istema de control de temperatura constante de termistor DC PTC basado en el chip AT89C2051
La mayoría de los calentadores existentes se calientan mediante dispositivos convencionales como tubos de calefacción eléctrica y cables de calefacción eléctrica. La carcasa exterior de la tubería de calefacción eléctrica es una tubería de acero hecha de acero inoxidable, y tiene un cable de resistencia del elemento de calefacción, y calienta el calor hacia el exterior a través del cable de resistencia eléctrica y la tubería de acero. Cuando el aire no fluye, el calor de la tubería de calefacción eléctrica no se disipará, la temperatura aumentará más y más, y en casos severos, la tubería de calefacción eléctrica se quemará e incluso se producirá un incendio. Como material de calentamiento, el termistor PTC tiene las características de temperatura constante que ahorra energía, sin llama abierta, buena seguridad, regulación fácil de la generación de calor, pequeña influencia de la fluctuación del voltaje de la fuente de alimentación y aumento rápido de la temperatura. Por lo tanto, diseñar un sistema de calentamiento a temperatura constante utilizando un termistor PTC como material de calentamiento es de gran interés para aplicaciones que requieren alta seguridad.
2, el diseño general del sistema
El sistema utiliza AT89C2051 como núcleo de control, el termistor PTC calienta el área de calentamiento y el termómetro digital DS18B20 recoge la temperatura en tiempo real. El teclado periférico establece los límites superior e inferior del valor de temperatura a calentar. Se determina si se alcanza el rango de temperatura establecido comparando el valor de temperatura recolectado en tiempo real con el valor de temperatura establecido. El relé multicanal controlado por AT89C2051 realiza el control del interruptor del estado de funcionamiento del termistor PTC de múltiples chips (un relé para controlar un termistor PTC), de modo que la temperatura de la región de calentamiento se mantenga dentro del rango de temperatura establecido. El esquema del sistema se muestra en la Figura 1.
3, calefacción de control de un solo chip
3.1 Sistema de chip único
El AT89C2051 es un microcontrolador CMOS de 8 bits de alto voltaje y bajo voltaje de ATMEL, EE. UU. Producido por la tecnología de memoria no volátil de alta densidad de ATMEL, es compatible con el sistema de comando MCS-51, con una CPU incorporada de 8 bits de uso general y memoria flash de 2K byte. 128 bytes de RAM interna, 15 líneas de E / S, 2 temporizadores / contadores de 16 bits, 1 estructura de interrupción de dos etapas de 5 vectores y 1 puerto de comunicación serie full-duplex. 1 comparador de precisión incorporado, oscilador en chip y circuito de reloj [1].
3.2 Termistor PTC
PTC es la abreviatura de English PosiTIve Temperature Coefficie-nt, que es el coeficiente de temperatura positivo, y su valor de resistencia aumenta con el aumento de la temperatura.
La resistencia del termistor PTC cambia muy lentamente con la temperatura antes de que alcance una cierta temperatura. Cuando se supera esta temperatura, la resistencia del termistor PTC aumenta bruscamente. Esta temperatura, que es un cambio repentino en la resistencia, se llama temperatura Curie y es un indicador técnico importante de los termistores PTC [2].
La Figura 2 muestra las características de tiempo actual de un termistor PTC.
3.3 Termómetro digital DS18B20
El termómetro digital DS18B20 es un dispositivo de un solo cable de 1 cable fabricado por DALLAS, que presenta un cableado simple y un tamaño pequeño. El rango de temperatura de medición es -55 ° C ~ +125 ° C, en el rango de -10 ° C ~ 85 ° C, la precisión es ± 0.5 ° C. La precisión del DS18B20 se verifica a ± 2 ° C. La temperatura en el sitio se transmite directamente en la forma digital del "bus de primera línea", lo que mejora en gran medida la antiinterferencia del sistema.
Debido a que el DS18B20 utiliza el protocolo de bus 1-Wire, realiza la transmisión bidireccional de datos en una línea de datos. Para el microcontrolador AT89C2051, el protocolo de bus único no es compatible con el hardware. Por lo tanto, el acceso al software debe usarse para simular la sincronización del protocolo de un solo bus para completar el acceso al chip DS18B20. El protocolo define el tiempo de varias señales: Inicializar tiempo, leer tiempo, escribir tiempo. Todos los tiempos utilizan el host como maestro y el dispositivo de bus único como esclavo. Las transferencias de datos y comandos son de orden inferior primero [3].
3.4 Control de MCU relé multicanal
El relé de control de un solo chip se muestra en la Figura 1. En la figura solo se muestra la conexión del circuito de control de un relé. Ocupa un bit del puerto P3 de la MCU, y el relé multicanal puede realizarse ocupando diferentes pines. El sistema utiliza el puerto P3 de 3 posiciones para controlar el relé de 3 vías. El termistor PTC es DC 12V, y el voltaje es suministrado por la fuente de alimentación conmutada. Dado que la corriente de activación del puerto P3 del microordenador de un solo chip es de 20 mA, y la activación del relé es equivalente a la activación del dispositivo de alta potencia para el microordenador de un solo chip, la corriente de activación del puerto P3 debe amplificarse. El termistor PTC está alimentado por DC 12V, lo que puede afectar la estabilidad de la MCU. Por lo tanto, el optoacoplador 4N33 se selecciona para mejorar la capacidad de conducción del puerto P3. Al mismo tiempo, debido a que el fotoacoplador 4N33 utiliza una forma de conversión electroóptico-eléctrica para amplificar la corriente de accionamiento, aislando así el microcontrolador y el relé, eliminando la inestabilidad potencial del sistema. Cuando el pin del puerto P3 del microordenador de un solo chip tiene un nivel bajo, el LED del terminal de entrada 4N33 se enciende, el terminal de salida emite la corriente amplificada y el relé de accionamiento se activa, de modo que el PTC el circuito del termistor se enciende y comienza a calentarse [4- 5].
3.5 teclado, pantalla
El teclado periférico de este sistema utiliza el chip de visualización del teclado HD7279A. Dado que se deben mostrar los límites superior e inferior de la temperatura establecida del sistema y la temperatura de calentamiento en tiempo real, solo se utiliza la función del teclado del HD7279A, y la parte de visualización del sistema utiliza el módulo de pantalla de cristal líquido LT12864I. Cuando el sistema comienza a funcionar, el teclado establece la temperatura de calentamiento, los datos se transmiten al microordenador de un solo chip, y luego el microordenador de un solo chip envía los datos al módulo de visualización; Durante la operación del sistema, el valor de temperatura en tiempo real medido por el termómetro digital DS18B20 también se transmite al microordenador de un solo chip, y luego el microordenador de un solo chip convierte los datos y los envía al módulo de visualización para su visualización.
El siguiente es un diagrama de flujo de varias subrutinas en el sistema: el diagrama de flujo de la subrutina de control de relé de tres vías se muestra en la Figura 4.
El diagrama de flujo de la subrutina de medición de temperatura DS18B20 se muestra en la Figura 5.
El diagrama de flujo de la subrutina de la pantalla del teclado se muestra en la Figura 6.
5. Conclusión
El sistema utiliza el chip AT89C2051 como componente central de control y utiliza el termistor DC PTC como material de calentamiento. El circuito de hardware y la programación de software se utilizan para realizar el control secuencial del termistor PTC, que resuelve el problema de que la corriente de entrada es grande en el arranque y logra el propósito de un control rápido y constante de la temperatura. El sistema es seguro y conveniente de usar, y puede aplicarse en los campos de calentamiento a temperatura constante de infusión médica, secadoras y calentadores en electrodomésticos; Además, el sistema también propone un método para controlar grandes corrientes, que proporciona una base confiable para el dispositivo de alta corriente de la unidad de un solo chip y tiene un amplio valor de aplicación.
2, el diseño general del sistema
El sistema utiliza AT89C2051 como núcleo de control, el termistor PTC calienta el área de calentamiento y el termómetro digital DS18B20 recoge la temperatura en tiempo real. El teclado periférico establece los límites superior e inferior del valor de temperatura a calentar. Se determina si se alcanza el rango de temperatura establecido comparando el valor de temperatura recolectado en tiempo real con el valor de temperatura establecido. El relé multicanal controlado por AT89C2051 realiza el control del interruptor del estado de funcionamiento del termistor PTC de múltiples chips (un relé para controlar un termistor PTC), de modo que la temperatura de la región de calentamiento se mantenga dentro del rango de temperatura establecido. El esquema del sistema se muestra en la Figura 1.
3, calefacción de control de un solo chip
3.1 Sistema de chip único
El AT89C2051 es un microcontrolador CMOS de 8 bits de alto voltaje y bajo voltaje de ATMEL, EE. UU. Producido por la tecnología de memoria no volátil de alta densidad de ATMEL, es compatible con el sistema de comando MCS-51, con una CPU incorporada de 8 bits de uso general y memoria flash de 2K byte. 128 bytes de RAM interna, 15 líneas de E / S, 2 temporizadores / contadores de 16 bits, 1 estructura de interrupción de dos etapas de 5 vectores y 1 puerto de comunicación serie full-duplex. 1 comparador de precisión incorporado, oscilador en chip y circuito de reloj [1].
Esquema del sistema
3.2 Termistor PTC
PTC es la abreviatura de English PosiTIve Temperature Coefficie-nt, que es el coeficiente de temperatura positivo, y su valor de resistencia aumenta con el aumento de la temperatura.
La resistencia del termistor PTC cambia muy lentamente con la temperatura antes de que alcance una cierta temperatura. Cuando se supera esta temperatura, la resistencia del termistor PTC aumenta bruscamente. Esta temperatura, que es un cambio repentino en la resistencia, se llama temperatura Curie y es un indicador técnico importante de los termistores PTC [2].
La Figura 2 muestra las características de tiempo actual de un termistor PTC.
3.3 Termómetro digital DS18B20
El termómetro digital DS18B20 es un dispositivo de un solo cable de 1 cable fabricado por DALLAS, que presenta un cableado simple y un tamaño pequeño. El rango de temperatura de medición es -55 ° C ~ +125 ° C, en el rango de -10 ° C ~ 85 ° C, la precisión es ± 0.5 ° C. La precisión del DS18B20 se verifica a ± 2 ° C. La temperatura en el sitio se transmite directamente en la forma digital del "bus de primera línea", lo que mejora en gran medida la antiinterferencia del sistema.
Debido a que el DS18B20 utiliza el protocolo de bus 1-Wire, realiza la transmisión bidireccional de datos en una línea de datos. Para el microcontrolador AT89C2051, el protocolo de bus único no es compatible con el hardware. Por lo tanto, el acceso al software debe usarse para simular la sincronización del protocolo de un solo bus para completar el acceso al chip DS18B20. El protocolo define el tiempo de varias señales: Inicializar tiempo, leer tiempo, escribir tiempo. Todos los tiempos utilizan el host como maestro y el dispositivo de bus único como esclavo. Las transferencias de datos y comandos son de orden inferior primero [3].
3.4 Control de MCU relé multicanal
El relé de control de un solo chip se muestra en la Figura 1. En la figura solo se muestra la conexión del circuito de control de un relé. Ocupa un bit del puerto P3 de la MCU, y el relé multicanal puede realizarse ocupando diferentes pines. El sistema utiliza el puerto P3 de 3 posiciones para controlar el relé de 3 vías. El termistor PTC es DC 12V, y el voltaje es suministrado por la fuente de alimentación conmutada. Dado que la corriente de activación del puerto P3 del microordenador de un solo chip es de 20 mA, y la activación del relé es equivalente a la activación del dispositivo de alta potencia para el microordenador de un solo chip, la corriente de activación del puerto P3 debe amplificarse. El termistor PTC está alimentado por DC 12V, lo que puede afectar la estabilidad de la MCU. Por lo tanto, el optoacoplador 4N33 se selecciona para mejorar la capacidad de conducción del puerto P3. Al mismo tiempo, debido a que el fotoacoplador 4N33 utiliza una forma de conversión electroóptico-eléctrica para amplificar la corriente de accionamiento, aislando así el microcontrolador y el relé, eliminando la inestabilidad potencial del sistema. Cuando el pin del puerto P3 del microordenador de un solo chip tiene un nivel bajo, el LED del terminal de entrada 4N33 se enciende, el terminal de salida emite la corriente amplificada y el relé de accionamiento se activa, de modo que el PTC el circuito del termistor se enciende y comienza a calentarse [4- 5].
El termistor PTC tiene una corriente de entrada al comienzo del inicio de la operación. Esto se puede ver a partir de sus características de tiempo actual (que se muestra en la Figura 2). Después de un período de tiempo, la corriente cae a un estado estable, y la corriente es pequeña, aproximadamente 0,8 a 1A. De esta manera, cuando se inicia el calentamiento, los tres relés no se pueden encender al mismo tiempo para el calentamiento, porque la fuente de alimentación del termistor PTC es DC 12V, 12A. Si el relé de tres vías se enciende al mismo tiempo, cuando la corriente de entrada del termistor PTC alcanza el valor máximo (5.7 a 7A), la corriente que resistirá la fuente de alimentación de conmutación excede su valor nominal, causando la fuente de alimentación para dejar de trabajar e incluso destruir. Afecta la continuidad y la fiabilidad del trabajo del sistema. En vista de este factor, se mide el tiempo S1 desde el inicio de la operación del termistor PTC de un solo chip hasta el valor máximo y el tiempo S2 desde el valor máximo por debajo de 4A, de modo que se puede determinar la apertura del relé basado en las dos veces. Ahora establezca tres relevos 1,2,3, respectivamente carretera. Después de que se enciende la MCU, se enciende el primer relé y se enciende el segundo relé después de que la corriente ha aumentado del valor mínimo al tiempo máximo S1 (si la temperatura proporcionada por el primer termistor PTC no alcanza el valor establecido) rango de temperatura) . La apertura del tercer relevo también lleva tiempo S1. Los estados de encendido y apagado de cada relé se determinan comparando la temperatura en tiempo real medida por el termómetro digital DS18B20 con los límites superior e inferior de la temperatura establecida. El orden de apertura de los relés se establece en 1, 2, 3 y el orden de apagado se establece en 3, 2 y 1. El software implementa estas configuraciones.
3.5 teclado, pantalla
El teclado periférico de este sistema utiliza el chip de visualización del teclado HD7279A. Dado que se deben mostrar los límites superior e inferior de la temperatura establecida del sistema y la temperatura de calentamiento en tiempo real, solo se utiliza la función del teclado del HD7279A, y la parte de visualización del sistema utiliza el módulo de pantalla de cristal líquido LT12864I. Cuando el sistema comienza a funcionar, el teclado establece la temperatura de calentamiento, los datos se transmiten al microordenador de un solo chip, y luego el microordenador de un solo chip envía los datos al módulo de visualización; Durante la operación del sistema, el valor de temperatura en tiempo real medido por el termómetro digital DS18B20 también se transmite al microordenador de un solo chip, y luego el microordenador de un solo chip convierte los datos y los envía al módulo de visualización para su visualización.
4, diseño de software del sistema
El diagrama de flujo general del software del sistema se muestra en la Figura 3. Después de encender el sistema, primero se inicializa y se configuran los registros y los puertos de E / S. Cuando se detecta la señal válida del botón, los datos del botón se leen, se transmiten a la MCU y se envían al módulo de visualización para su visualización. Una vez que se completa la configuración del teclado, se establece la bandera. Después de que la MCU detecta esta señal, el primer relé se enciende para calentar. En este momento, el termómetro digital DS18B20 se inicializa para medir la temperatura, y los datos de temperatura medidos en tiempo real se envían al microordenador de un solo chip para su procesamiento, y luego se muestran en el módulo de visualización. Después de cada medición de la temperatura del DS18B20, el valor de temperatura medido se compara con los límites superior e inferior del valor de temperatura establecido. Si la temperatura medida es superior al límite superior de la temperatura establecida, el relé se apaga. Detecta el estado de encendido / apagado de cada relé, y apaga el relé en el orden de los canales tercero, segundo y primero (apaga 1 relé cada vez); Si la temperatura medida es inferior al límite inferior de la temperatura establecida, vaya al programa de procesamiento abierto del relé, verifique el estado de encendido y apagado de cada relé, y encienda el relé en el orden de los canales primero, segundo y tercero. (cada vez se enciende una vez). Relé de 1 vía). En el trabajo posterior del sistema, el proceso de medir la temperatura al valor de temperatura se compara con encender o apagar el relé para lograr el propósito de un control de temperatura constante de la zona de calentamiento.
El diagrama de flujo general del software del sistema se muestra en la Figura 3. Después de encender el sistema, primero se inicializa y se configuran los registros y los puertos de E / S. Cuando se detecta la señal válida del botón, los datos del botón se leen, se transmiten a la MCU y se envían al módulo de visualización para su visualización. Una vez que se completa la configuración del teclado, se establece la bandera. Después de que la MCU detecta esta señal, el primer relé se enciende para calentar. En este momento, el termómetro digital DS18B20 se inicializa para medir la temperatura, y los datos de temperatura medidos en tiempo real se envían al microordenador de un solo chip para su procesamiento, y luego se muestran en el módulo de visualización. Después de cada medición de la temperatura del DS18B20, el valor de temperatura medido se compara con los límites superior e inferior del valor de temperatura establecido. Si la temperatura medida es superior al límite superior de la temperatura establecida, el relé se apaga. Detecta el estado de encendido / apagado de cada relé, y apaga el relé en el orden de los canales tercero, segundo y primero (apaga 1 relé cada vez); Si la temperatura medida es inferior al límite inferior de la temperatura establecida, vaya al programa de procesamiento abierto del relé, verifique el estado de encendido y apagado de cada relé, y encienda el relé en el orden de los canales primero, segundo y tercero. (cada vez se enciende una vez). Relé de 1 vía). En el trabajo posterior del sistema, el proceso de medir la temperatura al valor de temperatura se compara con encender o apagar el relé para lograr el propósito de un control de temperatura constante de la zona de calentamiento.
Figura 3 Diagrama de flujo general del software del sistema
El siguiente es un diagrama de flujo de varias subrutinas en el sistema: el diagrama de flujo de la subrutina de control de relé de tres vías se muestra en la Figura 4.
El diagrama de flujo de la subrutina de medición de temperatura DS18B20 se muestra en la Figura 5.
El diagrama de flujo de la subrutina de la pantalla del teclado se muestra en la Figura 6.
5. Conclusión
El sistema utiliza el chip AT89C2051 como componente central de control y utiliza el termistor DC PTC como material de calentamiento. El circuito de hardware y la programación de software se utilizan para realizar el control secuencial del termistor PTC, que resuelve el problema de que la corriente de entrada es grande en el arranque y logra el propósito de un control rápido y constante de la temperatura. El sistema es seguro y conveniente de usar, y puede aplicarse en los campos de calentamiento a temperatura constante de infusión médica, secadoras y calentadores en electrodomésticos; Además, el sistema también propone un método para controlar grandes corrientes, que proporciona una base confiable para el dispositivo de alta corriente de la unidad de un solo chip y tiene un amplio valor de aplicación.
