浅论单片机在温控系统中的应用

ar2004

浅论单片机在温控系统中的应用




　　[论文关键词]单片机 温度 控制  
　　[论文摘要]以单片机为基础，分别以轿车温控系统和贮液容器温控系统为例，阐述单片机在温控系统中的应用原理。  
　  
　　一、单片机在贮液容器温控系统中的应用  
　　该系统中以贮液容器温度为被控参数，蒸汽流量为控制参数，输入贮液容器冷物料的初温为前馈控制，构成前馈一反馈控制系统。发挥前馈控制和反馈控制的各自优势，将可测而不可控的干扰由前馈控制克服，其他干扰由反馈控制克服，从而达到控制贮液容器温度。满足工艺要求的目的。  
　　（一）硬件设计。选单片机AT89C51为主机，配以两路传感变送器、多路开关、A／D转换器、D／A转换器、V／I转换器、调节阀等实现对贮液容器温度的自动控制，同时还设有报警电路、键盘和显示电路。系统在稳态时，贮液容器的温度恒定在工艺要求的数值不变。当冷物料的初始温度与其设定值相比发生变化时，如果变化很小，将完全由前馈控制来克服这一变化给系统带来的影响；如果变化大，前馈控制不能完全克服这一变化给系统带来的影响，反馈控制则开始动作。当冷物料的初始温度不变，而由其他干扰引起贮液容器的温度发生变化时，只有反馈控制动作，最终使系统重新达到稳态。  
　　1．前向通道的设计  
　　采用JUMU90系列的温度传感变送器，其输入范围为：0℃～500℃，输出为4mA～20mA(DC)，测量精度为0.5％．选用10位逐次逼近式A／D转换芯片AD571[2]，接收到有效的CONV ERT命令后，内部的逐次逼近寄存器从最高位开始顺次经电流输出的DAC在比较器上与模拟量经5k8电阻所产生的电流相比较。检测完所有位后，SAP中包含转换后的10位二进制码。转换完成后，SAP发出DR信号(低电平有效)，单片机查询到DR=0时，便使其打开三态缓冲器输出数据。  
　　2．后向通道的设计  
　　(1)D／A转换器的设计。为了满足系统的精度要求，选用10位的D／A转换器DAC1020。由于其内部不带有锁存器，所以必须通过I／O 口才能与AT89C51单片机连接，又由于AT89C51的字长是8位的，一次操作只能传输8位数据．因此AT89C51必须进行两次操作才能把一个完整的10位数据送到AC1020。为了使10位数据能够同时送人DAC1020，避免输出电压波形出现毛刺现象，故必须采用双缓冲器方式。AT89C51先把高2位数据输出到74LS74(1)，接着把低8位数据输出到74LS377，与此同时74LS377的片选信号也作为74LS74(2)的时钟脉冲，把74IS74(1)的内容打人74LS74(2)中，从而使一个完整的数据同时到达DAC1020的数据输入端．这样就消除了DAC输出端的毛刺现象。  
　　(2)执行器及调理电路的设计。系统中选用的是ZMAN 16BG，ZGICr18Ni9Ti型号的对数流量特性的调节阀。阀的输入信号为气信号，而D／A转换器的输出为Ov～5 V的电压信号．所以在D／A转换器和调节阀之间要加一个V／I转换器和一个电气阀门定位器，将0v～5v的电压信号先转换成4mA～20mA的电流信号后，再将4mA～20mA的电流信号转换成0．02MPa～0．1MPa的气信号。使调节阀接收气信号而工作。  
　　（二）软件设计。经分析，系统软件可采用结构化模块程序设计，主要有系统主程序、看门狗中断服务程序、键盘扫描子程序、显示子程序、报警子程序、A／D转换子程序、D／A转换子程序、PID数据处理子程序、BCD码转换子程序。 
主程序开始后，先对单片机AT89C51和8155芯片进行初始化，接下来是开中断，调用键盘扫描子程序，选通多路模拟开关的1号通道，将采集的数据送人A／D转换器转换后传入单片机。若温度越限就报警处理，否则直接处理后送显示，再选通多路模拟开关的2号通道，将采集的数据送人A／D转换器转换后送人单片机进行总的运算处理，输出给D／A转换器变成模拟信号去改变调节阀的开度。  
　　  
　　二、单片机在汽车空调温控系统中的应用 

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　　（一）硬件系统。本系统选用ATMEL公司的AT89系列单片机中的AT89C52，AT89C52单片机是一种新型的低功耗、高性能且内含8K字节闪电存储器的8位CMOS微控制器，与工业标准MCS一51指令系列和引脚完全兼容。有超强的加密功能，其片内闪电存储器的编程与擦除完全用电实现，数据不易挥发，编程／擦除速度快。AT89C52芯片内部有6个中断源：两个外部中断INTO和INT1．三个定时器中断(定时器0，1，2)和一个串行口中断。在本系统中涉及到AT89C52芯片的中断源有五个：分别是外部中断INT1，定时／计数器T0，T1和T2以及串行口中断。本测控系统采用电平激活方式，也即是INT1=0；一旦INT1引脚的采样值为低电平，则TCON寄对于定时器TO和Tl，通过寄存器TMOD，TCON来控制和选择定时／计数器的功能和操作模式。这些寄存器的内容靠软件设置，系统复位时，寄存器的所有位都被清零。而T2的工作是靠对T2CON寄存器进行软件设置而定义的。本系统采用定时TO来计算车厢温度采集的时间间隔，设置为工作方式1，即l6位计数定时方式：定时Tl作波特率发生器使用，选择在工作方式2，即8位自动加载方式；定时器T2用于确定混合风门步进电机输入脉冲的频率，设置位l6位常数自动重装人的工作方式。  
　　当采用12MHz的晶振时，计数速率为lMHz．微机串口通常采用RS232电平，而单片机串口是1TrL电平，二者不兼容。所以，接口必须做电平转换处理。采用MAXIM公司的MAX232电平转换芯片。单片机串行口的TXD，RXD和GND经电平转换分别与微机的RXD，TXD和SG相连，MAX232电平转换芯片的第9，10引脚分别接单片机的l0和11引脚。DB9串口的第2，3引脚分别接MAX232电平转换芯片的7，8引脚。通过MAX232的TTL电平和RS232的输入／输出端口，自动地调节了单片机串口的TTL电平信号和RS232的串行通信信号的电平匹配。数据发送是由一条写发送寄存器(SBUF)的指令开始，随后在串行口由硬件自动加人起位和停止位，构成一个完整的帧格式，然后在移位脉冲的作用下，由TXD端串行输出。一个字符帧发送完后。使TXD输出线维持在“1”状态下，并将串行控制寄存器SCON的TI位置“1”，通知CPU可以接着发送下一个字符。  
　　（二）软件系统。轿车空调智能温控系统的工作模式分为“正常运行模式”、“软关机模式”、“手动控制模式”和“自动控制模式”。系统上电时，软件进人上电自检状态，这时系统会首先从监控芯片x25045读入上次断电前存人EEPROM的系统状态信息，初始化各个中断并恢复空调控制器到上次关机前状态。经过上电初始化，智能温控系统会恢复到上次关机前的“正常运行模式”。此时，通过温度调节按键可以设定需要的温度值，温度传感器定时检测车厢温度，显示器显示温度设定值和温度测量值，混合风门的开度会根据温差和温差变化自动调节，温控系统能够与PC机通过串口通讯交换数据。按一下“ON／OFF”键，可使温控系统进入“软关机模式”。此时，系统不能再进行温度检测、温度设定和串行通讯，显示器熄灭，混合风门步进电机停止运转。  
　　  
　　参考文献：  
　　[1]李华，MCS一51系列单片机实用接口技术[M]．北京：北京航空航天大学出版社．1993．306405．  
　　[2]唐艳，AT89C52单片机在轿车空调温度控制系统中的应用[M].农业装备与车辆工程.2007.9.  
　　[3]何立民，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，1990.