基于AT89C52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,PT100的阻值會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,不符合線性要求。如果滿足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系。這樣就可以通過線性計算來求出任意一點的溫度,不過用線性化來計算這種近似線性的圖形,也會帶來微小的誤差,這些誤差可以在軟件設計中解決。

1.2 輸出電路

在實際電路中,四個上述的類似電路分別對電機、故障報警、超溫報警和超溫跳閘進行監視。例如:當溫度超過風機溫度上限時,單片機就會通過軟件將JK 端置為低電平,進而使CMOS三極管導通,這樣就會對繼電器加上12v電壓,從而使風機加電,開啟風機,若溫度再高,達到超溫報警溫度上限,就會發生超溫報警聲；若溫度高到超溫跳閘溫度上限,就會發生超溫跳閘。這樣就達到了對被控對象進行實時監控的目的。

1.3 AT89C52單片機

溫控儀控制核心采用AT89C52單片機,它是一個低電壓，高性能的CMOS 8位單片機，片內含8k bytes的可反復擦寫的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、非易失性存儲技術生產，兼容標準MCS-51指令系統，有40個引腳，32 個外部雙向輸入/輸出（I/O）端口，同時內含2個外中斷口，3個16位可編程定時計數器,2個全雙工串行通信口，2個讀寫口線，AT89C52可以按照常規方法進行編程，也可以在線編程。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，采用先進的激光噴濺薄膜技術,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；用玻璃燒結料把Ni（或Pd）引線固定，經過激光調阻制成，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），完全可以滿足測量的要求。

1.5 數碼管顯示

數碼管顯示通過鍵盤/顯示器接口專用智能控制芯片HD7279A來實現。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8位共陰極LED顯示器或64個LED發光管進行管理和驅動，同時能對多達8×8的鍵盤矩陣的按鍵情況進行監視，具有自動消除鍵抖動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單，占用口線少，加之它具有較高的性能價格比，因此，在微型控制器和智能儀表中廣泛應用。其主要特點如下：

● 帶有串行接口，無需外圍元件便可直接驅動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)左移/(循環)右移指令；

● 具有段尋址指令，可方便地用來控制獨立的LED顯示管；

● 64鍵鍵盤控制器內含去抖動電路。

2 軟件的實現

軟件采用模塊化結構,包括1個主模塊和5個子模塊(按鈕處理子模塊、設置上限溫度及采集邊界點數字量子模塊、通信子模快、故障輸出處理子模塊和顯示子模塊),主模塊完成對各個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,主模塊與它們通過共用一段RAM區域進行聯系。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濾波。除此之外,對于前面提到的線性化問題,我們采用了將0～200℃分成四個區域,在每個區域進行線性化計算。這樣比在0～200℃區域內直接進行計算要精確的多,能夠達到±0.1℃的精度。

各個子模塊的功能如下:

(1)按鈕處理子模塊在有鍵按下時向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數字量子模塊可以在長時間按鍵時通過輸入密碼進入修改上限溫度的界面,通過按鈕對0℃、50℃、100℃、150℃、200℃所對應的數字量進行采集,并將結果存到E²PROM里,用此數據作為邊界點計算出0～200℃之間的任何溫度。

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

(4)故障輸出子模塊可以通過實際溫度與上限溫度的比較,來判斷現場是否出現異常情況。同時,設置標志位來判斷是否進行A/D轉換、是否進行顯示。

(5)顯示子模塊將線性計算出的結果經二進制到BCD碼的轉換送到5位LED顯示器顯示。

3 抗干擾技術在溫控儀中的應用

(1)解決溫控儀中交流電源干擾,其方法是在交流電源的進線端,即電源變壓器的初級串聯一個電源濾波器,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,吸收不同極性的過電壓。

(4)在干式變壓器運行現場進行電磁干擾試驗,對試驗結果進行概率統計分析,并通過精心選擇元器件、采用硬件抗干擾技術及軟件抗干擾技術使干擾源產生的電磁干擾降至最小。

該溫控儀功耗低、技術先進,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境長期穩定工作,是干式變壓器理想的監控裝置。

本文作者創新點主要有：

(1) 把傳感器（鉑電阻PT100）直接接入模擬轉換電路，在實現信號采集轉換的同時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,且通過光電耦合器件來決定CMOS三極管的導通與否,再通過繼電器和常開觸點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，進而實現對數據的分區域線性化計算。彌補了硬件電路精度有限的問題，大大降低了測量誤差。

參考文獻:

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