1 引言
溫度是生產(chǎn)過(guò)程和科學(xué)試驗(yàn)中普遍且重要的物理參數(shù)。在工業(yè)生產(chǎn)中,為了高效生產(chǎn),必須對(duì)生產(chǎn)過(guò)程中的主要參數(shù),如溫度、壓力、流量、速度等進(jìn)行有效控制。其中溫度控制在生產(chǎn)過(guò)程中占有相當(dāng)大的比例。準(zhǔn)確地測(cè)量和有效地控制溫度是優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、低耗和安全生產(chǎn)的主要條件。
2 系統(tǒng)概述
整個(gè)溫度控制系統(tǒng)主要由計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)(上位機(jī))、單片機(jī)測(cè)控系統(tǒng)(下位機(jī))、溫度傳感器組、功率加熱系統(tǒng)等部分組成。系統(tǒng)采用了模塊化的設(shè)計(jì)思想,組建方式靈活,并可利用多塊單片機(jī)測(cè)控系統(tǒng)組合的方法增加測(cè)量點(diǎn),具有良好的擴(kuò)展性。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。
溫度測(cè)量采用高精度的溫度傳感器PT100獲得物體當(dāng)前溫度,經(jīng)過(guò)低功耗、低輸入失調(diào)電壓、線(xiàn)性好的OP07A進(jìn)行信號(hào)放大,送至8051F350內(nèi)部高速率24位A/D轉(zhuǎn)換器,根據(jù)系統(tǒng)設(shè)定的目標(biāo)溫度(由上位機(jī)發(fā)送)和控制范圍,通過(guò)6路PWM控制加熱器的工作狀況,使物體達(dá)到目標(biāo)溫度并且保持恒溫狀態(tài)。同時(shí)可以利用單片機(jī)內(nèi)部的Flash存儲(chǔ)器把各通道設(shè)定的溫度、系統(tǒng)參數(shù)存儲(chǔ)起來(lái)。當(dāng)系統(tǒng)斷電或復(fù)位后,可以繼續(xù)運(yùn)行,增強(qiáng)了系統(tǒng)的抗干擾性能。
3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
3.1 主控電路
溫度采集監(jiān)控系統(tǒng)的主控電路采用高性能、功能強(qiáng)大的8051F350。 8051F350是由Cygnal公司推出的完全集成的混合信號(hào)系統(tǒng)級(jí)芯片(SoC),具有CIP-51微控制器內(nèi)核,與MCS51指令集完全兼容;機(jī)器周期由標(biāo)準(zhǔn)的12個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘降為1個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期,處理能力大大提高,峰值速度可達(dá)25 MI/s;內(nèi)部集成了構(gòu)成單片機(jī)數(shù)據(jù)采集或控制系統(tǒng)所需要的幾乎所有模擬和數(shù)字外設(shè)及其他功能元件(包括PGA、ADC、DAC、電壓比較器、電壓基準(zhǔn)、溫度傳感器、SMBus/I2C、UART、SPI、定時(shí)器、可編程計(jì)數(shù)器/定時(shí)器陣列、內(nèi)部振蕩器、看門(mén)狗定時(shí)器以及電源監(jiān)視器等)。
3.2 溫度采集測(cè)量電路
溫度采集測(cè)量部分采用高精度、重復(fù)性好、應(yīng)用廣泛的PT100作為采樣電阻;信號(hào)放大部分采用低功耗、低輸入失調(diào)電壓、線(xiàn)性好的OP07A;A/D模塊采用8051F350內(nèi)部的高速率24位A/D轉(zhuǎn)換器。溫度采集測(cè)量電路如圖2所示,圖中PT100是高精度溫度傳感器,Z1是
3.6 V穩(wěn)壓管,起保護(hù)作用。
3.3 串行通信電路
串行通信采用壓差傳輸?shù)?u style="color: rgb(51, 51, 51) !important;">CAN總線(xiàn),它具有傳輸距離遠(yuǎn)、抑止共模干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),通信速率可達(dá)1 Mb/s。CAN總線(xiàn)通信接口集成了CAN協(xié)議的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層功能,可完成對(duì)通信數(shù)據(jù)的成幀處理,包括位填充、數(shù)據(jù)塊編碼、循環(huán)冗余檢驗(yàn)、優(yōu)先級(jí)判別等。數(shù)據(jù)段長(zhǎng)度最多為8個(gè)字節(jié),可滿(mǎn)足通常工業(yè)領(lǐng)域中控制命令、工作狀態(tài)及測(cè)試數(shù)據(jù)的一般要求。同時(shí),8個(gè)字節(jié)不會(huì)占用總線(xiàn)時(shí)間過(guò)長(zhǎng),從而保證了通信的實(shí)時(shí)性。CAN協(xié)議采用CRC檢驗(yàn)并可提供相應(yīng)的錯(cuò)誤處理功能,保證了數(shù)據(jù)通信的可靠性。在整個(gè)溫度測(cè)控系統(tǒng)中,采用CAN總線(xiàn)作為數(shù)據(jù)通信線(xiàn)路,測(cè)溫模塊安裝在距離測(cè)量點(diǎn)較近地范圍內(nèi),這樣,來(lái)自傳感器的接線(xiàn)就比較短,從而減少了干擾。
3.4 功率控制模塊
P10~P15輸出6路PWM波,通過(guò)光電隔離和RC濾波電路控制可控硅模塊的輸入控制電壓,改變可控硅模塊的導(dǎo)通角,從而改變輸出功率。功率控制模塊電路如圖3所示,其中P10,P10分別是一路PMW,通過(guò)改變它們的高低電平比例來(lái)改變控制電壓K0和K1,從而控制加熱器的功率。
4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
整個(gè)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)包括兩部分:計(jì)算機(jī)軟件(上位機(jī))和單片機(jī)軟件。其中,計(jì)算機(jī)軟件主要完成設(shè)定溫度、監(jiān)控系統(tǒng)當(dāng)前溫度和標(biāo)定系統(tǒng)。單片機(jī)軟件完成A/D采集、串口通信和功率模塊控制。
上位機(jī)軟件采用LabWindows/CVI編寫(xiě),它將功能強(qiáng)大、使用靈活的C語(yǔ)言平臺(tái)和用于數(shù)據(jù)采集分析和顯示的測(cè)控專(zhuān)業(yè)工具有機(jī)地結(jié)合起來(lái),利用它的集成化開(kāi)發(fā)環(huán)境、交互式編程方法、函數(shù)面板和豐富的庫(kù)函數(shù)大大增強(qiáng)了C語(yǔ)言的功能,為建立測(cè)試系統(tǒng)、自動(dòng)測(cè)試環(huán)境、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、過(guò)程監(jiān)控系統(tǒng)等應(yīng)用軟件提供了一個(gè)理想的軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境??梢悦撾xLabwindows/CVI開(kāi)發(fā)環(huán)境運(yùn)行,用戶(hù)最終看見(jiàn)的是和實(shí)際儀器面板相類(lèi)似的操作面板。板卡與PC機(jī)通過(guò)RS-232串口線(xiàn)連接。
下位機(jī)程序框圖如圖4所示。系統(tǒng)上電后,下位機(jī)程序可使單片機(jī)不停地采集溫度,當(dāng)上位機(jī)向下位機(jī)發(fā)出命令置位采集標(biāo)志位時(shí),下位機(jī)采集的溫度送到上位機(jī)的面板并顯示,再將所采集的溫度數(shù)據(jù)同預(yù)先所設(shè)定的溫度值相比較,當(dāng)采集的溫度小于設(shè)定溫度時(shí),根據(jù)采集的溫度值跟設(shè)定溫度差值的大小,單片機(jī)的P10~P15引腳輸 出6路PWM,通過(guò)光電隔離TLP521-2和RC濾波電路控制可控硅模塊的輸入控制電壓,改變可控硅模塊的導(dǎo)通角,從而改變輸出功率。隨著采集到的溫度值越來(lái)越接近設(shè)定溫度值,單片機(jī)輸出的PWM值越來(lái)越大,導(dǎo)通角越來(lái)越小,輸出的功率也相應(yīng)變小,直到采集的溫度等于設(shè)定溫度時(shí),導(dǎo)通角完全關(guān)斷。同時(shí)下位機(jī)也可隨時(shí)響應(yīng)串口中斷,便于用戶(hù)通過(guò)上位機(jī)設(shè)置或修改設(shè)定溫度和控制范圍。
5 結(jié)束語(yǔ)
本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用高精度溫度傳感器和低輸入失調(diào)電壓、線(xiàn)性好的運(yùn)算放大器組成信號(hào)調(diào)理電路,同時(shí)采用24位的A/D采集模塊,可使系統(tǒng)測(cè)量精度達(dá)0.02℃,控制精度達(dá)0.5℃,滿(mǎn)足用戶(hù)對(duì)溫度控制的要求。采用功能強(qiáng)大的8051F350單片機(jī)作為控制核心,減少了系統(tǒng)對(duì)外圍器件的需求,簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì),提高了可靠性,同時(shí)也降低了成本。