溫控系統(tǒng)的信號采樣放大及A/D轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

　　本溫度控制和顯示系統(tǒng)是一個(gè)閉環(huán)反饋控制系統(tǒng),它用溫度傳感器將檢測到的溫度信號經(jīng)放大,A/D轉(zhuǎn)換后送入計(jì)算機(jī)中,與設(shè)定值進(jìn)行比較,得到偏差。對此偏差按PID算法進(jìn)行修正,返回對應(yīng)工況下的可控硅導(dǎo)通時(shí)間,調(diào)節(jié)電熱絲的有效加熱功率,從而實(shí)現(xiàn)對鐵塊的溫度控制。

　　系統(tǒng)采用AT89C52芯片為CPU,外擴(kuò)了8K的數(shù)據(jù)存儲器6264。AT89C52是美國ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓,高性能的CMOS 8位單片機(jī),片內(nèi)含8K的可反復(fù)擦寫的只讀程序存儲器（PEROM）和256bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲器（RAM）,器件采用ATMEL公司的高密度,非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn),與標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51指令系統(tǒng)及8052產(chǎn)品引腳兼容,片內(nèi)置通用8位中央處理器（CPU）和Flash存儲單元,功能強(qiáng)大AT89C52單片機(jī)適用于許多較為復(fù)雜控制應(yīng)用場合。

AT89C52的主要性能參數(shù)有：
　與MCS-51產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。
　8K可重擦寫的閃速存儲器。
　1000次擦寫周期。
　全靜態(tài)操作：0Hz-24MHz。
　三級加密程序存儲器。
　2568字節(jié)內(nèi)部RAM。
　32個(gè)可編程I/O口線。
　3個(gè)16位的定時(shí)/計(jì)數(shù)器。
　8個(gè)中斷源。
　可編程串行UART通道。
　低功耗空閑和掉電模式。

　　AT89C52提供以下標(biāo)準(zhǔn)功能：8K字節(jié)的Flash閃速存儲器,256字節(jié)的內(nèi)部RAM,32個(gè)I/O口線,3個(gè)16位的定時(shí)/計(jì)數(shù)器,一個(gè)6向量兩極中斷結(jié)構(gòu),一個(gè)全雙工串行通信口,片內(nèi)振蕩器及時(shí)鐘電路。同時(shí),AT89C52可降至0Hz的靜態(tài)邏輯操作,并支持兩種軟件可選的節(jié)電工作模式：空閑方式停止CPU的工作,但允許RAM,定時(shí)/計(jì)數(shù)器,串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式保存RAM中的內(nèi)容,但振蕩器停止工作并禁止其他所有部件工作直到下一個(gè)硬件復(fù)位。

二．控制系統(tǒng)的原理

　　本溫度控制和顯示系統(tǒng)中,單片機(jī)系統(tǒng)用控制對鐵塊的加熱時(shí)間來控制鐵塊的溫度,鐵塊的溫度經(jīng)檢測,放大,校正和A/D轉(zhuǎn)換后送入單片機(jī),由單片機(jī)計(jì)算當(dāng)前值,然后根據(jù)PID控制規(guī)律返回可控硅導(dǎo)通的脈沖個(gè)數(shù)Tn,通過比較Tn和當(dāng)前可控硅導(dǎo)通的脈沖個(gè)數(shù)決定打開關(guān)閉雙向可控硅。鐵塊的溫度給定和PID控制器參數(shù)設(shè)定用單片機(jī)系統(tǒng)的鍵盤來實(shí)現(xiàn)?？刂葡到y(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如下：

　　系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集主要是對鐵塊現(xiàn)時(shí)溫度的檢測轉(zhuǎn)換,溫度的檢測由鉑電阻完成,用電橋得到差動(dòng)值,經(jīng)差動(dòng)放大器放大后,送入A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換,最后送入處理器處理。

　　溫度傳感器和信號放大電路如下圖所示：

　　我們使用電橋讀取鉑電阻的輸出信號,圖中TL431電路部分為供橋電壓產(chǎn)生電路,因?yàn)楣螂娫吹淖兓瘞缀跏且槐纫坏姆从车诫姌螂妷狠敵?所以供橋電源的穩(wěn)定與否直接影響到溫度采樣的精度。當(dāng)系統(tǒng)有一精度足夠的+10V電源時(shí),TL431電路部分可以省略。電橋部分橋上臂電阻選22KΩ,右下臂電阻選100Ω,電橋輸出電壓為：
　　　　　　　(1)

　　假設(shè)系統(tǒng)溫度變化范圍為0-120℃,則根據(jù)（1）式得電橋輸出電壓范圍約為：0-20mV。

　　信號放大部分屬于V-V放大,前面我們已經(jīng)知道電橋的輸出電壓為0-20 mV,而A/D轉(zhuǎn)換的輸入電壓為-5V-+5V,我們選用單極性輸入+3V,這樣可以確定放大器的增益為150倍（3V/20 Mv）。放大器的極數(shù)與單極放大器的帶寬增益有關(guān),由于鐵塊控制系統(tǒng)中測量速度不是主要的,也就是說帶寬問題不予考慮,如果我們選用帶寬增益積較大的芯片,則使用單極放大就足夠了。在這里我們選用差分式斬波穩(wěn)零高精度運(yùn)算放大器ICL7650。一級放大接成雙端差分輸入,單端輸出形式。放大器接成T型反饋網(wǎng)絡(luò),則放大器的放大倍數(shù)為：
　　　　（2）

　　在應(yīng)用時(shí),各元件阻值可按照上圖中選取,實(shí)際放大倍數(shù)應(yīng)該根據(jù)系統(tǒng)需要通過微調(diào)Rv2得到。

　　A/D轉(zhuǎn)換芯片選擇首先取決于控制系統(tǒng)對分辨率的要求,在本系統(tǒng)中要求達(dá)到控制溫度范圍為20~100攝氏度,控制精度為0.25攝氏度,則分辨率為：

　　100/0.25=400

　　若選用8位的A/D轉(zhuǎn)換則分辨率為256,不能滿足要求,故需要選用轉(zhuǎn)換位數(shù)更高的芯片。本系統(tǒng)選用12位的A/D轉(zhuǎn)換芯片ICL7109,該芯片是雙積分型的,具有精度高,低噪聲,低漂移,具有防尖峰干擾能力,價(jià)格低廉,不過由于是雙積分型,故轉(zhuǎn)換速度較慢,轉(zhuǎn)換時(shí)間為30ms,但在本系統(tǒng)中已經(jīng)足夠。ICL7109有14位輸出,低12位為A/D轉(zhuǎn)換值輸出,OR為溢出標(biāo)志輸出,當(dāng)轉(zhuǎn)換值溢出時(shí)該位輸出高電平;POL為極性輸出,輸入電壓信號大于零時(shí)該位輸出高電平。14根數(shù)據(jù)線與單片機(jī)數(shù)據(jù)總線的接法為：B1~B8分別接P0.1~P0.7,B9~B12,OR和POL分別接P0.1~P0.5,如下圖所示。CPU對A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的讀取通過依次選通LBEN和HBEN端口兩步完成。由于用3-8譯碼器SEL1和SEL2來選通LBEN和HBEN。所以可以得到A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的地址為：


　　ICL7109的RUN/HOLD引腳懸空,表示芯片工作在連續(xù)轉(zhuǎn)換狀態(tài),在該狀態(tài)下,每隔8196個(gè)時(shí)鐘周期（約30ms）完成一次轉(zhuǎn)換,并將轉(zhuǎn)換值置于輸出三態(tài)緩沖中等待讀取。這樣,在我們需要讀取數(shù)據(jù)時(shí),直接通過選通LBEN或HBEN進(jìn)行讀取可從輸出緩沖器中讀出數(shù)據(jù)。

三．看門狗電路

　　為了防止系統(tǒng)受干擾而使程序丟失,或者走進(jìn)死循還而使系統(tǒng)死機(jī),應(yīng)加入看門狗電路,以保證系統(tǒng)的可靠性。其電路連接如下圖所示。圖中當(dāng)P1.7為低電平時(shí),三極管Q2不導(dǎo)通,電流由“+5V　R1　C1地”對電容C1充電;當(dāng)P1.7為高電平時(shí),三極管Q2飽和導(dǎo)通,

　　電容C1通過“Q2　R3　地”放電。這樣我們通過在程序運(yùn)行中定時(shí)對P1.7腳進(jìn)行置位和清零操作,便可以保持Q2集電極為低電平。當(dāng)程序進(jìn)入死循還,不能對P1.7口進(jìn)行置位操作,那么電路就會(huì)對電容持續(xù)充電,使Q2集電極電平持續(xù)上升,當(dāng)上升到高電平電壓時(shí),單片機(jī)系統(tǒng)復(fù)位,程序重新開始運(yùn)行,達(dá)到看門狗功能。電阻R1與電容C1值應(yīng)根據(jù)程序運(yùn)行情況選擇,R1越大,充電電流越小,電平上升時(shí)間就越長,反之則反。R4和D1起電源指示作用,R2和按鈕構(gòu)成手動(dòng)復(fù)位電路。

結(jié)束語：

　　本文所涉及到的溫度控制系統(tǒng)具有溫度顯示準(zhǔn)確,反饋響應(yīng)及時(shí),控制及時(shí)及控制效果佳,已經(jīng)是一個(gè)成熟的產(chǎn)品,在實(shí)際應(yīng)用中收到了良好的效果。

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