摘要: 本文主要介绍了一种基于智能控制技术的新型温控系统的硬件设计。设计了传感器铂电阻为本温度控制系统提供温度信号，经A/D转换成数字信号送入微控制器中，通过微控制器及其接口电路，实现对温度信号的显示、判断、决策及控制。最后系统输出的适当控制量可调脉冲控制可控硅电路。通过可控硅调功对被控对象电阻炉的加热，实现系统对被控对象电阻炉的温度控制，以达到系统所要求的精度。
关键字: 传感器；可控硅；温度控制；A/D
1 引言
在钢铁、机械、石油化工、电力、工业炉窑等工业生产中，温度是极为普遍又极为重要的热工参数之一。温度控制一般指对某一特定空间的温度进行控制调节，使其达到并满足工艺过程的要求。在本文中，主要研究对特定空间(电阻炉)的温度进行高精度控制。采用九点控制器算法进行温度控制，达到了很好的控制效果。
2 控制系统的硬件实现
控制系统硬件电路的组成由同步过零检测电路、温度信号检测及可控硅触发电路、时钟芯片等组成，结构框图如图1所示，以单片机机为核心，数据采集由铂电阻经补偿放大后送至A/D转换，调功部分由过零触发电路及可控硅完成。
图1 系统结构框图
3 温度传感器的设计
本系统采用PT100热电阻为测温器件，PT100热电阻是一种广泛应用的测温元件，在-50℃~600℃范围内具有其他任何温度传感器无可比拟的优势，包括高精度、稳定性好、抗干扰能力强等。由于铂热电阻的电阻值与温度成非线性关系，所以本模块需要进行非线性校正，一般的模块采用模拟电路校正，这种校正的精度不高，而且温漂等受干扰的程度也比较大。
热电阻温度传感器是利用导体或半导体的电阻率随着温度值变化而变化的原理制成的，实现了将温度变化转化为元件电阻的变化。它主要用于对温度和温度有关参数检测与控制。铂热电阻具有测温范围大、稳定性好、示值复现性高和耐氧化等特点，常被用来作为国际标准温度计。铂电阻的非线性特征按照国际电工委员会的铂热电阻技术标准，铂电阻Pt100在0℃~650℃范围内，符合TTS-90的国际分度表函数R(t)可用式(1)表示
式中 
分别是t℃和0℃时的铂电阻阻值，
。很显然，上述表达式中，铂电阻阻值R0与温度t之间的关系为非线性的。
4 功率输出电路及其控制原理分析
4.1 功率输出电路
加热丝输出功率大小的调节，可以使用移相调压电路，也可以采用占空比开关电路进行控制。在采用移相调压电路时，即将计算得到的控制量经D/A变换，控制可控硅的移相触发电路，实现输出电压的无级调节。由于电压输出波形的不完整，含有高次谐波分量，对电网有一定的干扰。
采用占空比开关电路控制，即考虑可控硅控制电压和被控的交流电压之间以及电热丝产生的热量和所加的电压之间的非线性，通过调节周期时间内的通电时间来调节输出功率的大小，可以避免D/A转换和信号放大造成的不必要的误差，也可以通过可控硅的过零触发电路避免对电网的谐波干扰。在本系统中采用占空比开关电路控制，功率输出电路设计如图3所示。
图3 功率输出电路
MOC3041是一种过零触发光电偶合芯片，用来实现BTA12双向可控硅的过零触发。R11的作用是限制流过MOC3041的输出端的电流不超过其允许的最大重复浪涌电流。
4.2控制原理分析
本系统采用晶闸管过零触发调功方式，为能精确控制晶闸管的导通时间，利用同步变压器和电压比较器LM311组成正弦交流电的正半波过零检测电路，它在交流电每一个正半周的起始零点处产生上升沿，并在正半周回零处产生一个下降沿，通过可重复触发集成单稳态触发器MC14528，单稳态输出的两路窄脉冲再叠加，就得到100Hz的过零脉冲，脉冲宽度可由MC14528的外接电阻和外接电容调节。这一串矩形脉冲序列输至控制器 C8051F020的中断口，在方波的上跳沿或下跳沿时刻产生IRQ中断，用于触发可控硅进行同步移相，从而通过计算脉冲的个数控制晶闸管通断的周期时间。过零检测电路如图4所示。
图4 过零检测电路
晶闸管在正弦电压过零点触发导通。这样负载上得到的电压为一正弦波，电压每次过零时，晶闸管是否导通是可控的。因而这种方式避免了调压方式缺点，且晶闸管导通功耗小，运行可靠。调功方式输入电阻炉的平均功率为:
在(5)式中，P为输入电阻炉的功率;R为负载有效电阻;U为电网电压:n为允许导通的波头数，N为设定的波头数。
5 单片机接口电路的设计
5.1 微处理器的选择与A/D转换设计
本系统设计中采用工业级全集成混合信号在片系统单片机系列中功能比较齐全的C8051F020微处理器，在片系统SOC(System On Chip)是一个全新的概念，是随着半导体技术的不断发展。集成度越来越高，对嵌入式控制技术的可靠性要求越来越高而产生的。虽然C8051F020自带了A/D转换器，但却满足不了式铂电阻的线性校正的要求。所以在铂电阻测温电路线性设计的实现中，采用了4位半双积分型A/D转换器ICL7135。ICL7135每一个转换周期分为三个阶段:自动调零阶段、被测电压积分阶段、对基准电压UREF进行反积分阶段。
处理器C8051F020的时钟采用12MHz晶体，在不执行MOVX指令的情况下，ALE是稳定的2MHz频率，经过4分频可得到500kHz的稳定频率，传给ICL7135时钟输入端，则ICL7135的满量程要求为19999,POL信号用来指示输入电压的极性。ICL7135在A/D转换阶段，状态输出引脚BUSY为高电平，指明A/D转换器正处在信号积分和反积分阶段，这个高电平一直持续到消除积分阶段结束。在微控制器C8051F020中，利用BUSY作为计数器门控信号，在定时器方式寄存器TMOD中，置T1的门控位GATE为1，利用BUSY作为计数器门控信号，T1计数将受BUSY控制。控制计数器只能在BUSY为高电平时计数，那么输入的信号值为A/D转换值=BUSY高电平期间内计数器计数值-10001。
5.2 其他功能模块的介绍
1、电源模块
因为系统单片机的工作电压范围是2.7~3.6V，典型值为3V，本系统单片机及存储器选用3.3 V供电，但目前很多基于8051的设计都用5V供电，很多外部设备也是采用5V电压供电，采用电池供电又存在电压不稳定的状态，因此必须选择合适的电源使之满足要求。所以台湾明伟公司生产的开关电源，有±5V输出，供给需5V电源工作的模块，再5V电压经过稳压滤波后得到3.3 V电压给单片机C8051F020供电。另外，因为 C8051F020的I/O均可支持5V电压输入，固其与其他模块电路接口由加5V电源的上拉电阻的电路组成。如图5所示。
图5 处理器电源电路
2、时钟芯片DS 12887
在系统中通过读取DS 12887寄存器中的实时时间值，送入LCD显示，另外，因为DS 12887有114字节为非易失静态RAM，其由内部电池供电，能保证十年不丢失，因此可用来存储重要的设定参数。
3、液晶显示模块
人机接口模块是用户与控制器交互的桥梁，主要由键盘和显示器组成。键盘实现对控制器参数的修改;显示器用来显示系统的各参数以及系统的运行状态。点阵式LCD是新一代液晶显示，可以通过液晶点阵的组合来显示大量字符，显示信息量很大。虽然它内部结构复杂，但已经做成显示模块，只需对这种点阵式液晶模块进行控制，使用起来非常方便，本控制器使用的是内置T6963驱动器的TURLY M12864点阵式液晶屏。通过液晶屏可以直观地显示出系统当前的运行状态、设定温度以及当前检测到的温度。
4、键盘接口
本系统设计中，键盘接口采用4×4行列式矩阵键盘接口，采用查询扫描的方式进行工作，行线和列线分别采用4根数据线。键盘有16个键，其中有0~9共10个数字键;上下左右，四个方向键;一个ENTER确定键，一个CANCEL取消键。
6 结 论
本文介绍了新型温控系统的硬件电路设计。首先设计了系统用的传感器铂热电阻及其调理电路，这是系统的模拟电路部分，也是控制信息的源头，为本温度控制系统提供了温度电信号。然后把温度电信号转换成数字信号送入微控制器C8051F020中，通过微控制器及其接口电路，实现对温度信号的显示、判断、决策及控制。
本文作者创新点:
通过可控硅调功对被控对象电阻炉的加热，实现系统对被控对象电阻炉的温度控制，以达到系统所要求的精度。