基于单片机的标准电容环境温度控制系统设计
学院：自动化与电子信息学院 学生：李户林 专业班级：自动化2007.1 指导教师:谭飞(副教授) 张泽厚(高工)
摘要
[摘要]：本课题的核心在于基于单片机的恒温控制系统，该系统的温度采样部分使用了高精确度的温度传感器Pt1000，高性能的AD转换ICL7135将传感器采集到的电压信号转化成数字量，并将数字量以BCD码的形式并行输出。再由单片机进行运算和处理，结合自整定的PID控制器来控制加热丝工作，最终使恒温槽内的温度在±0.03℃范围内变化。将高精度的标准电容器置于精确恒温的恒温槽内，从而减小了环境温度对电容量的影响。
[关键词]：单片机；Pt1000；A/D转换；PID ；恒温；电容器
Microcontroller-Based Temperature Control System of The
Standard Capacitor
ABSTRACT: The issue lies in the constant temperature control system based on single chip, the temperature of the sampling part of the system using high-precision temperature sensor Pt1000, high-performance AD converter ICL7135 will sensor to the voltage signal into digital, then the microcontroller Computing and processing, combined with advanced PID control method to control the heating wire and, ultimately, the temperature of the heated tank in the ± 0.03 ℃ range. Capacitors placed in the criteria for accurate high-precision thermostat tank, thereby reducing the environmental impact of temperature on the capacity.
Key words: MCU;Pt1000；A/D Conversion；PID；Constant Temperature ; Capacity
1.引言
因工作单位的科研项目所需，本课题研究的内容为高精度单值温控型标准电容器。深入地研究影响高精度电容器电容值的因素，精选优质的电容器电极材料，采用金属全密封结构，消除湿度及电磁干扰的影响；同时，结合本专业的自动控制技术，设计出高精度的恒温控制系统，将标准电容器置于该恒温环境中，以消除温度变化的影响；精心设计引出端子，尽可能地减小残电容的影响，从而达到项目指标要求。
2.方案论证
2.1.单片机芯片的选择方案和论证
采用AT89S52,片内ROM全都采用Flash ROM；能以3V的超底压工作；与MCS-51系列单片机完全兼容，该芯片内部存储器为8KB ROM，同样具有89C51的功能，且具有在线编程可擦除技术，对电路进行调试时，由于修改错误程序或拓展功能新增程序时，不需要对芯片多次拔插，所以不会对芯片造成损坏。所以决定采用AT89S52作为主控制系统。
2.2.显示模块的选择方案和论证
采用LED数码管动态扫描,LED数码管价格适中,对于显示数字最合适,而且采用串口显示法与单片机连接,占用的单片机口线少。所以决定采用LED数码管作为显示。
2.3.A/D转换模块的选择方案和论证
采用德州仪器公司生产的ICL7135，此芯片是一块“四位半”的A/D转换芯片，分辨率为1/19999，模拟输入量为0.1mV～2V，在四位半的数字三用表中应用较为广泛，最大的优势在于可以将数字量以BCD码并行输出。所以决定采用ICL7135作为A/D转换器。
2.4.E2PROM模块的选择方案和论证
采用ST93C46作为片外存储器，E2PROM是一种掉电后数据不会丢失的存储芯片，ST93C46是储存空间为1K的串行E2PROM，将计算得到的比例增益Kp、积分时间Ti、微分时间Td存储在此芯片中，下次上电时，系统无需再次进行整定计算，加快了控制器相应的时间。所以选择此方案。
2.5.抗干扰模块的选择方案和论证
采用MAX705组成看门狗电路，此芯片是CMOS工艺的集成电路，主要用作监视微控制器的工作状态。它可以提供一个独立的看门狗，如果1.6S内单片机没有向MAX705发送高电平(喂狗信号)，它将产生一个复位信号，从而使单片机复位。所以选择此方案。
2.6.温度传感器的选择方案和论证
采用铂热电阻Pt1000搭制电桥，此期间在0℃时它的阻值为1000Ω。300℃时约为2120.515Ω。在这个区间内，它的阻值会随着温度的变化匀速增长，与常见的Pt100相比，Pt1000更适合测量小范围的温度变化，当温度每变化1℃，阻值会增大或减小3.8欧姆，便于检测电路读数，哪怕细微的温度变化也能产生较明显的阻值变化；而Pt100的阻值增减为0.38欧姆。所以选择此方案。
2.7.键盘的选择方案和论证
采用拨码开关作为控制电路的键盘，考虑到控制电路的体积应尽可能的小，对键盘的要求简单，仅需要通过键盘来设置目标温度，所以控制电路中总计使用了4组拨码码开关，使温度值能最大设定到79.99℃。所以选择此方案。
2.8. 加热方式的选择方案和论证
采用漆包锰铜丝绕制成加热板，该铜丝的电阻率随温度变化小，易于成型；将它绕制在胶木板上制成加热板，加热板固定在恒温槽的六个面，加热丝总阻约7.1欧姆，在18V开关电源的驱动下，功率约45W，保证了恒温槽有充足的热源。所以选择此方案。
2.9. 电路设计的最终方案
综上所述,此次作品的方案选定为：采用AT89S52作为主控制系统；ICL7135作为A/D转换器；温度传感器采用铂热电阻Pt1000搭制电桥；漆包锰铜丝绕制加热板；通过拨码开关进行温度设定；LED数码管作为显示。
3. 设计原理与方框图
此次设计的恒温控制系统要具备一般温控系统的基本功能，还要做到高准确度。
3.1. 基本功能
① 用户可根据需要，自行设定目标温度值；
② 不需要人为干预，系统能自动将温度精确恒定到设定值；
③ 用户可手动开启自整定程序。
3.2.创新要求
① 具有自整定功能；
② 以先进的PID算法作为控制方式。
此次作品的方案选定为：采用AT89S52作为主控制系统；ICL7135作为A/D转换器；温度传感器采用铂热电阻Pt1000搭制电桥；漆包锰铜丝绕制加热板；通过拨码开关进行温度
设定；LED数码管作为显示。
3.3.电路设计框图
电路设计总体框图如图1所示。
图1 电路设计总体框图
本电路是由AT89S52单片机为控制核心，具有在线编程功能，低功耗，能在3V超低压工作；温度传感器采用了分辨率极高的Pt1000，它与其他3支阻值为1K的精密电阻组成电桥，运算放大器OP07同时为电桥和AD转换提供基准电压。当电桥上的点位改变时，经仪表放大器传送给A/D转换ICL7135，完成模拟量到数字量的转换以后，经相应的数字电路传送给单片机，单片机做出相应计算得到当前的实际温度，输出到显示屏上并与键盘所设置的温度经行比较，根据两者差值的大小，进行相关的运算，发出控制指令使光电耦合器导通，从而使加热丝按照程序的要求开始工作。与此同时，单片机还应该计算得到的比例增益(Kp)、积分时间(Ti)、微分时间(Td)等中间变量存储起来，方便下一个工作周期的使用。
3.4主要单元电路的设计
（1） 抗干扰电路模块的设计
图2看门狗电路模块
2（2） EPROM电路模块的设计
图3 EPROM电路模块
（3） 温度采集模块设计
2
图3 Pt1000构成的温度采集模块
（4） A/D转换模块设计
图5 A/D转换模块
（5） 键盘电路设计
图6 键盘电路
（6） 加热电路设计
图7 控制电路加热模块
4.系统的软件设计与实现
单片机中控制算法自整定参数程序结构如图8。
N
图8 自整定程序流程图
程序设计流程框图如图9。
图9 主程序流程图
5. 结论
此次制作的标准电容环境温度控制系统很好地克服了温度变化对电容器容量的影响，传统的温度控制系统具有恒温不够精准、性价比低、无先进的自动控制算法、无法自整定、受使用环境条件限制等缺点。本系统能自动将温度恒定在设定值，并在的±0.05℃的误差以内，具有温控精度高、稳定耐用、抗干扰强等优点。显示模块以串口方式进行工作，与扫描方式相比，节省了单片机大量的IO口，同时，显示模块可以从主电路板上取下，不但节省了空间，还使得电路的调试变得非常轻松。设计完成之后，我深刻的感受到，芯片技术的大力发展，使我们设计的产品功能更多、集成度更高，而成本却更低，今后的温度控制系统还可以向着更先进的方向发展，例如体积可以更小、响应速度更快、可以制冷等，而这一切还都有待于电子产品设计开发爱好者们的共同努力！
参考文献:
[1] 杨加国．单片机原理与应用及C51程序设计[M]．北京：清华大学出版社,2006.
[2] 阎 石．数字电子技术基础（第五版）[M]．北京：高等教育出版社，2006.
[3] 童诗白．模拟电子技术基础(第四版) [M]．北京：高等教育出版社，2006.
[4] 胡寿松．自动控制原理(第五版)[M]．北京：.科学出版社，2007.
[5] 李 珩．Altium Designer6电路设计实例与技巧[M]．北京：国防工业出版社，2008.
[6] 顾德英．计算机控制技术[M]．北京：北京邮电大学出版社，2007.
[7] 唐浩强．C语言程序设计[M]．北京：清华大学出版社，1999.
[8]谢嘉奎，宣月清.电子线路（非线性部分）[M]. 北京：高等教育出版社，2006.12
[9]张海藩. 软件工程（第二版）[M].北京:人民邮电出版社，2006
[10]黄玉蓉.单片机开发系统的设计与实现[J].公安大学学报(自然科学版)，2001,(06)
[11] TI．The Integrating A/D Converter[OL]．http://www.docin.com/p-768785.html.
[12]MAXIM．MAX705 Date Sheet[OL]．http://wenku.baidu.com/.
[13] Derek P Atherton．PID Controller Design[OL]．http://www.siam.org/catalog/.
[14]I.Scott MacKenzie. MCU platform built on 8-bit core raises performance bar[J].Electronic Engineering Times, 2008, (Issue 1517) :p48-51,2p
[15]Adel S. Sedra, Kenneth C.Smith. Microelectronics Circuits[J].Holt Rinehart Winston(3rd Edition),1991
基于单片机的标准电容环境温度控制系统设计
学院：自动化与电子信息学院 学生：李户林 专业班级：自动化2007.1 指导教师:谭飞(副教授) 张泽厚(高工)
摘要
[摘要]：本课题的核心在于基于单片机的恒温控制系统，该系统的温度采样部分使用了高精确度的温度传感器Pt1000，高性能的AD转换ICL7135将传感器采集到的电压信号转化成数字量，并将数字量以BCD码的形式并行输出。再由单片机进行运算和处理，结合自整定的PID控制器来控制加热丝工作，最终使恒温槽内的温度在±0.03℃范围内变化。将高精度的标准电容器置于精确恒温的恒温槽内，从而减小了环境温度对电容量的影响。
[关键词]：单片机；Pt1000；A/D转换；PID ；恒温；电容器
Microcontroller-Based Temperature Control System of The
Standard Capacitor
ABSTRACT: The issue lies in the constant temperature control system based on single chip, the temperature of the sampling part of the system using high-precision temperature sensor Pt1000, high-performance AD converter ICL7135 will sensor to the voltage signal into digital, then the microcontroller Computing and processing, combined with advanced PID control method to control the heating wire and, ultimately, the temperature of the heated tank in the ± 0.03 ℃ range. Capacitors placed in the criteria for accurate high-precision thermostat tank, thereby reducing the environmental impact of temperature on the capacity.
Key words: MCU;Pt1000；A/D Conversion；PID；Constant Temperature ; Capacity
1.引言
因工作单位的科研项目所需，本课题研究的内容为高精度单值温控型标准电容器。深入地研究影响高精度电容器电容值的因素，精选优质的电容器电极材料，采用金属全密封结构，消除湿度及电磁干扰的影响；同时，结合本专业的自动控制技术，设计出高精度的恒温控制系统，将标准电容器置于该恒温环境中，以消除温度变化的影响；精心设计引出端子，尽可能地减小残电容的影响，从而达到项目指标要求。
2.方案论证
2.1.单片机芯片的选择方案和论证
采用AT89S52,片内ROM全都采用Flash ROM；能以3V的超底压工作；与MCS-51系列单片机完全兼容，该芯片内部存储器为8KB ROM，同样具有89C51的功能，且具有在线编程可擦除技术，对电路进行调试时，由于修改错误程序或拓展功能新增程序时，不需要对芯片多次拔插，所以不会对芯片造成损坏。所以决定采用AT89S52作为主控制系统。
2.2.显示模块的选择方案和论证
采用LED数码管动态扫描,LED数码管价格适中,对于显示数字最合适,而且采用串口显示法与单片机连接,占用的单片机口线少。所以决定采用LED数码管作为显示。
2.3.A/D转换模块的选择方案和论证
采用德州仪器公司生产的ICL7135，此芯片是一块“四位半”的A/D转换芯片，分辨率为1/19999，模拟输入量为0.1mV～2V，在四位半的数字三用表中应用较为广泛，最大的优势在于可以将数字量以BCD码并行输出。所以决定采用ICL7135作为A/D转换器。
2.4.E2PROM模块的选择方案和论证
采用ST93C46作为片外存储器，E2PROM是一种掉电后数据不会丢失的存储芯片，ST93C46是储存空间为1K的串行E2PROM，将计算得到的比例增益Kp、积分时间Ti、微分时间Td存储在此芯片中，下次上电时，系统无需再次进行整定计算，加快了控制器相应的时间。所以选择此方案。
2.5.抗干扰模块的选择方案和论证
采用MAX705组成看门狗电路，此芯片是CMOS工艺的集成电路，主要用作监视微控制器的工作状态。它可以提供一个独立的看门狗，如果1.6S内单片机没有向MAX705发送高电平(喂狗信号)，它将产生一个复位信号，从而使单片机复位。所以选择此方案。
2.6.温度传感器的选择方案和论证
采用铂热电阻Pt1000搭制电桥，此期间在0℃时它的阻值为1000Ω。300℃时约为2120.515Ω。在这个区间内，它的阻值会随着温度的变化匀速增长，与常见的Pt100相比，Pt1000更适合测量小范围的温度变化，当温度每变化1℃，阻值会增大或减小3.8欧姆，便于检测电路读数，哪怕细微的温度变化也能产生较明显的阻值变化；而Pt100的阻值增减为0.38欧姆。所以选择此方案。
2.7.键盘的选择方案和论证
采用拨码开关作为控制电路的键盘，考虑到控制电路的体积应尽可能的小，对键盘的要求简单，仅需要通过键盘来设置目标温度，所以控制电路中总计使用了4组拨码码开关，使温度值能最大设定到79.99℃。所以选择此方案。
2.8. 加热方式的选择方案和论证
采用漆包锰铜丝绕制成加热板，该铜丝的电阻率随温度变化小，易于成型；将它绕制在胶木板上制成加热板，加热板固定在恒温槽的六个面，加热丝总阻约7.1欧姆，在18V开关电源的驱动下，功率约45W，保证了恒温槽有充足的热源。所以选择此方案。
2.9. 电路设计的最终方案
综上所述,此次作品的方案选定为：采用AT89S52作为主控制系统；ICL7135作为A/D转换器；温度传感器采用铂热电阻Pt1000搭制电桥；漆包锰铜丝绕制加热板；通过拨码开关进行温度设定；LED数码管作为显示。
3. 设计原理与方框图
此次设计的恒温控制系统要具备一般温控系统的基本功能，还要做到高准确度。
3.1. 基本功能
① 用户可根据需要，自行设定目标温度值；
② 不需要人为干预，系统能自动将温度精确恒定到设定值；
③ 用户可手动开启自整定程序。
3.2.创新要求
① 具有自整定功能；
② 以先进的PID算法作为控制方式。
此次作品的方案选定为：采用AT89S52作为主控制系统；ICL7135作为A/D转换器；温度传感器采用铂热电阻Pt1000搭制电桥；漆包锰铜丝绕制加热板；通过拨码开关进行温度
设定；LED数码管作为显示。
3.3.电路设计框图
电路设计总体框图如图1所示。
图1 电路设计总体框图
本电路是由AT89S52单片机为控制核心，具有在线编程功能，低功耗，能在3V超低压工作；温度传感器采用了分辨率极高的Pt1000，它与其他3支阻值为1K的精密电阻组成电桥，运算放大器OP07同时为电桥和AD转换提供基准电压。当电桥上的点位改变时，经仪表放大器传送给A/D转换ICL7135，完成模拟量到数字量的转换以后，经相应的数字电路传送给单片机，单片机做出相应计算得到当前的实际温度，输出到显示屏上并与键盘所设置的温度经行比较，根据两者差值的大小，进行相关的运算，发出控制指令使光电耦合器导通，从而使加热丝按照程序的要求开始工作。与此同时，单片机还应该计算得到的比例增益(Kp)、积分时间(Ti)、微分时间(Td)等中间变量存储起来，方便下一个工作周期的使用。
3.4主要单元电路的设计
（1） 抗干扰电路模块的设计
图2看门狗电路模块
2（2） EPROM电路模块的设计
图3 EPROM电路模块
（3） 温度采集模块设计
2
图3 Pt1000构成的温度采集模块
（4） A/D转换模块设计
图5 A/D转换模块
（5） 键盘电路设计
图6 键盘电路
（6） 加热电路设计
图7 控制电路加热模块
4.系统的软件设计与实现
单片机中控制算法自整定参数程序结构如图8。
N
图8 自整定程序流程图
程序设计流程框图如图9。
图9 主程序流程图
5. 结论
此次制作的标准电容环境温度控制系统很好地克服了温度变化对电容器容量的影响，传统的温度控制系统具有恒温不够精准、性价比低、无先进的自动控制算法、无法自整定、受使用环境条件限制等缺点。本系统能自动将温度恒定在设定值，并在的±0.05℃的误差以内，具有温控精度高、稳定耐用、抗干扰强等优点。显示模块以串口方式进行工作，与扫描方式相比，节省了单片机大量的IO口，同时，显示模块可以从主电路板上取下，不但节省了空间，还使得电路的调试变得非常轻松。设计完成之后，我深刻的感受到，芯片技术的大力发展，使我们设计的产品功能更多、集成度更高，而成本却更低，今后的温度控制系统还可以向着更先进的方向发展，例如体积可以更小、响应速度更快、可以制冷等，而这一切还都有待于电子产品设计开发爱好者们的共同努力！
参考文献:
[1] 杨加国．单片机原理与应用及C51程序设计[M]．北京：清华大学出版社,2006.
[2] 阎 石．数字电子技术基础（第五版）[M]．北京：高等教育出版社，2006.
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[7] 唐浩强．C语言程序设计[M]．北京：清华大学出版社，1999.
[8]谢嘉奎，宣月清.电子线路（非线性部分）[M]. 北京：高等教育出版社，2006.12
[9]张海藩. 软件工程（第二版）[M].北京:人民邮电出版社，2006
[10]黄玉蓉.单片机开发系统的设计与实现[J].公安大学学报(自然科学版)，2001,(06)
[11] TI．The Integrating A/D Converter[OL]．http://www.docin.com/p-768785.html.
[12]MAXIM．MAX705 Date Sheet[OL]．http://wenku.baidu.com/.
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[14]I.Scott MacKenzie. MCU platform built on 8-bit core raises performance bar[J].Electronic Engineering Times, 2008, (Issue 1517) :p48-51,2p
[15]Adel S. Sedra, Kenneth C.Smith. Microelectronics Circuits[J].Holt Rinehart Winston(3rd Edition),1991