在初始化的過程中將state的值設(shè)為1,因此剛開機(jī)系統(tǒng)進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)

0 引 言

在激光倍頻晶體溫度匹配中,有時(shí)需要很高的工作溫度晶體升溫過程中,溫度過快變化會(huì)導(dǎo)致晶體出現(xiàn)破裂,因此在開機(jī)過程中需要操作人員不斷手動(dòng)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(jī)AT89S52為核心制作了一套自動(dòng)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?？販胤秶邢拊趯?duì)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(kuò)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(jì)

控制系統(tǒng)電路的核心器件是Atmel公司生產(chǎn)的AT89S52單片機(jī)它是一種低功車載報(bào)警器電路圖耗、低電壓、高性能的8位單片機(jī),片內(nèi)帶有一個(gè)8KB的flash可編程、可擦除、只讀存儲(chǔ)器;它采用的工藝是Atmel公司的高密度非易失存儲(chǔ)器技術(shù),而且其輸出引腳和指令系統(tǒng)都與MCS-51兼容價(jià)格低廉、性能可靠、抗*力強(qiáng)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zui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(gè)通道中哪一個(gè)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(shí)功耗大約為1μW,是一數(shù)字傳感器款性能十分優(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.5mWAT24C02是Atmel公司生產(chǎn)的EEPROM器件,存儲(chǔ)容量256字節(jié),可擦寫次數(shù)達(dá)100萬次,主要用來存儲(chǔ)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(kuò)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(diǎn)陣型液晶,驅(qū)動(dòng)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(shí)掃描方式,提高j型熱電偶分度表了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(duì)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(gè)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(yùn)行狀態(tài)運(yùn)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(duì)比,并通過MAX541定時(shí)輸出自動(dòng)升溫電壓值,讓系統(tǒng)嚴(yán)格地在規(guī)定時(shí)間內(nèi)升到溫度在循環(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(shí)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(gè)鍵顯然從流程圖中可以看出,當(dāng)kd為0時(shí),程序跳過電力系統(tǒng)保護(hù)按鍵程序模塊,當(dāng)kd為1時(shí)程序先判斷key值,然后運(yùn)行相對(duì)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(shí)執(zhí)行程序state=!state,這樣就實(shí)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(shí)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(shí)改變輸出值的程序都是采用定時(shí)器中斷來實(shí)現(xiàn)的因?yàn)閮煞N功能處于不同的狀態(tài),同時(shí)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(gè)定時(shí)器來實(shí)現(xiàn)進(jìn)入定時(shí)中斷程序后,當(dāng)state值為1時(shí),即系統(tǒng)處于運(yùn)行狀態(tài)時(shí),執(zhí)行定時(shí)改變MAX541輸出值的功能當(dāng)state的值為0時(shí),即系統(tǒng)處于設(shè)定狀態(tài)時(shí),執(zhí)行光標(biāo)閃爍的功陜重汽配件系統(tǒng)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(yàn)公式描述:

式中:RT為T時(shí)的熱敏電阻阻值,RT0為T0時(shí)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(cè)溫的主要優(yōu)點(diǎn)

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(shí),其電阻值的相對(duì)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(yàn)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(jiǎn)介

熱敏電阻的主要優(yōu)點(diǎn)是:溫度系數(shù)大、靈敏度發(fā)生內(nèi)部系統(tǒng)錯(cuò)誤高、適合于高精度測(cè)量但其缺點(diǎn)是存在非線性,為了提高顯示的準(zhǔn)確度,需要對(duì)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(duì)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(diǎn)的坐標(biāo)值存入表中,測(cè)量時(shí)要先用折半查找法判斷出被測(cè)溫度對(duì)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(cè)溫度下面用圖示的方法說明線性插值法:

圖3中k為折點(diǎn)的序號(hào),Tt為根據(jù)插值法算出的溫度值,Tact為相應(yīng)的阻值對(duì)應(yīng)的實(shí)際溫度值顯然當(dāng)分段越多,即Rk和Rk+1間的間距越小時(shí),Tt和Tact之間的間距越小,實(shí)測(cè)值與計(jì)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為消防報(bào)警設(shè)備論壇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(shí),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(shí)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(yùn)算放大器正常工作電壓時(shí),此時(shí)恒流源將不能正常工作顯然低溫時(shí)恒流源工作電流不能太大,高溫時(shí)又要求恒流源工作電流不能太小為了克服這對(duì)矛盾,我們將恒流源分為兩檔,分別為10μA和100μA利用單片機(jī)控制繼電器可以實(shí)現(xiàn)兩檔恒流源的自動(dòng)切換當(dāng)溫度為100℃以下時(shí)使用10μA的恒流源,當(dāng)溫度為100℃以上時(shí)使用100μA的恒流源這樣就相當(dāng)于提高了高溫時(shí)的靈敏度,從而可以提高溫度采集的精西門子消防報(bào)警設(shè)備度,該方法既擴(kuò)大了控溫儀的控溫范圍,又保證了測(cè)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(hào)為9013熱敏電阻是采用Wavelength公司生產(chǎn)的型號(hào)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(duì)三極管造成損壞,同時(shí)降低了對(duì)系統(tǒng)的干擾IN輸入端由單片機(jī)的I/O口控制,當(dāng)IN端為高電平時(shí),三極管導(dǎo)通,電流由100μA切換到10μA控溫模塊從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(duì)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(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字變量單片機(jī)可以實(shí)現(xiàn)熱敏電阻阻值的插值電子式溫度控制器算法對(duì)熱敏電阻阻值進(jìn)行查表計(jì)算,從而可以算出當(dāng)前的實(shí)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(yùn)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(zhǎng)了晶體的壽命