基于鉑電阻的單片機溫度控制系統

山西中北大學機電工程學院 牟春陽 李世中

引言

隨著單片機技術的飛速發展，通過單片機對被控對象進行控制日益成為今后自動控制領域的一個重要發展方向，電流、電壓、溫度、壓力、流量、流速和開關量都是常用的主要被控參數。溫度控制是控制系統中最為常見的控制類型之一。在溫度控制系統中溫度傳感器的使用也是相當重要的，鉑電阻溫度傳感技術為溫度傳感領域的發展帶來了新的契機。它利用白金的電阻阻值在一定的溫度范圍內隨溫度呈基本線性變化的原理進行溫度的測量，可用于測量-2 00℃到800℃范圍內的溫度，具有穩定性好、測量范圍寬、精確度高、重復性好等諸多技術優勢。由于它的良好電輸出特性，鉑電阻元件可為顯示儀、記錄儀、控制器、掃描器、數據記錄儀以及計算機提供精確的輸入值。用微型瓷骨架繞上鉑電阻絲而制成的感溫元件，可以做得相當小（最小的外地人徑可做到φ1.6mm），因此可制成各種微型溫度傳感器探頭，也可以制成各種端面鉑電阻，用以測量各種固體表面的溫度，如配以不銹鋼保護管則可測量液體，蒸汽和各種氣體的溫度。

從17世紀初人們就開始利用溫度進行測量。20世紀初期，鉑電阻溫度傳感技術研制成功。20世紀90年代中期，隨著薄膜技術的引入，世界上的溫度傳感器主流生產廠家開發出了薄膜鉑電阻產品。

1 電路設計的整體思路

本設計使用AT89C52單片機作為主控芯片，采用鉑熱電阻進行溫度系統調節。硬件電路部分包括微處理器模塊、溫度控制模塊、A/D轉換模塊及顯示模塊和鍵盤部分，在溫度測量系統中，用鉑電阻傳感器進行溫度測量。鉑電阻具有非線性的缺點，因此在信號調理電路的基礎上加了負反饋非線性校正網絡。調理電路的輸出電壓經ADC0808轉換后送入單片機AT89C52；對采樣數據進行濾波及標度變換處理后，由數碼管顯示。4位輸入的設定值則由獨立式鍵盤電路進行調整，設定值送入單片機后由另一組數碼管顯示。整體電路框圖如圖1所示。

圖1 整體電路框圖

2 硬件電路設計

2.1 模糊控制

溫度控制系統具有非線性、時滯性的缺點。僅僅依靠過去的控制方式很難達到很好的控制效果，成本也較高。因此采用智能控制中的模糊控制可以有效解決溫度控制系統的這些問題。本系統的模糊控制也是由單片機的程序來實現。模糊控制的整個過程為：首先由鉑電阻傳感器獲取實際溫度，然后用實際溫度與需要的溫度進行比較，求出誤差和變化率，記過量化和限幅子程序的處理，查詢相關文獻得到控制量，然后由相關程序發出控制信號來控制加熱片及風扇工作。模糊控制基本原理圖如圖2所示：

圖2 模糊控制基本原理圖

此裝置的核心部分是模糊控制器(圖中虛線部分)，模糊控制器的輸入變量和輸出變量的確定：通常將模糊控制器輸入變量的個數稱為模糊控制器的維數。一般認為維數越高得到的效果越好，但是實現起來就越不容易，會遇到各種各樣問題。現在常見的是二維模糊控制器，結構圖如圖3所示。這種控制器以誤差和變化率為輸入變量，以控制量的變化為輸出變量。

圖3 二維模糊控制器結構圖

2.2 鉑電阻測溫調理電路

本系統采用恒流工作調理電路，鉑電阻選用標稱值為100Ω的Rt100作為溫度傳感器，其性能穩定，能夠在低至零下約260攝氏度至630攝氏度的溫度內運行，可作為溫度標準，溫度范圍比較廣。此電路運放采用型號為OP07C的低漂移運放，由于在電路中鉑電阻上有電流流過，當鉑電阻處于環境溫度為0攝氏度時，此電阻上有壓降，這就是鉑電阻的片偏置電壓，是運放A1輸出電壓的一部分，這一部分電壓使恒流工作調理電路的輸出實際溫度不為0，所以需要通過各種途徑對這個電壓調零。圖中電阻R3作用就是調零，由于鉑電阻有非線性的缺點，在0Ω到100Ω內非線性誤差為0.4%，這個誤差不是很大，對電路不會有多大的影響，但是由于在軟件編制過程中，對標度變換子程序中變換系數作了近似，使得這個誤差擴大接近0.8%，這樣的誤差對電路的影響很大，不能被忽略，所以加進了線性化電路，圖中運放A3及電阻R1、R4和R6一同構成了負反饋非線性校正網絡。R5用于調整運放A2的增益。

圖4 鉑電阻測溫調理電路

2.3 A/D接口電路

當鉑電阻傳感器置于所要檢測溫度的環境時，調理電路將根據阻值輸出相應的電壓值。將輸出電壓經通過ADC0808進行模數轉換為等價的數字信號。A/D轉換接口電路如圖5所示。

圖5 AID轉換接口電路

2.4 鍵盤輸入電路

在本系統中，采用獨立式鍵盤。從鍵盤輸入溫度設定值與鉑電阻傳感器所檢測的實際溫度值進行比較，求出系統的誤差與誤差變化率，供以后的模糊控制子程序使用。其中第1、2號鍵選用雙穩態開關，為后續鍵盤處理子程序的分支子程序提供便利。第3、4號鍵選用按鈕開關。在編寫鍵盤程序時得注意以下幾個問題：

（1）怎樣能夠盡量減少開關的使用壽命，以便提高其使用時間。

（2）怎樣更快更方便地給出設定值，以便與實際值進行快速比較。

（3）怎樣方便總體程序整體運行。

為此，采用4個鍵來搭建鍵盤電路，如圖6所示。

圖6 鍵盤輸入電路

轉入控制處理子程序運行由第一個鍵來判斷。在第一個鍵按下的前提下第二個鍵才開始起作用，用第二個鍵來判斷是十位進行加減操作，還是個位進行加減操作。第三個鍵為減1操作，第四個鍵為加1操作。為了進一步解決上面提出的兩個問題，將個位與十位的設定值均設置為5，如果加1操作結果等于11，給加1單元重賦5，如果減1操作結果等于0FFH，給減1單元重賦5。這樣，考慮最壞情況，即用鍵盤設置離初始值最遠的值；第一個鍵和第二個鍵的加入，也充分考慮了總程序的整體調度。

2.5 顯示電路

顯示電路采用兩個4位LED顯示數碼管，共陰極接法，P1接口最多可連接8個LED顯示器。為了提高其顯示亮度，通常加74LS05進行段控輸出驅動，與七段數碼管的段碼驅動輸入端相連，由于位控線的驅動電流比較大，八段全亮需要40～60mA，所以用三極管9012提高驅動能力，其集電極接七段數碼管的位碼驅動輸入端，三極管的發射極接地，將AT89C52的P3.0、P3.1、P3.2口分別與一個 2KΩ 的電阻相連，接到三極管的基極，用于驅動采樣值顯示數碼管，將AT89C52的P2.0、P2.1和P2.2口分別與一個2KΩ的電阻相連，接到三極管的基極，用于驅動設定值顯示數碼管。

2.6 溫度控制電路

本文是單片機通過利用PWM波來控制加熱的溫控電路，其電路圖如圖7所示，由兩級三極管放大電路組成，第一級放大采9014三極管，其放大倍數可達1000以上，而第二級采用大功率的達林頓管TIP122，當P3.4輸出低電平時，三極管導通，控制加熱片進行加熱。

圖7 溫控電路

3 系統的軟件設計

打開單片機電源開關讓單片機上電復位。啟動A/D轉換，將環境溫度（模擬量）轉換成數字量，為下一步的數字顯示做好準備；接著把單片機的各種參數進行初始化，調用數據采集子程序，并且將轉換后的數據進行濾波；再將濾波后的數據經溫度標度變換后送顯示數碼管進行顯示，我們可以從數碼管中看出環境的溫度，通過鍵盤我們可以改變設定值，此時，根據鍵盤掃描判斷S1鍵是否按下，S1鍵按下則會轉入鍵盤處理程序，沒有則調用誤差e處理子程序和誤差變化率ec處理子程序，將誤差e和誤差變化率ec進行量化，通過查模糊控制規則，得出占空比控制變化量U，采用不同的定時來改變繼電器的通斷，從而完成對加熱和風扇的控制。鉑電阻測控系統主程序流程圖如圖8所示。

圖8 鉑電阻測控系統的主程序流程圖

4 結論

在自動控制領域，對溫度控制的要求越來越高，由于溫度控制具有非線性、時滯性及不確定性，因此往往很難找到精確的方案去控制。本課題設計就是運用模糊控制采用鉑電阻溫度傳感器通過單片機AT89C52化工合成裝置進行控制，提高了準確性和工作效率，體現了模糊控制在溫度控制上的先進性和實用性。

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