基于A(yíng)T89C52智能溫度控制器設計

1 工作原理

1.1 模擬轉換電路

模擬轉換控制電路用于將溫度模擬量轉換成單片機能夠識別的電信號,轉換原理如圖2所示。當溫度變化時(shí),PT100的阻值會(huì )隨著(zhù)溫度的變化線(xiàn)性變化,其分壓值與某一固定電路分壓值進(jìn)行比較,其結果送入運算放大器,轉換成A/D轉換范圍內的模擬量。

（1）

從公式中可以看出,得出的A/D轉換電壓與R_W不成正比,不符合線(xiàn)性要求。如果滿(mǎn)足R₃>>R_W,轉換電壓就與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(guò)線(xiàn)性計算來(lái)求出任意一點(diǎn)的溫度,不過(guò)用線(xiàn)性化來(lái)計算這種近似線(xiàn)性的圖形,也會(huì )帶來(lái)微小的誤差,這些誤差可以在軟件設計中解決。

1.2 輸出電路

在實(shí)際電路中,四個(gè)上述的類(lèi)似電路分別對電機、故障報警、超溫報警和超溫跳閘進(jìn)行監視。例如:當溫度超過(guò)風(fēng)機溫度上限時(shí),單片機就會(huì )通過(guò)軟件將JK 端置為低電平,進(jìn)而使CMOS三極管導通,這樣就會(huì )對繼電器加上12v電壓,從而使風(fēng)機加電,開(kāi)啟風(fēng)機,若溫度再高,達到超溫報警溫度上限,就會(huì )發(fā)生超溫報警聲；若溫度高到超溫跳閘溫度上限,就會(huì )發(fā)生超溫跳閘。這樣就達到了對被控對象進(jìn)行實(shí)時(shí)監控的目的。

1.3 AT89C52單片機

溫控儀控制核心采用AT89C52單片機,它是一個(gè)低電壓，高性能的CMOS 8位單片機，片內含8k bytes的可反復擦寫(xiě)的Flash只讀程序存儲器和256 bytes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)，兼容標準MCS-51指令系統，有40個(gè)引腳，32 個(gè)外部雙向輸入/輸出（I/O）端口，同時(shí)內含2個(gè)外中斷口，3個(gè)16位可編程定時(shí)計數器,2個(gè)全雙工串行通信口，2個(gè)讀寫(xiě)口線(xiàn)，AT89C52可以按照常規方法進(jìn)行編程，也可以在線(xiàn)編程。片內置通用8位中央處理器和Flash存儲單元，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(zhù)在陶瓷基片上形成膜,膜厚在2 以?xún)?；用玻璃燒結料把Ni（或Pd）引線(xiàn)固定，經(jīng)過(guò)激光調阻制成，規格完全符合IEC、DIN和JIS標準。其測量范圍為－50～400℃，精度為± （0.15+0.002t），完全可以滿(mǎn)足測量的要求。

1.5 數碼管顯示

數碼管顯示通過(guò)鍵盤(pán)/顯示器接口專(zhuān)用智能控制芯片HD7279A來(lái)實(shí)現。HD7279A是一種管理鍵盤(pán)和LED顯示器的專(zhuān)用智能控制芯片。它無(wú)需外圍電路，只需要外接少量的電阻等，就能對8位共陰極LED顯示器或64個(gè)LED發(fā)光管進(jìn)行管理和驅動(dòng)，同時(shí)能對多達8×8的鍵盤(pán)矩陣的按鍵情況進(jìn)行監視，具有自動(dòng)消除鍵抖動(dòng)并識別按鍵代碼的功能，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(jiǎn)單，占用口線(xiàn)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用。其主要特點(diǎn)如下：

● 帶有串行接口，無(wú)需外圍元件便可直接驅動(dòng)LED；

● 各位可獨立控制譯碼/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(lái)控制獨立的LED顯示管；

● 64鍵鍵盤(pán)控制器內含去抖動(dòng)電路。

2 軟件的實(shí)現

軟件采用模塊化結構,包括1個(gè)主模塊和5個(gè)子模塊(按鈕處理子模塊、設置上限溫度及采集邊界點(diǎn)數字量子模塊、通信子?？?、故障輸出處理子模塊和顯示子模塊),主模塊完成對各個(gè)子模塊的初始化和調用故障輸出處理子模塊、顯示子模塊。而按鈕處理子模塊、設置上限溫度及采集邊界點(diǎn)數字量子模塊、通信模塊采用中斷方式工作,主模塊與它們通過(guò)共用一段RAM區域進(jìn)行聯(lián)系。由于在單片機應用系統的模擬輸入信號中含有種種噪音和干擾,故本程序采用數字濾波技術(shù)濾波。除此之外,對于前面提到的線(xiàn)性化問(wèn)題,我們采用了將0～200℃分成四個(gè)區域,在每個(gè)區域進(jìn)行線(xiàn)性化計算。這樣比在0～200℃區域內直接進(jìn)行計算要精確的多,能夠達到±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申請中斷,在中斷子程序中修改預先設好的標志位。

(2)設置上限溫度及采集邊界點(diǎn)數字量子模塊可以在長(cháng)時(shí)間按鍵時(shí)通過(guò)輸入密碼進(jìn)入修改上限溫度的界面,通過(guò)按鈕對0℃、50℃、100℃、150℃、200℃所對應的數字量進(jìn)行采集,并將結果存到E²PROM里,用此數據作為邊界點(diǎn)計算出0～200℃之間的任何溫度。

(3)通信子模塊可以通過(guò)LBC184(將RS232信號轉換為RS485信號)芯片和單片機連接遠程的被控對象進(jìn)行485通信。

(4)故障輸出子模塊可以通過(guò)實(shí)際溫度與上限溫度的比較,來(lái)判斷現場(chǎng)是否出現異常情況。同時(shí),設置標志位來(lái)判斷是否進(jìn)行A/D轉換、是否進(jìn)行顯示。

(5)顯示子模塊將線(xiàn)性計算出的結果經(jīng)二進(jìn)制到BCD碼的轉換送到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(xiàn)端,即電源變壓器的初級串聯(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(guò)電壓。

(4)在干式變壓器運行現場(chǎng)進(jìn)行電磁干擾試驗,對試驗結果進(jìn)行概率統計分析,并通過(guò)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(jiǎn)單,性能可靠,能夠在十分惡劣的電磁干擾或高溫環(huán)境長(cháng)期穩定工作,是干式變壓器理想的監控裝置。

本文作者創(chuàng )新點(diǎn)主要有：

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

(2) 輸出電路中，把單片機輸出的控制量輸入到JK端口,且通過(guò)光電耦合器件來(lái)決定CMOS三極管的導通與否,再通過(guò)繼電器和常開(kāi)觸點(diǎn)的閉合來(lái)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) 在軟件中對電路中采集的數據設置分界點(diǎn)，進(jìn)而實(shí)現對數據的分區域線(xiàn)性化計算。彌補了硬件電路精度有限的問(wèn)題，大大降低了測量誤差。

參考文獻:

[1] 張晗,潘正運,金曉燕.智能“旅游電子超市”系統的 研究與設計[J].微計算機信息,2005,12-3:13-15.

[2] 趙茂泰.智能儀器原理及應用. 電子工業(yè)出版社，2002.

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

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

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