关键词：单片机；温度控制系统；硬件电路；软件电路
中图分类号：TP273.5文献标识码：A文章编号：1674-7712（2014）04-0000-01
科技的进步为企业的生产带来了单片机技术，单片机的温度控制系统能够为企业的生产活动提供合适的温度，提高了生产效率，使人们的生活发生了翻天覆地的变化。目前，单片机的温度控制系统主要应用于金属冶炼、化工生产、食品加工和机械制造等工业活动中，此系统能够对冶炼金属所使用的加热炉，化工生产所需要的反应炉和热处理炉等生产器具进行温度控制，为产品生产提供合适的温度，从而提高产品的品质和产量，为人民群众提供丰富的资源来从事生产和生活，提高人们的生活说平，促进国家经济的快速发展。本文主要对单片机的温度控制系统的功能和工作原理进行介绍，并分析系统的软硬件电路设计时的相关要求，进而为系统的设计人员提供科学合理的方法来进行系统设计，从而提高设计效率。
一、单片机的温度控制系统的功能及工作原理
（一）单片机的温度控制系统的功能。从单片机的温度控制系统的名称上来看，此系统的功能就是对产品生产过程进行温度控制，这就是单片机最主要的目的。将控制功能进一步细分，我们可以知道，单片机的温度控制系统可以对温度进行检测，然后将检测的数据以十进制的数码提供给监控人员，单片机温度控制系统的操作人员在进行系统设置的时候，可以将温度控制在一定的范围内以适应不同的温度控制系统的应用场所，一旦温度超过预设的温度范围，系统就会自动将温度调节到温度范围内，以此来保证产品生产所需的温度，实现产品生产的继续进行，促进企业的快速发展和国家经济的进步。
近几年来，随着科技和经济的快速进步，人们对产品提出了新的要求，为了满足人们对产品的需求，企业必须使用测控精度较高的温度控制系统，并且还要使用稳定性较好的系统来确保生产产品所需的最是温度，从而确保生产的持续进行。
（二）单片机的温度控制系统拥有控制温度功能的原因。单片机的温度控制系统要想拥有控制温度的作用，就必须依靠系统的硬件电路和软件电路，只有两者协同合作，才能对温度进行检测，并为温度检测系统提供合适的温度范围，为产品生产提供适宜的温度，从而促进产品生产的数量和质量，改善人们的生活，为生产建设部门提供优质的产品，促进建筑行业和生产行业的发展。
二、单片机温度控制系统的硬件要求
（一）温度控制系统中单片机的选取。设计人员在设计单片机温度控制系统的时候，必须按照系统使用者的需求选取科技含量较高，应用效果较好的单片机，从而对整个系统进行连续系统的控制，确保温度控制系统的持续运转，为产品生产提供适宜的温度，促进生产企业的快速发展。
（二）检测温度的电路对硬件的要求。检测温度的电路中需要的硬件有热电偶、放大镜和信号转换器。热电偶在系统中能够将变化的温度信息转换成与信息变化相一致的电信号，此种电信号在输出的时候比较微弱，所以就要利用放大器来将微弱的电信号放大，由于放大后的数据属于模拟信号，无法顺利地输入到计算机内，就需要使用信号转换器来将模拟信号转换成数字信号，从而为监测人员提供监测数据。
（三）控制温度的电路对硬件的要求。在控制温度的电路中只需要使用一个控制温度的电路元件，检测人员通过该元件可以对温度进行设定，一旦产品生产过程中的温度超过设定的最高温度，该元件就能利用半导体的制冷功能来降低产品生产的温度，当产品生产过程中的温度低于设定的最低温度，元件就能够通过半导体的加热功能来升高产品生产的温度。
（四）人机对话电路对硬件的要求。人机对话电路使用的硬件主要有显示器、键盘。单片机的温度控制系统中的显示器是由一些发光二极管组成的，当显示器接收到的字符的时候，一些发光二极管就会发生不同变化，因而就会在屏幕上显示出不同的亮光，为检测人员提供相关的信息。键盘作为输入设备，能够实现人机对话，还能够对系统设置进行更改，从而为产品生产提供合适的温度。
三、单片机温度控制系统软件设计的步骤
（一）温度控制系统中监控程序的设计。设计人员在设计监控程序的时候，要正确处理系统的调度问题，这就要求设计人员根据环境的相关变化来选取合适的调度方法，从而帮助单片机的温度控制系统快速地实现系统的任务。
（二）系统中断与子程序调用的设计。要对程序进行初始化处理，然后将脉冲方式的中断信号输向外部中断源，将中断源进行中断，再进行相关地址的更改，促进信号转换硬件的顺利使用。经过一系列的信号转换，将最终的数字信号储存在缓冲区域内。
四、系统调试
（一）利用开发装置来进行系统检测。单机片的温度控制系统的设计人员在系统开发装置上完成系统设计之后，就可以在开发装置上来对系统进行检测，主要方法是在开发装置上连入仿真器，在应用系统的时候，就会出现一系列的程序代码，如果运行出错，就找到处错误的代码进行更改，提高系统的稳定性。
（二）对系统进行连调处理。在对系统进行连调处理的时候，可以采用自底向上或自顶向下的方法来实现系统的联调，根据联调得到的信息进行方案更改，最终达到优化系统的目的。
（三）将程序固化到芯片内部。设计人员要将完成设计和调试的程序固化到芯片内部，从而保护程序的安全性，保护设计人员的知识产权。
五、结束语
单片机的温度控制系统在经济的发展方面上发挥着越来越重要的作用，为了与经济的发展性适应，企业在产品生产过程中必须使用单片机的温度控制系统，才能够加快产品的生产速度，提高产品的品质，因此要求设计人员必须根据企业产品生产的需要设计单片机的温度控制系统，为企业的发展做贡献，促进国家经济的快速发展。
参考文献：
关键词：STC89C52单片机；温度控制；温度检测
中图分类号：TP273文献标识码：A文章编号：1009-3044(2011)04-0902-02
ATemperatureControlSystemBasedonSTC89C52MCU
WUJian,HOUWen,ZHENGBin
(NationalKeyLaboratoryforElectronicMeasurementTechnology,NorthUniversityofChina,Taiyuan030051,China)
Abstract:ThispaperdiscussesaSTC89C52MCUtoincreasethetechnicalindexesofaccusedoftemperaturecontrolsystem，PresentedthedesignoftheMCUcircuitryofsystem,temperaturecontroloutputcircuit,temperaturedetectingamplifiercircuitandsoon.Realizedoffurnacetemperatureautomaticcontrolandimprovetheprecisiontemperaturecontrol.Beprovidedwithimportantengineeringusevalue.
Keywords:STC89C52MCU;temperaturecontrol;temperaturetest
随着工业技术的不断发展，利用温度控制表，温度接触器的控制方式已不能满足高精度、高速度的控制要求，其主要缺点是温度波动范围大，受仪表本身误差和交流接触器寿命的限制，通断频率很低。本文设计了一种基于STC89C52单片机控制的温度控制系统。它使用了较少的器件和较为简单的电路设计，因此具有成本低、控制方便，实用性强等特点。
1系统设计
本系统是对电炉炉温进行控制的微机控制系统。控制方式是单闭环控制形式。温度控制系统是以STC89C52单片机为控制核心，其系统结构框图如图1所示。
键盘将温度设定值和温度反馈值送入单片机，然后经过运算得到输出控制量，输出控制量控制控温输出电路得到控制电压，施加到驱动器上，从而控制电加热炉内温度。
2系统硬件设计
硬件系统由单片机电路，温度检测放大电路，A/D、D/A转换电路，控温输出电路等组成。下面分别给予介绍。
2.1单片机电路
STC89C52是一个低功耗，高性能的51内核的CMOS8位单片机，具有在线编程功能，不再需要启动像STC89C51那样的12V的VPP编程高压[1]。使用简单且价格非常低廉。故本文使用STC89C52为系统的主控制器。单片机发送温度设定值和采集温度反馈值，并据此调节I/O的输出来控制温度的值。
2.2温度检测放大电路
温度检测电路承担着检测电阻炉温度并将温度数据传输到单片机的任务。铂电阻最常应用于中低温区，精度高，稳定性好，具有一定的非线性，温度越高电阻变化率越小，测量范围一般为-200～850℃。目前应用最广泛的是Pt100。Pt100铂热电阻与温度的关系如下：
(1)
其中：Rt――温度为t℃时铂电阻的电阻值（Ω）；R0――温度为0℃时铂电阻的电阻值（Ω）；A，B，C――常数，3.96847×10-3（℃-1）；-5.847×10-7（℃-2）；-4.22×10-12（℃-3）。
信号放大电路采用OP07E放大器，温度信号输入采用差动放大模式，输入电压范围为+/-14V，输出电压范围为+/-12V。设计电路如图2所示。
U1放大器放大倍数为：
(2)
2.3A/D转换电路
温度检测电路采集到的温度值为模拟信号，需要转化为数字信号才能被单片机处理。温度控制系统的A/D转换模块采用ADC0804型8位全MOSA/D转换器。转换时间约为100μs，转换时钟信号可以由内部施密特电路和外接RC电路构成的震荡器产生，当/CS与/WR同时有效时便启动A/D转换，经DATA口送入单片机，再采集第二个模拟量进行转换。
2.4D/A转换电路
温度控制系统的D/A转换芯片采用DAC0832。D/A转换器由8位输入锁存器、8位DAC寄存器、8位D/A转换电路及转换控制电路构成[2]。DAC0832的主要特性参数：分辨率为8位；电流稳定时间1us；可单缓冲、双缓冲或直接数字输入；只需在满量程下调整其线性度；单一电源供电，电压范围为+5V～+15V；低功耗，功耗为200mW。
2.5可控硅调功控温电路
温度控制电路采用可控硅调功率方式。双向可控硅串在50Hz交流电源和加热丝电路中，在给定周期里改变可控硅开关的接通时间改变加热功率，从而实现温度调节[3]。如图3所示。
可控硅驱动器MOC3041集光电隔离、过零检测功能于一身，具有体积小、功耗低、抗干扰能力强，无噪声等优点[4]，RS、CS为吸收电路，起保护作用。经验公式如下：
Cs=（2～4）IT×10-3(uF)(3)
Rs=10～50Ω(4)
R17是触发器输出限流电阻，取51Ω。R16是驱动器的门极电阻，一般取值300-500Ω。
3PID温度控制算法
温度控制技术大致可分为定值开关控温法，PID线性控温法。定值开关控温法通过硬件电路或软件计算判别，系统温度上升至设定点时关断电源，当系统温度下降至设定点时开通电源，因而无法克服温度变化过程的滞后性，致使被控温度波动较大，精度低。当我们不完全了解被控对象，或不能通过有效的测量手段来获得系统的参数时，最适合用PID控制技术。PID线性控温法主要取决于比例值、积分值、微分值[5]。只要三参数选取的正确，其控制精度是比较令人满意的。当执行机构需要的不是控制量的绝对值，而是控制量的增量时，需要用PID的“增量算法”。增量式PID控制算法可以通过（式5）推导出。
(5)
Uk――控制器的输出值；ek――控制器输入与设定值之间的误差；Kp――比例系数；
Ti――积分时间常数；Td――微分时间常数；T――调节时间。由（式5）可以得到控制器的第k－1个采样时刻的输出值为：
(6)
将（式5）与（式6）相减并整理，就可以得到增量式PID控制算法公式：
(7)
其中：
由（式7）可以看出，如果计算机控制系统采用恒定的采样周期T，一旦确定A、B、C，只要使用前后三次测量的偏差值，就可以由（式7）求出控制量。物理模型如图4所示。
4系统软件设计
为了便于程序的调试与维护，系统全部程序采用模块化结构。由一个主程序和若干子程序组成。子程序主要包括A/D转换子程序、D/A转换子程序、LED显示子程序、增量式PID控制子程序、键盘控制子程序等，各子程序均能很快返回主程序，不会发生子程序时间过长等问题，子程序对相关事件的处理依靠标志位和判断标志位来完成。主程序通过调用各个子程序来完成所有的温度控制器功能。主程序的流程图如图5所示。
5设计结果
设计的温度控制系统基于STC89C52单片机，采用了信号放大，可控硅控制等简单的电路，经过焊接、组装、调试后，可以很好实现控制功能，具有很强的实用性，尤其是具有体积小、易移动等优点。该方案也可以在功能上加以扩展，如加上LED电路，当到达我们想要的温度时绿灯亮，当超过我们想要的温度一定量程时红灯亮。
参考文献：
[1]张俊谟.单片机中级教程[M].北京:北京航空航天大学出版社,1999:75-86.
[2]小岛郁太郎.实现数字电路与模拟电路及软件的协调设计[J].电子设计应用,2009(6):15-20.
[3]王海宁.基于单片机的温度控制系统的研究[D].合肥:合肥工业大学,2008.
我国农业正处于从传统到优质、高效、高产的现代化农业转化的初期。温室大棚作为现代化农业的重要产物，已经得到了广泛的应用。而现代化的农业生产是离不开环境控制的，温室大棚是北方的一些地区在近些年发展起来的生产设施，主要用于调节温湿度、CO2气体浓度和光照等环境因素，使农作物拥有最佳的生长环境。目前，我国的大多数温室控温设备都是比较简陋的，环境仍然是靠人工经验来进行控制管理，已严重的影响了农业的稳定快速发展。因此，我们迫切的需要设计出一种高效益、低成本的温室大棚温度控制系统。
温室大棚对温度的控制是—个较为复杂的系统，具有实时变化性强、非线性、随机干扰较大、过程机理错综复杂等特点，所以难以去建立一个精确的数学模型，采用传统的控制方法、控制理论，其控制效果都不是很好[1]。这种情况下，模糊控制就显得意义重大，因为模糊控制是不需要预先建立一个精确的数学模型的，根据实际数据并参考操作人员的经验，就可以进行实时的控制，将其应用在温室大棚温度控制系统中正适合。
2系统设计
所谓模糊控制系统是一种自动的控制系统，它以模糊数学和模糊语言形式的知识来表示，以模糊逻辑推理来作为理论基础，并借助于计算机控制技术来构成的一种具有闭环结构的数字控制系统[2]。系统由模糊控制器、输入/输出接口装置、传感器、广义对象四个部分组成。其中广义对象包括了被控对象和执行机构，传感器将各种过程的被控制量和被控对象转换为电信号，模糊控制器再通过输入/输出接口将数字信号量从被控对象处获取，并经过数模变换把模糊控制器决策的输出的数字信号转变为模拟信号送给执行机构，继而去控制被控对象[3]。可见，整个系统的核心就是模糊逻辑控制器。本文着重介绍此部分。
3模糊控制器设计
3.1模糊控制器的结构
模糊控制器由模糊化（Fuzzification）、模糊推理（FuzzyReasoning）、模糊量的去模糊（Defuzzification）三部分组成，它们都是建立在知识库（KnowledgeBase）基础上的。其控制原理如图1所示。
模糊控制器的输入量是非模糊量时，必须要转化成模糊量以后才能够用于模糊推理。而模糊化就是将确定量变换成模糊集的过程。其主要的功能是根据输入语言变量的隶属度函数去确定相应于每个语言值的隶属度。输入量模糊化后，下一步进行的就是模糊推理。模糊推理是模糊控制器对于给定的模糊输入量，根据判定的模糊规则以及事先规定好的推理方法求出模糊输出量的过程，它是模糊控制器的核心。在模糊推理中得出的模糊输出量必须转换成非模糊的输出，所以去模糊就是将模糊集变换成确定值的过程。根据模糊推理得到的输出模糊隶属函数，可用不同的方法找到一个比较具有代表性的精确值来作为控制量。
3.2模糊控制器的设计
（1）确定模糊控制器的输入、输出变量
系统的输入变量为大棚温度与实际温度的偏差E和偏差的变化率DE，输出变量为控制加热装置的供电电压U。
（2）定义模糊子集
T（E）={NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB}
其中，NB表示负；NM表示负中；NS表示负小；ZE表示零；PS表示正小；PM表示正中；PB表示正大。
温度偏差、偏差变化率的隶属函数赋值表如表1所示。
根据过程控制的实际经验来得到模糊控制的规则，实质上就是将操作员的控制经验加以总结从而得出一条条的模糊条件语句，将这些语句（规则）进行汇总，得出成如表2所示的模糊控制规则表。
模糊控制算法是系统实现模糊控制的关键，其实现的方法目前主要有两种，即公式法和查表法。可以根据不同系统的不同情况来选用不同的控制算法。本系统采用的是查表法来实现的。在查表法中，根据模糊控制规则表利用直接法计算出输入输出的模糊关系矩阵，即控制表。
在系统中，由于偏差E和偏差的变化率DE的论域都有7个元素{-3，-2，-1，0，1，2，3}，所以，在输入时偏差E或偏差的变化率DE的值会量化到7个元素之中的任意一个。这样求出所有可能的输入组合及其对应的输出控制量，就形成了相应的模糊控制表。其部分控制规则描述如下：
4结语
为了验证该模糊控制策略和设计方案的正确性，以便获得较好的控制效果，借助MATLABA对温室大棚温度控制系统进行了仿真试验[4]。经试验得出，采用模糊控制要比采用普通PID控制的超调量小，控制效果好，并且能更好的改善系统的静态与动态特性。可见，在温室大棚温度控制系统中采用模糊控制而不用去建立精确的数学模型，只需根据实际数据并参考操作人员的经验，就可以进行实时的控制，这对于环境条件较复杂的情况是一种非常有效的控制策略，可取得比较满意的控制效果。
参考文献
[1]王立舒，等.日光温室温、湿度模糊控制系统研究[J].东北农业大学学报.2005，36（5）：625-627.
[2]王立新.模糊系统与模糊控制教程[M].北京：清华大学出版社，2003.