發(fā)射臺真空器件庫恒溫控制系統(tǒng)的設計

摘要：介紹了運用AT89C52單片機設計開發(fā)的發(fā)射臺真空器件庫恒溫控制系統(tǒng)，并結(jié)合DS18B20數(shù)字式溫度傳感器，以及相關的外部電路分析了利用AT89C52的優(yōu)點。介紹了實現(xiàn)鍵盤輸入、實時監(jiān)測、自動溫度調(diào)節(jié)的方法。重點闡述了系統(tǒng)的硬件構成、各部分的主要作用及系統(tǒng)軟件的設計思路和流程。此系統(tǒng)成本低、工作可靠，移植性好，具有很高的應用和借鑒價值。
關鍵詞：溫度傳感器；恒溫控制；真空器件

0 引言
    發(fā)射臺使用了許多真空器件，例如，真空電容、真空電子管、真空開關等。真空器件是播出設備的核心器件，消耗量較大，屬于貴重器材，需要合理備份、妥善保管。由于真空器件對周圍環(huán)境溫度、濕度的特殊要求，故真空器件庫要求滿足恒溫和干燥的條件。目前，無線局各臺站的真空器件庫一般采用手工控制和人工監(jiān)測的方式實現(xiàn)恒溫控制，這種方法準確性低、穩(wěn)定性較差，還必須安排專人負責。
    為了更有效地保存真空器件備件，本文實現(xiàn)了一個能自動調(diào)節(jié)室內(nèi)環(huán)境溫度的真空器件庫恒溫控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)以AT89C52單片機為控制核心，通過溫度采集電路，實時檢測真空器件庫內(nèi)的環(huán)境溫度，并根據(jù)預先設定的溫度閾值，控制真空器件庫內(nèi)均勻分布的加熱設備的工作狀態(tài)，實現(xiàn)室內(nèi)溫度自動調(diào)節(jié)。用戶可以在現(xiàn)場使用鍵盤設置目標溫度值，也可以在現(xiàn)場數(shù)碼管顯示屏上直接觀察真空器件庫當前室內(nèi)環(huán)境溫度值和用戶設置的目標溫度值。系統(tǒng)實時檢測真空器件庫環(huán)境溫度值和目標溫度值的變化，通過溫控驅(qū)動電路控制加熱設備的工作狀態(tài)，確保真空器件庫的恒溫、除濕，避免了因保存溫度、濕度不合適而造成的真空器件性能降低及損壞。

1 系統(tǒng)結(jié)構及工作原理
    發(fā)射臺真空器件庫恒溫控制系統(tǒng)結(jié)構如圖1所示，系統(tǒng)的基本硬件電路包括：溫度采集、鍵盤輸入、溫度顯示、電源、溫控驅(qū)動、加熱設備、報警和指示燈，以及A1789C52單片機。

    為了更好地保持真空器件庫室內(nèi)環(huán)境溫度恒定，系統(tǒng)采用閉環(huán)控制方式。由AT89C52單片機完成邏輯判斷和控制，晶振頻率采用12MHz，通過循環(huán)訪問的方式，訪問真空器件庫內(nèi)均勻分布的DS18B20數(shù)字溫度傳感器，采集真空器件庫內(nèi)的環(huán)境溫度值。為了不頻繁啟動加熱設備，目標溫度由用戶通過鍵盤輸入后，系統(tǒng)自動生成目標溫度上限值和下限值。單片機以一定的頻率將檢測到的環(huán)境溫度值與用戶輸入的目標溫度值進行比較。當真空器件庫環(huán)境溫度值低于設置的目標溫度下限值時，溫控驅(qū)動電路驅(qū)動加熱設備加溫，溫度上升到目標溫度下限值以上時，停止加溫；當真空器件庫環(huán)境溫度高于設置的目標溫度上限值時，溫控驅(qū)動電路驅(qū)動降溫電路降溫，溫度下降到目標溫度上限值以下時，停止降溫。

2 硬件電路設計
2．1 溫度采集電路
    溫度采集電路采用溫度傳感器DS18B20來實現(xiàn)溫度的采集和轉(zhuǎn)換。DS18B20是一種改進型智能溫度傳感器，與傳統(tǒng)的熱敏電阻等測溫元件相比，它能直接讀出所測溫度。測量輸出信號為數(shù)字量，可以直接和單片機進行通信，從而降低外圍電路的復雜度。溫度采集電路如圖2所示。

    DS18B20把采集到的溫度通過數(shù)據(jù)引腳傳到單片機的P3．0口，每一片DS18B20有唯一的48位序列號，在出廠前已寫入片內(nèi)ROM中，單片機通過讀ROM(33H)命令將該DS18B20的序列號讀出，經(jīng)過匹配，即可逐一讀回每個DS18B20的溫度數(shù)據(jù)。雖然DS18B20具有測溫簡單、精度高、連接方便和占用I／O口少等優(yōu)點，但當單總線上所掛的DS18B20超過8個時，就需解決微處理器的總線驅(qū)動問題。另外，連接DS18B20的總線電纜的長度有限制，當采用普通信號電纜傳輸長度超過50m時，讀取的測溫數(shù)據(jù)會發(fā)生錯誤，這主要是由總線分布電容使信號波形產(chǎn)生畸變引起的。因此，進行多點測溫和長距離測溫電路設計時要加以注意。
2．2 鍵盤電路
    考慮實際應用情況，鍵盤電路設計采用矩陣式和中斷掃描相結(jié)合的方式。矩陣式鍵盤由行線與列線組成，按鍵位于行、列的交叉點上，按鍵數(shù)量較多時可以節(jié)省單片機I／O接口的占用。系統(tǒng)使用過程中，鍵盤大部分時間基本不工作，因而中斷掃描方式可以提高單片機處理器工作效率。當鍵盤有按鍵動作時產(chǎn)生中斷，單片機處理器響應鍵盤中斷，執(zhí)行鍵盤中斷程序，判別鍵盤按下鍵的鍵號并做相應處理。在本系統(tǒng)中，單片機的I／O接口充裕，因此鍵盤電路直接連接單片機I／O接口。鍵盤接口電路如圖3所示。

    鍵盤的數(shù)字鍵(0～9)、確認鍵(OK)、清除鍵(Del)等12個按鍵以四行三列方式連接到單片機的P0口，設置鍵(Set)與單片機的腳相連，而硬件復位鍵(ReSet)與R、C構成復位電路。需要注意的是，用單片機的P0口連接鍵盤時，要給P0口的各I／O接口提供上拉電阻。
2．3 電源電路
    根據(jù)系統(tǒng)中元器件的需求設計了輸出紋波小于5mV，輸出內(nèi)阻小于0．1 Ω的電源模塊。通過變壓、整流、濾波、穩(wěn)壓等環(huán)節(jié)設計出一個交流輸入5V，直流輸出5V和±12V的線性直流穩(wěn)壓電源。
2．4 溫度顯示電路
    溫度顯示電路采用兩個3位共陽LED數(shù)碼管，數(shù)碼管以動態(tài)掃描方式分別顯示設置的目標溫度值和現(xiàn)場采樣溫度值的十位數(shù)、個位數(shù)及小數(shù)點后一位數(shù)。LED數(shù)碼管的共陽極公共端分別由相應的I／O口控制，其它所有相同字段管腳連在一起，共8段，由一個8位I／O口控制。單片機依次使能3位共陽極數(shù)碼管的位選擇端，按順序點亮3位數(shù)碼管的各位。由于人眼觀察時特有的“視覺暫存”效應，當亮滅頻率達到一定程度時無法覺察數(shù)碼管明暗的變化，認為3位數(shù)碼管各位始終點亮，即實現(xiàn)了3位數(shù)碼管的動態(tài)顯示。圖4是目標溫度值顯示電路，用P2口作為數(shù)碼管的段控碼輸出，集成電路74LS244作為段碼輸出的驅(qū)動電路。P1．0～P1．2作為數(shù)碼管的位控碼輸出，用PNP型三極管做驅(qū)動，通過鍵盤輸入目標溫度值，改變3位數(shù)碼管的數(shù)據(jù)顯示。系統(tǒng)默認的目標溫度上限值為：目標溫度值+5℃，目標溫度下限值為：目標溫度值-5℃。

    現(xiàn)場采集的溫度顯示電路與目標溫度顯示電路類似，用P3口作為數(shù)碼管的段控碼輸出，集成電路74LS244作為段碼輸出的驅(qū)動電路。  P1．5 ～P1．7作為數(shù)碼管的位控碼輸出，用PNP型三極管驅(qū)動，通過DS18B20采集的現(xiàn)場溫度信號，改變3位數(shù)碼管的數(shù)據(jù)顯示。
2．5 加熱設備
    為了確保真空器件庫室內(nèi)溫度實現(xiàn)快速加熱、快速冷卻，滿足恒溫條件，系統(tǒng)選擇受控電加熱暖風機作為加熱設備。需要加熱時，由于風機的作用，把真空器件庫室內(nèi)待加熱的空氣送入加熱器，在高功率加熱器的作用下進行加熱，加熱后的熱空氣經(jīng)暖風機的出風口送回真空器件庫室內(nèi)，如此反復，達到加熱的目的。需要降溫時，高功率加熱器停止工作，靠風機的作用加速真空器件庫室內(nèi)空氣循環(huán)，實現(xiàn)降溫的目的。按每10m2安裝一臺受控電加熱暖風機，合理布置在真空器件庫室內(nèi)，使暖風機的風均勻擴散，以免真空器件庫室內(nèi)的溫度偏差過大。
2．6 溫控驅(qū)動電路
    電路系統(tǒng)中的控制信號從AT89C52芯片中的P1端口輸出，但單片機I／O口的負載能力無法直接驅(qū)動加熱設備，必須通過中間驅(qū)動電路實現(xiàn)單片機對加熱設備工作狀態(tài)的控制。實際應用中，通常采用繼電器或交流接觸器間接驅(qū)動，但繼電器或交流接觸器具有機械接觸的缺點，因而在很大程度上降低了控制系統(tǒng)整體的穩(wěn)定性和可靠性。為了避免機械接觸開關的缺點，本系統(tǒng)選用以可控硅為主體的完全光電隔離的中間驅(qū)動電路?？煽毓栌酶綦x器實現(xiàn)了控制端與負載端的隔離，以小功率控制大功率，能在高電壓、大電流條件下工作，具有無機械接觸、體積小、便于安裝等優(yōu)點，是理想的交流開關器件。加熱驅(qū)動電路如圖5所示。

    當現(xiàn)場采集溫度值低于設定的目標溫度下限值時，單片機P1．3輸出高電平，通過限流保護電阻R4的雙向光電耦合器上電工作，雙向可控硅TRIAC柵極由R1、R2和雙向光電耦合器的信號觸發(fā)導通，加熱電路開始工作。當單片機P1．3輸出低電平時，雙向光電耦合器截止，雙向可控硅TRIAC柵極無觸發(fā)信號被關斷，加熱電路停止工作。電路中的R3、C2組成阻容吸收單元，可減小可控硅關斷時加熱電路中感性元件所產(chǎn)生的自感電動勢對可控硅的過壓沖擊。R1、C1組成低通濾波單元，能降低雙向光電耦合器誤觸發(fā)對后續(xù)電路的影響。同時，雙向光電耦合器的使用徹底隔離了強弱電路，避免了加熱設備對單片機的干擾。
    降溫驅(qū)動電路和加熱驅(qū)動電路相同，現(xiàn)場采集溫度值高于設定的目標溫度上限值時，單片機P1．4輸出高電平，驅(qū)動降溫電路上電工作；單片機P1．4輸出低電平時，降溫電路斷電停止工作。
2．7 報警及指示燈電路
    報警電路和指示燈電路如圖6所示，當現(xiàn)場采集溫度值高于設置的目標溫度上限值，或者低于設置的目標溫度下限值時，單片機P3．4輸出高電平，越限報警電路的三極管Q2導通，蜂鳴器工作，發(fā)出連續(xù)不斷的滴答滴答報警。現(xiàn)場采集溫度保持在設置目標溫度上下限范圍時，單片機P3．4輸出低電平，越限報警電路的三極管Q2關斷，蜂鳴器不工作。指示燈電路綠燈D0亮，單片機P3．1輸出高電平，表示現(xiàn)場采集溫度值在設置目標溫度值上下限范圍內(nèi)，系統(tǒng)運行正常。若指示燈電路紅燈D1亮，單片機P3．2輸出低電平，表示現(xiàn)場采集的溫度值超過設置目標溫度上限值，系統(tǒng)正在進行降溫；若指示電路藍燈D2亮，單片機P3．3輸出低電平，表示現(xiàn)場采集溫度值低于設置目標溫度下限值，系統(tǒng)正在進行加熱。

3 軟件設計
    系統(tǒng)控制軟件采用模塊化設計，軟件子功能模塊程序與硬件分塊電路相對應。主程序作為子功能模塊程序的入口，通過鍵盤管理程序和中斷程序，實現(xiàn)子功能模塊程序的調(diào)用。程序控制流程如圖7所示。

    系統(tǒng)加電后，由初始化子程序完成功能寄存器和程序運行環(huán)境的初始化；讀溫度子程序?qū)S18B20采集到的真空器件庫內(nèi)的環(huán)境溫度值讀入到指定的數(shù)組；數(shù)碼管顯示子程序控制位選擇和數(shù)碼管的顯示驅(qū)動，把要顯示的溫度數(shù)據(jù)按照溫度顯示規(guī)則送入相應的顯示緩存，實現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)的實時顯示：鍵盤管理程序采用I／O口線中斷方式提高MCU響應速度，并通過算法延時消抖實現(xiàn)鍵盤輸入，由鍵碼識別函數(shù)判斷外部鍵盤輸入信息；比較子程序?qū)⒆x溫度子程序得到的環(huán)境溫度值與由鍵盤輸入的目標溫度的上下限值進行比較，若溫度值越限，則調(diào)用溫控子程序進行升、降溫調(diào)節(jié)，并啟動報警子程序。

4 結(jié)束語
    發(fā)射臺真空器件庫恒溫控制系統(tǒng)充分發(fā)揮了AT89C52單片機的特點，結(jié)合DS18B20數(shù)字溫度傳感器，降低了硬件電路的設計復雜度。系統(tǒng)設計簡單、實現(xiàn)方便、耗能少、成本低廉，實踐證明，本控制方案可靠、有效，具有控溫準確、操控界面友好、穩(wěn)定性高、抗干擾能力強、易維護的優(yōu)點，可以保證發(fā)射臺真空器件庫溫度恒定、環(huán)境干燥，從而使真空器件備件能夠得到有效的保存。