智能散熱器單片機控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)*

吳 寧，尚坡利

(1.蘭州工業(yè)學(xué)院電氣工程學(xué)院，甘肅蘭州 730050;2.蘭州交通大學(xué)，自動化與電氣工程學(xué)院，甘肅蘭州 730070)

智能散熱器單片機控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)*

吳 寧1，尚坡利2

(1.蘭州工業(yè)學(xué)院電氣工程學(xué)院，甘肅蘭州 730050;2.蘭州交通大學(xué)，自動化與電氣工程學(xué)院，甘肅蘭州 730070)

溫度控制是眾多工業(yè)控制中重要的組成部分，散熱器則是其中不可缺少的一環(huán)。介紹一款智能散熱系統(tǒng)的設(shè)計，其核心以8051為主控制器、AD590集成溫度傳感器作為采集器、ADC0809為A/D轉(zhuǎn)換器，其可實現(xiàn)耗能低，可靠性高，抗干擾能力強，使用方便等特征。

單片機;集成溫度傳感器;A/D轉(zhuǎn)換器;智能控制

1 引言

溫度是工業(yè)生產(chǎn)中重要的被控參數(shù)之一，很多工藝過程溫度的控制效果直接影響著產(chǎn)品質(zhì)量。各種溫度控制系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于冶金、化工、機械、食品等領(lǐng)域，在工業(yè)企業(yè)中，如何提高溫度控制對象的運行性能一直以來都是控制人員和現(xiàn)場技術(shù)人員努力解決的問題。這類控制對象慣性大，滯后現(xiàn)象嚴(yán)重，存在很多不確定的因素，難以建立精確的數(shù)學(xué)模型，從而導(dǎo)致控制系統(tǒng)性能不佳，甚至出現(xiàn)控制不穩(wěn)定、失控現(xiàn)象。散熱器就是溫度控制系統(tǒng)中非常重要的一環(huán)，筆者基于此提出一種智能化的散熱器設(shè)計解決方案。

2 總體設(shè)計方案

系統(tǒng)主要由控制單元、輸入單元、檢測單元、顯示單元、執(zhí)行單元及報警單元組成。其中控制單元由單片機8051及其附屬電路構(gòu)成;輸入單元由74LS164擴(kuò)展的矩陣式鍵盤來完成;檢測單元以AD590集成溫度傳感器為主要構(gòu)成部件，用來采集溫度變化信號并使用模數(shù)轉(zhuǎn)換裝置將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號;顯示單元由數(shù)碼顯示管來完成;執(zhí)行單元用來執(zhí)行控制單元所發(fā)出的指令，以滿足設(shè)計任務(wù)的要求;報警單元采用蜂鳴器來完成報警功能。

3 硬件系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

3.1 控制單元

控制單元由單片機來完成，它的作用是通過在單片機內(nèi)編的程序來控制單片機的運行，從而完成設(shè)計要求［1－2］。有兩種設(shè)計方案可供選擇:

(1)方案一:采用8051單片機實現(xiàn)多點溫度的檢測與控制。8051單片機的特點是價格低廉，結(jié)構(gòu)簡單，易于開發(fā)，有較強的位處理功能，有全雙工異步串行通信口，片內(nèi)有4k ROM，無須外接外存儲器和74LS373。

(2)方案二:采用8031單片機實現(xiàn)多點溫度的檢測與控制。8031片內(nèi)不帶程序存儲器ROM，使用時用戶需外接程序存儲器和一片邏輯電路74LS373，外接的程序存儲器多為EPROM的2764系列。用戶若想對寫入到EPROM中的程序進(jìn)行修改，必須先用一種特殊的紫外線燈將其照射擦除，之后再可寫入。寫入到外接程序存儲器的程序代碼沒有什么保密性可言。

通過比較，本次的設(shè)計方案選方案一，因為8051芯片在設(shè)計中不用再擴(kuò)展，而8031需要擴(kuò)展;方案一的鍵盤非編碼/串行方式比方案二的編碼/并行更省接口，這樣就可以讓更多的I/O接口得到更好的利用;在方案一中所用的器件比方案二少，方案一比方案二經(jīng)濟(jì)。綜上所述，方案一優(yōu)于方案二。

3.2 輸入單元

鍵盤采用74LS164擴(kuò)展的矩陣式鍵盤，本次輸入單元由鍵盤來完成，該鍵盤適用于微處理器I/O接口資源較多、按鍵數(shù)量較少的場合，采用查詢掃描方式工作，并不經(jīng)常需要控鍵操作。鍵盤顯示接口電路是用來實現(xiàn)輸入、鍵盤控制和數(shù)據(jù)顯示。鍵盤顯示接口電路的設(shè)計主要有三種方法:①采用并行I/O接口芯片來實現(xiàn)，如8155、8255等;②采用微處理器的串行口進(jìn)行擴(kuò)展;③采用專用芯片8279鍵盤/顯示器接口芯片來實現(xiàn)。本設(shè)計采用微處理器的串行口進(jìn)行擴(kuò)展。

3.3 檢測單元

檢測單元主要由溫度采集電路和A/D轉(zhuǎn)換電路組成。溫度傳感器采集溫度，將信號傳送給A/D轉(zhuǎn)換電路，再由A/D轉(zhuǎn)換電路把模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，傳送到的單片機中實施控制［3－4］。

(1)溫度傳感器

本次設(shè)計溫度傳感器選用AD590，它可將溫度轉(zhuǎn)換成電流。這種傳感器的輸出電流正比于熱力學(xué)溫度，傳感器具有高輸出阻抗，其值可達(dá)20 MΩ，該器件輸出電流信號傳輸距離可達(dá)到1 km以上，適用于多點溫度測量及遠(yuǎn)距離測溫。此外，該器件精度高，價格低，不需要輔助電源，線性好，可以承受44 V正向電壓和20 V的反向電壓，因而一般情況下器件反接也不會被損壞。

(2)A/D轉(zhuǎn)換電路

為滿足多種需要，目前國內(nèi)外各半導(dǎo)體器件生產(chǎn)廠家設(shè)計并生產(chǎn)出了多種多樣的ADC芯片。本次設(shè)計A/D轉(zhuǎn)換器選用ADC0809具有8位多路開關(guān)以及微處理兼容的控制邏輯CMOS組件，是逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器，可以和單片機直接接口，其主要特征為:具有8位模擬量輸入，8位A/D轉(zhuǎn)換器;轉(zhuǎn)換時間為100 μs;模擬輸入電壓范圍0～+5 V，不需要零點和滿刻度校準(zhǔn);低功耗，約15 MW。通過外接電路，ADC0809可對0～5 V的雙極性模擬信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

3.4 顯示單元

在單片機應(yīng)用系統(tǒng)中，人機接口是系統(tǒng)不可缺少的組成部分，用戶通過人機接口的輸出部分可獲取運行狀態(tài)以及過程量。人機輸出接口主要為顯示輸出部分，在本次設(shè)計中，顯示電路部分主要實現(xiàn)的功能是指顯示室內(nèi)的環(huán)境溫度及設(shè)定溫度。顯示部分可以采用LED和LCD兩種顯示方式，但是考慮到程序編輯和硬件的成本，選用LED顯示器，用4個8段LED數(shù)碼管來顯示室內(nèi)溫度數(shù)據(jù)和設(shè)定溫度數(shù)據(jù)，有以下兩種方案可以選擇:

(1)方案一:采用靜態(tài)顯示的方法進(jìn)行顯示，靜態(tài)顯示的特點是每個數(shù)碼管的段選必須接一個8位數(shù)據(jù)線來保持顯示的字形碼［5］。當(dāng)送入一次字形碼后，顯示字形可一直保持，直到送入新字形碼為止。這種方法的優(yōu)點是占用CPU時間少，顯示便于監(jiān)測和控制;缺點是硬件電路比較復(fù)雜，成本較高。

(2)方案二:采用LED動態(tài)顯示方式進(jìn)行顯示，所謂動態(tài)顯示就是用掃描方式一位一位地輪流點亮LED顯示器的各個位，特點是將多個8段LED顯示器同名端的段選線復(fù)接在一起，只有一個8位I/O控制各個LED顯示器公共陰極輪流接地的方法，逐一掃描點亮，使每位 LED顯示該位應(yīng)當(dāng)顯示的字符［6－7］。恰當(dāng)?shù)剡x擇點亮 LED的時間間隔(1～5 ms)，會給人一種視覺暫停效應(yīng)，似乎多位LED都在“同時”顯示。該方案的動態(tài)顯示操作主要靠軟件完成，占用的硬件資源相對較少。

綜上比較，選用第二種方案來實現(xiàn)顯示部分。

3.5 執(zhí)行單元

執(zhí)行單元由驅(qū)動電路和降溫電路組成，主要用于實際控制溫度的變化，從而實現(xiàn)溫度控制功能。

(1)驅(qū)動電路

P1.0通過V1控制繼電器。在繼電器吸合到斷開的瞬間，晶體管集電極將承受很高的電壓，V1有可能被損壞，為此在繼電器線圈兩端并接一個續(xù)流二極管VD2進(jìn)行保護(hù)。此外，繼電器吸合到斷開的瞬間會產(chǎn)生一定的干擾，當(dāng)吸合電流比較大時，在單片機與繼電器之間需要隔離電路，如光耦等，如圖2所示，R1是光耦輸出管集電極限流電阻;R2是驅(qū)動管V1基極泄放電阻，R2一般取4.7～10 Ω，R2太大會失去泄放作用，太小會降低繼電器吸合的靈敏度。

圖2 驅(qū)動電路圖

(2)降溫電路

該環(huán)節(jié)可采用光耦合器，晶體管以及繼電器等相互配合實現(xiàn)對溫度的控制。當(dāng)溫度升高時光耦合器輸入端輸入電平信號導(dǎo)通強電環(huán)路使其工作，其中需加入限流環(huán)節(jié)保護(hù)光耦合器，光耦合器又將單片機的工作電源與繼電器以及直流電動機的驅(qū)動電源進(jìn)行了有效的隔離，這樣既可以防止強電流流入弱電器件將器件損壞，又可以避免一定的干擾。

3.6 報警單元

在微機測控系統(tǒng)中，為了實現(xiàn)安全生產(chǎn)，對于重要的參數(shù)和系統(tǒng)部位，都要設(shè)置緊急狀態(tài)報警系統(tǒng)，以便提醒操作人員注意，或采取應(yīng)急措施，使生產(chǎn)繼續(xù)進(jìn)行或在保證人身及設(shè)備安全的前提下終止生產(chǎn)，其方法是把計算機采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波，標(biāo)度變換之后，與該參數(shù)上下限給定值進(jìn)行比較，如果高于上限值(或低于下限值)則進(jìn)行報警，否則就作為采樣的正常值，進(jìn)行顯示和控制。在檢測與控制系統(tǒng)中，通常采用有光報警、聲報警等。光報警通常采用發(fā)光二極管(LED)和白熾燈實現(xiàn);所謂聲報警，就是用報警聲提醒操作人員，此外還可通過擴(kuò)展語音錄放芯片實現(xiàn)語言報警。本次設(shè)計采用聲報警，即使利用蜂鳴器。電路圖如圖3所示。

圖3 報警電路

4 軟件系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)的主程序流程圖如圖4所示。系統(tǒng)啟動并初始化后，采集相應(yīng)溫度值并給予顯示，當(dāng)不滿足溫度要求時進(jìn)行處理，同時間隔采樣溫度，滿足要求時繼續(xù)監(jiān)控，不滿足時繼續(xù)處理，程序循環(huán)執(zhí)行。

圖4 系統(tǒng)的主程序流程圖

5 結(jié)論

本設(shè)計使用8051作為主控芯片進(jìn)行控制，具有集成度高，通用性好，功能強，特別是具有體積小，重量輕，耗能低，可靠性高，抗干擾能力強和使用方便等優(yōu)點。在本系統(tǒng)中，若采用模糊控制或者神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及遺傳算法控制，不但使控制簡捷，降低了產(chǎn)品的成本，更能提高了生產(chǎn)效率，進(jìn)一步提高控制精度，這將是下一步研究的方向。

［1］ 胡漢才.單片機原理及接口技術(shù)［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2004.

［2］ 張淑清.單片微型計算機接口及其應(yīng)用［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2001.

［3］ 方佩敏.新編傳感器原理應(yīng)用詳解［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2001.

［4］ 郁有文.傳感器原理及工程應(yīng)用［M］.西安:西安電子科技大學(xué)出版社，2000.

［5］ 楊恢先.單片機原理及應(yīng)用［M］.長沙:國防科技大學(xué)出版社，2003.

［6］ 劉 星.計算機接口技術(shù)［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2003.

［7］ 徐秀娟，董繼光.單片機控制自動裝配機設(shè)計［J］.機械，2004 (8):41－43.

Design And Implementation of Intelligent Radiator MCU Control System

WU Ning1，SHANG Po－li2
(1.Electrical Engineering Department，Lanzhou Institute of Technology，Lanzhou Gansu 730050，China;
2.School of Automation＆Electrical Engineering，Lanzhou Jiaotong University，Lanzhou Gansu 730070，China)

Temperature control is an important part in many industrial control areas，and the radiator is an indispensable part in temperature control.A design on intelligent cooling system is introduced.The core of it are 8051 microcontroller，AD590 integrated temperature sensor as a collector and ADC0809 as the A/D converter.It could achieve low power consumption，high reliability，strong anti－interference capability and easy to use.

microcontroller;integrated temperature sensor;A/D converters;intelligent control

TP27

A

1007－4414(2013)05－0168－03

2013－09－05

吳 寧(1981－)，男，甘肅蘭州人，講師，碩士，主要從事計算機網(wǎng)絡(luò)，自動化裝置方面的教學(xué)和研究工作。