一．簡介

本溫度控制和顯示系統是一個閉環反饋控制系統，它用溫度傳感器將檢測到的溫度信號經放大，A/D轉換后送入計算機中，與設定值進行比較，得到偏差。對此偏差按PID算法進行修正，返回對應工況下的可控硅導通時間，調節電熱絲的有效加熱功率，從而實現對鐵塊的溫度控制。

系統采用AT89C52芯片為CPU，外擴了8K的數據存儲器6264。AT89C52是美國ATMEL公司生產的低電壓，高性能的CMOS 8位單片機，片內含8K的可反復擦寫的只讀程序存儲器（PEROM）和256bytes的隨機存取數據存儲器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度，非易失性存儲技術生產，與標準的MCS-51指令系統及8052產品引腳兼容，片內置通用8位中央處理器（CPU）和Flash存儲單元，功能強大AT89C52單片機適用于許多較為復雜控制應用場合。

AT89C52的主要性能參數有：

·與MCS-51產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。

·全靜態操作：0Hz-24MHz。

·三級加密程序存儲器。

·256×8字節內部RAM。

·32個可編程I/O口線。

·3個16位的定時/計數器。

·8個中斷源。

·可編程串行UART通道。

·低功耗空閑和掉電模式。

AT89C52提供以下標準功能：8K字節的Flash閃速存儲器，256字節的內部RAM，32個I/O口線，3個16位的定時/計數器，一個6向量兩極中斷結構，一個全雙工串行通信口，片內振蕩器及時鐘電路。同時，AT89C52可降至0Hz的靜態邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節電工作模式：空閑方式停止CPU的工作，但允許RAM，定時/計數器，串行通信口及中斷系統繼續工作。掉電方式保存RAM中的內容，但振蕩器停止工作并禁止其他所有部件工作直到下一個硬件復位。

二．控制系統的原理

本溫度控制和顯示系統中，單片機系統用控制對鐵塊的加熱時間來控制鐵塊的溫度，鐵塊的溫度經檢測，放大，校正和A/D轉換后送入單片機，由單片機計算當前值，然后根據PID控制規律返回可控硅導通的脈沖個數Tn，通過比較Tn和當前可控硅導通的脈沖個數決定打開關閉雙向可控硅。鐵塊的溫度給定和PID控制器參數設定用單片機系統的鍵盤來實現。控制系統結構框圖如下：

系統的數據采集主要是對鐵塊現時溫度的檢測轉換，溫度的檢測由鉑電阻完成，用電橋得到差動值，經差動放大器放大后，送入A/D轉換器進行轉換，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生電路，因為供橋電源的變化幾乎是一比一的反映到電橋電壓輸出，所以供橋電源的穩定與否直接影響到溫度采樣的精度。當系統有一精度足夠的+10V電源時，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）

假設系統溫度變化范圍為0-120℃，則根據（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，前面我們已經知道電橋的輸出電壓為0-20 mV，而A/D轉換的輸入電壓為-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）。放大器的極數與單極放大器的帶寬增益有關，由于鐵塊控制系統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零高精度運算放大器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型反饋網絡，則放大器的放大倍數為：

（2）

在應用時，各元件阻值可按照上圖中選取，實際放大倍數應該根據系統需要通過微調Rv2得到。

A/D轉換芯片選擇首先取決于控制系統對分辨率的要求，在本系統中要求達到控制溫度范圍為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轉換則分辨率為256，不能滿足要求，故需要選用轉換位數更高的芯片。本系統選用12位的A/D轉換芯片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，價格低廉，不過由于是雙積分型，故轉換速度較慢，轉換時間為30ms，但在本系統中已經足夠。ICL7109有14位輸出，低12位為A/D轉換值輸出，OR為溢出標志輸出，當轉換值溢出時該位輸出高電平;POL為極性輸出，輸入電壓信號大于零時該位輸出高電平。14根數據線與單片機數據總線的接法為：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轉換數據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轉換數據的地址為：

ICL7109的RUN/HOLD引腳懸空，表示芯片工作在連續轉換狀態，在該狀態下，每隔8196個時鐘周期（約30ms）完成一次轉換，并將轉換值置于輸出三態緩沖中等待讀取。這樣，在我們需要讀取數據時，直接通過選通LBEN或HBEN進行讀取可從輸出緩沖器中讀出數據。

三．看門狗電路

為了防止系統受干擾而使程序丟失，或者走進死循還而使系統死機，應加入看門狗電路，以保證系統的可靠性。其電路連接如下圖所示。圖中當P1.7為低電平時，三極管Q2不導通，電流由“+5VR1C1地”對電容C1充電;當P1.7為高電平時，三極管Q2飽和導通，

電容C1通過“Q2R3地”放電。這樣我們通過在程序運行中定時對P1.7腳進行置位和清零操作，便可以保持Q2集電極為低電平。當程序進入死循還，不能對P1.7口進行置位操作，那么電路就會對電容持續充電，使Q2集電極電平持續上升，當上升到高電平電壓時，單片機系統復位，程序重新開始運行，達到看門狗功能。電阻R1與電容C1值應根據程序運行情況選擇，R1越大，充電電流越小，電平上升時間就越長，反之則反。R4和D1起電源指示作用，R2和按鈕構成手動復位電路。

結束語：

本文所涉及到的溫度控制系統具有溫度顯示準確，反饋響應及時，控制及時及控制效果佳，已經是一個成熟的產品，在實際應用中收到了良好的效果。

責任編輯：gt