发射台真空器件库恒温控制系统的设计

摘要：介绍了运用AT89C52单片机设计开发的发射台真空器件库恒温控制系统，并结合DS18B20数字式温度传感器，以及相关的外部电路分析了利用AT89C52的优点。介绍了实现键盘输入、实时监测、自动温度调节的方法。重点阐述了系统的硬件构成、各部分的主要作用及系统软件的设计思路和流程。此系统成本低、工作可靠，移植性好，具有很高的应用和借鉴价值。
关键词：温度传感器；恒温控制；真空器件

0 引言
    发射台使用了许多真空器件，例如，真空电容、真空电子管、真空开关等。真空器件是播出设备的核心器件，消耗量较大，属于贵重器材，需要合理备份、妥善保管。由于真空器件对周围环境温度、湿度的特殊要求，故真空器件库要求满足恒温和干燥的条件。目前，无线局各台站的真空器件库一般采用手工控制和人工监测的方式实现恒温控制，这种方法准确性低、稳定性较差，还必须安排专人负责。
    为了更有效地保存真空器件备件，本文实现了一个能自动调节室内环境温度的真空器件库恒温控制系统。该系统以AT89C52单片机为控制核心，通过温度采集电路，实时检测真空器件库内的环境温度，并根据预先设定的温度阈值，控制真空器件库内均匀分布的加热设备的工作状态，实现室内温度自动调节。用户可以在现场使用键盘设置目标温度值，也可以在现场数码管显示屏上直接观察真空器件库当前室内环境温度值和用户设置的目标温度值。系统实时检测真空器件库环境温度值和目标温度值的变化，通过温控驱动电路控制加热设备的工作状态，确保真空器件库的恒温、除湿，避免了因保存温度、湿度不合适而造成的真空器件性能降低及损坏。

1 系统结构及工作原理
    发射台真空器件库恒温控制系统结构如图1所示，系统的基本硬件电路包括：温度采集、键盘输入、温度显示、电源、温控驱动、加热设备、报警和指示灯，以及A1789C52单片机。

    为了更好地保持真空器件库室内环境温度恒定，系统采用闭环控制方式。由AT89C52单片机完成逻辑判断和控制，晶振频率采用12MHz，通过循环访问的方式，访问真空器件库内均匀分布的DS18B20数字温度传感器，采集真空器件库内的环境温度值。为了不频繁启动加热设备，目标温度由用户通过键盘输入后，系统自动生成目标温度上限值和下限值。单片机以一定的频率将检测到的环境温度值与用户输入的目标温度值进行比较。当真空器件库环境温度值低于设置的目标温度下限值时，温控驱动电路驱动加热设备加温，温度上升到目标温度下限值以上时，停止加温；当真空器件库环境温度高于设置的目标温度上限值时，温控驱动电路驱动降温电路降温，温度下降到目标温度上限值以下时，停止降温。

2 硬件电路设计
2．1 温度采集电路
    温度采集电路采用温度传感器DS18B20来实现温度的采集和转换。DS18B20是一种改进型智能温度传感器，与传统的热敏电阻等测温元件相比，它能直接读出所测温度。测量输出信号为数字量，可以直接和单片机进行通信，从而降低外围电路的复杂度。温度采集电路如图2所示。

    DS18B20把采集到的温度通过数据引脚传到单片机的P3．0口，每一片DS18B20有唯一的48位序列号，在出厂前已写入片内ROM中，单片机通过读ROM(33H)命令将该DS18B20的序列号读出，经过匹配，即可逐一读回每个DS18B20的温度数据。虽然DS18B20具有测温简单、精度高、连接方便和占用I／O口少等优点，但当单总线上所挂的DS18B20超过8个时，就需解决微处理器的总线驱动问题。另外，连接DS18B20的总线电缆的长度有限制，当采用普通信号电缆传输长度超过50m时，读取的测温数据会发生错误，这主要是由总线分布电容使信号波形产生畸变引起的。因此，进行多点测温和长距离测温电路设计时要加以注意。
2．2 键盘电路
    考虑实际应用情况，键盘电路设计采用矩阵式和中断扫描相结合的方式。矩阵式键盘由行线与列线组成，按键位于行、列的交叉点上，按键数量较多时可以节省单片机I／O接口的占用。系统使用过程中，键盘大部分时间基本不工作，因而中断扫描方式可以提高单片机处理器工作效率。当键盘有按键动作时产生中断，单片机处理器响应键盘中断，执行键盘中断程序，判别键盘按下键的键号并做相应处理。在本系统中，单片机的I／O接口充裕，因此键盘电路直接连接单片机I／O接口。键盘接口电路如图3所示。

    键盘的数字键(0～9)、确认键(OK)、清除键(Del)等12个按键以四行三列方式连接到单片机的P0口，设置键(Set)与单片机的脚相连，而硬件复位键(ReSet)与R、C构成复位电路。需要注意的是，用单片机的P0口连接键盘时，要给P0口的各I／O接口提供上拉电阻。
2．3 电源电路
    根据系统中元器件的需求设计了输出纹波小于5mV，输出内阻小于0．1 Ω的电源模块。通过变压、整流、滤波、稳压等环节设计出一个交流输入5V，直流输出5V和±12V的线性直流稳压电源。
2．4 温度显示电路
    温度显示电路采用两个3位共阳LED数码管，数码管以动态扫描方式分别显示设置的目标温度值和现场采样温度值的十位数、个位数及小数点后一位数。LED数码管的共阳极公共端分别由相应的I／O口控制，其它所有相同字段管脚连在一起，共8段，由一个8位I／O口控制。单片机依次使能3位共阳极数码管的位选择端，按顺序点亮3位数码管的各位。由于人眼观察时特有的“视觉暂存”效应，当亮灭频率达到一定程度时无法觉察数码管明暗的变化，认为3位数码管各位始终点亮，即实现了3位数码管的动态显示。图4是目标温度值显示电路，用P2口作为数码管的段控码输出，集成电路74LS244作为段码输出的驱动电路。P1．0～P1．2作为数码管的位控码输出，用PNP型三极管做驱动，通过键盘输入目标温度值，改变3位数码管的数据显示。系统默认的目标温度上限值为：目标温度值+5℃，目标温度下限值为：目标温度值-5℃。

    现场采集的温度显示电路与目标温度显示电路类似，用P3口作为数码管的段控码输出，集成电路74LS244作为段码输出的驱动电路。  P1．5 ～P1．7作为数码管的位控码输出，用PNP型三极管驱动，通过DS18B20采集的现场温度信号，改变3位数码管的数据显示。
2．5 加热设备
    为了确保真空器件库室内温度实现快速加热、快速冷却，满足恒温条件，系统选择受控电加热暖风机作为加热设备。需要加热时，由于风机的作用，把真空器件库室内待加热的空气送入加热器，在高功率加热器的作用下进行加热，加热后的热空气经暖风机的出风口送回真空器件库室内，如此反复，达到加热的目的。需要降温时，高功率加热器停止工作，靠风机的作用加速真空器件库室内空气循环，实现降温的目的。按每10m2安装一台受控电加热暖风机，合理布置在真空器件库室内，使暖风机的风均匀扩散，以免真空器件库室内的温度偏差过大。
2．6 温控驱动电路
    电路系统中的控制信号从AT89C52芯片中的P1端口输出，但单片机I／O口的负载能力无法直接驱动加热设备，必须通过中间驱动电路实现单片机对加热设备工作状态的控制。实际应用中，通常采用继电器或交流接触器间接驱动，但继电器或交流接触器具有机械接触的缺点，因而在很大程度上降低了控制系统整体的稳定性和可靠性。为了避免机械接触开关的缺点，本系统选用以可控硅为主体的完全光电隔离的中间驱动电路。可控硅用隔离器实现了控制端与负载端的隔离，以小功率控制大功率，能在高电压、大电流条件下工作，具有无机械接触、体积小、便于安装等优点，是理想的交流开关器件。加热驱动电路如图5所示。

    当现场采集温度值低于设定的目标温度下限值时，单片机P1．3输出高电平，通过限流保护电阻R4的双向光电耦合器上电工作，双向可控硅TRIAC栅极由R1、R2和双向光电耦合器的信号触发导通，加热电路开始工作。当单片机P1．3输出低电平时，双向光电耦合器截止，双向可控硅TRIAC栅极无触发信号被关断，加热电路停止工作。电路中的R3、C2组成阻容吸收单元，可减小可控硅关断时加热电路中感性元件所产生的自感电动势对可控硅的过压冲击。R1、C1组成低通滤波单元，能降低双向光电耦合器误触发对后续电路的影响。同时，双向光电耦合器的使用彻底隔离了强弱电路，避免了加热设备对单片机的干扰。
    降温驱动电路和加热驱动电路相同，现场采集温度值高于设定的目标温度上限值时，单片机P1．4输出高电平，驱动降温电路上电工作；单片机P1．4输出低电平时，降温电路断电停止工作。
2．7 报警及指示灯电路
    报警电路和指示灯电路如图6所示，当现场采集温度值高于设置的目标温度上限值，或者低于设置的目标温度下限值时，单片机P3．4输出高电平，越限报警电路的三极管Q2导通，蜂鸣器工作，发出连续不断的滴答滴答报警。现场采集温度保持在设置目标温度上下限范围时，单片机P3．4输出低电平，越限报警电路的三极管Q2关断，蜂鸣器不工作。指示灯电路绿灯D0亮，单片机P3．1输出高电平，表示现场采集温度值在设置目标温度值上下限范围内，系统运行正常。若指示灯电路红灯D1亮，单片机P3．2输出低电平，表示现场采集的温度值超过设置目标温度上限值，系统正在进行降温；若指示电路蓝灯D2亮，单片机P3．3输出低电平，表示现场采集温度值低于设置目标温度下限值，系统正在进行加热。

3 软件设计
    系统控制软件采用模块化设计，软件子功能模块程序与硬件分块电路相对应。主程序作为子功能模块程序的入口，通过键盘管理程序和中断程序，实现子功能模块程序的调用。程序控制流程如图7所示。

    系统加电后，由初始化子程序完成功能寄存器和程序运行环境的初始化；读温度子程序将DS18B20采集到的真空器件库内的环境温度值读入到指定的数组；数码管显示子程序控制位选择和数码管的显示驱动，把要显示的温度数据按照温度显示规则送入相应的显示缓存，实现温度数据的实时显示：键盘管理程序采用I／O口线中断方式提高MCU响应速度，并通过算法延时消抖实现键盘输入，由键码识别函数判断外部键盘输入信息；比较子程序将读温度子程序得到的环境温度值与由键盘输入的目标温度的上下限值进行比较，若温度值越限，则调用温控子程序进行升、降温调节，并启动报警子程序。

4 结束语
    发射台真空器件库恒温控制系统充分发挥了AT89C52单片机的特点，结合DS18B20数字温度传感器，降低了硬件电路的设计复杂度。系统设计简单、实现方便、耗能少、成本低廉，实践证明，本控制方案可靠、有效，具有控温准确、操控界面友好、稳定性高、抗干扰能力强、易维护的优点，可以保证发射台真空器件库温度恒定、环境干燥，从而使真空器件备件能够得到有效的保存。