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高精度智能恒溫加熱器的設計

發表時間:2018-05-03 17:05作者:南京菲斯特

設計方案整體介紹
        恒溫加熱器作為一種提供恒定溫度的設備,被廣泛地應用于生產、生活、實驗等領域。在醫用、水產、特種工業、工業探傷、照相等行業,需要有穩定而精確的溫度進行加熱,因而對恒溫加熱器需求量很大。

         我們在這里提出一種實用且精度較高的恒溫加熱器電路設計方案,僅使用一個單片機系統和一個溫度傳感器實現對溫度的精確和智能控制,并可設定加熱溫度和恒溫加熱時間。該加熱器通過市電供電,無須專用電源,控制簡單??赏ㄟ^左、右向等2個按鈕對操作位進行調整;通過加、減等2個按扭對控制量(溫度/加熱時間)進行調整;通過啟動/暫停鍵啟動/暫停程序;通過溫度/時間轉換鍵轉換對溫度/時間調整。目前的設計可以滿足室溫到100℃的加熱條件,如果對該電路進行商業化改造(如外觀設計、使用特種材料等),可以使該產品適用多種場合。

恒溫加熱器電路整體模塊
該恒溫加熱器主要由以下5個模塊構成,溫度傳感器及信號處理電路、A/D轉換采樣電路、中央控制電路、加熱電路、顯示設備、輸入設備。
中央控制電路從輸入設備中讀入設定的加熱溫度、時間后,控制加熱電路開始加熱。溫度變化引起溫度傳感器上電壓的變換,經過信號處理電路處理后送入A/D采樣電路。每隔時鐘周期,將信號完成A/D轉換后送入中央控制電路的單片機中。當被加熱物達到設定的溫度時,中央控制電路輸出相應的電平控制加熱電路斷開,加熱停止。如此反復,使被加熱物的溫度穩定在所需要的溫度附近。

溫度傳感器及信號處理電路設計
溫度傳感器是恒溫加熱器實現高精度控制的關鍵。因此要求傳感器有很好的線性。同時為了最大限度地提高可加熱范圍內的溫度控制精度,要求溫度在 0℃—100℃變化時,對應輸出電壓在0V—5V線性變化。(根據選用的ADC模擬輸入范圍不同對電路進行適當調整。)
AD590溫度感測器是一種已經IC化的溫度感測器,它在-55℃——150℃溫域中有較好的線性度,其標定精度因器件的檔次而異(常分為I,J,K,L,M五檔)其非線形誤差因檔次而異。I檔△T<±3℃,M檔△T<0.3℃,其余檔次在二者之間。 可以將溫度轉換為電流,通過外加電阻轉換和使用差動放大使0℃—100℃溫度變化轉換到0V—5V的標準電壓。將轉換后的電壓輸入到ADC中,可以最大限度地提高可控溫度的精度。
AD590輸出電流以絕對溫度零度(-273℃)為基準,每增加1℃, 增加1μA輸出電流。因此,在室溫25℃時其輸出電流Io=(273+25)=298μA。Vo的值為Io×10K,若室溫為25℃, 則輸出值為2.98V=(10K×298μA)。
AD590的輸出電流I=(273+T)μA(T為攝氏溫度), 因此測量電壓V為(273+T)μA ×10K= (2.73+T/100)V。為了測量電壓需使輸出電流I不分流,我們使用電壓追隨器,使其輸出電壓V2等于輸入電壓V。
由于一般電源供應較多元件之后,電源會帶雜訊。我們使用齊納二極管作為穩壓元件, 利用可變電阻分壓, 使輸出電壓V1調整至2.73V。 接下來我們使用差動放大器,使輸出Vo為 (50K/10K)×(V2-V1)=T/20V。若溫度為攝氏30度,則輸出電壓Vo為1.5V。

控制電路設計及軟件算法

經信號處理后的電壓被送入A/D轉換芯片。由于80C51單片機是8位單片機且A/D轉換芯片最低位存在量化誤差,應使用10位或者12位并行A/D轉換芯片,取其高8位作為輸入。
由于8位最多可以產生2的8次方共256個量化電平,每個數字量對應的溫度為256/100=2.56數字量/℃。例如,當溫度為30℃時數字量=30*2.56≈4CH。由此可將相應的溫度轉化為編碼,在程序設計時作為溫度判定的標準。
C51系列單片機共有4個I/O接口(P0—P3),其中P3除了可以作為普通的I/O接口外還可以作為中斷控制,計數器輸入等。由于在本系統中,需要控制的外部設備比較多,所以會采用接口復用的方式。
由于在設置溫度、時間時,系統并不需要從A/D轉換芯片中讀取數據;在系統開始自動加熱的過程中,也不能對溫度、時間設置進行修改。所以可以將P0接口復用為輸入和A/D轉換芯片共用。使用2片74ls157完成多路復用,用P2接口的設置/工作狀態控制位的輸出作為74ls157的復用選擇信號,保證設置和A/D輸入不同時進行。即使在出現誤操作的情況下也不會影響系統的正常工作。
溫度和時間顯示由4片LED七段數顯管連接4片七段譯碼器完成,使用P1接口作為輸出。其中P1低4位作為編碼輸出,高4位作為片選信號。通過依次選通各片七段譯碼器,即可以實現溫度和時間顯示。
P2接口作為控制輸出端。P2.0作為加熱控制位,當其為高時,電子開關組接通,加熱開始;P2.1作為LED同步信號,使LED變化同步;P2.2作為設置/工作狀態控制位。為了標志控制狀態,分別使用2個附加的LED與加熱控制狀態位、設置控制狀態位相連。
使用P3的一個中斷輸入,產生一個中斷將鍵盤碼送入單片機中。同時將P3的2個非中斷輸入作為設置/啟動轉換健和溫度/時間設置轉換鍵,利用查詢方式檢測是否輸入。
在初始化中,將計時清零,控制電平默認為高電平。數據輸入后,控制電平輸出,加熱電路接通,開始加熱。溫度達到或超過設定值,控制電平為低,暫停加熱;當溫度回落到設定溫度以下控制電平為高,再次加熱,這樣即可實現恒溫。在框圖中,計時步驟要完成延遲和計時2個功能。在溫度未達到設定值以前,不計時,只完成延遲0.1s的功能,0.1s后跳轉到檢測溫度步驟繼續執行。當溫度第一次達到設定值,加熱階段結束,保溫階段開始,計時隨之開始,其具體實現為延遲結束后,計時變量加1,再跳轉到溫度檢測。以后每次執行到計時步驟時,計時不停,無論控制電平是否為低(高)。計時過程中還可通過進位以避免數據溢出。(其方法為當計量0.1秒的變量滿10后清零且計量秒的變量加1。以此類推,最后進位到計量分鐘。)當計時完成后,程序結束,控制電平為低,加熱停止。由此實現精確到秒的恒溫時間控制。


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