基于AT89C51單片機的溫度檢測系統硬件電路設計

引言

化工合成對溫度檢測與控制要求較高，是化工合成工藝的關鍵環節。對化工合成裝置的溫度進行檢測，并按工藝要求，控制最高加熱溫度；在升溫階段，控制合成溫度以每小時15℃的速率上升；加入觸媒以后的溫度采用恒值控制：前期為370℃，中期為380℃，后期為390℃；控制精度為±3℃l最高溫度連續三次達到400℃時發出報警信號。顯示檢測溫度值；每半小時打印一次最高溫度值及檢測時間；留有擴充余地，以實現多回路控制。

1 溫度檢測控制系統硬件結構

本系統的硬件電路由溫度檢測、信號放大、A／D轉換、AT89C51單片機、功率放大及執行電路、打印、顯示及報警電路等部分組成。選用AT89C51單片機作為主控機，采用帶有死區的PID控制算法，當溫度在給定的死區范圍內時，不予調節；超出給定范圍時，由單片機按照運算結果，驅動步進電機，調節加熱裝置，以控制合成溫度。系統硬件結構如圖1所示。

圖1 溫度檢測控制系統

1.1溫度信號輸入通道

溫度信號輸入通道由溫度傳感器、信號放大、A／D轉換等電路組成。

1）溫度傳感器：溫度傳感器采用鉑電阻。這類材料具有性能穩定、抗干擾能力強和測量精度高等優點。測溫元件R．和電阻元件組成橋式電路，將由于溫度變化所引起的鉑電阻的阻值變化轉化成電壓信號送入放大器。由于鉑電阻安裝在測量現場，通過長線接入控制臺，為了減小引線電阻的影響，采用三線式接線法。因而，外界溫度變化對連接導線電阻r的影響在橋式電路中被相互抵消了。

2）信號放大電路：信號放大電路由單芯片集成精密放大器AD522組成。該電路共有14腳，其中IN+和IN-為信號差動輸入端，2、14腳之間外接電阻Rc，用于調整放大倍數，4、6腳為調零端，13腳為數據屏蔽端，12腳為測量端，11腳為參考端，這兩端間的電位差即為加到后級A／D轉換器的輸入信號電壓。使用時，測量端與輸出端（7腳）在外部相連接為放大后的輸出信號。將信號地與放大器的電源地（9腳）相連接，為放大器的偏置電流提供通路。

3）A／D轉換電路：采用ICL7109組成A／D轉換電路，ICL7109是INTEL公司的產品。ICL7109采用雙積分式工作原理，轉換速率不高，但可滿足本系統對采樣速率的要求。因芯片具有較強的抗干擾特性，對于保證系統的檢測與控制精度，是非常有利的。ICL7109的分辨率為12位；轉換速率為7．5

圖2 信號檢測放大及A／D轉換電路

次／秒（時鐘為3．58MHz）；轉換后以12位二進制碼輸出。A／D轉換器直接與單片機Pl口、P0口相連，轉換后的12位數據直接由P0口輸入而存入片內RAM中。12位數據需分兩次讀入，MCS一51的P1．0、P1．1、P1．2分別與A／D轉換器的運行／保持輸入端（RUN／HOLD）、字節使能端（HBEH、HBEL）以及A／D轉換器的狀態輸出端（STATUS）相連接，片選端（c肌0AD）與P2．2相連，在片選和字節使能信號的控制下可以直接讀取轉換后的數據。

1．2控制溫度設定電路

采用AT89C5 1的P1．7～P1．4設置4個開關K4-K1分別表示降溫控制開關、設置控溫的后期、中期、前期開關。當KI合上為0時，表示設置控制溫度為370℃（觸媒使用的前期溫度）；K2合上時，設置控制溫度為380℃（觸媒使用的中期），K3合上時，設置控制溫度為390℃（觸媒使用的后期）；K4合上時，停止加熱，系統進入降溫過程。通過軟件檢測P1．7～P1．4的狀態，發現某開關合上，則設置對應的控制溫度，并轉入相應的工作過程。

1）功率放大及執行電路：由于步進電機具有快速啟停、精確步進以及直接接受數字量的特點等，本系統采用步進電機作為執行元件?？刂葡到y采用步進電機作為執行元件，其作用是將計算機送出的電脈沖信號轉換為相應的機械位移，它具有以下主要特點：（1）步距值不受各種干擾因素的影響，轉子運動的速度主要取決于電脈沖信號的頻率，而轉子的總位移量取決于總脈沖的個數；（2）誤差不會長期積累，轉子每轉動一圈積累誤差為零；（3）反應性能好。啟動、停車、反轉及其他任何運動方式的改變都在少數脈沖內完成。在一定的頻率范圍內運行時，任何運行方式都不會丟失一步。

2）執行控制系統的組成：如圖3所示。步進電機的控制系統主要由步進電機控制器、功率放大器及步進電機組成。步進控制器包括環形脈沖分配器、控制邏輯及正反轉控制門組成，其作用是把輸入脈沖信號按一定順序進行分配，再通過功率放大送入步進電機繞組，以驅動步進電機轉動。

圖3 步進電機控制系統方框圖

3）步進電機的工作原理及分配方式：進電機的種類較多，如單相、雙相、三相、四相、五相及六相等多種類型。本設計采用三相反應式步進電機。該電機的步距角為1．5°，最大靜力距為50kg·cm，最高空載啟動頻率為550步／秒。

三相步進電機有A、B、C三個繞組，按一定規律循環給三個繞組供電，就能使它按要求的規律運轉，其工作原理如圖4所示。圖中的脈沖發生器按要求產生一定頻率的脈沖信號，通過脈沖分配器產生一定規律的電脈沖輸出給驅動器，以驅動步進電機運轉。此部分可由計算機或單片機作為主控機。而脈沖分配器可以使用編程I／O接口。

圖4 三相步進電機工作原理框圖

步進電機脈沖分配方式及通電順序如下：

脈沖分配器每給出一組脈沖，步進電機走一步，轉一個角度。單片機通過程序隨時改變脈沖分配方式和輸出脈沖的頻率，因此能靈活、方便地控制步進電機的轉速和旋轉方向。步進電機的控制部分由單片機和8155并行接口完成，8155的A口PA0～PA2分別作步進電機的三相控制端口。步進電機驅動電路部分采用光電耦合將單片機系統與步進電機驅動電路隔離，以增強系統抗干擾能力，并能防止當三極管損壞時電機驅動電路的高壓對單片機的安全造成的威脅?？筛鶕竭M電機的電流選用合適的大功率的三極管VT，以完成功率放大及電機驅動任務。二極管VD為保護元件，為斷流時的電機繞組提供低阻搞續流回路，把集電極電位鉗制在電源電壓，防止過高的反向電壓擊穿三極管。

為了及時記錄合成裝置的溫度和檢測時間，選用微型打印機TPμP一40作為記錄打印裝置。選用AT89C5 1內部定時器，每隔半小時啟動TPμP一40打印一次，TPμP-40打印機通過8155與單片機相連。為了能隨機顯示檢測的溫長值，選用一片8155作為LED數碼管的接口。步進電機、打印驅動電路如圖5。

圖5 步進電機、打印驅動電路圖

2 溫度檢測控制系統軟件設計

2.1系統軟件功能

1）檢測開關K1、K2、K3、K4的狀態，設定溫度控制值，并將控制系統轉入相應的加熱或降溫階段；

2）啟動A／D轉換，連續讀取5次轉換結果，經濾波和非線性校正處理之后，作為一次溫度檢測信號，并顯示檢測的溫度值；

3）進行PID運算，按照運算結果，驅動步進電機以調節溫度；

4）每隔半小時，由定時器產生中斷申請，在中斷服務程序中啟動打印機，打印記錄溫度值及檢測時；

5）若發現溫度超限時，發出報警信號。

2．2溫度檢測與控制主程序

主程序功能：完成系統初始化操作；判斷溫度是否超限，如果超限則轉報警處理，如果未超限則讀入K1、K2、K3、K4狀態，并根據其輸入狀態，散轉執行相應的功能子程序。主程序流程圖如圖6所示。

圖6 主程序流程圖

2．3主要的子程序流程圖

1）PID運算子程序：取出溫度給定值與測量值，計算出偏差信號e（k），將e（k）與設定的死區值比較，如果P（足）未超出死區范圍，則本次輸出調節量為0，返回檢測程序；如果e（k）超出死區范圍，則計算出p（k）=Pp（k）+P1（k）+Pn（k）的調節輸出值。

2）步進電機驅動程序：本系統選用三相步進電機，采用三相六拍工作方式，各繞組供電的步進信號由8155的A口控制，其轉動方向及通電順序字見表1。

表1 步進電機轉動方向及通電順序字

根據步進電機的轉向與工作時繞組通電順序變化規律，可以在8155的RAM中設置步進電機的控制字表，如表1所示，表頭地址為TABO，表尾地址為TAB7。顯然，驅動信號從TAB0開始控制通電順序，電機為正轉；若從TAB7開始控制通電順序，則電機為反轉。

步進電機的轉速由脈沖信號的周期T決定。脈沖信號的周期由CPU通過延時程序或定時器／計數器的定時時間來確定。系統中的三相繞組由8155的A口控制是，程序中的延時時間為10電機的轉速為：n=60／（N×T）轉／分式中N一

來源；21ic