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淺析單片機在溫度測控方面的應用

發布時間:2015-11-30 10:39

摘 要: 本文將介紹一種基于AT89C52 和 AT89C2051 雙 MCU 的注塑成型溫度測控系統, 及其硬、軟件的設計方法和系統的原理框圖等。

關鍵詞:單片機;溫度測控;控制系統
  溫度測控在工業領域具有廣泛的應用,隨著傳感器技術、微電子技術、單片機技術的不斷發展, 為智能溫度測控系統測控功能的完善、測控精度的提高和抗干擾能力的增強等提供了條件。由于單片機具有集成度高、功能強、體積小、價格低、抗干擾能力等優于一般 CPU 的優點,因此,在要求較高的控制精度和較低成本的工業測控系統中,往往采用單片機作為數字控制器取代模擬控制器。
  1、控制系統原理
  控制系統由硬件和軟件兩部分組成。其中硬件部分主要由信號采集與放大電路、溫度補償電路、A/D 轉換電路、單片機電路幾部分組成 。 軟件包括單片機AT89C52 程序設計、單片機AT89C52 與AT89C2051 通信程序設計、單片機 AT89C2051 程序設計三個主要模塊組成。
  2、控制系統硬件設計
  2.1信號采集與放大電路
  采用 K 型熱電偶獲得現場的實際溫度,溫度采樣范圍為 0-400℃, 相應地轉換的電壓信號范圍為 0—20mv。因為系統要控制 8 路工業電爐, 所以就要對 8 路溫度進行檢測采樣和控制, 這里采用 CD4051 實現八選一通道選擇。電壓信號放大采用低零漂移的運算放大器 OP07, 差分雙端輸入, 可以有效地抑制共模干擾。
  從熱電偶獲得的最大有效電壓為 20mv, 而 ICL7135 滿量程時的電壓為 2V, 所以放大電路的放大倍數為 100, 該放大電路由運放 U4、U5 組成第一級差分武電路, U6 組成第二級差分式電路, 根據這一放大倍數來取電阻的阻值, 該放大電路的放大倍數可由下式計算:
  Av=A1A2=(1+2R96/R95) (- R89/R98), 要保證 Av=-100, 取 R89=20K, 取 R98=20K。取 R96=20K, R95 為一電位器, 其取值范圍之為 0-500。所以只要調節電位器 R95, 就可以滿足要求。
  2.2溫度補償電路
  熱電偶分度表是在冷端溫度為 0℃時測定的, 熱電偶在實際測量中, 當冷端的溫度不是 0℃時, 就不能直接利用分度表得知溫度值, 因此必須對熱電偶冷端進行溫度補償修正。熱電偶測溫電路中要有冷端溫度補償電路、冷端補償方法較多, 這里采用冷端溫度補償器來實現溫度補償。該補償電路的工作原理是熱電偶產生的電勢經濾波放大后有一定的靈敏度, 采用溫敏二極管組成的測量電橋的輸出經放大器放大后也有相同的靈敏度。將這兩個放大后的信號再通過增益為 1 的運算放大器相加, 則可以自動補償冷端溫度變化引起的誤差。
  2.3A/D 轉換電路
  因溫度是一個緩慢變化的過程, 對采樣速率要求不高,為提高抗干擾能力,采用雙積分 A/D 轉換器。
  本文采用 MAXIM 公司的 ICL7135,MC1403 芯片為 ICL7135 提供基準電壓。通常情況下, 設計者都是用單片機來并行采集 ICL7135 的數據, 在這里, 作者采用單片機對 ICL7135 進行串行數據采集, 利用該方式具有結構簡單、占用單片- 機資源少等特點。
  在 ICL7135 與單片機系統進行連接時,如果使用 ICL7135 的并行采集方式, 則不但要連接 BCD 碼數據輸出線, 又要連接 BCD 碼數據的位驅動信號輸出端, 這樣至少需要 9 根 I/0 口線, 因此, 系統的連接比較復雜, ICL7135 的串行接法是通過計脈沖數的方法來獲得測量轉換結果的, 可以通過單片機的定時器 TO 或 Tl 來作計數脈沖器, 定時器 TO 所用的 CLK 頻率是系統晶振頻率的 1/12, 因此可利用單片機的ALE 信號經 74LS74 分頻后作為 ICL7135 的脈沖(CLK) 輸入, 便可得到定時器 TO 所使用的頻率與單片機系統晶振頻率的關系, 以及ICL7135 所需頻率輸入與單片機系統晶振頻率的關系。為使定時器TO 計數脈沖與 ICL7135 工作所需的脈沖同步, 可以將 ICL7135 的BUSY 信號接至 AT89C52 的 P3.2(INTO) 引腳上, 此時定時器 TO 是否工作將受 BUSY 信號的控制, 并且將定時器 TO 的選通控制信號GATE 位置 1。ICL7135 的輸入電壓與 TO 計數脈沖成線性關系,ICL7135 滿量程時對應的有效計數脈沖為 20000, 可以得以下公式:
  fIN=VIN/VMAX*20000=VIN/VR*1000, 式中: fIN 為對應輸入電壓VIN 的計數脈沖, VMAX, VR 分別為 ICL7135 的最大工作電壓和基準電壓, 且有 VMAX=2VR, VR 工作時事先通過 MC1403 輸出端電位器調好。
  只要 VR 非常準確, 且準確測量出 VIN, 因 ICL7135 和 AT89C52的精確度都非常高, 故得到的 fIN 也可達到很高的精度。
  2.4CPU 電路
  之所以要用 AT89C52 和 AT89C2051 兩個單片機, 主要是考慮到 AT89C52 要實現的功能比較多, 負荷較重, 且其片內 RAM 空間已全部分配完所以采用 AT89C52 作為系統的核心控制芯片, 用 AT89C52 用于產生 PWM波形去控制固態繼電器的導通與截止。
  3、控制系統的軟件設計
  3.1單片機 AT89C52 程序設計
  包括主程序設計和中斷采樣程序設計, 要對 8 路溫度進行循環采集, 通過定時器 T2 每隔 1s 定時對 8路溫度進行順序采集, 這就要對通道選擇, 這可通過 AT89C52 的P2.0、P2.1、P2.2 對多路開關 CD4051 的地址引腳 A0、Al、A2 進行控制而實現在采樣中斷子程序中, 要對看門狗計數器清零, 這可通過AT89C52 的 Pl.1 來控制 MAX813L 的 WD1 引腳實現,每次進人中斷采樣時, 給 MAX813L 的 WD1 引腳一個脈沖, 從而對其內部計數器清零。獲得采樣數據后, 要進行處理, 加熱模式判別, 與 AT89C2051 進行通信, 將獲得的控制量傳送給 AT89C2051 以實現PWM波形的生成, 偏差和偏差變化率存取計算。
  3.2單片機 AT89C2051 程序設計
  利用 AT89C2051 來完成 PWM波形的發生AT89C52 只需將經運算后得到的控制量送 給AT89C2051,這樣, AT89C52 的負荷就減輕了,有利于提高整個系統的工作性能。而 AT89C2051 只管 PWM波形的發生, 有利于提高控制精度, 獲得較好的實時性,且電路結構相當簡單,八路輸出, 只需要一片AT89C2051,和一個簡單的驅動電路。其工作過程也十分簡單:AT89C2051 經軟件算法后獲得 PWM波形,八路輸出采用循環輸出,因每路數據的更新時間非常短,不會影響控制的實時性,然后通過驅動電路驅動后去控制固態繼電器的閉合時間。
  參考文獻
  [1]孫涵芳.Intel16 位單片機[M].北京:北京航空航天大學出版社.

學術參考網:http://www.qfkih.com.cn/jsj/js/142117.html

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