数字式智能温度控制器的研究7

1、第2期2008年4月工矿自动化Industry and Mine Automation文章编号:1671251X(200802-0132-03数字式智能温度控制器的研究王任远,沈占彬(平顶山工业职业技术学院,河南平顶山467001摘要:针对常规温度测量方法的缺陷,文章介绍了一种数字式智能温度控制器的设计方案。该控制器采用低功耗单片机MCS80C51进行检测与控制,选用DSl820数字式传感器对温度进行采样和转换,通过执行机构对温度进行调节控制,实现了传感器与单片机和可控硅的有机结合,增强了电路的可靠性,提高了测温精度。关键词:数字式温度控制器;单片机;传感器;MCS80C51;DSl820中图

2、分类号:TP212.11文献标识码:B0引言在温度测控领域,一般采用常规的测量方法,当检测精度要求较高时,调理电路复杂、A/D的转换位数增高,使系统的成本居高不下,很难普及。随着电子技术的发展,出现了很多功能完备的低功耗、低电压大规模集成电路,为设计高精度测控系统提供了硬件基础。因此,笔者设计了一种数字式智能温度控制器,该控制器采用低功耗测试设备MCS80C51单片机进行检测与控制,采用DSl820对温度进行采样和转换,由执行机构完成对温度的控制,测温精度达到0.1。I控制器工作原理首先,温度传感器DSl820对温度进行采样和转换,将测量的n结果送给单片机,单片机将输入的温度值与内部指定单元的

3、给定温度值T进行比较,根据比较结果,执行机构可控硅对加热源的开断状态进行控制。由于水的惯性大,在控温过程中采用了开关控制。也可采用经典的FID控制算法实现上述功能。控制器工作原理框图如图1所示。2硬件设计控制器主电路如图2所示。控制器以MCSSOC51为核心,采用新型单片数字温度传感器DSl820测量温度,双向可控硅驱动电路MOC3041收稿日期:20071019作者简介:王任远(1967-.男.河南许昌人,副教授,现主要从事教学与研究工作。和双向可控硅TLC336A(图中T。组成输出控制通道。此外,还有键盘/显示电路、报警输出电路等。系统结构紧凑,性能稳定。图1智能温度控制器工作原理框图DS

4、l820是美国DALLAS半导体公司生产的可组网数字式温度传感器,在其内部使用了在板(0NBOARD专利技术。全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内。DSl820测温原理如图3所示。图3中低温度系数晶振的振荡频率受温度影响很小,用于产生固定频率的脉冲信号送给计数器I。高温度系数晶振随温度变化其振荡频率明显改变,所产生的信号作为计数器2的脉冲输入。计数器1和温度寄存器被预置在一55所对应的一个基数值。计数器1对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数,当计数器1的预置值减到0时,温度寄存器的值将加1,计数器1的预置值将重新被装入,计数器1重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行

5、计数,如此循环直到计数器2计数到0时,停止温度寄存器值的累加,此时温度寄存器中的数值即为所测温度。图3中的斜率累加器用于补偿和修正测温过2008年第2期王任远等:数字式智能温度控制器的研究133鬯低温度系数晶振斜率累加器计数器1图2控制器主电路图驯亟司I L置S位B/清除查里垦墨塾鱼堡H生塑墨!I图3DSl820测温原理框图程中的非线性,其输出用于修正计数器1的预置值。在正常测温情况下,DSl820的测温分辩率为0.5,以9位数据格式表示,其中最低有效位(LSB由比较器进行0.25比较,当计数器1中的余值转化成温度后低于0.25时,清除温度寄存器的最低位(LSB,当计数器1中的余值转化成温度后

6、高于0.25,置位温度寄存器的最低位(LSB。DSl820正常使用时的测温分辨率为0.5,采取直接读取DSl820内部暂存寄存器的方法,可将DSl820的测温分辨率提高到0.1O.01。DSl820内部暂存寄存器的分布如表1所示,其中第7字节存放的是当温度寄存器停止增值时计数器1的计数剩余值,第8字节存放的是每度所对应的计数值,这样,就可以通过下面的方法获得高分辨率的温度测量结果:首先用DSl820提供的读暂存寄存器指令(BEH读出以0.5为分辨率的温度测量结果,然后切去测量结果中的最低有效位(LSB,得到所测实际温度整数部分T整教,然后再用BEH 指令凑取计数器1的计数剩余值M翻余和每度计数

7、值M每魔,考虑到DSl820测量温度的整数部分以0.25、0.75为进位界限的关系,实际温度T宴际可用下式计算得到:T宴环一(T整数一0.25+(M每度一M剩余/M每度表1DSl820暂存寄存器分布表寄存器内容字节地址寄存器内容字节地址温度最低数字位0保留5温度最高数字位1计数剩余值6高温限值2每度计数值7低温限值3CRC校验8保留4表2为采用直接读取测温结果方法和采用计算方法得到的测温数据比较表,通过比较可以看出,计算方法在DSl820测温中不仅是可行的,而且可以大大地提高DSl820的测温分辨率。采用Motorola公司推出的单片集成可控硅驱动器件MOC3041对输出进行驱动和控制。 13

8、4工矿自动化2008年4月MOC3041组成的过零触发双向可控硅电路简单可靠,如图2中所示。表2DSl820直读与计算测温结果数据比较表该部分的工作过程:当MCs80C51单片机的P3.1口输出为低电平时,MOC3041内部导通,T。的G端出现同步触发脉冲,控制可控硅导通,打开加热器;当P3.1为高电平时,MOC3041内部截止,可控硅断开,关闭加热器。3软件设计控制器软件包括主程序、键盘处理程序、显示子程序、温度设定子程序以及有关DSl820的程序(初始化子程序、写程序和读程序等。限于篇幅,仅介绍主程序。主程序完成的功能:启动DSl820测量温度,将测量值与给定值比较,若瓦TL,则进入加热阶

9、段,置P3.1为低电平。在该过程中继续对水温进行监测,当TxTH时,置P3.1为高电平,断开可控硅,关闭加热器,等待下一次的启动命令。主程序流程如图4所示。开始初始化二工二读h、h二工二送显示二工二开放外中断调读温度子程序茎垫耋里重J 题图4主程序流程图4实现的功能(1实时显示温度,系统精度为0.5。(2控制温度,默认的设定温度为上次设定温度。低于或等于下限温度时加热,高于或等于上限温度时保温,设定时上限比下限大2。(3用按键可随时修改上下限温度。(4通过报警器件输出报警。(5系统可以手动或上电复位。复位时先自检,接着显示上次的设定温度值(上限值。正常工作时显示温度值,状态灯显示当前系统状态。

10、1号键:温度设定/确定设定;2号键:上档/显示设定温度;3号键:上升/下降;4号键:右移/左移。在没有按1号键的情况下按3、4号键无效。按1号键后为设定温度操作,当前设定位闪烁,按3号键为加减,4号键为移位。上档时3、4号键分别为上升、右移;反之为下降及左移。上档时标志灯亮,再次按1号键时为确定设定。在没有设定温度时,按2号键为显示所设定的温度;在设定时为上档/下档键,按奇次为上档,按偶次为下档。温度设定的范围为2125,分为3个区域,分别为29、1099和100125。当最高位为1时,第2位及第3位的最大值分别为2、5;当第1位及第2位都为0时,第3位的最低值为2。5结语该温度控制器采用DSl820对温度进行测量与转换,并通过MCS80C51单片机对温度进行比较,通过执行机构控制加热源的通断状态,使温度测量更为精确,同时也为其它场合的精密温度测量提供了极好的应用借鉴。总之,数字温度传感器实现了传感器与单片机和可控硅的完美组合,打破了传统的设计