一．簡介

本溫度控制和顯示系統(tǒng)是一個閉環(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)通時間，調(diào)節(jié)電熱絲的有效加熱功率，從而實現(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。

·256×8字節(jié)內(nèi)部RAM。

·32個可編程I/O口線。

·3個16位的定時/計數(shù)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(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I/O口線，3個16位的定時/計數(shù)器，一個6向量兩極中斷結(jié)構(gòu)，一個全雙工串行通信口，片內(nèi)振蕩器及時鐘電路。同時，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/計數(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)通的脈沖個數(shù)Tn，通過比較Tn和當(dāng)前可控硅導(dǎo)通的脈沖個數(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)的鍵盤來實現(xiàn)。控制系統(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，用電橋得到差動值，經(jīng)差動放大器放大后，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(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，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，各元件阻值可按照上圖中選取，實際放大倍數(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，價格低廉，不過由于是雙積分型，故轉(zhuǎn)換速度較慢，轉(zhuǎn)換時間為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(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個時鐘周期（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，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，三極管Q2不導(dǎo)通，電流由“+5VR1C1地”對電容C1充電;當(dāng)P1.7為高電平時，三極管Q2飽和導(dǎo)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(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，單片機(jī)系統(tǒng)復(fù)位，程序重新開始運行，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(gòu)成手動復(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，控制及時及控制效果佳，已經(jīng)是一個成熟的產(chǎn)品，在實際應(yīng)用中收到了良好的效果。

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