多功能智能温度控制仪的设计

多功能智能温度控制仪的设计

李　明

(青海民族学院电子工程与信息科学系,青海西宁　810007)

摘　要:本文介绍的是以单片机为核心的多功能智能温度控制仪.它除了具有检测温度、数值显示、PID 控制外,还可根据不同情况,由外部给定参数进行控制,而且不需要改变硬件,只要改变软件就能有效地实现较复杂的控制.在测量温度时,通过软件自动切换感温器达到精确测量温度,测量范围由低温到高温.为了使系统结构简单,在热电偶测量中参考端采用了新型的温度传感器DS18B20来测量环境温度.

关键词:热电偶;热电阻;温度传感器;数模转换

中图分类号:TP273 文献标识码:A 文章编号:1001-7542(2007)03-0047-04

热电偶测温的基本原理是根据热电效应,即任何两种不同的导体或半导体组成的闭合回路,如果将它们的两个接点分别置于温度各为t 及t 0的热源中,则在该回路内就会产生电流,这个现象称为热电效应..热电势的大小为t 端(测量端)的电势与t 0端(参考端)的电势之差.而热电阻测量温度的原理是根据电阻的热效应,即任何电阻体的阻值随温度的升高而增加或减小来测量温度的.比较两种测量温度的方法,我们发现各有不同的优缺点:①热电阻的测量需要外加电源,热电偶只要两端存在温差就可直接进行测量;但是热电偶需要参考端的温度补偿,而热电阻不需要;②热电偶与热电阻相比,热电阻的感温器结构复杂、体积大、热惯性大、不适宜测体积狭小和温度变化快的温度;

③热电偶适宜测量高温,而热电阻适宜测量低温端区(t <0℃

).根据以上特点设计了一用热电阻和热电偶相结合的方法拟补低温与高温测量误差与适合不同环境的智能温度控制仪.该智能温控仪由硬件电路设计和软件编程组成.

图1　温度控制仪硬件原理图

1　硬件电路设计

智能温度控制仪表的硬

件原理框图如下图1所示.

感温元件选用K 型热

电偶、铜电阻以及数字感温

元件DS18B20测量环境温

度.电路部分包括:温度信

号输入、放大电路、控制信

号输出电路、键盘、显示电

路和串行通讯接口电路以及电源电路.工作原理为被

测物体的温度通过感温传感器感温,传感器将温度转为模拟信号,由单片机控制选通各通道,经放大电路放大后送到A/D 转换器IC L7135,转换为数字量送给单片机.单片机根据这个数字量通过软件进行数制转换、数字滤波以及温标变换等处理后求得温度,在数码管上显示当前温度,再结合给定值由控制算法得到输出控制量,送到10位D/A 转换芯片M AX 504转换4-20m A 电流输出,控制交流调压模块输出功率.

收稿日期:2007-08-20

作者简介:李　明(1964-),男(汉族),青海乐都人,青海民族学院副教授.

2007年第3期 青海师范大学学报(自然科学版)Journal of Qinghai N ormal University (Natural Science ) 2007N o.3

1.1　温度信号输入电路

为了实现在不同温度时,选用不同的温度传感器来测量,从而保证测量温度的误差.在温度信号输入电路中,有一个校零通道和两个温度测量通道,选用多路转换开关C D4052实现对热电偶和铜电阻温度传感器的切换,由C D4052的A 、B 两引角控制通道的切换.A 、B 两引角来自单片机P26、P27,这样在软件编程中只要设置温度界限(如150℃以下为热电阻测量,而大于150℃用热电偶测量)就可自动选择不同的温度传感体测量.在用热电偶测量温度时,参考端的温度补偿是用数字温度传感器DS18B20来实现的.x0、y0连接热电偶的输出信号,x1、y1连接电桥输出的差压信号,x2、y2接地,是校零通道.增加这一校零通道是为了消除放大电路的漂移电压,因为直流放大电路存在着零点漂移和温度漂移,这种漂移电

压的存在必然使实测信号值与其真实值之间存在偏差,用实测信号减去这部分漂移电压就得到真实值.温度信号输入电路如下.

图2　温度测量与放大电路图

图3　IC L7135采集接口电路1.2　模数转换电路设计

该芯片为4位半位双积分式A/D 转换芯片IC L7135.

数字量输出范围是-19999～+19999,具有自动校零、自动

极性输出、单基准电压、抗干扰能力强,分辨率高等特点.该

芯片电路如图3,模数转换结果由5位十进制整数表示,采

用了字仿动态扫描BC D 码输出方式,即个、十、百、千、万位

数据的BC D 码轮流地在引脚B8、B4、B2和B1引脚PO L 表

示输出结果的极性,UR ,OR ,表示溢出和欠量程.

1.3　键盘和显示电路设计

根据本仪表所要实现的功能确定一共需要5个按键和

6个LE D 数码管.由于按键较少,所以直接用CPU 芯片的I/

图4　控制量输出图

O 口线来连接.按键按下则I/O 口先电平为低,按键断开则

I/O 口线电平为高,通过单片机程序循环检测这6个端口

的电平是否为低就可以判定是否有键按下.

1.4　控制量输出电路设计

本控温仪表选用全隔离单相交流调压一体化模块作为

控制系统的执行机构,将模块的输出端与测温对象的输入

端相连.模块的输入是4-20mA 标准电流信号和工频220V

交流电,输出是交流电压,由输入电流的大小来控制模块输8

4 青海师范大学学报(自然科学版) 2007年

出交流电压,从而控制测温对象的输入功率,达到控制温度的目的.D/A 转换芯片选用MAXI M 公司的MAX504,MAX504是低功耗,串行输入,电压输出型D/A 转换芯片,可在单电源±5V 电源下工作.内部运算放大器放大倍数可配置为1或2.芯片内部有参考电压源,参考电压为21048V.芯片输入为数字量,输出为0-5V 直流电压,而调压模块的输入是4-20mA 电流,所以用三极管将电压转换为0-20mA 电图5　主程序流程图

流,通过控制数模转换芯片的输入范围将电流输出控制在

4-20mA 范围内.

2　系统软件设计

硬件电路设计好后,下一步要进行软件编程.实现该系

统的功能必须要在软件的配合下才能完成原先确定的各种

功能.该智能温度控制仪有主程序、中断程序、输出控制量以及与上、下位机的通讯程序组成.限于篇幅下面只列出了系统的各主要程序模块的流程图.2.1　主程序流程图包括数据采集程序、数制转换程序、数据过滤程序、温

标变换程序、温度显示程序等.通讯命令处理子程序是为了

不让串行中断程序执行时间过长而把应在串行中断里进行

的程序拿到主程序里执行,在通讯命令处理子程序中根据

标志参量的值进行一系列操作如向上位机发送数据.

图6　外中断O 流程图

2.2　数据采集程序流程

温度经输入电路转换为电信号,放大后经模数转换芯片

转换为数字量送给单片机.单片机通过外中断0和定时器0

的中断服务程序来获得该数字量.每次模数转换结束后,模数

转换芯片的ST B 引脚发出的第一个负脉冲使得单片机的

I NT 0引脚电平出现下降沿,引发外中断0.在外中断0中读取

A/D 转换结果的万位数据后,按照A/D 转换芯片结果输出时序的要求通过软件连续定时4次,在定时器0的中断服务程

序中读取AD 转换结果的千位、百位、十位和个位数据.外中

断0及定时器0的中断服务程序流程图分别如图6所示.

图6中,变量crlflag 做计时用,来判断是否到采样控制时

间(简称采样时间).采样时间是指两次输出控制量的时间间

隔.采样时间不能太长也不能太短,应根据被控对象的特性来

决定.根据被控对象特性令采样时间为218秒,在程序中通过

对模数转换次数的计数来确定采样时间.模数转换芯片

IC L7135在时钟频率为500K H z 时完成一次模数转换时间大约

为80ms ,采样时间是它的35倍(在流程图6中用caitime 来表

示).每完成一次模数转换就申请一次中断,变量crlflag 就计

一次数,当crlflag =cattime 时,令crlfiag1=1,标志采样时间到.

若主程序中检测到crlflag1=1时,就可以计算控制量并输出

给数模转换芯片.94第3期 李明:多功能智能温度控制仪的设计