溫控系統的信號採樣放大及A/D轉換電路設計

一、簡介
        本溫度控制和顯示系統是一個閉環反饋控制系統,它用溫度感測器將檢測到的溫度信號經放大,A/D轉換後送入計算機中,與設定值進行比較,得到偏差。對此偏差按PID演算法進行修正,返回對應工況下的可控硅導通時間,調節電熱絲的有效加熱功率,從而實現對鐵塊的溫度控制。
        系統採用AT89C52晶元為CPU,外擴了8K的數據存儲器6264。AT89C52是美國ATMEL公司生產的低電壓,高性能的CMOS 8位單片機,片內含8K的可反覆擦寫的只讀程序存儲器（PEROM）和256bytes的隨機存取數據存儲器（RAM）,器件採用ATMEL公司的高密度,非易失性存儲技術生產,與標準的MCS-51指令系統及8052產品引腳兼容,片內置通用8位中央處理器（CPU）和Flash存儲單元,功能強大AT89C52單片機適用於許多較為複雜控制應用場合。
        AT89C52提供以下標準功能：8K位元組的Flash閃速存儲器,256位元組的內部RAM,32個I/O口線,3個16位的定時/計數器,一個6向量兩極中斷結構,一個全雙工串列通信口,片內振蕩器及時鐘電路。同時,AT89C52可降至0Hz的靜態邏輯操作,並支持兩種軟體可選的節電工作模式：空閑方式停止CPU的工作,但允許RAM,定時/計數器,串列通信口及中斷系統繼續工作。掉電方式保存RAM中的內容,但振蕩器停止工作並禁止其他所有部件工作直到下一個硬體複位。

二．控制系統的原理
        本溫度控制和顯示系統中,單片機系統用控制對鐵塊的加熱時間來控制鐵塊的溫度,鐵塊的溫度經檢測,放大,校正和A/D轉換後送入單片機,由單片機計算當前值,然後根據PID控制規律返回可控硅導通的脈衝個數Tn,通過比較Tn和當前可控硅導通的脈衝個數決定打開關閉雙向可控硅。鐵塊的溫度給定和PID控制器參數設定用單片機系統的鍵盤來實現。控制系統結構框圖如下：

     系統的數據採集主要是對鐵塊現時溫度的檢測轉換,溫度的檢測由鉑電阻完成,用電橋得到差動值,經差動放大器放大后,送入A/D轉換器進行轉換,最後送入處理器處理。
      溫度感測器和信號放大電路如下圖所示：
 
        我們使用電橋讀取鉑電阻的輸出信號,圖中TL431電路部分為供橋電壓產生電路,因為供橋電源的變化幾乎是一比一的反映到電橋電壓輸出,所以供橋電源的穩定與否直接影響到溫度採樣的精度。當系統有一精度足夠的+10V電源時,TL431電路部分可以省略。電橋部分橋上臂電阻選22KΩ,右下臂電阻選100Ω,電橋輸出電壓為：
 　　　　　 (1)
假設系統溫度變化範圍為0-120℃,則根據（1）式得電橋輸出電壓範圍約為：0-20mV。
        信號放大部分屬於V-V放大,前面我們已經知道電橋的輸出電壓為0-20 mV,而A/D轉換的輸入電壓為-5V-+5V,我們選用單極性輸入+3V,這樣可以確定放大器的增益為150倍（3V/20 Mv）。放大器的極數與單極放大器的帶寬增益有關,由於鐵塊控制系統中測量速度不是主要的,也就是說帶寬問題不予考慮,如果我們選用帶寬增益積較大的晶元,則使用單極放大就足夠了。在這裡我們選用差分式斬波穩零高精度運算放大器ICL7650。一級放大接成雙端差分輸入,單端輸出形式。放大器接成T型反饋網路,則放大器的放大倍數為：
 　（2）
在應用時,各元件阻值可按照上圖中選取,實際放大倍數應該根據系統需要通過微調Rv2得到。
      A/D轉換晶元選擇首先取決於控制系統對解析度的要求,在本系統中要求達到控制溫度範圍為20~100攝氏度,控制精度為0.25攝氏度,則解析度為：100/0.25=400
     若選用8位的A/D轉換則解析度為256,不能滿足要求,故需要選用轉換位數更高的晶元。本系統選用12位的A/D轉換晶元ICL7109,該晶元是雙積分型的,具有精度高,低雜訊,低漂移,具有防尖峰干擾能力,價格低廉,不過由於是雙積分型,故轉換速度較慢,轉換時間為30ms,但在本系統中已經足夠。ICL7109有14位輸出,低12位為A/D轉換值輸出,OR為溢出標誌輸出,當轉換值溢出時該位輸出高電平;POL為極性輸出,輸入電壓信號大於零時該位輸出高電平。14根數據線與單片機數據匯流排的接法為：B1~B8分別接P0.1~P0.7,B9~B12,OR和POL分別接P0.1~P0.5,如下圖所示。CPU對A/D轉換數據的讀取通過依次選通LBEN和HBEN埠兩步完成。由於用3-8解碼器SEL1和SEL2來選通LBEN和HBEN。所以可以得到A/D轉換數據的地址為：

ICL7109的RUN/HOLD引腳懸空,表示晶元工作在連續轉換狀態,在該狀態下,每隔8196個時鐘周期（約30ms）完成一次轉換,並將轉換值置於輸出三態緩衝中等待讀取。這樣,在我們需要讀取數據時,直接通過選通LBEN或HBEN進行讀取可從輸出緩衝器中讀出數據。

三．看門狗電路
       為了防止系統受干擾而使程序丟失,或者走進死循還而使系統死機,應加入看門狗電路,以保證系統的可靠性。其電路連接如下圖所示。圖中當P1.7為低電平時,三極體Q2不導通,電流由“+5V　R1　C1地”對電容C1充電;當P1.7為高電平時,三極體Q2飽和導通,
 
        電容C1通過“Q2　R3　地”放電。這樣我們通過在程序運行中定時對P1.7腳進行置位和清零操作,便可以保持Q2集電極為低電平。當程序進入死循還,不能對P1.7口進行置位操作,那麼電路就會對電容持續充電,使Q2集電極電平持續上升,當上升到高電平電壓時,單片機系統複位,程序重新開始運行,達到看門狗功能。電阻R1與電容C1值應根據程序運行情況選擇,R1越大,充電電流越小,電平上升時間就越長,反之則反。R4和D1起電源指示作用,R2和按鈕構成手動複位電路。

結束語：
      本文所涉及到的溫度控制系統具有溫度顯示準確,反饋響應及時,控制及時及控制效果佳,已經是一個成熟的產品,在實際應用中收到了良好的效果。