E564RC单片机及新型测温器件设计了多点温控采暖控制系统，根据室内各点温度设定实时控制采暖系统，从而提高居室的舒适性以及采暖的经济性。
1 系统设计目标
系统总体设计思想是以SST89E564RC单片机为控制核心，整个系统硬件部分包括温度检测部分、控制执行部分、显示及键盘系统及最小系统基本电路。系统利用单片机获得温度传感器数据并与系统设计值进行比较，根据比较结果分别控制执行系统。温度控制系统控制框图如图1所示。
2 系统硬件设计
根据系统所需完成的功能，设计系统硬件结构如图2所示。
2.1 控制核心
系统采用SST89E564RC单片机作为控制核心，进行温度采集、信息显示及执行机构的控制。SST89E564RC是美国SST公司推出的高可靠、小扇区结构的FLASH单片机，内部嵌入72 KB的SuperFlash，1 KB的RAM，通过对其RAM做进一步扩展，可满足嵌入系统操作系统的运行条件。
2.2 温度传感器
温度传感器采用Dallas半导体公司的数字化温度传感器DS18B20。该传感器支持 “一线总线”接口，可方便地进行多点温度测量，还可以程序设定9~12位的分辨率，最高精度为±0.062 5 ℃，分辨率设定及用户设定的报警温度存储在E2PROM中，掉电后依然保存。该产品支持3~5.5 V的电压范围，因其体积小使系统设计更灵活、方便。
DS18B20的管脚排列如图3所示，其中DQ为数字信号输入/输出端；GND为电源地；VDD为外接供电电源输入端。
DS18B20内部结构主要由4部分组成：64位光刻ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发器TH和TL、配置寄存器。
光刻ROM中的64位序列号是出厂前被光刻好的，它可以看作是该DS18B20的地址序列码。光刻ROM的作用是使每一个DS18B20都各不相同，这样就可以实现1根总线上挂接多个DS18B20的目的。
DS18B20温度传感器的内部存储器包括9 B高速暂存RAM和1 B非易失性的可电擦除的E2PROM，后者存放高温度和低温度触发器TH，TL和结构寄存器，该字节第7位（TM）为0，低5位一直都是1，第6，5位（R1，R0）用来设置分辨率，如表1所示。
根据DS18B20的通信协议，主机控制DS18B20完成温度转换必须经过3个步骤：每一次读写之前都要对其进行复位，复位成功后发送1条ROM指令，最后发送RAM指令，这样才能对DS18B20进行预定的操作。复位要求主CPU将数据线下拉500 μs，然后释放，DS18B20收到信号后等待16～60 μs左右，后发出60～240 μs的存在低脉冲，主CPU收到此信号表示复位成功。由于DS18B20采用的是单线进行控制与读取数据，因此对操作的时序要求非常严格，否则由于时序不匹配，将无法完成对器件的正确操作。
2.3 控制执行部分
（1） 壁挂炉燃烧系统控制。
控制电路采用了脉冲继电器器件作为整个系统的总控部分，当所有居室温度均达到设定值时，停止壁挂炉的工作。该继电器的特点是：当线圈收到一个脉冲信号后，线圈通电，电磁铁吸合，带动触头闭合接通需要控制的电路，当下一个信号到来后，电磁铁吸合，触头断开，切断被控制的电源，因此其具有自锁和信号遥控功能。由于磁铁的作用，控制脉冲消失后滑片位置不发生变化，保持稳定状态，所以该器件具有功耗小、具有记忆功能。
（2） 居室温度控制。
各居室温度控制在燃烧控制系统工作前提下，根据各居室温度测量返回值，采用上海欧凯电磁阀制造有限公司生产的OK6515自保持脉冲电磁阀控制各回路的通断。脉冲电磁阀采用脉冲和永磁技术，只需通过控制器切换脉冲的电极触点来改变电磁阀的开关状态，当控制器发出电脉冲时，驱动阀芯克服永磁力产生上下移，使阀瓣到位后在永磁作用下处于自保持状态。
摘要：单片机具有体积小、功能强、成本低、应用面广等优点，可以说，智能控制与自动控制的核心就是单片机。目前，一个学习与应用单片机的高潮在全社会大规模地兴起。学习单片机的最有效方法就是理论与实践并重，本文用80C51单片机自制了一个温度控制系统，重点介绍了该系统的硬件结构及编程方法。
关键词：单片机、温度传感器、模/数转换器
一、单片机温度控制系统的组成及工作原理
在工业生产和日常生活中，对温度控制系统的要求，主要是保证温度在一定温度范围内变化，稳定性好，不振荡，对系统的快速性要求不高。以下简单分析了单片机温度控制系统设计过程及实现方法。现场温度经温度传感器采样后变换为模拟电压信号，经低通滤波滤掉干扰信号后送放大器，信号放大后送模/数转换器转换为数字信号送单片机，单片机根据输入的温度控制范围通过继电器控制加热设备完成温度的控制。本系统的测温范围为0℃～99℃，启动单片机温度控制系统后首先按下第一个按键开始最低温度的设置，这时数码管显示温度数值，每隔一秒温度数值增加一度，当满足用户温度设置最低值时再按一下第一个按键完成最低温度的设置，依次类推通过第二个按键完成最高温度的设置。然后温度检测系统根据用户设定的温度范围完成一定范围的温度控制。
二、温度检测的设计
系统测温采用AD590温度传感器，AD590是美国模拟器件公司生产的单片集成两端感温电流源。它的主要特性如下：
1、流过器件的电流（mA）等于器件所处环境的热力学温度（开尔文）度数；即：，式中：Ir—流过器件（AD590）的电流，单位为mA；T—热力学温度，单位为K。
2、AD590的测温范围为-55℃～+150℃；
3、AD590的电源电压范围为4V～30V；
4、输出电阻为710MW；
5、精度高。
AD590温度传感器输出信号经放大电路放大10倍，再送入模/数转换器ADC0804，转换后送单片机。根据AD590温度传感器特性以及放大10倍后的电压值与现场温度的比较发现，实际温度转换后送入单片机的值与按键输入数值之间有一定的差值，模/数转换器送入单片机的数值是按键输入值得2.5倍。由于单片机不能进行小数乘法运算，所以先对按键输入进行乘5，然后根据运算结果及程序状态字的状态再进行循环右移一位，如果溢出标志位为低电平时直接对累加器进行一次带进位循环右移，如果溢出标志位为高电平时，先对进位标准位CY位置为高电平，然后再进行一次带进位循环右移，通过上述操作使按键输入的温度值与模/数转换器送入单片机的温度值相统一。
三、具体电路连接如图所示
四、软件编程
单片机温度控制系统由硬件和软件组成，上述硬件原理图搭建完成上电之后，我们还不能实现对温度的控制，需要给单片机编写程序，下面给出了温度控制系统的编程方法。
五、结语：
本文给出了用单片机在0℃～99℃之间，通过用户设置温度上限、下限值来实现一定范围内温度的控制；给出了温度控制系统的硬件连接电路以及软件程序，此系统温度控制只是单片机广泛应用于各行各业中的一例，相信通过大家的聪明才智和努力，一定会使单片机的应用更加广泛化。
参考文献：
