基于AT89C52智能溫度控制器設(shè)計(jì)

1 工作原理

1.1 模擬轉(zhuǎn)換電路

模擬轉(zhuǎn)換控制電路用于將溫度模擬量轉(zhuǎn)換成單片機(jī)能夠識(shí)別的電信號(hào),轉(zhuǎn)換原理如圖2所示。當(dāng)溫度變化時(shí),PT100的阻值會(huì)隨著溫度的變化線性變化,其分壓值與某一固定電路分壓值進(jìn)行比較,其結(jié)果送入運(yùn)算放大器,轉(zhuǎn)換成A/D轉(zhuǎn)換范圍內(nèi)的模擬量。

（1）

從公式中可以看出,得出的A/D轉(zhuǎn)換電壓與R_W不成正比,不符合線性要求。如果滿足R₃>>R_W,轉(zhuǎn)換電壓就與R_W近似成正比,與溫度也近似成正比關(guān)系。這樣就可以通過線性計(jì)算來求出任意一點(diǎn)的溫度,不過用線性化來計(jì)算這種近似線性的圖形,也會(huì)帶來微小的誤差,這些誤差可以在軟件設(shè)計(jì)中解決。

1.2 輸出電路

在實(shí)際電路中,四個(gè)上述的類似電路分別對(duì)電機(jī)、故障報(bào)警、超溫報(bào)警和超溫跳閘進(jìn)行監(jiān)視。例如:當(dāng)溫度超過風(fēng)機(jī)溫度上限時(shí),單片機(jī)就會(huì)通過軟件將JK 端置為低電平,進(jìn)而使CMOS三極管導(dǎo)通,這樣就會(huì)對(duì)繼電器加上12v電壓,從而使風(fēng)機(jī)加電,開啟風(fēng)機(jī),若溫度再高,達(dá)到超溫報(bào)警溫度上限,就會(huì)發(fā)生超溫報(bào)警聲；若溫度高到超溫跳閘溫度上限,就會(huì)發(fā)生超溫跳閘。這樣就達(dá)到了對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控的目的。

1.3 AT89C52單片機(jī)

溫控儀控制核心采用AT89C52單片機(jī),它是一個(gè)低電壓，高性能的CMOS 8位單片機(jī)，片內(nèi)含8k bytes的可反復(fù)擦寫的Flash只讀程序存儲(chǔ)器和256 bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)，有40個(gè)引腳，32 個(gè)外部雙向輸入/輸出（I/O）端口，同時(shí)內(nèi)含2個(gè)外中斷口，3個(gè)16位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器,2個(gè)全雙工串行通信口，2個(gè)讀寫口線，AT89C52可以按照常規(guī)方法進(jìn)行編程，也可以在線編程。片內(nèi)置通用8位中央處理器和Flash存儲(chǔ)單元，可以暫存故障及超溫上限溫度值。

1.4 鉑電阻傳感器

鉑電阻采用CRZ系列薄膜鉑熱電阻元件CRZ-1632,它是把金屬鉑研制成粉漿，采用先進(jìn)的激光噴濺薄膜技術(shù),及光刻法和干燥蝕刻法把鉑附著在陶瓷基片上形成膜,膜厚在2 以內(nèi)；用玻璃燒結(jié)料把Ni（或Pd）引線固定，經(jīng)過激光調(diào)阻制成，規(guī)格完全符合IEC、DIN和JIS標(biāo)準(zhǔn)。其測(cè)量范圍為－50～400℃，精度為± （0.15+0.002t），完全可以滿足測(cè)量的要求。

1.5 數(shù)碼管顯示

數(shù)碼管顯示通過鍵盤/顯示器接口專用智能控制芯片HD7279A來實(shí)現(xiàn)。HD7279A是一種管理鍵盤和LED顯示器的專用智能控制芯片。它無需外圍電路，只需要外接少量的電阻等，就能對(duì)8位共陰極LED顯示器或64個(gè)LED發(fā)光管進(jìn)行管理和驅(qū)動(dòng)，同時(shí)能對(duì)多達(dá)8×8的鍵盤矩陣的按鍵情況進(jìn)行監(jiān)視，具有自動(dòng)消除鍵抖動(dòng)并識(shí)別按鍵代碼的功能，從而可以提高CPU工作的效率。HD7279A和微處理器之間采用SPI串行接口方式，其接口電路和外圍電路簡單，占用口線少，加之它具有較高的性能價(jià)格比，因此，在微型控制器和智能儀表中廣泛應(yīng)用。其主要特點(diǎn)如下：

● 帶有串行接口，無需外圍元件便可直接驅(qū)動(dòng)LED；

● 各位可獨(dú)立控制譯碼/不譯碼、消隱和閃爍等屬性；

● 具有(循環(huán))左移/(循環(huán))右移指令；

● 具有段尋址指令，可方便地用來控制獨(dú)立的LED顯示管；

● 64鍵鍵盤控制器內(nèi)含去抖動(dòng)電路。

2 軟件的實(shí)現(xiàn)

軟件采用模塊化結(jié)構(gòu),包括1個(gè)主模塊和5個(gè)子模塊(按鈕處理子模塊、設(shè)置上限溫度及采集邊界點(diǎn)數(shù)字量子模塊、通信子?？臁⒐收陷敵鎏幚碜幽K和顯示子模塊),主模塊完成對(duì)各個(gè)子模塊的初始化和調(diào)用故障輸出處理子模塊、顯示子模塊。而按鈕處理子模塊、設(shè)置上限溫度及采集邊界點(diǎn)數(shù)字量子模塊、通信模塊采用中斷方式工作,主模塊與它們通過共用一段RAM區(qū)域進(jìn)行聯(lián)系。由于在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的模擬輸入信號(hào)中含有種種噪音和干擾,故本程序采用數(shù)字濾波技術(shù)濾波。除此之外,對(duì)于前面提到的線性化問題,我們采用了將0～200℃分成四個(gè)區(qū)域,在每個(gè)區(qū)域進(jìn)行線性化計(jì)算。這樣比在0～200℃區(qū)域內(nèi)直接進(jìn)行計(jì)算要精確的多,能夠達(dá)到±0.1℃的精度。

各個(gè)子模塊的功能如下:

(1)按鈕處理子模塊在有鍵按下時(shí)向ATmega16申請(qǐng)中斷,在中斷子程序中修改預(yù)先設(shè)好的標(biāo)志位。

(2)設(shè)置上限溫度及采集邊界點(diǎn)數(shù)字量子模塊可以在長時(shí)間按鍵時(shí)通過輸入密碼進(jìn)入修改上限溫度的界面,通過按鈕對(duì)0℃、50℃、100℃、150℃、200℃所對(duì)應(yīng)的數(shù)字量進(jìn)行采集,并將結(jié)果存到E²PROM里,用此數(shù)據(jù)作為邊界點(diǎn)計(jì)算出0～200℃之間的任何溫度。

(3)通信子模塊可以通過LBC184(將RS232信號(hào)轉(zhuǎn)換為RS485信號(hào))芯片和單片機(jī)連接遠(yuǎn)程的被控對(duì)象進(jìn)行485通信。

(4)故障輸出子模塊可以通過實(shí)際溫度與上限溫度的比較,來判斷現(xiàn)場(chǎng)是否出現(xiàn)異常情況。同時(shí),設(shè)置標(biāo)志位來判斷是否進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換、是否進(jìn)行顯示。

(5)顯示子模塊將線性計(jì)算出的結(jié)果經(jīng)二進(jìn)制到BCD碼的轉(zhuǎn)換送到5位LED顯示器顯示。

3 抗干擾技術(shù)在溫控儀中的應(yīng)用

(1)解決溫控儀中交流電源干擾,其方法是在交流電源的進(jìn)線端,即電源變壓器的初級(jí)串聯(lián)一個(gè)電源濾波器,它可以有效地抑制高頻干擾的侵入，如圖4所示。

圖4 交流側(cè)濾波電路

(2)在故障輸出電路中使用光電耦合器件,使輸出具有較高的電氣隔離和抗干擾能力。

(3)在模擬轉(zhuǎn)換電路中的溫度傳感器兩端,以及其他地方使用壓敏電阻器,吸收不同極性的過電壓。

(4)在干式變壓器運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行電磁干擾試驗(yàn),對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行概率統(tǒng)計(jì)分析,并通過精心選擇元器件、采用硬件抗干擾技術(shù)及軟件抗干擾技術(shù)使干擾源產(chǎn)生的電磁干擾降至最小。

該溫控儀功耗低、技術(shù)先進(jìn),功能完善,操作簡單,性能可靠,能夠在十分惡劣的電磁干擾或高溫環(huán)境長期穩(wěn)定工作,是干式變壓器理想的監(jiān)控裝置。

本文作者創(chuàng)新點(diǎn)主要有：

(1) 把傳感器（鉑電阻PT100）直接接入模擬轉(zhuǎn)換電路，在實(shí)現(xiàn)信號(hào)采集轉(zhuǎn)換的同時(shí)控制模擬轉(zhuǎn)換電路的輸出。即使得這兩種功能一步完成，也提高了精度、簡化了電路；

(2) 輸出電路中，把單片機(jī)輸出的控制量輸入到JK端口,且通過光電耦合器件來決定CMOS三極管的導(dǎo)通與否,再通過繼電器和常開觸點(diǎn)的閉合來控制輸出電壓。使得輸出電路在完成輸出控制功能的同時(shí)具有較高的電氣隔離和抗干擾能力；

(3) 在軟件中對(duì)電路中采集的數(shù)據(jù)設(shè)置分界點(diǎn)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的分區(qū)域線性化計(jì)算。彌補(bǔ)了硬件電路精度有限的問題，大大降低了測(cè)量誤差。

參考文獻(xiàn):

[1] 張晗,潘正運(yùn),金曉燕.智能“旅游電子超市”系統(tǒng)的 研究與設(shè)計(jì)[J].微計(jì)算機(jī)信息,2005,12-3:13-15.

[2] 趙茂泰.智能儀器原理及應(yīng)用. 電子工業(yè)出版社，2002.

[3] 熊靜琪.計(jì)算機(jī)控制技術(shù). 電子工業(yè)出版社，ISBN 7-5053-8706-5.

[4] 丁化成.單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)[A].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2000.

[5] 王幸之.單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)抗干擾技術(shù)[A].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2002.