基于AT89C52智能温度控制器设计

1 工作原理

图1 系统结构框图

本设计温控仪由温度监测、信号处理、输出控制三部分组成。其系统框图如图1所示,它通过预埋在变压器三相绕组中的三只铂电阻传感器获取绕组温度值,经信号调理电路处理后直接送入控制器的A/D转换输入端。微控制器根据信号数据及设定的各种控制参数,按照嵌入的软件控制规律执行计算与处理,自动显示变压器绕组的温度值、输出相应的控制信号、控制风机的启停, 并根据当前状态输出正常、报警和跳闸信号等,同时将各种数据通过RS-485总线传到上位机实现集中监控。

1.1 模拟转换电路

模拟转换控制电路用于将温度模拟量转换成单片机能够识别的电信号,转换原理如图2所示。当温度变化时,PT100的阻值会随着温度的变化线性变化,其分压值与某一固定电路分压值进行比较,其结果送入运算放大器,转换成A/D转换范围内的模拟量。

图2  模拟转换电路

AT89C52 中的A/D转换精度为8位,由于参考电压为5v,所以必须将模拟信号转换成0～5v的电压,因此在设计此电路时,各元件的参数都按照此要求设计。同时,还要考虑其线性化,为了使软件设计中的计算按线性处理,在硬件设计时,一定要将温度与转换到单片机的数字量成线性变化。由电路可知:

                                 （1）

从公式中可以看出,得出的A/D转换电压与R_W不成正比,不符合线性要求。如果满足R₃>>R_W,转换电压就与R_W近似成正比,与温度也近似成正比关系。这样就可以通过线性计算来求出任意一点的温度,不过用线性化来计算这种近似线性的图形,也会带来微小的误差,这些误差可以在软件设计中解决。

1.2 输出电路

图3  输出电路

输出电路是单片机对模数转换的数值进行计算和控制结果的体现,如图3所示。单片机输出的控制量输入到JK端口,若此信号低电平,则光电耦合器件导通,使CMOS三极管导通,从而继电器通电,常开触点闭合,输出220v电压；否则,输出0v电压。

在实际电路中,四个上述的类似电路分别对电机、故障报警、超温报警和超温跳闸进行监视。例如:当温度超过风机温度上限时,单片机就会通过软件将JK 端置为低电平,进而使CMOS三极管导通,这样就会对继电器加上12v电压,从而使风机加电,开启风机,若温度再高,达到超温报警温度上限,就会发生超温报警声；若温度高到超温跳闸温度上限,就会发生超温跳闸。这样就达到了对被控对象进行实时监控的目的。

1.3 AT89C52单片机

温控仪控制核心采用AT89C52单片机,它是一个低电压，高性能的CMOS 8位单片机，片内含8k bytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256 bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，有40个引脚，32 个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，3个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，2个读写口线，AT89C52可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，可以暂存故障及超温上限温度值。

1.4 铂电阻传感器

铂电阻采用CRZ系列薄膜铂热电阻元件CRZ-1632,它是把金属铂研制成粉浆，采用先进的激光喷溅薄膜技术,及光刻法和干燥蚀刻法把铂附着在陶瓷基片上形成膜,膜厚在2 以内；用玻璃烧结料把Ni（或Pd）引线固定，经过激光调阻制成，规格完全符合IEC、DIN和JIS标准。其测量范围为－50～400℃，精度为± （0.15+0.002t），完全可以满足测量的要求。

1.5 数码管显示

数码管显示通过键盘/显示器接口专用智能控制芯片HD7279A来实现。HD7279A是一种管理键盘和LED显示器的专用智能控制芯片。它无需外围电路，只需要外接少量的电阻等，就能对8位共阴极LED显示器或64个LED发光管进行管理和驱动，同时能对多达8×8的键盘矩阵的按键情况进行监视，具有自动消除键抖动并识别按键代码的功能，从而可以提高CPU工作的效率。HD7279A和微处理器之间采用SPI串行接口方式，其接口电路和外围电路简单，占用口线少，加之它具有较高的性能价格比，因此，在微型控制器和智能仪表中广泛应用。其主要特点如下：

● 带有串行接口，无需外围元件便可直接驱动LED；

● 各位可独立控制译码/不译码、消隐和闪烁等属性；

● 具有(循环)左移/(循环)右移指令；

● 具有段寻址指令，可方便地用来控制独立的LED显示管；

● 64键键盘控制器内含去抖动电路。

2 软件的实现

软件采用模块化结构,包括1个主模块和5个子模块(按钮处理子模块、设置上限温度及采集边界点数字量子模块、通信子模快、故障输出处理子模块和显示子模块),主模块完成对各个子模块的初始化和调用故障输出处理子模块、显示子模块。而按钮处理子模块、设置上限温度及采集边界点数字量子模块、通信模块采用中断方式工作,主模块与它们通过共用一段RAM区域进行联系。由于在单片机应用系统的模拟输入信号中含有种种噪音和干扰,故本程序采用数字滤波技术滤波。除此之外,对于前面提到的线性化问题,我们采用了将0～200℃分成四个区域,在每个区域进行线性化计算。这样比在0～200℃区域内直接进行计算要精确的多,能够达到±0.1℃的精度。

各个子模块的功能如下:

(1)按钮处理子模块在有键按下时向ATmega16申请中断,在中断子程序中修改预先设好的标志位。

(2)设置上限温度及采集边界点数字量子模块可以在长时间按键时通过输入密码进入修改上限温度的界面,通过按钮对0℃、50℃、100℃、150℃、200℃所对应的数字量进行采集,并将结果存到E²PROM里,用此数据作为边界点计算出0～200℃之间的任何温度。

(3)通信子模块可以通过LBC184(将RS232信号转换为RS485信号)芯片和单片机连接远程的被控对象进行485通信。

(4)故障输出子模块可以通过实际温度与上限温度的比较,来判断现场是否出现异常情况。同时,设置标志位来判断是否进行A/D转换、是否进行显示。

(5)显示子模块将线性计算出的结果经二进制到BCD码的转换送到5位LED显示器显示。

3 抗干扰技术在温控仪中的应用

(1)解决温控仪中交流电源干扰,其方法是在交流电源的进线端,即电源变压器的初级串联一个电源滤波器,它可以有效地抑制高频干扰的侵入，如图4所示。

图4 交流侧滤波电路

(2)在故障输出电路中使用光电耦合器件,使输出具有较高的电气隔离和抗干扰能力。

(3)在模拟转换电路中的温度传感器两端,以及其他地方使用压敏电阻器,吸收不同极性的过电压。

(4)在干式变压器运行现场进行电磁干扰试验,对试验结果进行概率统计分析,并通过精心选择元器件、采用硬件抗干扰技术及软件抗干扰技术使干扰源产生的电磁干扰降至最小。

该温控仪功耗低、技术先进,功能完善,操作简单,性能可靠,能够在十分恶劣的电磁干扰或高温环境长期稳定工作,是干式变压器理想的监控装置。

本文作者创新点主要有：

(1) 把传感器（铂电阻PT100）直接接入模拟转换电路，在实现信号采集转换的同时控制模拟转换电路的输出。即使得这两种功能一步完成，也提高了精度、简化了电路；

(2) 输出电路中，把单片机输出的控制量输入到JK端口,且通过光电耦合器件来决定CMOS三极管的导通与否,再通过继电器和常开触点的闭合来控制输出电压。使得输出电路在完成输出控制功能的同时具有较高的电气隔离和抗干扰能力；

(3) 在软件中对电路中采集的数据设置分界点，进而实现对数据的分区域线性化计算。弥补了硬件电路精度有限的问题，大大降低了测量误差。

参考文献:

[1] 张晗,潘正运,金晓燕.智能“旅游电子超市”系统的 研究与设计[J].微计算机信息,2005,12-3:13-15.

 [2] 赵茂泰.智能仪器原理及应用. 电子工业出版社，2002.

[3] 熊静琪.计算机控制技术. 电子工业出版社，ISBN 7-5053-8706-5.

[4] 丁化成.单片机应用技术[A].北京:北京航空航天大学出版社,2000.

[5] 王幸之.单片机应用系统抗干扰技术[A].北京:北京航空航天大学出版社,2002.