基于AT89C51單片機(jī)的溫度檢測(cè)系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

引言

化工合成對(duì)溫度檢測(cè)與控制要求較高，是化工合成工藝的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。對(duì)化工合成裝置的溫度進(jìn)行檢測(cè)，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(shí)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(xù)三次達(dá)到400℃時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。顯示檢測(cè)溫度值；每半小時(shí)打印一次最高溫度值及檢測(cè)時(shí)間；留有擴(kuò)充余地，以實(shí)現(xiàn)多回路控制。

1 溫度檢測(cè)控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)的硬件電路由溫度檢測(cè)、信號(hào)放大、A／D轉(zhuǎn)換、AT89C51單片機(jī)、功率放大及執(zhí)行電路、打印、顯示及報(bào)警電路等部分組成。選用AT89C51單片機(jī)作為主控機(jī)，采用帶有死區(qū)的PID控制算法，當(dāng)溫度在給定的死區(qū)范圍內(nèi)時(shí)，不予調(diào)節(jié)；超出給定范圍時(shí)，由單片機(jī)按照運(yùn)算結(jié)果，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，調(diào)節(jié)加熱裝置，以控制合成溫度。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 溫度檢測(cè)控制系統(tǒng)

1.1溫度信號(hào)輸入通道

溫度信號(hào)輸入通道由溫度傳感器、信號(hào)放大、A／D轉(zhuǎn)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(wěn)定、抗干擾能力強(qiáng)和測(cè)量精度高等優(yōu)點(diǎn)。測(cè)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(zhuǎn)化成電壓信號(hào)送入放大器。由于鉑電阻安裝在測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)，通過長(zhǎng)線接入控制臺(tái)，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(duì)連接導(dǎo)線電阻r的影響在橋式電路中被相互抵消了。

2）信號(hào)放大電路：信號(hào)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(hào)差動(dòng)輸入端，2、14腳之間外接電阻Rc，用于調(diào)整放大倍數(shù)，4、6腳為調(diào)零端，13腳為數(shù)據(jù)屏蔽端，12腳為測(cè)量端，11腳為參考端，這兩端間的電位差即為加到后級(jí)A／D轉(zhuǎn)換器的輸入信號(hào)電壓。使用時(shí)，測(cè)量端與輸出端（7腳）在外部相連接為放大后的輸出信號(hào)。將信號(hào)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(zhuǎn)換電路：采用ICL7109組成A／D轉(zhuǎn)換電路，ICL7109是INTEL公司的產(chǎn)品。ICL7109采用雙積分式工作原理，轉(zhuǎn)換速率不高，但可滿足本系統(tǒng)對(duì)采樣速率的要求。因芯片具有較強(qiáng)的抗干擾特性，對(duì)于保證系統(tǒng)的檢測(cè)與控制精度，是非常有利的。ICL7109的分辨率為12位；轉(zhuǎn)換速率為7．5

圖2 信號(hào)檢測(cè)放大及A／D轉(zhuǎn)換電路

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

1．2控制溫度設(shè)定電路

采用AT89C5 1的P1．7～P1．4設(shè)置4個(gè)開關(guān)K4-K1分別表示降溫控制開關(guān)、設(shè)置控溫的后期、中期、前期開關(guān)。當(dāng)KI合上為0時(shí)，表示設(shè)置控制溫度為370℃（觸媒使用的前期溫度）；K2合上時(shí)，設(shè)置控制溫度為380℃（觸媒使用的中期），K3合上時(shí)，設(shè)置控制溫度為390℃（觸媒使用的后期）；K4合上時(shí)，停止加熱，系統(tǒng)進(jìn)入降溫過程。通過軟件檢測(cè)P1．7～P1．4的狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)某開關(guān)合上，則設(shè)置對(duì)應(yīng)的控制溫度，并轉(zhuǎn)入相應(yīng)的工作過程。

1）功率放大及執(zhí)行電路：由于步進(jìn)電機(jī)具有快速啟停、精確步進(jìn)以及直接接受數(shù)字量的特點(diǎn)等，本系統(tǒng)采用步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行元件?？刂葡到y(tǒng)采用步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行元件，其作用是將計(jì)算機(jī)送出的電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的機(jī)械位移，它具有以下主要特點(diǎn)：（1）步距值不受各種干擾因素的影響，轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)的速度主要取決于電脈沖信號(hào)的頻率，而轉(zhuǎn)子的總位移量取決于總脈沖的個(gè)數(shù)；（2）誤差不會(huì)長(zhǎng)期積累，轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)動(dòng)一圈積累誤差為零；（3）反應(yīng)性能好。啟動(dòng)、停車、反轉(zhuǎn)及其他任何運(yùn)動(dòng)方式的改變都在少數(shù)脈沖內(nèi)完成。在一定的頻率范圍內(nèi)運(yùn)行時(shí)，任何運(yùn)行方式都不會(huì)丟失一步。

2）執(zhí)行控制系統(tǒng)的組成：如圖3所示。步進(jìn)電機(jī)的控制系統(tǒng)主要由步進(jìn)電機(jī)控制器、功率放大器及步進(jìn)電機(jī)組成。步進(jìn)控制器包括環(huán)形脈沖分配器、控制邏輯及正反轉(zhuǎn)控制門組成，其作用是把輸入脈沖信號(hào)按一定順序進(jìn)行分配，再通過功率放大送入步進(jìn)電機(jī)繞組，以驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖3 步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)方框圖

3）步進(jìn)電機(jī)的工作原理及分配方式：進(jìn)電機(jī)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(shè)計(jì)采用三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)。該電機(jī)的步距角為1．5°，最大靜力距為50kg·cm，最高空載啟動(dòng)頻率為550步／秒。

三相步進(jìn)電機(jī)有A、B、C三個(gè)繞組，按一定規(guī)律循環(huán)給三個(gè)繞組供電，就能使它按要求的規(guī)律運(yùn)轉(zhuǎn)，其工作原理如圖4所示。圖中的脈沖發(fā)生器按要求產(chǎn)生一定頻率的脈沖信號(hào)，通過脈沖分配器產(chǎn)生一定規(guī)律的電脈沖輸出給驅(qū)動(dòng)器，以驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。此部分可由計(jì)算機(jī)或單片機(jī)作為主控機(jī)。而脈沖分配器可以使用編程I／O接口。

圖4 三相步進(jìn)電機(jī)工作原理框圖

步進(jìn)電機(jī)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(jìn)電機(jī)走一步，轉(zhuǎn)一個(gè)角度。單片機(jī)通過程序隨時(shí)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(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和旋轉(zhuǎn)方向。步進(jìn)電機(jī)的控制部分由單片機(jī)和8155并行接口完成，8155的A口PA0～PA2分別作步進(jìn)電機(jī)的三相控制端口。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路部分采用光電耦合將單片機(jī)系統(tǒng)與步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路隔離，以增強(qiáng)系統(tǒng)抗干擾能力，并能防止當(dāng)三極管損壞時(shí)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的高壓對(duì)單片機(jī)的安全造成的威脅?？筛鶕?jù)步進(jìn)電機(jī)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(jī)驅(qū)動(dòng)任務(wù)。二極管VD為保護(hù)元件，為斷流時(shí)的電機(jī)繞組提供低阻搞續(xù)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(shí)記錄合成裝置的溫度和檢測(cè)時(shí)間，選用微型打印機(jī)TPμP一40作為記錄打印裝置。選用AT89C5 1內(nèi)部定時(shí)器，每隔半小時(shí)啟動(dòng)TPμP一40打印一次，TPμP-40打印機(jī)通過8155與單片機(jī)相連。為了能隨機(jī)顯示檢測(cè)的溫長(zhǎng)值，選用一片8155作為LED數(shù)碼管的接口。步進(jìn)電機(jī)、打印驅(qū)動(dòng)電路如圖5。

圖5 步進(jìn)電機(jī)、打印驅(qū)動(dòng)電路圖

2 溫度檢測(cè)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1系統(tǒng)軟件功能

1）檢測(cè)開關(guān)K1、K2、K3、K4的狀態(tài)，設(shè)定溫度控制值，并將控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)入相應(yīng)的加熱或降溫階段；

2）啟動(dòng)A／D轉(zhuǎn)換，連續(xù)讀取5次轉(zhuǎn)換結(jié)果，經(jīng)濾波和非線性校正處理之后，作為一次溫度檢測(cè)信號(hào)，并顯示檢測(cè)的溫度值；

3）進(jìn)行PID運(yùn)算，按照運(yùn)算結(jié)果，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)以調(diào)節(jié)溫度；

4）每隔半小時(shí)，由定時(shí)器產(chǎn)生中斷申請(qǐng)，在中斷服務(wù)程序中啟動(dòng)打印機(jī)，打印記錄溫度值及檢測(cè)時(shí)；

5）若發(fā)現(xiàn)溫度超限時(shí)，發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

2．2溫度檢測(cè)與控制主程序

主程序功能：完成系統(tǒng)初始化操作；判斷溫度是否超限，如果超限則轉(zhuǎn)報(bào)警處理，如果未超限則讀入K1、K2、K3、K4狀態(tài)，并根據(jù)其輸入狀態(tài)，散轉(zhuǎn)執(zhí)行相應(yīng)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(yùn)算子程序：取出溫度給定值與測(cè)量值，計(jì)算出偏差信號(hào)e（k），將e（k）與設(shè)定的死區(qū)值比較，如果P（足）未超出死區(qū)范圍，則本次輸出調(diào)節(jié)量為0，返回檢測(cè)程序；如果e（k）超出死區(qū)范圍，則計(jì)算出p（k）=Pp（k）+P1（k）+Pn（k）的調(diào)節(jié)輸出值。

2）步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序：本系統(tǒng)選用三相步進(jìn)電機(jī)，采用三相六拍工作方式，各繞組供電的步進(jìn)信號(hào)由8155的A口控制，其轉(zhuǎn)動(dòng)方向及通電順序字見表1。

表1 步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向及通電順序字

根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向與工作時(shí)繞組通電順序變化規(guī)律，可以在8155的RAM中設(shè)置步進(jìn)電機(jī)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(qū)動(dòng)信號(hào)從TAB0開始控制通電順序，電機(jī)為正轉(zhuǎn)；若從TAB7開始控制通電順序，則電機(jī)為反轉(zhuǎn)。

步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速由脈沖信號(hào)的周期T決定。脈沖信號(hào)的周期由CPU通過延時(shí)程序或定時(shí)器／計(jì)數(shù)器的定時(shí)時(shí)間來確定。系統(tǒng)中的三相繞組由8155的A口控制是，程序中的延時(shí)時(shí)間為10電機(jī)的轉(zhuǎn)速為：n=60／（N×T）轉(zhuǎn)／分式中N一

來源；21ic