基于铂电阻的单片机温度控制系统

山西中北大学机电工程学院 牟春阳 李世中

引言

随着单片机技术的飞速发展，通过单片机对被控对象进行控制日益成为今后自动控制领域的一个重要发展方向，电流、电压、温度、压力、流量、流速和开关量都是常用的主要被控参数。温度控制是控制系统中最为常见的控制类型之一。在温度控制系统中温度传感器的使用也是相当重要的，铂电阻温度传感技术为温度传感领域的发展带来了新的契机。它利用白金的电阻阻值在一定的温度范围内随温度呈基本线性变化的原理进行温度的测量，可用于测量-2 00℃到800℃范围内的温度，具有稳定性好、测量范围宽、精确度高、重复性好等诸多技术优势。由于它的良好电输出特性，铂电阻元件可为显示仪、记录仪、控制器、扫描器、数据记录仪以及计算机提供精确的输入值。用微型瓷骨架绕上铂电阻丝而制成的感温元件，可以做得相当小（最小的外地人径可做到φ1.6mm），因此可制成各种微型温度传感器探头，也可以制成各种端面铂电阻，用以测量各种固体表面的温度，如配以不锈钢保护管则可测量液体，蒸汽和各种气体的温度。

从17世纪初人们就开始利用温度进行测量。20世纪初期，铂电阻温度传感技术研制成功。20世纪90年代中期，随着薄膜技术的引入，世界上的温度传感器主流生产厂家开发出了薄膜铂电阻产品。

1 电路设计的整体思路

本设计使用AT89C52单片机作为主控芯片，采用铂热电阻进行温度系统调节。硬件电路部分包括微处理器模块、温度控制模块、A/D转换模块及显示模块和键盘部分，在温度测量系统中，用铂电阻传感器进行温度测量。铂电阻具有非线性的缺点，因此在信号调理电路的基础上加了负反馈非线性校正网络。调理电路的输出电压经ADC0808转换后送入单片机AT89C52；对采样数据进行滤波及标度变换处理后，由数码管显示。4位输入的设定值则由独立式键盘电路进行调整，设定值送入单片机后由另一组数码管显示。整体电路框图如图1所示。

图1 整体电路框图

2 硬件电路设计

2.1 模糊控制

温度控制系统具有非线性、时滞性的缺点。仅仅依靠过去的控制方式很难达到很好的控制效果，成本也较高。因此采用智能控制中的模糊控制可以有效解决温度控制系统的这些问题。本系统的模糊控制也是由单片机的程序来实现。模糊控制的整个过程为：首先由铂电阻传感器获取实际温度，然后用实际温度与需要的温度进行比较，求出误差和变化率，记过量化和限幅子程序的处理，查询相关文献得到控制量，然后由相关程序发出控制信号来控制加热片及风扇工作。模糊控制基本原理图如图2所示：

图2 模糊控制基本原理图

此装置的核心部分是模糊控制器(图中虚线部分)，模糊控制器的输入变量和输出变量的确定：通常将模糊控制器输入变量的个数称为模糊控制器的维数。一般认为维数越高得到的效果越好，但是实现起来就越不容易，会遇到各种各样问题。现在常见的是二维模糊控制器，结构图如图3所示。这种控制器以误差和变化率为输入变量，以控制量的变化为输出变量。

图3 二维模糊控制器结构图

2.2 铂电阻测温调理电路

本系统采用恒流工作调理电路，铂电阻选用标称值为100Ω的Rt100作为温度传感器，其性能稳定，能够在低至零下约260摄氏度至630摄氏度的温度内运行，可作为温度标准，温度范围比较广。此电路运放采用型号为OP07C的低漂移运放，由于在电路中铂电阻上有电流流过，当铂电阻处于环境温度为0摄氏度时，此电阻上有压降，这就是铂电阻的片偏置电压，是运放A1输出电压的一部分，这一部分电压使恒流工作调理电路的输出实际温度不为0，所以需要通过各种途径对这个电压调零。图中电阻R3作用就是调零，由于铂电阻有非线性的缺点，在0Ω到100Ω内非线性误差为0.4%，这个误差不是很大，对电路不会有多大的影响，但是由于在软件编制过程中，对标度变换子程序中变换系数作了近似，使得这个误差扩大接近0.8%，这样的误差对电路的影响很大，不能被忽略，所以加进了线性化电路，图中运放A3及电阻R1、R4和R6一同构成了负反馈非线性校正网络。R5用于调整运放A2的增益。

图4 铂电阻测温调理电路

2.3 A/D接口电路

当铂电阻传感器置于所要检测温度的环境时，调理电路将根据阻值输出相应的电压值。将输出电压经通过ADC0808进行模数转换为等价的数字信号。A/D转换接口电路如图5所示。

图5 AID转换接口电路

2.4 键盘输入电路

在本系统中，采用独立式键盘。从键盘输入温度设定值与铂电阻传感器所检测的实际温度值进行比较，求出系统的误差与误差变化率，供以后的模糊控制子程序使用。其中第1、2号键选用双稳态开关，为后续键盘处理子程序的分支子程序提供便利。第3、4号键选用按钮开关。在编写键盘程序时得注意以下几个问题：

（1）怎样能够尽量减少开关的使用寿命，以便提高其使用时间。

（2）怎样更快更方便地给出设定值，以便与实际值进行快速比较。

（3）怎样方便总体程序整体运行。

为此，采用4个键来搭建键盘电路，如图6所示。

图6 键盘输入电路

转入控制处理子程序运行由第一个键来判断。在第一个键按下的前提下第二个键才开始起作用，用第二个键来判断是十位进行加减操作，还是个位进行加减操作。第三个键为减1操作，第四个键为加1操作。为了进一步解决上面提出的两个问题，将个位与十位的设定值均设置为5，如果加1操作结果等于11，给加1单元重赋5，如果减1操作结果等于0FFH，给减1单元重赋5。这样，考虑最坏情况，即用键盘设置离初始值最远的值；第一个键和第二个键的加入，也充分考虑了总程序的整体调度。

2.5 显示电路

显示电路采用两个4位LED显示数码管，共阴极接法，P1接口最多可连接8个LED显示器。为了提高其显示亮度，通常加74LS05进行段控输出驱动，与七段数码管的段码驱动输入端相连，由于位控线的驱动电流比较大，八段全亮需要40～60mA，所以用三极管9012提高驱动能力，其集电极接七段数码管的位码驱动输入端，三极管的发射极接地，将AT89C52的P3.0、P3.1、P3.2口分别与一个 2KΩ 的电阻相连，接到三极管的基极，用于驱动采样值显示数码管，将AT89C52的P2.0、P2.1和P2.2口分别与一个2KΩ的电阻相连，接到三极管的基极，用于驱动设定值显示数码管。

2.6 温度控制电路

本文是单片机通过利用PWM波来控制加热的温控电路，其电路图如图7所示，由两级三极管放大电路组成，第一级放大采9014三极管，其放大倍数可达1000以上，而第二级采用大功率的达林顿管TIP122，当P3.4输出低电平时，三极管导通，控制加热片进行加热。

图7 温控电路

3 系统的软件设计

打开单片机电源开关让单片机上电复位。启动A/D转换，将环境温度（模拟量）转换成数字量，为下一步的数字显示做好准备；接着把单片机的各种参数进行初始化，调用数据采集子程序，并且将转换后的数据进行滤波；再将滤波后的数据经温度标度变换后送显示数码管进行显示，我们可以从数码管中看出环境的温度，通过键盘我们可以改变设定值，此时，根据键盘扫描判断S1键是否按下，S1键按下则会转入键盘处理程序，没有则调用误差e处理子程序和误差变化率ec处理子程序，将误差e和误差变化率ec进行量化，通过查模糊控制规则，得出占空比控制变化量U，采用不同的定时来改变继电器的通断，从而完成对加热和风扇的控制。铂电阻测控系统主程序流程图如图8所示。

图8 铂电阻测控系统的主程序流程图

4 结论

在自动控制领域，对温度控制的要求越来越高，由于温度控制具有非线性、时滞性及不确定性，因此往往很难找到精确的方案去控制。本课题设计就是运用模糊控制采用铂电阻温度传感器通过单片机AT89C52化工合成装置进行控制，提高了准确性和工作效率，体现了模糊控制在温度控制上的先进性和实用性。

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