基于直流PTC熱敏電阻恒溫控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1、引言　　

現(xiàn)有的加熱器大都采用電熱管、電熱絲等傳統(tǒng)器件加熱，電熱管的外殼為不銹鋼制成的鋼管，內(nèi)有發(fā)熱元件電阻絲，加熱時(shí)通過(guò)電阻絲及鋼管向外界傳熱，當(dāng)空氣不流動(dòng)時(shí)，電熱管的熱量就散不出去，溫度會(huì)越來(lái)越高，嚴(yán)重時(shí)會(huì)燒毀電熱管，甚至發(fā)生火災(zāi)。而PTC熱敏電阻作為發(fā)熱材料，具有節(jié)能恒溫、無(wú)明火、安全性好、發(fā)熱量較易調(diào)節(jié)、受電源電壓的波動(dòng)影響小、升溫迅速等特點(diǎn)，因此，設(shè)計(jì)使用PTC熱敏電阻做加熱材料的恒溫加熱系統(tǒng)對(duì)安全度要求較高的應(yīng)用是很有意義的?！　?/p>

2、系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案　　

本系統(tǒng)采用AT89C2051為控制核心，PTC熱敏電阻對(duì)加熱區(qū)域進(jìn)行加熱，數(shù)字溫度計(jì)DS18B20實(shí)時(shí)采集溫度，由外設(shè)鍵盤(pán)設(shè)定所要加熱溫度值的上限和下限， 通過(guò)實(shí)時(shí)采集到的溫度值與設(shè)定溫度值的比較，確定是否達(dá)到所設(shè)定的溫度范圍，由AT89C2051控制多路繼電器實(shí)現(xiàn)對(duì)多片PTC熱敏電阻(一路繼電器控制一片PTC熱敏電阻)工作狀態(tài)的開(kāi)關(guān)控制，使加熱區(qū)域溫度維持在設(shè)定的溫度范圍內(nèi)。系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

3、單片機(jī)控制加熱　　

3.1 單片機(jī)系統(tǒng)　　

AT89C2051是美國(guó)ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓，高性能CMOS 8位單片機(jī)，期間采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，兼容MCS-51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用8位中央處理器和2K字節(jié)Flash閃速存儲(chǔ)器，128字節(jié)內(nèi)部RAM，15個(gè)I/O口線，2個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器，1個(gè)5向量?jī)杉?jí)中斷結(jié)構(gòu)，1個(gè)全雙工串行通信口，內(nèi)置1個(gè)精密比較器，片內(nèi)振蕩器及時(shí)鐘電路?！　?/p>

3.2 PTC熱敏電阻　　

PTC是英文Positive Temperature Coefficie-nt的縮寫(xiě)，即為正溫度系數(shù)，其電阻阻值隨溫度的升高而增大。PTC熱敏電阻在未達(dá)到一個(gè)特定的溫度之前，電阻阻值隨溫度的變化非常緩慢，當(dāng)超過(guò)這個(gè)溫度時(shí)，PTC熱敏電阻的阻值急劇增大，發(fā)生阻值劇變的這個(gè)溫度，稱之為居里溫度，它是PTC熱敏電阻的一個(gè)重要技術(shù)指標(biāo)?！　?/p>

圖2為PTC熱敏電阻的電流-時(shí)間特性。

3.3 數(shù)字溫度計(jì)DS18B20　　

DS18B20數(shù)字溫度計(jì)是DALLAS公司生產(chǎn)的1—Wire，即單總線器件，具有線路簡(jiǎn)單，體積小的特點(diǎn)。測(cè)量溫度范圍為-55℃～+125℃，在-10℃～85℃范圍內(nèi)，精度為±0.5℃。DS18B20的精度檢查為±2℃?，F(xiàn)場(chǎng)溫度直接以“一線總線”的數(shù)字方式傳輸，大大提高了系統(tǒng)的抗干擾性。　　

由于DS18B20采用的是1—Wire總線協(xié)議方式，即在一根數(shù)據(jù)線實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向傳輸，而對(duì)AT89C2051單片機(jī)來(lái)說(shuō)，硬件上并不支持單總線協(xié)議，因此，必須采用軟件的方法來(lái)模擬單總線的協(xié)議時(shí)序來(lái)完成對(duì)DS18B20芯片的訪問(wèn)。該協(xié)議定義了幾種信號(hào)的時(shí)序：初始化時(shí)序、讀時(shí)序、寫(xiě)時(shí)序。所有時(shí)序都是將主機(jī)作為主設(shè)備，單總線器件作為從設(shè)備，數(shù)據(jù)和命令的傳輸都是低位在先。　　

3.4 單片機(jī)控制多路繼電器　　

單片機(jī)控制繼電器如圖1所示，圖中只給出一路繼電器的控制電路接法，它占用了單片機(jī)P3口的一位，多路繼電器可通過(guò)占用不同引腳實(shí)現(xiàn)，本系統(tǒng)使用P3口的3位控制3路繼電器。PTC熱敏電阻選用直流12V，電壓由開(kāi)關(guān)電源提供。由于單片機(jī)P3口的驅(qū)動(dòng)電流是20mA，而繼電器的驅(qū)動(dòng)對(duì)于單片機(jī)來(lái)說(shuō)相當(dāng)于大功率器件的驅(qū)動(dòng)，必須放大P3口的驅(qū)動(dòng)電流，而PTC熱敏電阻是采用直流12V電壓供電，可能會(huì)對(duì)單片機(jī)的工作穩(wěn)定性有影響，因此選用光電耦合器4N33提高P3口的驅(qū)動(dòng)能力，同時(shí)因?yàn)楣怆婑詈掀?N33是應(yīng)用電-光-電的轉(zhuǎn)換形式來(lái)放大驅(qū)動(dòng)電流，這樣隔離了單片機(jī)和繼電器，消除了系統(tǒng)可能潛在的不穩(wěn)定的因素。當(dāng)單片機(jī)P3口接繼電器的引腳給一低電平，則4N33輸入端的發(fā)光二極管導(dǎo)通，輸出端輸出放大電流，驅(qū)動(dòng)繼電器吸合，使PTC熱敏電阻環(huán)路導(dǎo)通，開(kāi)始加熱。

PTC熱敏電阻在開(kāi)始工作的初期有一個(gè)沖擊電流，這從它的電流-時(shí)間特性(如圖2所示)中可以看出，在經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后電流降到穩(wěn)定工作狀態(tài)，這時(shí)的電流很小，大概在0.8～1A，這樣在開(kāi)始加熱的時(shí)候就不能同時(shí)打開(kāi)三路繼電器進(jìn)行加熱，因?yàn)镻TC熱敏電阻的供電電源選擇的是直流12V，12A，如果同時(shí)打開(kāi)三路繼電器，在PTC熱敏電阻的沖擊電流達(dá)到最大值(5.7～7A)時(shí)，開(kāi)關(guān)電源所承受的電流就會(huì)超過(guò)其額定值，導(dǎo)致電源停止工作甚至毀壞，影響了系統(tǒng)工作的連續(xù)性和可靠性。鑒于這個(gè)因素，測(cè)定了單片PTC熱敏電阻的電流從其開(kāi)始工作到達(dá)到最大值的時(shí)間S1和從最大值降到4A以下的時(shí)間S2，這樣就可以根據(jù)這兩個(gè)時(shí)間來(lái)決定繼電器的開(kāi)啟?，F(xiàn)設(shè)定三路繼電器分別為1、2、3路，在單片機(jī)上電后就打開(kāi)第1路繼電器，在經(jīng)過(guò)電流由最小值上升到最大值時(shí)間S1后再打開(kāi)第2路繼電器(如果第1路PTC熱敏電阻提供的溫度沒(méi)有達(dá)到設(shè)定溫度范圍)，第3路繼電器的開(kāi)啟同樣要經(jīng)過(guò)時(shí)間S1。每一路繼電器的開(kāi)、關(guān)狀態(tài)是由數(shù)字溫度計(jì)DS18B20測(cè)定的實(shí)時(shí)溫度與設(shè)定溫度的上、下限進(jìn)行比較來(lái)決定的，繼電器的開(kāi)啟先后順序設(shè)定為1、2、3，關(guān)斷先后順序設(shè)定為3、2、1，這些設(shè)定由軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)?！　?/p>

3.5 鍵盤(pán)、顯示　　

本系統(tǒng)外設(shè)鍵盤(pán)采用了HD7279A鍵盤(pán)顯示芯片，由于要顯示系統(tǒng)設(shè)定溫度的上、下限和實(shí)時(shí)加熱的溫度，因此只使用HD7279A的鍵盤(pán)功能，系統(tǒng)的顯示部分采用LT12864I液晶顯示模塊。系統(tǒng)開(kāi)始工作的時(shí)候，通過(guò)鍵盤(pán)設(shè)定加熱溫度，數(shù)據(jù)傳遞給單片機(jī)，再由單片機(jī)將數(shù)據(jù)送顯示模塊顯示;系統(tǒng)工作的過(guò)程中，數(shù)字溫度計(jì)DS18B20測(cè)得的實(shí)時(shí)溫度值也傳遞給單片機(jī)，再由單片機(jī)轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)并送顯示模塊顯示?！　?/p>

4、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)　　

系統(tǒng)軟件總體流程圖如圖3所示。系統(tǒng)上電后，首先進(jìn)行初始化，對(duì)寄存器和I/O端口進(jìn)行設(shè)置。當(dāng)檢測(cè)到按鍵有效信號(hào)，讀取按鍵數(shù)據(jù)，傳遞給單片機(jī)并送顯示模塊顯示，鍵盤(pán)設(shè)定結(jié)束后置標(biāo)志位，單片機(jī)檢測(cè)到此信號(hào)后，開(kāi)啟第1路繼電器進(jìn)行加熱。此時(shí)初始化數(shù)字溫度計(jì)DS18B20進(jìn)行溫度測(cè)量，并將測(cè)得實(shí)時(shí)溫度數(shù)據(jù)送單片機(jī)處理，再由顯示模塊顯示。DS18B20每測(cè)完一次溫度后，就將實(shí)測(cè)溫度值與設(shè)定溫度值的上限和下限進(jìn)行比較，如實(shí)測(cè)溫度高于設(shè)定溫度的上限，轉(zhuǎn)到繼電器關(guān)閉處理程序，檢測(cè)每一路繼電器的開(kāi)、關(guān)狀態(tài)，按照第3路、第2路、第1路的順序關(guān)閉繼電器(每執(zhí)行1次關(guān)閉1路繼電器);如實(shí)測(cè)溫度低于設(shè)定溫度的下限，轉(zhuǎn)到繼電器開(kāi)啟處理程序，檢測(cè)每一路繼電器的開(kāi)、關(guān)狀態(tài)，按照第1路、第2路、第3路的順序開(kāi)啟繼電器(每執(zhí)行1次開(kāi)啟1路繼電器)。在之后的系統(tǒng)工作中始終循環(huán)測(cè)溫～溫度值比較～開(kāi)啟或者關(guān)閉繼電器這樣的流程，以達(dá)到對(duì)加熱區(qū)域溫度恒溫控制的目的。

下面是系統(tǒng)中幾個(gè)子程序的流程圖：三路繼電器控制子程序流程圖如圖4。　　

DS18B20測(cè)溫子程序流程圖如圖5。

鍵盤(pán)顯示子程序流程圖如圖6?！　?/p>

5、結(jié)論　　

本系統(tǒng)以AT89C2051芯片為控制核心部件，采用直流PTC熱敏電阻為加熱材料，利用硬件電路和軟件編程實(shí)現(xiàn)了對(duì)PTC熱敏電阻的順序控制，解決了其在啟動(dòng)時(shí)沖擊電流很大的問(wèn)題，達(dá)到了快速恒溫控制的目的。該系統(tǒng)使用安全，便捷，可應(yīng)用在醫(yī)療輸液恒溫加熱、家用電器中的干燥器、加熱器等領(lǐng)域;另外，該系統(tǒng)同時(shí)也提出了一種控制大電流的方法，為單片機(jī)驅(qū)動(dòng)大電流器件提供了一種可靠的依據(jù)，具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。