發(fā)射臺(tái)真空器件庫恒溫控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

摘要：介紹了運(yùn)用AT89C52單片機(jī)設(shè)計(jì)開發(fā)的發(fā)射臺(tái)真空器件庫恒溫控制系統(tǒng)，并結(jié)合DS18B20數(shù)字式溫度傳感器，以及相關(guān)的外部電路分析了利用AT89C52的優(yōu)點(diǎn)。介紹了實(shí)現(xiàn)鍵盤輸入、實(shí)時(shí)監(jiān)測、自動(dòng)溫度調(diào)節(jié)的方法。重點(diǎn)闡述了系統(tǒng)的硬件構(gòu)成、各部分的主要作用及系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)思路和流程。此系統(tǒng)成本低、工作可靠，移植性好，具有很高的應(yīng)用和借鑒價(jià)值。
關(guān)鍵詞：溫度傳感器；恒溫控制；真空器件

0 引言
    發(fā)射臺(tái)使用了許多真空器件，例如，真空電容、真空電子管、真空開關(guān)等。真空器件是播出設(shè)備的核心器件，消耗量較大，屬于貴重器材，需要合理備份、妥善保管。由于真空器件對周圍環(huán)境溫度、濕度的特殊要求，故真空器件庫要求滿足恒溫和干燥的條件。目前，無線局各臺(tái)站的真空器件庫一般采用手工控制和人工監(jiān)測的方式實(shí)現(xiàn)恒溫控制，這種方法準(zhǔn)確性低、穩(wěn)定性較差，還必須安排專人負(fù)責(zé)。
    為了更有效地保存真空器件備件，本文實(shí)現(xiàn)了一個(gè)能自動(dòng)調(diào)節(jié)室內(nèi)環(huán)境溫度的真空器件庫恒溫控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)以AT89C52單片機(jī)為控制核心，通過溫度采集電路，實(shí)時(shí)檢測真空器件庫內(nèi)的環(huán)境溫度，并根據(jù)預(yù)先設(shè)定的溫度閾值，控制真空器件庫內(nèi)均勻分布的加熱設(shè)備的工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)。用戶可以在現(xiàn)場使用鍵盤設(shè)置目標(biāo)溫度值，也可以在現(xiàn)場數(shù)碼管顯示屏上直接觀察真空器件庫當(dāng)前室內(nèi)環(huán)境溫度值和用戶設(shè)置的目標(biāo)溫度值。系統(tǒng)實(shí)時(shí)檢測真空器件庫環(huán)境溫度值和目標(biāo)溫度值的變化，通過溫控驅(qū)動(dòng)電路控制加熱設(shè)備的工作狀態(tài)，確保真空器件庫的恒溫、除濕，避免了因保存溫度、濕度不合適而造成的真空器件性能降低及損壞。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理
    發(fā)射臺(tái)真空器件庫恒溫控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，系統(tǒng)的基本硬件電路包括：溫度采集、鍵盤輸入、溫度顯示、電源、溫控驅(qū)動(dòng)、加熱設(shè)備、報(bào)警和指示燈，以及A1789C52單片機(jī)。

    為了更好地保持真空器件庫室內(nèi)環(huán)境溫度恒定，系統(tǒng)采用閉環(huán)控制方式。由AT89C52單片機(jī)完成邏輯判斷和控制，晶振頻率采用12MHz，通過循環(huán)訪問的方式，訪問真空器件庫內(nèi)均勻分布的DS18B20數(shù)字溫度傳感器，采集真空器件庫內(nèi)的環(huán)境溫度值。為了不頻繁啟動(dòng)加熱設(shè)備，目標(biāo)溫度由用戶通過鍵盤輸入后，系統(tǒng)自動(dòng)生成目標(biāo)溫度上限值和下限值。單片機(jī)以一定的頻率將檢測到的環(huán)境溫度值與用戶輸入的目標(biāo)溫度值進(jìn)行比較。當(dāng)真空器件庫環(huán)境溫度值低于設(shè)置的目標(biāo)溫度下限值時(shí)，溫控驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)加熱設(shè)備加溫，溫度上升到目標(biāo)溫度下限值以上時(shí)，停止加溫；當(dāng)真空器件庫環(huán)境溫度高于設(shè)置的目標(biāo)溫度上限值時(shí)，溫控驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)降溫電路降溫，溫度下降到目標(biāo)溫度上限值以下時(shí)，停止降溫。

2 硬件電路設(shè)計(jì)
2．1 溫度采集電路
    溫度采集電路采用溫度傳感器DS18B20來實(shí)現(xiàn)溫度的采集和轉(zhuǎn)換。DS18B20是一種改進(jìn)型智能溫度傳感器，與傳統(tǒng)的熱敏電阻等測溫元件相比，它能直接讀出所測溫度。測量輸出信號為數(shù)字量，可以直接和單片機(jī)進(jìn)行通信，從而降低外圍電路的復(fù)雜度。溫度采集電路如圖2所示。

    DS18B20把采集到的溫度通過數(shù)據(jù)引腳傳到單片機(jī)的P3．0口，每一片DS18B20有唯一的48位序列號，在出廠前已寫入片內(nèi)ROM中，單片機(jī)通過讀ROM(33H)命令將該DS18B20的序列號讀出，經(jīng)過匹配，即可逐一讀回每個(gè)DS18B20的溫度數(shù)據(jù)。雖然DS18B20具有測溫簡單、精度高、連接方便和占用I／O口少等優(yōu)點(diǎn)，但當(dāng)單總線上所掛的DS18B20超過8個(gè)時(shí)，就需解決微處理器的總線驅(qū)動(dòng)問題。另外，連接DS18B20的總線電纜的長度有限制，當(dāng)采用普通信號電纜傳輸長度超過50m時(shí)，讀取的測溫?cái)?shù)據(jù)會(huì)發(fā)生錯(cuò)誤，這主要是由總線分布電容使信號波形產(chǎn)生畸變引起的。因此，進(jìn)行多點(diǎn)測溫和長距離測溫電路設(shè)計(jì)時(shí)要加以注意。
2．2 鍵盤電路
    考慮實(shí)際應(yīng)用情況，鍵盤電路設(shè)計(jì)采用矩陣式和中斷掃描相結(jié)合的方式。矩陣式鍵盤由行線與列線組成，按鍵位于行、列的交叉點(diǎn)上，按鍵數(shù)量較多時(shí)可以節(jié)省單片機(jī)I／O接口的占用。系統(tǒng)使用過程中，鍵盤大部分時(shí)間基本不工作，因而中斷掃描方式可以提高單片機(jī)處理器工作效率。當(dāng)鍵盤有按鍵動(dòng)作時(shí)產(chǎn)生中斷，單片機(jī)處理器響應(yīng)鍵盤中斷，執(zhí)行鍵盤中斷程序，判別鍵盤按下鍵的鍵號并做相應(yīng)處理。在本系統(tǒng)中，單片機(jī)的I／O接口充裕，因此鍵盤電路直接連接單片機(jī)I／O接口。鍵盤接口電路如圖3所示。

    鍵盤的數(shù)字鍵(0～9)、確認(rèn)鍵(OK)、清除鍵(Del)等12個(gè)按鍵以四行三列方式連接到單片機(jī)的P0口，設(shè)置鍵(Set)與單片機(jī)的腳相連，而硬件復(fù)位鍵(ReSet)與R、C構(gòu)成復(fù)位電路。需要注意的是，用單片機(jī)的P0口連接鍵盤時(shí)，要給P0口的各I／O接口提供上拉電阻。
2．3 電源電路
    根據(jù)系統(tǒng)中元器件的需求設(shè)計(jì)了輸出紋波小于5mV，輸出內(nèi)阻小于0．1 Ω的電源模塊。通過變壓、整流、濾波、穩(wěn)壓等環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)出一個(gè)交流輸入5V，直流輸出5V和±12V的線性直流穩(wěn)壓電源。
2．4 溫度顯示電路
    溫度顯示電路采用兩個(gè)3位共陽LED數(shù)碼管，數(shù)碼管以動(dòng)態(tài)掃描方式分別顯示設(shè)置的目標(biāo)溫度值和現(xiàn)場采樣溫度值的十位數(shù)、個(gè)位數(shù)及小數(shù)點(diǎn)后一位數(shù)。LED數(shù)碼管的共陽極公共端分別由相應(yīng)的I／O口控制，其它所有相同字段管腳連在一起，共8段，由一個(gè)8位I／O口控制。單片機(jī)依次使能3位共陽極數(shù)碼管的位選擇端，按順序點(diǎn)亮3位數(shù)碼管的各位。由于人眼觀察時(shí)特有的“視覺暫存”效應(yīng)，當(dāng)亮滅頻率達(dá)到一定程度時(shí)無法覺察數(shù)碼管明暗的變化，認(rèn)為3位數(shù)碼管各位始終點(diǎn)亮，即實(shí)現(xiàn)了3位數(shù)碼管的動(dòng)態(tài)顯示。圖4是目標(biāo)溫度值顯示電路，用P2口作為數(shù)碼管的段控碼輸出，集成電路74LS244作為段碼輸出的驅(qū)動(dòng)電路。P1．0～P1．2作為數(shù)碼管的位控碼輸出，用PNP型三極管做驅(qū)動(dòng)，通過鍵盤輸入目標(biāo)溫度值，改變3位數(shù)碼管的數(shù)據(jù)顯示。系統(tǒng)默認(rèn)的目標(biāo)溫度上限值為：目標(biāo)溫度值+5℃，目標(biāo)溫度下限值為：目標(biāo)溫度值-5℃。

    現(xiàn)場采集的溫度顯示電路與目標(biāo)溫度顯示電路類似，用P3口作為數(shù)碼管的段控碼輸出，集成電路74LS244作為段碼輸出的驅(qū)動(dòng)電路。  P1．5 ～P1．7作為數(shù)碼管的位控碼輸出，用PNP型三極管驅(qū)動(dòng)，通過DS18B20采集的現(xiàn)場溫度信號，改變3位數(shù)碼管的數(shù)據(jù)顯示。
2．5 加熱設(shè)備
    為了確保真空器件庫室內(nèi)溫度實(shí)現(xiàn)快速加熱、快速冷卻，滿足恒溫條件，系統(tǒng)選擇受控電加熱暖風(fēng)機(jī)作為加熱設(shè)備。需要加熱時(shí)，由于風(fēng)機(jī)的作用，把真空器件庫室內(nèi)待加熱的空氣送入加熱器，在高功率加熱器的作用下進(jìn)行加熱，加熱后的熱空氣經(jīng)暖風(fēng)機(jī)的出風(fēng)口送回真空器件庫室內(nèi)，如此反復(fù)，達(dá)到加熱的目的。需要降溫時(shí)，高功率加熱器停止工作，靠風(fēng)機(jī)的作用加速真空器件庫室內(nèi)空氣循環(huán)，實(shí)現(xiàn)降溫的目的。按每10m2安裝一臺(tái)受控電加熱暖風(fēng)機(jī)，合理布置在真空器件庫室內(nèi)，使暖風(fēng)機(jī)的風(fēng)均勻擴(kuò)散，以免真空器件庫室內(nèi)的溫度偏差過大。
2．6 溫控驅(qū)動(dòng)電路
    電路系統(tǒng)中的控制信號從AT89C52芯片中的P1端口輸出，但單片機(jī)I／O口的負(fù)載能力無法直接驅(qū)動(dòng)加熱設(shè)備，必須通過中間驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)單片機(jī)對加熱設(shè)備工作狀態(tài)的控制。實(shí)際應(yīng)用中，通常采用繼電器或交流接觸器間接驅(qū)動(dòng)，但繼電器或交流接觸器具有機(jī)械接觸的缺點(diǎn)，因而在很大程度上降低了控制系統(tǒng)整體的穩(wěn)定性和可靠性。為了避免機(jī)械接觸開關(guān)的缺點(diǎn)，本系統(tǒng)選用以可控硅為主體的完全光電隔離的中間驅(qū)動(dòng)電路。可控硅用隔離器實(shí)現(xiàn)了控制端與負(fù)載端的隔離，以小功率控制大功率，能在高電壓、大電流條件下工作，具有無機(jī)械接觸、體積小、便于安裝等優(yōu)點(diǎn)，是理想的交流開關(guān)器件。加熱驅(qū)動(dòng)電路如圖5所示。

    當(dāng)現(xiàn)場采集溫度值低于設(shè)定的目標(biāo)溫度下限值時(shí)，單片機(jī)P1．3輸出高電平，通過限流保護(hù)電阻R4的雙向光電耦合器上電工作，雙向可控硅TRIAC柵極由R1、R2和雙向光電耦合器的信號觸發(fā)導(dǎo)通，加熱電路開始工作。當(dāng)單片機(jī)P1．3輸出低電平時(shí)，雙向光電耦合器截止，雙向可控硅TRIAC柵極無觸發(fā)信號被關(guān)斷，加熱電路停止工作。電路中的R3、C2組成阻容吸收單元，可減小可控硅關(guān)斷時(shí)加熱電路中感性元件所產(chǎn)生的自感電動(dòng)勢對可控硅的過壓沖擊。R1、C1組成低通濾波單元，能降低雙向光電耦合器誤觸發(fā)對后續(xù)電路的影響。同時(shí)，雙向光電耦合器的使用徹底隔離了強(qiáng)弱電路，避免了加熱設(shè)備對單片機(jī)的干擾。
    降溫驅(qū)動(dòng)電路和加熱驅(qū)動(dòng)電路相同，現(xiàn)場采集溫度值高于設(shè)定的目標(biāo)溫度上限值時(shí)，單片機(jī)P1．4輸出高電平，驅(qū)動(dòng)降溫電路上電工作；單片機(jī)P1．4輸出低電平時(shí)，降溫電路斷電停止工作。
2．7 報(bào)警及指示燈電路
    報(bào)警電路和指示燈電路如圖6所示，當(dāng)現(xiàn)場采集溫度值高于設(shè)置的目標(biāo)溫度上限值，或者低于設(shè)置的目標(biāo)溫度下限值時(shí)，單片機(jī)P3．4輸出高電平，越限報(bào)警電路的三極管Q2導(dǎo)通，蜂鳴器工作，發(fā)出連續(xù)不斷的滴答滴答報(bào)警?，F(xiàn)場采集溫度保持在設(shè)置目標(biāo)溫度上下限范圍時(shí)，單片機(jī)P3．4輸出低電平，越限報(bào)警電路的三極管Q2關(guān)斷，蜂鳴器不工作。指示燈電路綠燈D0亮，單片機(jī)P3．1輸出高電平，表示現(xiàn)場采集溫度值在設(shè)置目標(biāo)溫度值上下限范圍內(nèi)，系統(tǒng)運(yùn)行正常。若指示燈電路紅燈D1亮，單片機(jī)P3．2輸出低電平，表示現(xiàn)場采集的溫度值超過設(shè)置目標(biāo)溫度上限值，系統(tǒng)正在進(jìn)行降溫；若指示電路藍(lán)燈D2亮，單片機(jī)P3．3輸出低電平，表示現(xiàn)場采集溫度值低于設(shè)置目標(biāo)溫度下限值，系統(tǒng)正在進(jìn)行加熱。

3 軟件設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)控制軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，軟件子功能模塊程序與硬件分塊電路相對應(yīng)。主程序作為子功能模塊程序的入口，通過鍵盤管理程序和中斷程序，實(shí)現(xiàn)子功能模塊程序的調(diào)用。程序控制流程如圖7所示。

    系統(tǒng)加電后，由初始化子程序完成功能寄存器和程序運(yùn)行環(huán)境的初始化；讀溫度子程序?qū)S18B20采集到的真空器件庫內(nèi)的環(huán)境溫度值讀入到指定的數(shù)組；數(shù)碼管顯示子程序控制位選擇和數(shù)碼管的顯示驅(qū)動(dòng)，把要顯示的溫度數(shù)據(jù)按照溫度顯示規(guī)則送入相應(yīng)的顯示緩存，實(shí)現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示：鍵盤管理程序采用I／O口線中斷方式提高M(jìn)CU響應(yīng)速度，并通過算法延時(shí)消抖實(shí)現(xiàn)鍵盤輸入，由鍵碼識(shí)別函數(shù)判斷外部鍵盤輸入信息；比較子程序?qū)⒆x溫度子程序得到的環(huán)境溫度值與由鍵盤輸入的目標(biāo)溫度的上下限值進(jìn)行比較，若溫度值越限，則調(diào)用溫控子程序進(jìn)行升、降溫調(diào)節(jié)，并啟動(dòng)報(bào)警子程序。

4 結(jié)束語
    發(fā)射臺(tái)真空器件庫恒溫控制系統(tǒng)充分發(fā)揮了AT89C52單片機(jī)的特點(diǎn)，結(jié)合DS18B20數(shù)字溫度傳感器，降低了硬件電路的設(shè)計(jì)復(fù)雜度。系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡單、實(shí)現(xiàn)方便、耗能少、成本低廉，實(shí)踐證明，本控制方案可靠、有效，具有控溫準(zhǔn)確、操控界面友好、穩(wěn)定性高、抗干擾能力強(qiáng)、易維護(hù)的優(yōu)點(diǎn)，可以保證發(fā)射臺(tái)真空器件庫溫度恒定、環(huán)境干燥，從而使真空器件備件能夠得到有效的保存。