基于AT89S52單片機的溫度控制系統(tǒng)

0 引 言
    在激光倍頻晶體溫度匹配中，有時需要很高的工作溫度。晶體升溫過程中，溫度過快變化會導(dǎo)致晶體出現(xiàn)破裂，因此在開機過程中需要操作人員不斷手動控制激光器晶體的溫度。為了避免這樣繁鎖的工作，我們以單片機AT89S52為核心制作了一套自動控制升降溫系統(tǒng)，有效的保證了晶體溫度在安全的速率下變化。由于熱敏電阻的非線性關(guān)系，一般的控溫儀正常控溫范圍有限。在對熱敏電阻和恒流源的特性進(jìn)行分析后，將恒流源做了適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)，擴展了控溫儀的控制范圍，使其在較寬的溫度范圍內(nèi)也具有較高的精度。

1 硬件系統(tǒng)設(shè)計
    控制系統(tǒng)電路的核心器件是Atmel公司生產(chǎn)的AT89S52單片機。它是一種低功耗、低電壓、高性能的8位單片機，片內(nèi)帶有一個8KB的flash可編程、可擦除、只讀存儲器；它采用的工藝是Atmel公司的高密度非易失存儲器技術(shù)，而且其輸出引腳和指令系統(tǒng)都與MCS-51兼容。價格低廉、性能可靠、抗干擾能力強。因此廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制和嵌入式系統(tǒng)中。
    圖1為該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖，為了節(jié)省成本和體積，我們采用多路選擇開關(guān)CD4051和模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7705協(xié)同工作組成多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

    CD4051是NS公司生產(chǎn)的數(shù)控模擬開關(guān)，可控制最大輸入范圍約為士15V左右的模擬電壓，由輸入的3位地址碼決定八個通道中哪一個通道開通；選通通道具有非常低的輸入阻抗，約為80Ω，關(guān)閉的通道具有很低的漏電流，每一路約為10pA左右，處于工作狀態(tài)時功耗大約為1μW，是一款性能十分優(yōu)良的數(shù)控模擬開關(guān)。AD7705是一款16位串行模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，功耗非常低，在3V供電電壓和1MHz的主頻下，消耗功率小于1mW，供電電流小于8μA，轉(zhuǎn)換精度高，可達(dá)±0．003％，無誤碼。MAX541是由美信公司生產(chǎn)的串行輸入數(shù)模轉(zhuǎn)換器件，無需校準(zhǔn)，功耗不超過l．5mW。AT24C02是Atmel公司生產(chǎn)的EEPROM器件，存儲容量256字節(jié)，可擦寫次數(shù)達(dá)100萬次，主要用來存儲設(shè)定溫度。PCF8574由Philips公司生產(chǎn)，它可將I2C串行輸入的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為8路并行輸出，用于器件的I／O口擴展。本系統(tǒng)中，將其8位輸出口直接連接在LCD12864的8位數(shù)據(jù)輸入口中。LCD12864是點陣型液晶，驅(qū)動方便，經(jīng)編碼后顯示內(nèi)容多樣化。系統(tǒng)的輸入模塊采用中斷掃描的4×4矩陣鍵盤，相比定時掃描方式，提高了MCU的使用效率。

2 系統(tǒng)流程圖
    圖2為系統(tǒng)的流程圖，上電后先對系統(tǒng)進(jìn)行初始化，然后進(jìn)入while(1)循環(huán)語句，此循環(huán)體中包含兩個while語句，分別為while(state)和while(!state)。程序根據(jù)位變量state的值選擇進(jìn)入溫度設(shè)定狀態(tài)還是系統(tǒng)運行狀態(tài)。在初始化的過程中將state的值設(shè)為1，因此剛開機系統(tǒng)進(jìn)入運行狀態(tài)。運行狀態(tài)下，系統(tǒng)不斷通過CD4051和AD7705聯(lián)合采集熱敏電阻兩端的電壓值，然后與設(shè)定電壓值對比，并通過MAX541定時輸出自動升溫電壓值，讓系統(tǒng)嚴(yán)格地在規(guī)定時間內(nèi)升到指定溫度。在循環(huán)的過程中還需要不斷地判斷bit變量kd的值，此變量為全局變量，由鍵盤中斷程序置1，同時鍵盤中斷程序還返回按鍵掃描值key，該值用來確定按下哪一個鍵。顯然從流程圖中可以看出，當(dāng)kd為0時，程序跳過按鍵程序模塊，當(dāng)kd為1時程序先判斷key值，然后運行相對應(yīng)的按鍵功能程序。我們將某一鍵設(shè)為狀態(tài)切換鍵，當(dāng)按下此鍵時執(zhí)行程序state=!state，這樣就實現(xiàn)了狀態(tài)的切換。在進(jìn)入設(shè)定狀態(tài)后，MAX541的輸出停止改變。同時光標(biāo)不斷閃爍，提示使用者輸入溫度設(shè)定值。光標(biāo)閃爍程序和MAX541定時改變輸出值的程序都是采用定時器中斷來實現(xiàn)的。因為兩種功能處于不同的狀態(tài)，同時為了避免中斷過多造成系統(tǒng)不穩(wěn)定，通過利用state變量的值和if語句，有效地將兩種功能用一個定時器來實現(xiàn)。進(jìn)入定時中斷程序后，當(dāng)state值為1時，即系統(tǒng)處于運行狀態(tài)時，執(zhí)行定時改變MAX541輸出值的功能。當(dāng)state的值為0時，即系統(tǒng)處于設(shè)定狀態(tài)時，執(zhí)行光標(biāo)閃爍的功能。

3 溫控儀的恒流源改進(jìn)
3．1 熱敏電阻
3．1．1 NTC熱敏電阻溫度特性方程
    NTC熱敏電阻溫度特性方程用下列經(jīng)驗公式描述：
   
    式中：RT為T時的熱敏電阻阻值，RT0為T0時熱敏電阻阻值，從上述表達(dá)式可以看出電阻的變化與溫度的變化成指數(shù)關(guān)系，溫度升高，阻值迅速降低，靈敏度高是熱敏電阻測溫的主要優(yōu)點。
3．1．2 NTC熱敏電阻的熱電特性
    熱敏電阻自身溫度變化1℃時，其電阻值的相對變化定義為熱敏電阻的熱溫度系數(shù)，由熱敏電阻的經(jīng)驗公式可以推出熱溫度系數(shù)a為：
    
    從上式可以看出NTC熱敏電阻的溫度系數(shù)為負(fù)，且與溫度變化有關(guān)，溫度越低，溫度系數(shù)越高，靈敏度越高；反之則靈敏度越低。
3．1. 3 線性插值法簡介
    熱敏電阻的主要優(yōu)點是：溫度系數(shù)大、靈敏度高、適合于高精度測量。但其缺點是存在非線性，為了提高顯示的準(zhǔn)確度，需要對熱敏電阻進(jìn)行線性插值法處理。該方法根據(jù)精度要求對溫度特性曲線進(jìn)行分段，分段越多，線性化的近似精度越高，分段后用若干折線段逼近曲線，折點的坐標(biāo)值存入表中，測量時要先用折半查找法判斷出被測溫度對應(yīng)的熱敏電阻屬于哪一折線段，然后根據(jù)相應(yīng)折線的斜率進(jìn)行線性插值從而求出被測溫度。下面用圖示的方法說明線性插值法：
    圖3中k為折點的序號，Tt為根據(jù)插值法算出的溫度值，Tact為相應(yīng)的阻值對應(yīng)的實際溫度值。顯然當(dāng)分段越多，即Rk和Rk+1間的間距越小時，Tt和Tact之間的間距越小，實測值與計算值之間的誤差越小。

    根據(jù)圖3可知溫度表達(dá)式的通式為：
   
    式中：Vt為采集到的熱敏電阻兩端的電壓值，It由所選用的恒流源決定。
3．2 恒流源
    從熱敏電阻的特性可知，在高溫時，變化相同的溫度引起的阻值變化較小，即溫度系數(shù)較小，傳統(tǒng)的解決方法是加大恒流源的電流。由于溫度較低時熱敏電阻的阻值變大，加在熱敏電阻兩端的電壓也變大，當(dāng)此電壓超出運算放大器正常工作電壓時，此時恒流源將不能正常工作。顯然低溫時恒流源工作電流不能太大，高溫時又要求恒流源工作電流不能太小。為了克服這對矛盾，我們將恒流源分為兩檔，分別為10μA和100μA。利用單片機控制繼電器可以實現(xiàn)兩檔恒流源的自動切換。當(dāng)溫度為100℃以下時使用10μA的恒流源，當(dāng)溫度為100℃以上時使用100μA的恒流源。這樣就相當(dāng)于提高了高溫時的靈敏度，從而可以提高溫度采集的精度，該方法既擴大了控溫儀的控溫范圍，又保證了測量精度。
    圖4為改進(jìn)后的恒流源電路圖。基準(zhǔn)采用的是LM285系列1．2V的穩(wěn)壓管，兩端接有濾波電容。NPN三極管的型號為9013。熱敏電阻是采用Wavelength公司生產(chǎn)的型號是MODEL TCS651的100K(25℃)熱敏電阻，性能優(yōu)良。繼電器兩端接有續(xù)流二極管用來避免電流關(guān)斷過程中對三極管造成損壞，同時降低了對系統(tǒng)的干擾。IN輸入端由單片機的I／O口控制，當(dāng)IN端為高電平時，三極管導(dǎo)通，電流由100μA切換到10μA?？販啬K從OUT端采集熱敏電阻兩端的電壓，其兩端接有濾波電容。

    編程過程中，我們將0℃～180℃對應(yīng)的熱敏電阻阻值放入數(shù)組中。模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7705將采集到的電壓信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字變量。單片機可以實現(xiàn)熱敏電阻阻值的插值算法。對熱敏電阻阻值進(jìn)行查表計算，從而可以算出當(dāng)前的實際溫度。

4 結(jié)束語
    將溫度控制系統(tǒng)和恒流源與我所自行研制的PID模塊相連。上電后系統(tǒng)的升降溫運行良好。依據(jù)不同晶體的特性要求，采用相應(yīng)的溫度變化速率。保證了晶體工作環(huán)境的安全，有效地延長了晶體的壽命。