一种数字式温度控制系统的设计

1．引 言

　　温度是重要的物理量，温度的测量和控制，在工业生产和科研工作中都非常重要。数字式温度测量系统的特点是以微处理器为核心，利用微处理器的控制、运算功能，具有智能化的特点。本系统采用数码管直接显示被测温度值，这种数字式显示不仅直观、测量精度高，而且便于进行自动控制。所以，数字式温度测量电路获得了广泛的应用。

2．系统硬件设计

　　系统如图1所示，整个系统电路结构简单明了、紧凑，性能可靠；不仅适用于水温控制，且作为加热源，如加热炉、电炉应用电子器件，也可适用于工业环境温度的监测与控制。采用DS1820作为温度传感器，使系统简单可靠，且易于操作，它的性能突出。

图1　电路组成框图
　　以下对各部分主要电路作介绍

2．1　 温度转换电路

　　这部分电路完成的功能主要是：把非电物理量（温度量）转换成模拟电信号，再经A/D转换为数字量。它的性能的好坏、精确度等直接影响测量以及控制的结果，因此，这是很重要的部分。 考虑到本设计的要求，在这里我们采用新型的单片数字温度传感器DS1820，它具有性能好（分辨率为0.5℃，测温范围为—50--- +125℃）、体积小、接口简单（三端元件：一根地线、一根信号线、一根电源线）和使用方便（集成了采样、物理量/模拟量转换、A/D转换等功能，直接输出数字信号，无需另接任何外围电路即可方便地构成温度检测系统）等的优点。以下对DS1820芯片介绍。DS1820是美国DALLAS公司生产的单线数字温度传感器，它具有微型化、低功耗、高性能、抗干拢能力强、易配微处理器等优点，特别适合于构成多点温度测控系统，可直接将温度转化成串行数字信号供微机处理，而且每片DS1820都有唯一的产品号，并可存入其ROM中，以便在构成大型温度测控系统时在单线上挂接任意多个DS1820芯片。从DS1820读出或写入DS1820信息仅需要一根口线，其读写及温度转换功率来源于数据总线，该总线本身也可以向所挂接的DS1820供电，而无需额外电源。DS1820能提供九位温度读数，它无需任何外围硬件即可方便地构成温度检测系统。DS1820测量温度时使用特有的温度测量技术。其内部的低温度系数振荡器能产生稳定的频率信号f0，高温度系数振荡器则将被测温度转换成频率信号f0当计数门打开时，DS1820对f0数，计数门开通时间由高温度系数振荡器决定。芯片内部还有斜率累加器，可对频率的非线性予以补偿。测量结果存入温度寄存器中。一般情况下的温度值应为9位(符号占1位)，但因符号位扩展成高8位，故以16位补码形式读出，表1给出了温度和数字量的关系。DS1820采用3脚PR－35封装或8脚SOIC封装，管脚排列如图2所示。图中GND为地，I/O为数据输入/输出端(即单线总线)，该脚为漏极开路输出，常态下呈高电平。 VCC是外部＋5V电源端，不用时应接地。NC为空脚，图3是它的结构框图。
表1　DS1820温度与数字对应关系

[p] 2．2　AT89C52单片机简介

　　本设计采用AT89C52单片机作为控制机构的核心。AT89C52 是一种低功耗、高性能的CMOS型 8位微型计算机。它带有8K Flash 可编程和擦除的只读存储器（EPROM），该器件采用ATMEL的高密度非易失性存储器技术制造，与工业上标准的80C51和82C52的指令系统及引脚兼容，片内Flash 集成在一个芯片上，可用于解决复杂的问题，且成本较低。AT89C52提供了8K字节Flash ，256字节RAM，32线I/O口，3个16位定时/计数器，6向量两极中断，一个双工串行口，具有片内自激振荡器和时钟电路等标准功能。此外，AT89C52设有静态逻辑，用于运行到零频率，并支持软件选择的节电运行方式和空闲方式使CPU停止工作，而允许RAM、定时/计数器、串行口和中断系统继续工作。在掉电方式下，片内振荡器停止工作，由于时钟被冻结，一切功能都停止，只有片内RAM的内容被保存，直到硬件复位才恢复正常工作。

[p] 2．3　 Moc3041芯片

　　MOC3041芯片是Motorola 公司推出的单片集成可控硅驱动器件，这是一种集成的带有光耦合的双向可控硅驱动电路。它内部集成了发光二极管、双向可控硅和过零触发电路器件。它的内部结构和外部引脚如图4所示。它由输入和输出两部分组成。输入部分是一个砷化镓发光二极管，在5~15mA正向电流的作用下发出足够强度的红外光去触发输出部分。输出部分包括一个硅光敏双向可控硅和过零触发器。在红外线的作用下，双向可控硅可双向导通，与过零触发器一起输出同步触发脉冲，去控制执行机构——外部的双向可控硅TLC336A。

图4　 MOC3041内部结构和外部引脚图

2．4　其它电路介绍

　　（1）报警部分：显示报警的有电源状态、加热状态、保温状态和上档状态4个，只需在单片机（AT89C52）的P1.4—P1.7分别接上4只发光二极管，单片机（AT89C52）即可根据不同的情况输出相应的状态。因而，报警部分是非常简单的：只需4只发光二极管就可以了。
　　（2）显示部分：这部分也很简单：4个显示器采用七段数码管做显示；而两块锁存驱动芯片74LS374也很普通，一块用来锁存驱动段控口，一块用来驱动位选口。
　　（3）应用部分：可以采用加热器（电热炉等），或直接用于烤箱等，可根据不同的需要采用不同的电子仪器。系统总的电路图如图5所示。

图5　系统总电路图

3． 系统软件设计

　　软件采用模块化设计方式，将各个功能分成独立的模块，由系统和监控程序一起管理执行。本装置的软件包括主程序、键盘处理子程序、显示子程序、温度设定子程序以及有关DS1820的程序（初始化子程序、写程序和读程序等）。
　　主程序完成的功能是：启动DS1820测量温度，将测量温度与给定值比较，若TX≤TL，则进入加热阶段，置P3.1为低电平。在该过程中继续对所需测量的温度进行监测，当TX≥TH时，置P3.1为高电平，断开可控硅，关闭加热器，等待下一次的启动命令。全部的工作软件流程图情况如下：

图6 总流程图　　　　　　　　　　　　　　　 图7 显示子程序（DISPLAY）

图8　自检子程序（ZIJIAN）　　　　　图9　温度范围确定子程序（TESTRANGE）

图10　 转换TH（TURNTH）子程序　　　 图11 读取温度子程序（GET_TEMP）

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图12　传送温度子程序（SETTHTTL） 图13　读上下限温度子程序（READTHTL）

图14　 键功能程序（KEY）


4．结 束 语

　　该温度控制系统采用了一些较新的芯片和较先进的设计方法，电路工作性能稳定，反应快、控制功能强。经过一段时间的实用，效果良好，它可以大批量的生产，广泛被使用。

参 考 文 献

1．孙江宏、李玉良：电路设计与应用[M]　北京：机械工业出版社 2001.2
2．金庆发： 传感器技术与应用[M]　北京：机械工业出版社　 2002.1
3．何立民：MCS-51系列单片机应用系统设计系统配置与接口技术[M]　北京： 北京航空航天大学出版社　 1990
4．余永权：FLASH单片机原理及应用[M]　北京： 电子工业出版社　 1997