設(shè)計(jì)方案整體介紹
恒溫加熱器作為一種提供恒定溫度的設(shè)備，被廣泛地應(yīng)用于生產(chǎn)、生活、實(shí)驗(yàn)等領(lǐng)域。在醫(yī)用、水產(chǎn)、特種工業(yè)、工業(yè)探傷、照相等行業(yè)，需要有穩(wěn)定而的溫度進(jìn)行加熱，因而對(duì)恒溫加熱器需求量很大。
我們?cè)谶@里提出一種實(shí)用且精度較高的恒溫加熱器電路設(shè)計(jì)方案，僅使用一個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)和一個(gè)溫度傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的和智能控制，并可設(shè)定加熱溫度和恒溫加熱時(shí)間。該加熱器通過市電供電，無須電源，控制簡(jiǎn)單。可通過左、右向等2個(gè)按鈕對(duì)操作位進(jìn)行調(diào)整；通過加、減等2個(gè)按扭對(duì)控制量（溫度/加熱時(shí)間）進(jìn)行調(diào)整；通過啟動(dòng)/暫停鍵啟動(dòng)/暫停程序；通過溫度/時(shí)間轉(zhuǎn)換鍵轉(zhuǎn)換對(duì)溫度/時(shí)間調(diào)整。目前的設(shè)計(jì)可以滿足室溫到100℃的加熱條件，如果對(duì)該電路進(jìn)行商業(yè)化改造（如外觀設(shè)計(jì)、使用特種材料等），可以使該產(chǎn)品適用多種場(chǎng)合。
恒溫加熱器電路整體模塊
該恒溫加熱器主要由以下5個(gè)模塊構(gòu)成，溫度傳感器及信號(hào)處理電路、A/D轉(zhuǎn)換采樣電路、*控制電路、加熱電路、顯示設(shè)備、輸入設(shè)備。
*控制電路從輸入設(shè)備中讀入設(shè)定的加熱溫度、時(shí)間后，控制加熱電路開始加熱。溫度變化引起溫度傳感器上電壓的變換，經(jīng)過信號(hào)處理電路處理后送入A/D采樣電路。每隔時(shí)鐘周期，將信號(hào)完成A/D轉(zhuǎn)換后送入*控制電路的單片機(jī)中。當(dāng)被加熱物達(dá)到設(shè)定的溫度時(shí)，*控制電路輸出相應(yīng)的電平控制加熱電路斷開，加熱停止。如此反復(fù)，使被加熱物的溫度穩(wěn)定在所需要的溫度附近。
溫度傳感器及信號(hào)處理電路設(shè)計(jì)
溫度傳感器是恒溫加熱器實(shí)現(xiàn)高精度控制的關(guān)鍵。因此要求傳感器有很好的線性。同時(shí)為了大限度地提高可加熱范圍內(nèi)的溫度控制精度，要求溫度在 0℃—100℃變化時(shí)，對(duì)應(yīng)輸出電壓在0V—5V線性變化。（根據(jù)選用的ADC模擬輸入范圍不同對(duì)電路進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。）
AD590溫度感測(cè)器是一種已經(jīng)IC化的溫度感測(cè)器,它在-55℃——150℃溫域中有較好的線性度，其標(biāo)定精度因器件的檔次而異（常分為I，J，K，L，M五檔）其非線形誤差因檔次而異。I檔△T＜±3℃，M檔△T＜0.3℃，其余檔次在二者之間。 可以將溫度轉(zhuǎn)換為電流,通過外加電阻轉(zhuǎn)換和使用差動(dòng)放大使0℃—100℃溫度變化轉(zhuǎn)換到0V—5V的標(biāo)準(zhǔn)電壓。將轉(zhuǎn)換后的電壓輸入到ADC中，可以大限度地提高可控溫度的精度。
AD590輸出電流以溫度零度(-273℃)為基準(zhǔn),每增加1℃, 增加1μA輸出電流。因此，在室溫25℃時(shí)其輸出電流Io=(273+25)=298μA。Vo的值為Io×10K,若室溫為25℃, 則輸出值為2.98V=(10K×298μA)。
AD590的輸出電流I=(273+T)μA(T為攝氏溫度), 因此測(cè)量電壓V為(273+T)μA ×10K= (2.73+T/100)V。為了測(cè)量電壓需使輸出電流I不分流,我們使用電壓追隨器，使其輸出電壓V2等于輸入電壓V。
由于一般電源供應(yīng)較多元件之后,電源會(huì)帶雜訊。我們使用齊納二極管作為穩(wěn)壓元件, 利用可變電阻分壓, 使輸出電壓V1調(diào)整至2.73V。 接下來我們使用差動(dòng)放大器，使輸出Vo為 (50K/10K)×(V2-V1)=T/20V。若溫度為攝氏30度,則輸出電壓Vo為1.5V。
控制電路設(shè)計(jì)及軟件算法
經(jīng)信號(hào)處理后的電壓被送入A/D轉(zhuǎn)換芯片。由于80C51單片機(jī)是8位單片機(jī)且A/D轉(zhuǎn)換芯片低位存在量化誤差，應(yīng)使用10位或者12位并行A/D轉(zhuǎn)換芯片，取其高8位作為輸入。
由于8位多可以產(chǎn)生2的8次方共256個(gè)量化電平，每個(gè)數(shù)字量對(duì)應(yīng)的溫度為256/100=2.56數(shù)字量/℃。例如，當(dāng)溫度為30℃時(shí)數(shù)字量=30*2.56≈4CH。由此可將相應(yīng)的溫度轉(zhuǎn)化為編碼，在程序設(shè)計(jì)時(shí)作為溫度判定的標(biāo)準(zhǔn)。
C51系列單片機(jī)共有4個(gè)I/O接口（P0—P3），其中P3除了可以作為普通的I/O接口外還可以作為中斷控制，計(jì)數(shù)器輸入等。由于在本系統(tǒng)中，需要控制的外部設(shè)備比較多，所以會(huì)采用接口復(fù)用的方式。
由于在設(shè)置溫度、時(shí)間時(shí)，系統(tǒng)并不需要從A/D轉(zhuǎn)換芯片中讀取數(shù)據(jù)；在系統(tǒng)開始自動(dòng)加熱的過程中，也不能對(duì)溫度、時(shí)間設(shè)置進(jìn)行修改。所以可以將P0接口復(fù)用為輸入和A/D轉(zhuǎn)換芯片共用。使用2片74ls157完成多路復(fù)用，用P2接口的設(shè)置/工作狀態(tài)控制位的輸出作為74ls157的復(fù)用選擇信號(hào)，保證設(shè)置和A/D輸入不同時(shí)進(jìn)行。即使在出現(xiàn)誤操作的情況下也不會(huì)影響系統(tǒng)的正常工作。
溫度和時(shí)間顯示由4片LED七段數(shù)顯管連接4片七段譯碼器完成，使用P1接口作為輸出。其中P1低4位作為編碼輸出，高4位作為片選信號(hào)。通過依次選通各片七段譯碼器，即可以實(shí)現(xiàn)溫度和時(shí)間顯示。
P2接口作為控制輸出端。P2.0作為加熱控制位，當(dāng)其為高時(shí)，電子開關(guān)組接通，加熱開始；P2.1作為L(zhǎng)ED同步信號(hào)，使LED變化同步；P2.2作為設(shè)置/工作狀態(tài)控制位。為了標(biāo)志控制狀態(tài)，分別使用2個(gè)附加的LED與加熱控制狀態(tài)位、設(shè)置控制狀態(tài)位相連。
使用P3的一個(gè)中斷輸入，產(chǎn)生一個(gè)中斷將鍵盤碼送入單片機(jī)中。同時(shí)將P3的2個(gè)非中斷輸入作為設(shè)置/啟動(dòng)轉(zhuǎn)換健和溫度/時(shí)間設(shè)置轉(zhuǎn)換鍵，利用查詢方式檢測(cè)是否輸入。
在初始化中，將計(jì)時(shí)清零，控制電平默認(rèn)為高電平。數(shù)據(jù)輸入后，控制電平輸出，加熱電路接通，開始加熱。溫度達(dá)到或超過設(shè)定值，控制電平為低，暫停加熱；當(dāng)溫度回落到設(shè)定溫度以下控制電平為高，再次加熱，這樣即可實(shí)現(xiàn)恒溫。在框圖中，計(jì)時(shí)步驟要完成延遲和計(jì)時(shí)2個(gè)功能。在溫度未達(dá)到設(shè)定值以前，不計(jì)時(shí)，只完成延遲0.1s的功能，0.1s后跳轉(zhuǎn)到檢測(cè)溫度步驟繼續(xù)執(zhí)行。當(dāng)溫度次達(dá)到設(shè)定值，加熱階段結(jié)束，保溫階段開始，計(jì)時(shí)隨之開始，其具體實(shí)現(xiàn)為延遲結(jié)束后，計(jì)時(shí)變量加1，再跳轉(zhuǎn)到溫度檢測(cè)。以后每次執(zhí)行到計(jì)時(shí)步驟時(shí)，計(jì)時(shí)不停，無論控制電平是否為低（高）。計(jì)時(shí)過程中還可通過進(jìn)位以避免數(shù)據(jù)溢出。（其方法為當(dāng)計(jì)量0.1秒的變量滿10后清零且計(jì)量秒的變量加1。以此類推，后進(jìn)位到計(jì)量分鐘。）當(dāng)計(jì)時(shí)完成后，程序結(jié)束，控制電平為低，加熱停止。由此實(shí)現(xiàn)到秒的恒溫時(shí)間控制
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