水浴恒溫控制儀表的設計

【摘 要】 本論文介紹一種以AT89S52單片機為核心具有A/D轉(zhuǎn)換器、數(shù)碼管顯示、鍵盤輸入等功能的水浴恒溫控制儀表。該控制儀表可以實現(xiàn)對變送后的傳感器信號進行處理并顯示，實現(xiàn)測控。該控制儀表具有顯示與調(diào)節(jié)功能，遠遠高于一般的數(shù)字電位器，可廣泛用于生產(chǎn)過程控制等場合。其中，信號輸入通道采用A/D方式實現(xiàn)對被測量模擬量的數(shù)字化，既經(jīng)濟又能滿足分辨率要求。本設計設計了一路PT100直接測溫輸入通道，在工業(yè)現(xiàn)場中可以用于采集溫度信號，設置不同的參數(shù)便可以進行數(shù)據(jù)處理。輸出控制信號有兩種方式：繼電器輸出控制和D/A輸出控制。鍵盤顯示接口模塊采用HD7279，實現(xiàn)了設定值的連續(xù)輸入和溫度數(shù)據(jù)實時顯示。軟件部分采用適用的PID算法，能夠滿足大多數(shù)控制系統(tǒng)的控制要求，實現(xiàn)數(shù)字化控制。

【關鍵詞】 A/D PT100 單片機 D/A PID

Abstract ： This paper introduces a kind of AT89S52 SCM as the core in with A/D converter， digital tube display， keyboard input functions such as water bath temperature control instrument.

1.智能儀表及其特點

水浴恒溫控制儀表是一種智能儀表，智能儀表是一類新型的電子儀器，它由傳統(tǒng)的儀表發(fā)展而來，但與傳統(tǒng)的儀表有很大的區(qū)別。

回顧電子儀表的發(fā)展過程，從使用器件來看，它經(jīng)歷了真空管時代、晶體管時代和集成電路時代；若從儀表原理來看，它經(jīng)歷了三代：

第一代是模擬電子儀表，比如大量的線圈式電流表、電壓表和功率表等等均是模擬式儀表，這一代儀表功能簡單，精度低，響應速度快。

第二代是數(shù)字式儀表，它的基本原理是將模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，結(jié)果以數(shù)字形式輸出顯示。它精度高，速度快，讀數(shù)清晰，直觀，容易與計算機相連。同時數(shù)字信號便于遠距離傳輸。

第三代是智能儀表，它是在數(shù)字化的基礎上用計算機裝備起來的，它是計算機與數(shù)字儀表相結(jié)合的產(chǎn)物。它具有數(shù)據(jù)存儲、邏輯運算的能力，可自動補償、自動校正、自動診斷。微處理的出現(xiàn)，引起了儀表的巨大的發(fā)展。

智能儀表具有如下新特點和新功能：校零功能在每次采樣后對傳感器的輸出值自動校零，從而大大降低了因漂移變化造成的誤差；量程的自動切換功能可根據(jù)測量值和控制值的大小改變測量范圍和控制范圍，在保證測量和控制范圍的同時提高分辨率；復雜控制規(guī)律利用微處理器不僅可以實現(xiàn)經(jīng)典的PID控制，還可以實現(xiàn)各種復雜的控制規(guī)律，例如，自適應技術、模糊控制等；自我診斷功能采用微處理器后，可以對測控系統(tǒng)進行監(jiān)控，一旦發(fā)現(xiàn)故障則立即進行報警，并可顯示故障部位或可能的故障原因，對排出故障的方法進行提示。

2.智能儀表的基本的要求和發(fā)展趨勢

為了盡可能的提高性能價格比，應該在滿足性能指標的要求下，追求最小的成本。因此，要盡可能選用簡單的設計方案和廉價常用的器件。盡可能硬件軟件化，來最大程度上減少成本。

任何設備無論在原理上如何先進，功能上如何全面，精度如何高，若可靠性差，故障頻繁，不能在所使用的環(huán)境和條件下正常運行，則該設備就沒有使用價值，更談不上經(jīng)濟效益。因此在設計過程中應充分考慮系統(tǒng)所用的環(huán)境和條件。

在設計硬件和軟件時，應當考慮操作方便，盡量降低操作人員的專業(yè)知識的要求，以便產(chǎn)品的推廣應用。控制開關和按鈕應當方便好用，盡可能的減少。操作步驟簡單明了，操作者無需專門的訓練，便能掌握儀表的使用方法。

儀表還應該有很好的維護性。因此系統(tǒng)結(jié)構(gòu)要規(guī)范化、模塊化，并配有故障診斷程序，一旦發(fā)生故障，能夠有效的對故障進行定位，以便維修。

針對于某一特定的應用，設計專用功能的儀表，沒有必要實現(xiàn)太多的功能要想設計的儀表具有經(jīng)濟效益，就必須實現(xiàn)產(chǎn)品化，這樣可以促進所設計的儀表盡一步完善化。比如針對鍋爐控制設計三沖量儀表。

3.通用控制儀表組成及其功能描述

一般的控制儀表或控制設備均具有顯示和調(diào)節(jié)功能，即實測量的顯示功能和電位器調(diào)節(jié)設備功能。電位器作為一種模擬器件，具有連續(xù)調(diào)節(jié)能力，但容易出現(xiàn)接觸不良的問題，而且數(shù)字化發(fā)展方向吻合。目前雖有數(shù)字電位器可供選用，但分辨率普遍較低，抽頭數(shù)最高的如XICOR公司的X9110，只有1024個抽頭，即1024級，不能適應某種特殊要求。水浴恒溫控制儀表的研究正是基于這種背景。該水浴恒溫控制儀表具有顯示和調(diào)節(jié)功能，遠遠高于一般的數(shù)字電位器，而且是按鍵操作，克服了電位器旋鈕不能密封的固有缺陷，可廣泛應用于電位器調(diào)節(jié)的應用場合。

本設計調(diào)節(jié)器大致由以下部分組成：CPU、A/D、D/A、鍵盤、數(shù)碼管顯示、E2PROM存儲器、MAX232通信。

3.1 CPU部分

CPU選用AT89S52，選用的依據(jù)有：

I/O接口能力；串行通信方式；微處理器是否包含系統(tǒng)正常運行所需的功能部件，如WDT、A/D等。

鑒于目前大多數(shù)的微處理器內(nèi)含有A/D或D/A部件均不能達到本設計的分辨率要求，故采用外擴方式。而且，串行接口方式的A/D或D/A在各種嵌入式系統(tǒng)中應用越來越普遍，也易得到，故系統(tǒng)選用串行方式。因此，微處理器選用ATMEL的AT89S52。

3.2 A/D部分

設計A/D通道的目的在于被測的模擬量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字量以供處理和顯示。由于顯示刷新周期本身不高，通常為幾十毫秒以上，因此對被測模擬量的采樣和轉(zhuǎn)換的速度要求不高，從串行傳輸和光電隔離兩方面考慮，采用TLC1549實現(xiàn)對被測模擬量數(shù)據(jù)數(shù)字化，不失為一個好的途徑。

3.3 D/A部分

從性能和價格兩方面結(jié)合考慮，選擇12位的D/A的轉(zhuǎn)換芯片，考慮市場因素，最后選用DAC7513N，其特性可簡述為：

（1）低功耗，上電輸出為0；

（2）工作電壓范圍寬：+2.7V～+5.5V；

（3）建立時間為10μs；

（4）3線串行接口；

（5）兩種封裝：SOT23-8和MSOP-8。

3.4鍵盤顯示部分

按鍵共有5個，分為兩類：第一類，狀態(tài)設置按鍵，確認鍵，復用鍵（開啟菜單鍵和小數(shù)點移位鍵），菜單鍵；第二類，增加、減少等數(shù)字設定鍵。并可以驅(qū)動8為LED數(shù)碼管顯示，所以本設計可以用HD7279A進行驅(qū)動。

3.5 E2PROM存儲器

存儲器選擇了美國ATMEL公司的低功耗CMOS串行E2PROM AT24C01，它的存儲容量為256字節(jié)，工作電壓寬（2.5～5.5V），它的特點是擦寫次數(shù)多大于10000次、寫入速度快小于10ms。

3.6 MAX232通信

MAX232芯片是MAXIM公司生產(chǎn)的、包含兩路接收器和驅(qū)動器的IC芯片。MAX232芯片內(nèi)部都有一個電源電壓變換器，可以把輸入的+5V電源電壓變換成為RS232輸出電平所需的±10V電壓。所以，采用此芯片接口的串行通訊系統(tǒng)只需單一的+5V電源就可以了。對于沒有±12V的場合，其適應性更強。

小結(jié)

硬件設計：就熱電阻輸入通道的硬件設計機理作了研究，給出硬件原理圖，論述熱電阻接法的原理和實現(xiàn)方法；最后完成了微處理器外圍電路的設計；軟件設計：主要是主程序，A/D，按鍵、顯示，PID控制程序的設計等。

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（作者單位：黑龍江省伊春市西林鋼鐵集團有限公司計控處）