【正文】 基于單片機(jī)的恒溫箱智能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案1 引言近年來為了保證產(chǎn)品的質(zhì)量，各個行業(yè)行為規(guī)范就越來越高，眾多機(jī)械類、醫(yī)藥類、化工類、建筑類等工業(yè)和企業(yè)都離不開恒溫箱的使用；為了確保恒溫箱許多主要技術(shù)的指標(biāo)可以達(dá)到國家技術(shù)所要求的規(guī)定，必須對其進(jìn)行檢測，保證產(chǎn)品的質(zhì)量[1]。本系統(tǒng)所設(shè)計(jì)、研發(fā)的數(shù)字恒溫箱能非常好地解決這些問題。溫度的控制系統(tǒng)是自動控制系統(tǒng)較為復(fù)雜的控制，其控制的滯后性是整個系統(tǒng)中最難克服的難題，因?yàn)闇囟鹊淖兓羌儨蟓h(huán)節(jié)，而溫度的控制也是一個慣性大，應(yīng)變慢的控制對象[2]。在溫度的控制系統(tǒng)中一般用到的是較為先進(jìn)的控制系統(tǒng)理論和控制算法。本系統(tǒng)中采用了PID算法，其算法應(yīng)用到了系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)中，對整個加熱過程使用模糊PID控制方案，對于加熱過程中所產(chǎn)生的各種干擾和恒溫箱的慣性問題都進(jìn)行了分析[3]。恒溫箱的智能控制系統(tǒng)采用半導(dǎo)體集成溫度傳感器滿足溫度測量要求，溫度傳感器將采集的溫度信號轉(zhuǎn)換成電流信號，然后再由轉(zhuǎn)換電路將電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，通過放大電路和模/數(shù)轉(zhuǎn)換芯片將電壓信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，由單片機(jī)處理后，將測量得到的溫度值顯示于液晶顯示器上。系統(tǒng)的全部輸入輸出控制集中由單片機(jī)統(tǒng)一管理,各有關(guān)運(yùn)行參數(shù)的設(shè)定，可通過鍵盤輸入，設(shè)定溫度、箱溫實(shí)時值在液晶顯示模塊上顯示，操作方便。該系統(tǒng)具有實(shí)時溫度顯示和溫度設(shè)定功能，還具有溫度上、下限報警和自動控制功能。當(dāng)溫度高于或低于設(shè)定值一定程度時，發(fā)出生光報警，消除由于單片機(jī)系統(tǒng)意外失控所造成的危險，提高了恒溫箱工作的可靠性和使用安全性。設(shè)計(jì)任務(wù)為：用單片機(jī)設(shè)計(jì)一個控制溫度范圍在30℃～80℃的智能溫度控制系統(tǒng)。設(shè)計(jì)要求：完成該系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)，學(xué)習(xí)掌握單片機(jī)采集測控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，提高學(xué)習(xí)新知識、新技能的能力，培養(yǎng)獨(dú)立設(shè)計(jì)的能力。2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析 系統(tǒng)功能分析恒溫箱的智能控制系統(tǒng)由核心處理模塊、溫度采集模塊、鍵盤輸入模塊、液晶顯示模塊、及控制執(zhí)行模塊等組成。本控制系統(tǒng)有以下功能及指標(biāo)： 溫度控制設(shè)定波動范圍小于177。1%，測量精度小于177。1%，控制精度小于177。2%； 實(shí)現(xiàn)功能：可以升溫、控溫； 溫度實(shí)時顯示； 按鍵輸入，設(shè)定可控制范圍內(nèi)任意溫度值； 溫度上、下限越限報警。根據(jù)以上控制系統(tǒng)要求，可得出恒溫箱的智能控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖，如圖21所示。圖21 恒溫箱的智能控制系統(tǒng)工作框圖 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案確定恒溫箱的智能控制系統(tǒng)采用半導(dǎo)體集成溫度傳感器對溫度進(jìn)行檢測，并將溫度信號轉(zhuǎn)換成電流信號，然后通過電流—電壓轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為電壓信號，通過放大電路最終通過模/數(shù)轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，經(jīng)單片機(jī)處理后，各個檢測信號、控制信號、顯示信號通過單片機(jī)的I/O接口傳輸，并顯示于液晶顯示器上。 溫度傳感器的選擇采用集成半導(dǎo)體溫度傳感器AD590。AD590是一種2端集成電路式半導(dǎo)體傳感器，輸出電流與它所受的溫度成線性關(guān)系。溫度傳感器具有重復(fù)性好、精度高等特點(diǎn)，其測量溫度范圍為：55℃～+150℃，線性度177。℃，電壓范圍：+4V—+30V，低功耗。AD590具有標(biāo)準(zhǔn)化的輸出，固有的線性關(guān)系[6]。對于本系統(tǒng)要求對恒溫箱的溫度實(shí)現(xiàn)實(shí)時和快速控制，DS18B20在速度上滿足不了要求，所以溫度傳感器采用AD590。 A/D轉(zhuǎn)換器的選擇采用高精度A/D轉(zhuǎn)換器。TLC2543是11個模擬輸入端的12位開關(guān)電容逐次逼近模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，具有轉(zhuǎn)換快、穩(wěn)定性好、與微處理器接口簡單等優(yōu)點(diǎn)。TLC2543的主要特性如下：66ksps的采樣速率；最大轉(zhuǎn)換時間為10μS；SPI串行接口；線性度誤差最大為177。1LSB；低供電電流(1mA典型值)；掉電模式電流為4μA。本系統(tǒng)要求控制精度較高，且占用單片機(jī)的接口較多。而TLC2543精度高，且與單片機(jī)接口簡單，所以A/D轉(zhuǎn)換器采用TLC2543。 控制元件的選擇恒溫箱控制系統(tǒng)的執(zhí)行元件是電熱絲，電熱絲的供電電源為市電交流220V，其功率對于單片機(jī)來說非常大，單片機(jī)不能直接控制的，所以，我們還要解決電熱絲的供電的控制方案。采用晶閘管對電熱絲的供電進(jìn)行控制。晶閘管的優(yōu)缺點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)： （1）功率放大倍數(shù)可達(dá)幾十萬倍；（2）控制靈敏，反應(yīng)快；（3）損耗小，效率高；（4）體積小，重量輕；（5）改善了工作條件，維護(hù)方便。 缺點(diǎn)：（1）過載能力弱；（2）抗干擾能力差；（3）導(dǎo)致電網(wǎng)電壓波形畸變；（4）控制電路比較復(fù)雜[8]。綜上所述，選用晶閘管作為電熱絲供電的控制元件。 單片機(jī)的選擇基于系統(tǒng)要求，系統(tǒng)所用的單片機(jī)選擇了AT89C52。AT89C52是美國ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓，高性能CMOS 8位單片機(jī)，片內(nèi)含8k bytes可反復(fù)擦寫的只讀程序存儲器（EPROM）和256bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，與標(biāo)準(zhǔn)MCS－51指令系統(tǒng)及8052產(chǎn)品引腳兼容，片內(nèi)置通用8位中央處理器（CPU）和Flash存儲單元，功能強(qiáng)大AT89C52單片機(jī)適合于許多較為復(fù)雜控制應(yīng)用場合，可為許多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高性價比的解決方案.3 系統(tǒng)硬件的分析與設(shè)計(jì)單片機(jī)系統(tǒng)的硬件和軟件的結(jié)合是一個非常嚴(yán)格的過程，對于一個系統(tǒng)，硬件的設(shè)計(jì)不是一成不變的，不一定只有一種方案才能實(shí)現(xiàn)，但是每個模塊都有一個最佳的設(shè)計(jì)方案，我們要綜合考慮如何搭配各個方案，選擇哪一種方案更好，不僅要考慮一個系統(tǒng)的精度，還要從成本上考慮等很多方面的問題。恒溫箱以AT89C52為CPU組成單片機(jī)系統(tǒng)，負(fù)責(zé)輸入信號的處理和輸出信號的控制。用溫度傳感器檢測箱內(nèi)溫度，由于溫度傳感器的輸出信號很微弱，需經(jīng)過放大電路放大，再由模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，經(jīng)單片機(jī)處理，將溫度值顯示在液晶顯示器上。為了確保恒溫箱工作可靠和使用安全，在輸出中設(shè)置報警接口。 直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)直流穩(wěn)壓電源電路原理電子設(shè)備一般都需要直流電源供電。這些直流電大多數(shù)都采用把交流電（AC）轉(zhuǎn)變成直流電（AD）的穩(wěn)壓電源的方法。直流的穩(wěn)壓電源有電源變換的電路、整流的電路、濾波的電路、穩(wěn)壓的電路和負(fù)載的電路五部分組成，其原理框圖如圖31所示。電網(wǎng)提供的交流電壓U1（220V，50Hz）經(jīng)變壓器的降壓后，得到電路所需的電壓U2，然后用整流電路轉(zhuǎn)換成大小隨時間變化、方向不變脈動電壓U3，接著用濾波器過濾去交流分量，就得到了比較平直直流電壓U4。但這樣的直流輸出電壓，還會隨交流電網(wǎng)電壓的波動或負(fù)載的變動而變化。在對直流供電要求較高的場合，還需要使用穩(wěn)壓電路，以保證輸出直流電壓更加穩(wěn)定，這樣就得到了比較穩(wěn)定直流電壓U0。圖31 直流穩(wěn)壓電源電路原理框圖電源變換電路一般由變壓器或阻容分壓電路來完成；整流電路主要是利用二極管的單向?qū)щ娦缘脑恚瑢⒔涣麟妷鹤兓癁閱蜗蛎}動電壓；濾波電路是利用電容的充放電儲能原理，將波動變化大的脈動電壓濾波成較平滑的電壓；穩(wěn)壓電路是直流穩(wěn)壓電源的核心，因?yàn)檎鳛V波之后的電壓雖然已是直流電壓，但它還是隨輸入電網(wǎng)的波動而變化，是一種電壓