基于鉑電阻的單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)

山西中北大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 牟春陽(yáng) 李世中

引言

隨著單片機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，通過(guò)單片機(jī)對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制日益成為今后自動(dòng)控制領(lǐng)域的一個(gè)重要發(fā)展方向，電流、電壓、溫度、壓力、流量、流速和開(kāi)關(guān)量都是常用的主要被控參數(shù)。溫度控制是控制系統(tǒng)中最為常見(jiàn)的控制類型之一。在溫度控制系統(tǒng)中溫度傳感器的使用也是相當(dāng)重要的，鉑電阻溫度傳感技術(shù)為溫度傳感領(lǐng)域的發(fā)展帶來(lái)了新的契機(jī)。它利用白金的電阻阻值在一定的溫度范圍內(nèi)隨溫度呈基本線性變化的原理進(jìn)行溫度的測(cè)量，可用于測(cè)量-2 00℃到800℃范圍內(nèi)的溫度，具有穩(wěn)定性好、測(cè)量范圍寬、精確度高、重復(fù)性好等諸多技術(shù)優(yōu)勢(shì)。由于它的良好電輸出特性，鉑電阻元件可為顯示儀、記錄儀、控制器、掃描器、數(shù)據(jù)記錄儀以及計(jì)算機(jī)提供精確的輸入值。用微型瓷骨架繞上鉑電阻絲而制成的感溫元件，可以做得相當(dāng)?。ㄗ钚〉耐獾厝藦娇勺龅溅?.6mm），因此可制成各種微型溫度傳感器探頭，也可以制成各種端面鉑電阻，用以測(cè)量各種固體表面的溫度，如配以不銹鋼保護(hù)管則可測(cè)量液體，蒸汽和各種氣體的溫度。

從17世紀(jì)初人們就開(kāi)始利用溫度進(jìn)行測(cè)量。20世紀(jì)初期，鉑電阻溫度傳感技術(shù)研制成功。20世紀(jì)90年代中期，隨著薄膜技術(shù)的引入，世界上的溫度傳感器主流生產(chǎn)廠家開(kāi)發(fā)出了薄膜鉑電阻產(chǎn)品。

1 電路設(shè)計(jì)的整體思路

本設(shè)計(jì)使用AT89C52單片機(jī)作為主控芯片，采用鉑熱電阻進(jìn)行溫度系統(tǒng)調(diào)節(jié)。硬件電路部分包括微處理器模塊、溫度控制模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊及顯示模塊和鍵盤(pán)部分，在溫度測(cè)量系統(tǒng)中，用鉑電阻傳感器進(jìn)行溫度測(cè)量。鉑電阻具有非線性的缺點(diǎn)，因此在信號(hào)調(diào)理電路的基礎(chǔ)上加了負(fù)反饋非線性校正網(wǎng)絡(luò)。調(diào)理電路的輸出電壓經(jīng)ADC0808轉(zhuǎn)換后送入單片機(jī)AT89C52；對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波及標(biāo)度變換處理后，由數(shù)碼管顯示。4位輸入的設(shè)定值則由獨(dú)立式鍵盤(pán)電路進(jìn)行調(diào)整，設(shè)定值送入單片機(jī)后由另一組數(shù)碼管顯示。整體電路框圖如圖1所示。

圖1 整體電路框圖

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 模糊控制

溫度控制系統(tǒng)具有非線性、時(shí)滯性的缺點(diǎn)。僅僅依靠過(guò)去的控制方式很難達(dá)到很好的控制效果，成本也較高。因此采用智能控制中的模糊控制可以有效解決溫度控制系統(tǒng)的這些問(wèn)題。本系統(tǒng)的模糊控制也是由單片機(jī)的程序來(lái)實(shí)現(xiàn)。模糊控制的整個(gè)過(guò)程為：首先由鉑電阻傳感器獲取實(shí)際溫度，然后用實(shí)際溫度與需要的溫度進(jìn)行比較，求出誤差和變化率，記過(guò)量化和限幅子程序的處理，查詢相關(guān)文獻(xiàn)得到控制量，然后由相關(guān)程序發(fā)出控制信號(hào)來(lái)控制加熱片及風(fēng)扇工作。模糊控制基本原理圖如圖2所示：

圖2 模糊控制基本原理圖

此裝置的核心部分是模糊控制器(圖中虛線部分)，模糊控制器的輸入變量和輸出變量的確定：通常將模糊控制器輸入變量的個(gè)數(shù)稱為模糊控制器的維數(shù)。一般認(rèn)為維數(shù)越高得到的效果越好，但是實(shí)現(xiàn)起來(lái)就越不容易，會(huì)遇到各種各樣問(wèn)題?，F(xiàn)在常見(jiàn)的是二維模糊控制器，結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。這種控制器以誤差和變化率為輸入變量，以控制量的變化為輸出變量。

圖3 二維模糊控制器結(jié)構(gòu)圖

2.2 鉑電阻測(cè)溫調(diào)理電路

本系統(tǒng)采用恒流工作調(diào)理電路，鉑電阻選用標(biāo)稱值為100Ω的Rt100作為溫度傳感器，其性能穩(wěn)定，能夠在低至零下約260攝氏度至630攝氏度的溫度內(nèi)運(yùn)行，可作為溫度標(biāo)準(zhǔn)，溫度范圍比較廣。此電路運(yùn)放采用型號(hào)為OP07C的低漂移運(yùn)放，由于在電路中鉑電阻上有電流流過(guò)，當(dāng)鉑電阻處于環(huán)境溫度為0攝氏度時(shí)，此電阻上有壓降，這就是鉑電阻的片偏置電壓，是運(yùn)放A1輸出電壓的一部分，這一部分電壓使恒流工作調(diào)理電路的輸出實(shí)際溫度不為0，所以需要通過(guò)各種途徑對(duì)這個(gè)電壓調(diào)零。圖中電阻R3作用就是調(diào)零，由于鉑電阻有非線性的缺點(diǎn)，在0Ω到100Ω內(nèi)非線性誤差為0.4%，這個(gè)誤差不是很大，對(duì)電路不會(huì)有多大的影響，但是由于在軟件編制過(guò)程中，對(duì)標(biāo)度變換子程序中變換系數(shù)作了近似，使得這個(gè)誤差擴(kuò)大接近0.8%，這樣的誤差對(duì)電路的影響很大，不能被忽略，所以加進(jìn)了線性化電路，圖中運(yùn)放A3及電阻R1、R4和R6一同構(gòu)成了負(fù)反饋非線性校正網(wǎng)絡(luò)。R5用于調(diào)整運(yùn)放A2的增益。

圖4 鉑電阻測(cè)溫調(diào)理電路

2.3 A/D接口電路

當(dāng)鉑電阻傳感器置于所要檢測(cè)溫度的環(huán)境時(shí)，調(diào)理電路將根據(jù)阻值輸出相應(yīng)的電壓值。將輸出電壓經(jīng)通過(guò)ADC0808進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換為等價(jià)的數(shù)字信號(hào)。A/D轉(zhuǎn)換接口電路如圖5所示。

圖5 AID轉(zhuǎn)換接口電路

2.4 鍵盤(pán)輸入電路

在本系統(tǒng)中，采用獨(dú)立式鍵盤(pán)。從鍵盤(pán)輸入溫度設(shè)定值與鉑電阻傳感器所檢測(cè)的實(shí)際溫度值進(jìn)行比較，求出系統(tǒng)的誤差與誤差變化率，供以后的模糊控制子程序使用。其中第1、2號(hào)鍵選用雙穩(wěn)態(tài)開(kāi)關(guān)，為后續(xù)鍵盤(pán)處理子程序的分支子程序提供便利。第3、4號(hào)鍵選用按鈕開(kāi)關(guān)。在編寫(xiě)鍵盤(pán)程序時(shí)得注意以下幾個(gè)問(wèn)題：

（1）怎樣能夠盡量減少開(kāi)關(guān)的使用壽命，以便提高其使用時(shí)間。

（2）怎樣更快更方便地給出設(shè)定值，以便與實(shí)際值進(jìn)行快速比較。

（3）怎樣方便總體程序整體運(yùn)行。

為此，采用4個(gè)鍵來(lái)搭建鍵盤(pán)電路，如圖6所示。

圖6 鍵盤(pán)輸入電路

轉(zhuǎn)入控制處理子程序運(yùn)行由第一個(gè)鍵來(lái)判斷。在第一個(gè)鍵按下的前提下第二個(gè)鍵才開(kāi)始起作用，用第二個(gè)鍵來(lái)判斷是十位進(jìn)行加減操作，還是個(gè)位進(jìn)行加減操作。第三個(gè)鍵為減1操作，第四個(gè)鍵為加1操作。為了進(jìn)一步解決上面提出的兩個(gè)問(wèn)題，將個(gè)位與十位的設(shè)定值均設(shè)置為5，如果加1操作結(jié)果等于11，給加1單元重賦5，如果減1操作結(jié)果等于0FFH，給減1單元重賦5。這樣，考慮最壞情況，即用鍵盤(pán)設(shè)置離初始值最遠(yuǎn)的值；第一個(gè)鍵和第二個(gè)鍵的加入，也充分考慮了總程序的整體調(diào)度。

2.5 顯示電路

顯示電路采用兩個(gè)4位LED顯示數(shù)碼管，共陰極接法，P1接口最多可連接8個(gè)LED顯示器。為了提高其顯示亮度，通常加74LS05進(jìn)行段控輸出驅(qū)動(dòng)，與七段數(shù)碼管的段碼驅(qū)動(dòng)輸入端相連，由于位控線的驅(qū)動(dòng)電流比較大，八段全亮需要40～60mA，所以用三極管9012提高驅(qū)動(dòng)能力，其集電極接七段數(shù)碼管的位碼驅(qū)動(dòng)輸入端，三極管的發(fā)射極接地，將AT89C52的P3.0、P3.1、P3.2口分別與一個(gè) 2KΩ 的電阻相連，接到三極管的基極，用于驅(qū)動(dòng)采樣值顯示數(shù)碼管，將AT89C52的P2.0、P2.1和P2.2口分別與一個(gè)2KΩ的電阻相連，接到三極管的基極，用于驅(qū)動(dòng)設(shè)定值顯示數(shù)碼管。

2.6 溫度控制電路

本文是單片機(jī)通過(guò)利用PWM波來(lái)控制加熱的溫控電路，其電路圖如圖7所示，由兩級(jí)三極管放大電路組成，第一級(jí)放大采9014三極管，其放大倍數(shù)可達(dá)1000以上，而第二級(jí)采用大功率的達(dá)林頓管TIP122，當(dāng)P3.4輸出低電平時(shí)，三極管導(dǎo)通，控制加熱片進(jìn)行加熱。

圖7 溫控電路

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

打開(kāi)單片機(jī)電源開(kāi)關(guān)讓單片機(jī)上電復(fù)位。啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換，將環(huán)境溫度（模擬量）轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，為下一步的數(shù)字顯示做好準(zhǔn)備；接著把單片機(jī)的各種參數(shù)進(jìn)行初始化，調(diào)用數(shù)據(jù)采集子程序，并且將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波；再將濾波后的數(shù)據(jù)經(jīng)溫度標(biāo)度變換后送顯示數(shù)碼管進(jìn)行顯示，我們可以從數(shù)碼管中看出環(huán)境的溫度，通過(guò)鍵盤(pán)我們可以改變?cè)O(shè)定值，此時(shí)，根據(jù)鍵盤(pán)掃描判斷S1鍵是否按下，S1鍵按下則會(huì)轉(zhuǎn)入鍵盤(pán)處理程序，沒(méi)有則調(diào)用誤差e處理子程序和誤差變化率ec處理子程序，將誤差e和誤差變化率ec進(jìn)行量化，通過(guò)查模糊控制規(guī)則，得出占空比控制變化量U，采用不同的定時(shí)來(lái)改變繼電器的通斷，從而完成對(duì)加熱和風(fēng)扇的控制。鉑電阻測(cè)控系統(tǒng)主程序流程圖如圖8所示。

圖8 鉑電阻測(cè)控系統(tǒng)的主程序流程圖

4 結(jié)論

在自動(dòng)控制領(lǐng)域，對(duì)溫度控制的要求越來(lái)越高，由于溫度控制具有非線性、時(shí)滯性及不確定性，因此往往很難找到精確的方案去控制。本課題設(shè)計(jì)就是運(yùn)用模糊控制采用鉑電阻溫度傳感器通過(guò)單片機(jī)AT89C52化工合成裝置進(jìn)行控制，提高了準(zhǔn)確性和工作效率，體現(xiàn)了模糊控制在溫度控制上的先進(jìn)性和實(shí)用性。

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