摘要: 本文主要介紹了一種基于智能控制技術的新型溫控系統的硬件設計。設計了傳感器鉑電阻為本溫度控制系統提供溫度信號，經A/D轉換成數字信號送入微控制器中，通過微控制器及其接口電路，實現對溫度信號的顯示、判斷、決策及控制。最后系統輸出的適當控制量可調脈沖控制可控硅電路。通過可控硅調功對被控對象電阻爐的加熱，實現系統對被控對象電阻爐的溫度控制，以達到系統所要求的精度。
關鍵字: 傳感器；可控硅；溫度控制；A/D
1 引言
在鋼鐵、機械、石油化工、電力、工業爐窯等工業生產中，溫度是極為普遍又極為重要的熱工參數之一。溫度控制一般指對某一特定空間的溫度進行控制調節，使其達到并滿足工藝過程的要求。在本文中，主要研究對特定空間(電阻爐)的溫度進行高精度控制。采用九點控制器算法進行溫度控制，達到了很好的控制效果。
2 控制系統的硬件實現
控制系統硬件電路的組成由同步過零檢測電路、溫度信號檢測及可控硅觸發電路、時鐘芯片等組成，結構框圖如圖1所示，以單片機機為核心，數據采集由鉑電阻經補償放大后送至A/D轉換，調功部分由過零觸發電路及可控硅完成。
圖1 系統結構框圖
3 溫度傳感器的設計
本系統采用PT100熱電阻為測溫器件，PT100熱電阻是一種廣泛應用的測溫元件，在-50℃~600℃范圍內具有其他任何溫度傳感器無可比擬的優勢，包括高精度、穩定性好、抗干擾能力強等。由于鉑熱電阻的電阻值與溫度成非線性關系，所以本模塊需要進行非線性校正，一般的模塊采用模擬電路校正，這種校正的精度不高，而且溫漂等受干擾的程度也比較大。
熱電阻溫度傳感器是利用導體或半導體的電阻率隨著溫度值變化而變化的原理制成的，實現了將溫度變化轉化為元件電阻的變化。它主要用于對溫度和溫度有關參數檢測與控制。鉑熱電阻具有測溫范圍大、穩定性好、示值復現性高和耐氧化等特點，常被用來作為國際標準溫度計。鉑電阻的非線性特征按照國際電工委員會的鉑熱電阻技術標準，鉑電阻Pt100在0℃~650℃范圍內，符合TTS-90的國際分度表函數R(t)可用式(1)表示
式中 
分別是t℃和0℃時的鉑電阻阻值，
。很顯然，上述表達式中，鉑電阻阻值R0與溫度t之間的關系為非線性的。
4 功率輸出電路及其控制原理分析
4.1 功率輸出電路
加熱絲輸出功率大小的調節，可以使用移相調壓電路，也可以采用占空比開關電路進行控制。在采用移相調壓電路時，即將計算得到的控制量經D/A變換，控制可控硅的移相觸發電路，實現輸出電壓的無級調節。由于電壓輸出波形的不完整，含有高次諧波分量，對電網有一定的干擾。
采用占空比開關電路控制，即考慮可控硅控制電壓和被控的交流電壓之間以及電熱絲產生的熱量和所加的電壓之間的非線性，通過調節周期時間內的通電時間來調節輸出功率的大小，可以避免D/A轉換和信號放大造成的不必要的誤差，也可以通過可控硅的過零觸發電路避免對電網的諧波干擾。在本系統中采用占空比開關電路控制，功率輸出電路設計如圖3所示。
圖3 功率輸出電路
MOC3041是一種過零觸發光電偶合芯片，用來實現BTA12雙向可控硅的過零觸發。R11的作用是限制流過MOC3041的輸出端的電流不超過其允許的最大重復浪涌電流。
4.2控制原理分析
本系統采用晶閘管過零觸發調功方式，為能精確控制晶閘管的導通時間，利用同步變壓器和電壓比較器LM311組成正弦交流電的正半波過零檢測電路，它在交流電每一個正半周的起始零點處產生上升沿，并在正半周回零處產生一個下降沿，通過可重復觸發集成單穩態觸發器MC14528，單穩態輸出的兩路窄脈沖再疊加，就得到100Hz的過零脈沖，脈沖寬度可由MC14528的外接電阻和外接電容調節。這一串矩形脈沖序列輸至控制器 C8051F020的中斷口，在方波的上跳沿或下跳沿時刻產生IRQ中斷，用于觸發可控硅進行同步移相，從而通過計算脈沖的個數控制晶閘管通斷的周期時間。過零檢測電路如圖4所示。
圖4 過零檢測電路
晶閘管在正弦電壓過零點觸發導通。這樣負載上得到的電壓為一正弦波，電壓每次過零時，晶閘管是否導通是可控的。因而這種方式避免了調壓方式缺點，且晶閘管導通功耗小，運行可靠。調功方式輸入電阻爐的平均功率為:
在(5)式中，P為輸入電阻爐的功率;R為負載有效電阻;U為電網電壓:n為允許導通的波頭數，N為設定的波頭數。
5 單片機接口電路的設計
5.1 微處理器的選擇與A/D轉換設計
本系統設計中采用工業級全集成混合信號在片系統單片機系列中功能比較齊全的C8051F020微處理器，在片系統SOC(System On Chip)是一個全新的概念，是隨著半導體技術的不斷發展。集成度越來越高，對嵌入式控制技術的可靠性要求越來越高而產生的。雖然C8051F020自帶了A/D轉換器，但卻滿足不了式鉑電阻的線性校正的要求。所以在鉑電阻測溫電路線性設計的實現中，采用了4位半雙積分型A/D轉換器ICL7135。ICL7135每一個轉換周期分為三個階段:自動調零階段、被測電壓積分階段、對基準電壓UREF進行反積分階段。
處理器C8051F020的時鐘采用12MHz晶體，在不執行MOVX指令的情況下，ALE是穩定的2MHz頻率，經過4分頻可得到500kHz的穩定頻率，傳給ICL7135時鐘輸入端，則ICL7135的滿量程要求為19999,POL信號用來指示輸入電壓的極性。ICL7135在A/D轉換階段，狀態輸出引腳BUSY為高電平，指明A/D轉換器正處在信號積分和反積分階段，這個高電平一直持續到消除積分階段結束。在微控制器C8051F020中，利用BUSY作為計數器門控信號，在定時器方式寄存器TMOD中，置T1的門控位GATE為1，利用BUSY作為計數器門控信號，T1計數將受BUSY控制。控制計數器只能在BUSY為高電平時計數，那么輸入的信號值為A/D轉換值=BUSY高電平期間內計數器計數值-10001。
5.2 其他功能模塊的介紹
1、電源模塊
因為系統單片機的工作電壓范圍是2.7~3.6V，典型值為3V，本系統單片機及存儲器選用3.3 V供電，但目前很多基于8051的設計都用5V供電，很多外部設備也是采用5V電壓供電，采用電池供電又存在電壓不穩定的狀態，因此必須選擇合適的電源使之滿足要求。所以臺灣明偉公司生產的開關電源，有±5V輸出，供給需5V電源工作的模塊，再5V電壓經過穩壓濾波后得到3.3 V電壓給單片機C8051F020供電。另外，因為 C8051F020的I/O均可支持5V電壓輸入，固其與其他模塊電路接口由加5V電源的上拉電阻的電路組成。如圖5所示。
圖5 處理器電源電路
2、時鐘芯片DS 12887
在系統中通過讀取DS 12887寄存器中的實時時間值，送入LCD顯示，另外，因為DS 12887有114字節為非易失靜態RAM，其由內部電池供電，能保證十年不丟失，因此可用來存儲重要的設定參數。
3、液晶顯示模塊
人機接口模塊是用戶與控制器交互的橋梁，主要由鍵盤和顯示器組成。鍵盤實現對控制器參數的修改;顯示器用來顯示系統的各參數以及系統的運行狀態。點陣式LCD是新一代液晶顯示，可以通過液晶點陣的組合來顯示大量字符，顯示信息量很大。雖然它內部結構復雜，但已經做成顯示模塊，只需對這種點陣式液晶模塊進行控制，使用起來非常方便，本控制器使用的是內置T6963驅動器的TURLY M12864點陣式液晶屏。通過液晶屏可以直觀地顯示出系統當前的運行狀態、設定溫度以及當前檢測到的溫度。
4、鍵盤接口
本系統設計中，鍵盤接口采用4×4行列式矩陣鍵盤接口，采用查詢掃描的方式進行工作，行線和列線分別采用4根數據線。鍵盤有16個鍵，其中有0~9共10個數字鍵;上下左右，四個方向鍵;一個ENTER確定鍵，一個CANCEL取消鍵。
6 結 論
本文介紹了新型溫控系統的硬件電路設計。首先設計了系統用的傳感器鉑熱電阻及其調理電路，這是系統的模擬電路部分，也是控制信息的源頭，為本溫度控制系統提供了溫度電信號。然后把溫度電信號轉換成數字信號送入微控制器C8051F020中，通過微控制器及其接口電路，實現對溫度信號的顯示、判斷、決策及控制。
本文作者創新點:
通過可控硅調功對被控對象電阻爐的加熱，實現系統對被控對象電阻爐的溫度控制，以達到系統所要求的精度。