基于单片机的温度自动控制系统设计

开篇：润墨网以专业的文秘视角，为您筛选了一篇基于单片机的温度自动控制系统设计范文，如需获取更多写作素材，在线客服老师一对一协助。欢迎您的阅读与分享！

摘要：基于温度控制的特点，设计了一套基于Atmega16L单片机控制的温度自动控制系统，并阐述了总体方案设计，以及硬件的选型和电路设计，最后给出了软件程序设计流程框架结构图。

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

[3] 张玉铎 热工自动化控制系统[M] 北京：水利电力出版社，1998

[4] 卢超 单片机与PC机的通信设计[J] 工矿自动化，2007