溫控系統的信號采樣放大及A/D轉換電路設計

　　本溫度控制和顯示系統是一個(gè)閉環(huán)反饋控制系統,它用溫度傳感器將檢測到的溫度信號經(jīng)放大,A/D轉換后送入計算機中,與設定值進(jìn)行比較,得到偏差。對此偏差按PID算法進(jìn)行修正,返回對應工況下的可控硅導通時(shí)間,調節電熱絲的有效加熱功率,從而實(shí)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(chǎn)的低電壓,高性能的CMOS 8位單片機,片內含8K的可反復擦寫(xiě)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(shù)生產(chǎn),與標準的MCS-51指令系統及8052產(chǎn)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(chǎng)合。

AT89C52的主要性能參數有：
　與MCS-51產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。
　8K可重擦寫(xiě)的閃速存儲器。
　1000次擦寫(xiě)周期。
　全靜態(tài)操作：0Hz-24MHz。
　三級加密程序存儲器。
　2568字節內部RAM。
　32個(gè)可編程I/O口線(xiàn)。
　3個(gè)16位的定時(shí)/計數器。
　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提供以下標準功能：8K字節的Flash閃速存儲器,256字節的內部RAM,32個(gè)I/O口線(xiàn),3個(gè)16位的定時(shí)/計數器,一個(gè)6向量?jì)蓸O中斷結構,一個(gè)全雙工串行通信口,片內振蕩器及時(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電工作模式：空閑方式停止CPU的工作,但允許RAM,定時(shí)/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(gè)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(shí)間來(lái)控制鐵塊的溫度,鐵塊的溫度經(jīng)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(gè)數Tn,通過(guò)比較Tn和當前可控硅導通的脈沖個(gè)數決定打開(kāi)關(guān)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(pán)來(lái)實(shí)現?？刂葡到y結構框圖如下：

　　系統的數據采集主要是對鐵塊現時(shí)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(dòng)值,經(jīng)差動(dòng)放大器放大后,送入A/D轉換器進(jìn)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(chǎn)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(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(jīng)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(guān),由于鐵塊控制系統中測量速度不是主要的,也就是說(shuō)帶寬問(wèn)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(wǎng)絡(luò ),則放大器的放大倍數為：
　　　?。?）

　　在應用時(shí),各元件阻值可按照上圖中選取,實(shí)際放大倍數應該根據系統需要通過(guò)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(mǎn)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(jià)格低廉,不過(guò)由于是雙積分型,故轉換速度較慢,轉換時(shí)間為30ms,但在本系統中已經(jīng)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(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根數據線(xiàn)與單片機數據總線(xiàn)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(guò)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(lái)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(tài),在該狀態(tài)下,每隔8196個(gè)時(shí)鐘周期（約30ms）完成一次轉換,并將轉換值置于輸出三態(tài)緩沖中等待讀取。這樣,在我們需要讀取數據時(shí),直接通過(guò)選通LBEN或HBEN進(jìn)行讀取可從輸出緩沖器中讀出數據。

三．看門(mén)狗電路

　　為了防止系統受干擾而使程序丟失,或者走進(jìn)死循還而使系統死機,應加入看門(mén)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(shí),三極管Q2不導通,電流由“+5V　R1　C1地”對電容C1充電;當P1.7為高電平時(shí),三極管Q2飽和導通,

　　電容C1通過(guò)“Q2　R3　地”放電。這樣我們通過(guò)在程序運行中定時(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 )對電容持續充電,使Q2集電極電平持續上升,當上升到高電平電壓時(shí),單片機系統復位,程序重新開(kāi)始運行,達到看門(mén)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(shí)間就越長(cháng),反之則反。R4和D1起電源指示作用,R2和按鈕構成手動(dòng)復位電路。

結束語(yǔ)：

　　本文所涉及到的溫度控制系統具有溫度顯示準確,反饋?lái)憫皶r(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)際應用中收到了良好的效果。

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