DC PTC-Thermistor konstantes Temperatursteuersystem basierend auf Chip AT89C2051
Die meisten der vorhandenen Heizungen werden mit herkömmlichen Geräten wie elektrischen Heizrohren und elektrischen Heizdrähten beheizt. Das äußere Gehäuse des elektrischen Heizrohrs ist ein Stahlrohr aus rostfreiem Stahl, das einen Heizelement-Widerstandsdraht aufweist und die Wärme durch den elektrischen Widerstandsdraht und das Stahlrohr nach außen erwärmt. Wenn die Luft nicht strömt, wird die Wärme des elektrischen Heizungsrohrs nicht abgeführt, die Temperatur wird immer höher, und in schweren Fällen wird das elektrische Heizungsrohr verbrannt und es kommt sogar zu einem Brand. Als Heizmaterial hat der PTC-Thermistor die Eigenschaften einer energiesparenden konstanten Temperatur, keiner offenen Flamme, einer guten Sicherheit, einer einfachen Regulierung der Wärmeerzeugung, eines geringen Einflusses von Schwankungen der Versorgungsspannung und eines schnellen Temperaturanstiegs. Daher ist der Entwurf eines Heizsystems mit konstanter Temperatur unter Verwendung eines Kaltleiters als Heizmaterial für Anwendungen von großem Interesse, die eine hohe Sicherheit erfordern.
2, der Gesamtaufbau des Systems
Das System verwendet AT89C2051 als Steuerkern, der Kaltleiter erwärmt den Heizbereich und das digitale Thermometer DS18B20 erfasst die Temperatur in Echtzeit. Die oberen und unteren Grenzen des zu erhitzenden Temperaturwertes werden über die Peripherietastatur eingestellt. Es wird festgestellt, ob der eingestellte Temperaturbereich erreicht ist, indem der in Echtzeit erfasste Temperaturwert mit dem eingestellten Temperaturwert verglichen wird. Das von AT89C2051 gesteuerte Mehrkanalrelais realisiert die Schaltersteuerung des Arbeitszustands des Mehrchip-Kaltleiters (ein Relais zur Steuerung eines Kaltleiters), so dass die Temperatur des Heizbereichs innerhalb des eingestellten Temperaturbereichs bleibt. Das Systemschema ist in Abbildung 1 dargestellt.
3, Single-Chip-Steuerheizung
3.1 Ein-Chip-System
Der AT89C2051 ist ein Hochleistungs-CMOS-8-Bit-Mikrocontroller mit niedriger Spannung von ATMEL, USA. Es wird von ATMELs nichtflüchtiger Speichertechnologie mit hoher Dichte hergestellt und ist mit dem MCS-51-Befehlssystem kompatibel. Es verfügt über eine integrierte 8-Bit-Universal-CPU und einen 2-KByte-Flash-Speicher. 128 Byte interner RAM, 15 E / A-Leitungen, 2 16-Bit-Timer / Zähler, 1 zweistufige 5-Vektor-Interrupt-Struktur und 1 serieller Vollduplex-Kommunikationsanschluss. Eingebauter 1-Präzisionskomparator, On-Chip-Oszillator und Taktschaltung [1].
Systemschema
3.2 Kaltleiter
PTC ist die Abkürzung für English PosiTIve Temperature Coefficie-nt (englischer positiver Temperaturkoeffizient), und sein Widerstandswert steigt mit zunehmender Temperatur an.
Der Widerstand des Kaltleiters ändert sich sehr langsam mit der Temperatur, bevor er eine bestimmte Temperatur erreicht. Bei Überschreitung dieser Temperatur steigt der Widerstand des Kaltleiters stark an. Diese Temperatur, bei der es sich um eine plötzliche Widerstandsänderung handelt, wird als Curie-Temperatur bezeichnet und ist ein wichtiger technischer Indikator für Kaltleiter [2].
Abbildung 2 zeigt die Strom-Zeit-Kennlinie eines Kaltleiters.
3.3 Digitales Thermometer DS18B20
Das digitale Thermometer DS18B20 ist ein 1-Wire-Gerät von DALLAS, das sich durch einfache Verdrahtung und geringe Größe auszeichnet. Der Messtemperaturbereich beträgt -55 ° C ~ +125 ° C, im Bereich von -10 ° C ~ 85 ° C beträgt die Genauigkeit ± 0,5 ° C. Die Genauigkeit des DS18B20 wird auf ± 2 ° C geprüft. Die Vor-Ort-Temperatur wird direkt digital über den „First-Line-Bus“ übertragen, wodurch die Entstörung des Systems erheblich verbessert wird.
Da der DS18B20 das 1-Wire-Bus-Protokoll verwendet, wird eine bidirektionale Datenübertragung auf einer Datenleitung realisiert. Für den Mikrocontroller AT89C2051 wird das Einzelbusprotokoll von der Hardware nicht unterstützt. Daher muss der Softwarezugriff verwendet werden, um das Protokoll-Timing eines einzelnen Busses zu simulieren, um den Zugriff auf den DS18B20-Chip abzuschließen. Das Protokoll definiert das Timing mehrerer Signale: Initialisierungs-Timing, Lese-Timing, Schreib-Timing. Alle Timings verwenden den Host als Master und das Single-Bus-Gerät als Slave. Die Daten- und Befehlsübertragungen sind alle zuerst niederwertig [3].
3.4 Mehrkanal-Relais zur MCU-Steuerung
Das Ein-Chip-Steuerrelais ist in Abbildung 1 dargestellt. In der Abbildung ist nur der Steuerkreisanschluss eines Relais dargestellt. Es belegt ein Bit des P3-Ports der MCU und das Mehrkanal-Relais kann durch Belegen verschiedener Pins realisiert werden. Das System verwendet den 3-poligen P3-Anschluss zur Steuerung des 3-Wege-Relais. Der Kaltleiter hat eine Spannung von 12 V Gleichstrom und die Spannung wird vom Schaltnetzteil geliefert. Da der Treiberstrom des P3-Ports des Ein-Chip-Mikrocomputers 20 mA beträgt und der Treiber des Relais dem Treiber der Hochleistungsvorrichtung für den Ein-Chip-Mikrocomputer entspricht, muss der Treiberstrom des P3-Ports verstärkt werden. Der Kaltleiter wird mit 12 V Gleichstrom versorgt, was die Stabilität der MCU beeinträchtigen kann. Daher wird der Optokoppler 4N33 ausgewählt, um die Treiberfähigkeit des P3-Ports zu verbessern. Da der Fotokoppler 4N33 eine elektro-optisch-elektrische Umwandlungsform verwendet, um den Ansteuerungsstrom zu verstärken, werden der Mikrocontroller und das Relais isoliert, wodurch die potenzielle Instabilität des Systems beseitigt wird. Wenn der Pin des P3-Ports des Ein-Chip-Mikrocomputers einen niedrigen Pegel aufweist, leuchtet die LED des 4N33-Eingangsanschlusses, der Ausgangsanschluss gibt den verstärkten Strom aus und das Ansteuerrelais wird angezogen, so dass der PTC eingeschaltet wird Thermistorschleife ist eingeschaltet und beginnt zu heizen [4-5].
Der Kaltleiter hat zu Beginn des Betriebs einen Einschaltstrom. Dies ist an den Eigenschaften der aktuellen Zeit zu erkennen (siehe Abbildung 2). Nach einer gewissen Zeit fällt der Strom in einen stabilen Zustand ab und der Strom ist gering, etwa 0,8 bis 1A. Auf diese Weise können beim Starten der Heizung die drei Relais nicht gleichzeitig zum Heizen eingeschaltet werden, da die Stromversorgung des Kaltleiters 12 V Gleichstrom, 12 A beträgt. Wenn das Dreifachrelais gleichzeitig eingeschaltet wird und der Einschaltstrom des Kaltleiters den Maximalwert (5,7 bis 7 A) erreicht, überschreitet der Strom, dem das Schaltnetzteil standhält, seinen Nennwert und bewirkt, dass das Netzteil eingeschaltet wird aufhören zu arbeiten und sogar zu zerstören. Beeinflusst die Kontinuität und Zuverlässigkeit der Systemarbeit. In Anbetracht dieses Faktors werden die Zeit S1 vom Beginn des Betriebs des Ein-Chip-Kaltleiters bis zum Maximalwert und die Zeit S2 vom Maximalwert bis unter 4 A gemessen, so dass die Öffnung des Relais bestimmt werden kann basierend auf den beiden Zeiten. Stellen Sie nun drei Relais 1,2,3 bzw. Straße ein. Nach dem Einschalten der MCU wird das erste Relais eingeschaltet und das zweite Relais wird eingeschaltet, nachdem der Strom vom Minimalwert zur Maximalzeit S1 angestiegen ist (wenn die vom ersten Kaltleiter gelieferte Temperatur den eingestellten Wert nicht erreicht hat) Temperaturbereich) . Das Öffnen des dritten Relais dauert ebenfalls Zeit S1. Die Ein- und Ausschaltzustände jedes Relais werden durch Vergleichen der vom digitalen Thermometer DS18B20 gemessenen Echtzeittemperatur mit den oberen und unteren Grenzen der eingestellten Temperatur bestimmt. Die Reihenfolge des Öffnens der Relais ist auf 1, 2, 3 und die Reihenfolge des Herunterfahrens auf 3, 2 und 1 festgelegt. Diese Einstellungen werden von der Software implementiert.
3.5 Tastatur, Anzeige
Die Peripherietastatur dieses Systems verwendet den Tastatur-Display-Chip HD7279A. Da die oberen und unteren Grenzen der System-Solltemperatur und der Temperatur der Echtzeitheizung angezeigt werden sollen, wird nur die Tastaturfunktion des HD7279A verwendet, und der Anzeigebereich des Systems verwendet das LT12864I-Flüssigkristallanzeigemodul. Wenn das System zu arbeiten beginnt, wird die Heiztemperatur über die Tastatur eingestellt, die Daten werden an den Ein-Chip-Mikrocomputer übertragen, und dann werden die Daten vom Ein-Chip-Mikrocomputer an das Anzeigemodul gesendet. Während des Systembetriebs wird der vom digitalen Thermometer DS18B20 gemessene Echtzeit-Temperaturwert auch an den Ein-Chip-Mikrocomputer übertragen, und dann werden die Daten vom Ein-Chip-Mikrocomputer konvertiert und zur Anzeige an das Anzeigemodul gesendet.
4, System-Software-Design
Das Gesamtflussdiagramm der Systemsoftware ist in Abbildung 3 dargestellt. Nach dem Einschalten des Systems wird es zuerst initialisiert und die Register und E / A-Ports werden festgelegt. Wenn das Knopfgültigkeitssignal erkannt wird, werden die Knopfdaten gelesen, an die MCU übertragen und zur Anzeige an das Anzeigemodul gesendet. Nachdem die Tastatureinstellung abgeschlossen ist, wird das Flag gesetzt. Nachdem die MCU dieses Signal erkannt hat, wird das erste Relais zum Heizen eingeschaltet. Zu diesem Zeitpunkt wird das digitale Thermometer DS18B20 für die Temperaturmessung initialisiert, und die gemessenen Echtzeit-Temperaturdaten werden zur Verarbeitung an den Ein-Chip-Mikrocomputer gesendet und dann vom Anzeigemodul angezeigt. Nach jeder Temperaturmessung des DS18B20 wird der gemessene Temperaturwert mit den oberen und unteren Grenzen des eingestellten Temperaturwerts verglichen. Liegt die gemessene Temperatur über der Obergrenze der eingestellten Temperatur, wird das Relais ausgeschaltet. Ermitteln Sie den Ein / Aus-Status jedes Relais und schalten Sie das Relais in der Reihenfolge des 3., 2. und 1. Kanals aus (schalten Sie jedes Mal 1 Relais aus). Wenn die gemessene Temperatur unter dem unteren Grenzwert der eingestellten Temperatur liegt, rufen Sie das Relais-Öffnungs-Verarbeitungsprogramm auf, überprüfen Sie den Ein- und Ausschaltstatus jedes Relais und schalten Sie das Relais in der Reihenfolge des 1., 2. und 3. Kanals ein (Jedes Mal ist einmal eingeschaltet). Einwegrelais). In der anschließenden Systemarbeit wird der Prozess des Messens der Temperatur auf den Temperaturwert mit dem Ein- oder Ausschalten des Relais verglichen, um den Zweck einer konstanten Temperatursteuerung der Heizzone zu erreichen.
Abbildung 3 Gesamtflussdiagramm der Systemsoftware
Das Folgende ist ein Flussdiagramm mehrerer Subroutinen im System: Das Flussdiagramm der Subroutine für die Dreiwege-Relaissteuerung ist in Abbildung 4 dargestellt.
Das Unterprogramm DS18B20 für die Temperaturmessung ist in Abbildung 5 dargestellt.
Das Ablaufdiagramm der Tastaturanzeige-Unterroutine ist in Abbildung 6 dargestellt.
5. Schlussfolgerung
Das System verwendet den AT89C2051-Chip als Steuerkernkomponente und den DC-Kaltleiter als Heizmaterial. Die Hardwareschaltung und die Softwareprogrammierung werden verwendet, um die sequentielle Steuerung des PTC-Thermistors zu realisieren, wodurch das Problem gelöst wird, dass der Einschaltstrom beim Start groß ist, und um den Zweck einer schnellen konstanten Temperatursteuerung zu erreichen. Das System ist sicher und bequem in der Anwendung und kann auf dem Gebiet der konstanten Erwärmung von medizinischen Infusionen, Trocknern und Heizgeräten in Haushaltsgeräten angewendet werden. Darüber hinaus schlägt das System auch ein Verfahren zur Steuerung von Hochstrom vor, das eine zuverlässige Basis für das Ein-Chip-Treiber-Hochstromgerät bietet und einen breiten Anwendungswert hat.
