The circuit design of signal sampling and amplifying and A/D transforming of temperture control system
Abstract: This article describe the circuits design of the signal amplifying and A/D transforming and watch dog of a temperature control and indication system that bases on the AT89C52 MCU.
Key Words: AT89C52  Sensor  Amplifying Circuit  A/D Transforming  Watch Dog
摘要：本文阐述了一个基于AT89C52单片机的温度控制和显示系统信号采样放大及A/D转换以及看门狗电路的设计。
关键词：AT89C52，传感器，放大电路，A/D转换，看门狗

一．简介
 本温度控制和显示系统是一个闭环反馈控制系统，它用温度传感器将检测到的温度信号经放大，A/D转换后送入计算机中，与设定值进行比较，得到偏差。对此偏差按PID算法进行修正，返回对应工况下的可控硅导通时间，调节电热丝的有效加热功率，从而实现对铁块的温度控制。 
系统采用AT89C52芯片为CPU，外扩了8K的数据存储器6264。AT89C52是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能的CMOS 8位单片机，片内含8K的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和256bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度，非易失性存储技术生产，与标准的MCS-51指令系统及8052产品引脚兼容，片内置通用8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元，功能强大AT89C52单片机适用于许多较为复杂控制应用场合。
 AT89C52的主要性能参数有：
 与MCS-51产品指令和引脚完全兼容。
 8K可重擦写的闪速存储器。
 1000次擦写周期。
 全静态操作：0Hz-24MHz。
 三级加密程序存储器。
 256×8字节内部RAM。
 32个可编程I/O口线。
 3个16位的定时/计数器。
 8个中断源。
 可编程串行UART通道。
 低功耗空闲和掉电模式。
AT89C52提供以下标准功能：8K字节的Flash闪速存储器，256字节的内部RAM，32个I/O口线，3个16位的定时/计数器，一个6向量两极中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。同时，AT89C52可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式：空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其他所有部件工作直到下一个硬件复位。
二．控制系统的原理
本温度控制和显示系统中，单片机系统用控制对铁块的加热时间来控制铁块的温度，铁块的温度经检测，放大，校正和A/D转换后送入单片机，由单片机计算当前值，然后根据PID控制规律返回可控硅导通的脉冲个数Tn，通过比较Tn和当前可控硅导通的脉冲个数决定打开关闭双向可控硅。铁块的温度给定和PID控制器参数设定用单片机系统的键盘来实现。控制系统结构框图如下：
 
系统的数据采集主要是对铁块现时温度的检测转换，温度的检测由铂电阻完成，用电桥得到差动值，经差动放大器放大后，送入A/D转换器进行转换，最后送入处理器处理。
温度传感器和信号放大电路如下图所示：

  我们使用电桥读取铂电阻的输出信号，图中TL431电路部分为供桥电压产生电路，因为供桥电源的变化几乎是一比一的反映到电桥电压输出，所以供桥电源的稳定与否直接影响到温度采样的精度。当系统有一精度足够的+10V电源时，TL431电路部分可以省略。电桥部分桥上臂电阻选22KΩ，右下臂电阻选100Ω，电桥输出电压为：
                
假设系统温度变化范围为0-120℃，则根据（1）式得电桥输出电压范围约为：0-20mV。
信号放大部分属于V-V放大，前面我们已经知道电桥的输出电压为0-20 mV，而A/D转换的输入电压为-5V-+5V，我们选用单极性输入+3V，这样可以确定放大器的增益为150倍（3V/20 Mv）。放大器的极数与单极放大器的带宽增益有关，由于铁块控制系统中测量速度不是主要的，也就是说带宽问题不予考虑，如果我们选用带宽增益积较大的芯片，则使用单极放大就足够了。在这里我们选用差分式斩波稳零高精度运算放大器ICL7650。一级放大接成双端差分输入，单端输出形式。放大器接成T型反馈网络，则放大器的放大倍数为：
      
在应用时，各元件阻值可按照上图中选取，实际放大倍数应该根据系统需要通过微调Rv2得到。
A/D转换芯片选择首先取决于控制系统对分辨率的要求，在本系统中要求达到控制温度范围为20~100摄氏度，控制精度为0.25摄氏度，则分辨率为：
100/0.25=400
若选用8位的A/D转换则分辨率为256，不能满足要求，故需要选用转换位数更高的芯片。本系统选用12位的A/D转换芯片ICL7109，该芯片是双积分型的，具有精度高，低噪声，低漂移，具有防尖峰干扰能力，价格低廉，不过由于是双积分型，故转换速度较慢，转换时间为30ms，但在本系统中已经足够。ICL7109有14位输出，低12位为A/D转换值输出，OR为溢出标志输出，当转换值溢出时该位输出高电平；POL为极性输出，输入电压信号大于零时该位输出高电平。14根数据线与单片机数据总线的接法为：B1~B8分别接P0.1~P0.7，B9~B12，OR和POL分别接P0.1~P0.5，如下图所示。CPU对A/D转换数据的读取通过依次选通LBEN和HBEN端口两步完成。由于用3-8译码器SEL1和SEL2来选通LBEN和HBEN。所以可以得到A/D转换数据的地址为：
      A15                                            A0   十六位地址
   低位地址：001xxxxxxxxxxxxx                        3FFFH
   高位地址：010xxxxxxxxxxxxx                        5FFFH
 
 ICL7109的RUN/HOLD引脚悬空，表示芯片工作在连续转换状态，在该状态下，每隔8196个时钟周期（约30ms）完成一次转换，并将转换值置于输出三态缓冲中等待读取。这样，在我们需要读取数据时，直接通过选通LBEN或HBEN进行读取可从输出缓冲器中读出数据。
三．看门狗电路
 为了防止系统受干扰而使程序丢失，或者走进死循还而使系统死机，应加入看门狗电路，以保证系统的可靠性。其电路连接如下图所示。图中当P1.7为低电平时，三极管Q2不导通，电流由“+5VR1C1地”对电容C1充电；当P1.7为高电平时，三极管Q2饱和导通，
                
电容C1通过“Q2R3地”放电。这样我们通过在程序运行中定时对P1.7脚进行置位和清零操作，便可以保持Q2集电极为低电平。当程序进入死循还，不能对P1.7口进行置位操作，那么电路就会对电容持续充电，使Q2集电极电平持续上升，当上升到高电平电压时，单片机系统复位，程序重新开始运行，达到看门狗功能。电阻R1与电容C1值应根据程序运行情况选择，R1越大，充电电流越小，电平上升时间就越长，反之则反。R4和D1起电源指示作用，R2和按钮构成手动复位电路。  
结束语：
 本文所涉及到的温度控制系统具有温度显示准确，反馈响应及时，控制及时及控制效果佳，已经是一个成熟的产品，在实际应用中收到了良好的效果。

参考文献：
1． 何立民 编 《单片机应用技术选编（1）》 北京航空航天大学出版社 1993.2
2． 何立民 编 《单片机应用技术选编（2）》 北京航空航天大学出版社 1994.4
3． 童诗白 编 《模拟电子技术基础》 高等教育出版社 1988.5
4． 赖寿宏 编 《微型计算机控制技术》 机械工业出版社 1999.5
5． 何希才 编 《传感器及其应用电路》 电子工业出版社 2001.3