1 引言

溫度是生產(chǎn)過程和科學(xué)試驗中普遍且重要的物理參數(shù)。在工業(yè)生產(chǎn)中，為了高效生產(chǎn)，必須對生產(chǎn)過程中的主要參數(shù)，如溫度、壓力、流量、速度等進行有效控制。其中溫度控制在生產(chǎn)過程中占有相當大的比例。準確地測量和有效地控制溫度是優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、低耗和安全生產(chǎn)的主要條件。

2 系統(tǒng)概述

整個溫度控制系統(tǒng)主要由計算機控制系統(tǒng)(上位機)、單片機測控系統(tǒng)(下位機)、溫度傳感器組、功率加熱系統(tǒng)等部分組成。系統(tǒng)采用了模塊化的設(shè)計思想，組建方式靈活，并可利用多塊單片機測控系統(tǒng)組合的方法增加測量點，具有良好的擴展性。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

溫度測量采用高精度的溫度傳感器PT100獲得物體當前溫度，經(jīng)過低功耗、低輸入失調(diào)電壓、線性好的OP07A進行信號放大，送至8051F350內(nèi)部高速率24位A／D轉(zhuǎn)換器，根據(jù)系統(tǒng)設(shè)定的目標溫度(由上位機發(fā)送)和控制范圍，通過6路PWM控制加熱器的工作狀況，使物體達到目標溫度并且保持恒溫狀態(tài)。同時可以利用單片機內(nèi)部的Flash存儲器把各通道設(shè)定的溫度、系統(tǒng)參數(shù)存儲起來。當系統(tǒng)斷電或復(fù)位后，可以繼續(xù)運行，增強了系統(tǒng)的抗干擾性能。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

3.1 主控電路

溫度采集監(jiān)控系統(tǒng)的主控電路采用高性能、功能強大的8051F350。 8051F350是由Cygnal公司推出的完全集成的混合信號系統(tǒng)級芯片(SoC)，具有CIP-51微控制器內(nèi)核，與MCS51指令集完全兼容；機器周期由標準的12個系統(tǒng)時鐘降為1個系統(tǒng)時鐘周期，處理能力大大提高，峰值速度可達25 MI／s；內(nèi)部集成了構(gòu)成單片機數(shù)據(jù)采集或控制系統(tǒng)所需要的幾乎所有模擬和數(shù)字外設(shè)及其他功能元件(包括PGA、ADC、DAC、電壓比較器、電壓基準、溫度傳感器、SMBus／I2C、UART、SPI、定時器、可編程計數(shù)器／定時器陣列、內(nèi)部振蕩器、看門狗定時器以及電源監(jiān)視器等)。

3.2 溫度采集測量電路

溫度采集測量部分采用高精度、重復(fù)性好、應(yīng)用廣泛的PT100作為采樣電阻；信號放大部分采用低功耗、低輸入失調(diào)電壓、線性好的OP07A；A／D模塊采用8051F350內(nèi)部的高速率24位A／D轉(zhuǎn)換器。溫度采集測量電路如圖2所示，圖中PT100是高精度溫度傳感器，Z1是3.6 V穩(wěn)壓管，起保護作用。

3.3 串行通信電路

串行通信采用壓差傳輸?shù)腃AN總線，它具有傳輸距離遠、抑止共模干擾能力強等優(yōu)點，通信速率可達1 Mb／s。CAN總線通信接口集成了CAN協(xié)議的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層功能，可完成對通信數(shù)據(jù)的成幀處理，包括位填充、數(shù)據(jù)塊編碼、循環(huán)冗余檢驗、優(yōu)先級判別等。數(shù)據(jù)段長度最多為8個字節(jié)，可滿足通常工業(yè)領(lǐng)域中控制命令、工作狀態(tài)及測試數(shù)據(jù)的一般要求。同時，8個字節(jié)不會占用總線時間過長，從而保證了通信的實時性。CAN協(xié)議采用CRC檢驗并可提供相應(yīng)的錯誤處理功能，保證了數(shù)據(jù)通信的可靠性。在整個溫度測控系統(tǒng)中，采用CAN總線作為數(shù)據(jù)通信線路，測溫模塊安裝在距離測量點較近地范圍內(nèi)，這樣，來自傳感器的接線就比較短，從而減少了干擾。

3.4 功率控制模塊

P10～P15輸出6路PWM波，通過光電隔離和RC濾波電路控制可控硅模塊的輸入控制電壓，改變可控硅模塊的導(dǎo)通角，從而改變輸出功率。功率控制模塊電路如圖3所示，其中P10，P10分別是一路PMW，通過改變它們的高低電平比例來改變控制電壓K0和K1，從而控制加熱器的功率。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

整個系統(tǒng)的軟件設(shè)計包括兩部分：計算機軟件(上位機)和單片機軟件。其中，計算機軟件主要完成設(shè)定溫度、監(jiān)控系統(tǒng)當前溫度和標定系統(tǒng)。單片機軟件完成A／D采集、串口通信和功率模塊控制。

上位機軟件采用LabWindows／CVI編寫，它將功能強大、使用靈活的C語言平臺和用于數(shù)據(jù)采集分析和顯示的測控專業(yè)工具有機地結(jié)合起來，利用它的集成化開發(fā)環(huán)境、交互式編程方法、函數(shù)面板和豐富的庫函數(shù)大大增強了C語言的功能，為建立測試系統(tǒng)、自動測試環(huán)境、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、過程監(jiān)控系統(tǒng)等應(yīng)用軟件提供了一個理想的軟件開發(fā)環(huán)境?？梢悦撾xLabwindows／CVI開發(fā)環(huán)境運行，用戶最終看見的是和實際儀器面板相類似的操作面板。板卡與PC機通過RS-232串口線連接。

下位機程序框圖如圖4所示。系統(tǒng)上電后，下位機程序可使單片機不停地采集溫度，當上位機向下位機發(fā)出命令置位采集標志位時，下位機采集的溫度送到上位機的面板并顯示，再將所采集的溫度數(shù)據(jù)同預(yù)先所設(shè)定的溫度值相比較，當采集的溫度小于設(shè)定溫度時，根據(jù)采集的溫度值跟設(shè)定溫度差值的大小，單片機的P10～P15引腳輸 出6路PWM，通過光電隔離TLP521-2和RC濾波電路控制可控硅模塊的輸入控制電壓，改變可控硅模塊的導(dǎo)通角，從而改變輸出功率。隨著采集到的溫度值越來越接近設(shè)定溫度值，單片機輸出的PWM值越來越大，導(dǎo)通角越來越小，輸出的功率也相應(yīng)變小，直到采集的溫度等于設(shè)定溫度時，導(dǎo)通角完全關(guān)斷。同時下位機也可隨時響應(yīng)串口中斷，便于用戶通過上位機設(shè)置或修改設(shè)定溫度和控制范圍。

5 結(jié)束語

本系統(tǒng)設(shè)計采用高精度溫度傳感器和低輸入失調(diào)電壓、線性好的運算放大器組成信號調(diào)理電路，同時采用24位的A／D采集模塊，可使系統(tǒng)測量精度達0.02℃，控制精度達0.5℃，滿足用戶對溫度控制的要求。采用功能強大的8051F350單片機作為控制核心，減少了系統(tǒng)對外圍器件的需求，簡化了電路設(shè)計，提高了可靠性，同時也降低了成本。