袁小燕

摘要：微波加熱具有加熱迅速、高效及安全等優(yōu)點，目前已成為實驗室加熱的首選方式，具有溫度自動控制功能的微波加熱器設(shè)計與開發(fā)有著廣闊的應(yīng)用前景，可以滿足生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域，實驗室科研等有關(guān)恒溫加熱要求。本文設(shè)計了一種基于STC89C52單片機(jī)控制的微波加熱器溫度自動控制系統(tǒng)，主要闡述構(gòu)成該系統(tǒng)的硬件組成。

關(guān)鍵詞：溫度 自動控制 微波加熱器

1.微波加熱器溫度控制發(fā)展現(xiàn)狀

20世紀(jì)60年代以后，微波作為一種新型能源在工業(yè)上得到了廣泛的應(yīng)用，拓展成了一個分支技術(shù)。但由于強電磁場的存在，在微波場下的溫度測量依然是個技術(shù)難題。而溫度顯然是個重要的參數(shù)，如微波誘導(dǎo)催化反應(yīng)機(jī)理以及微波催化劑作用機(jī)理的研究不是很深入，主要原因就是微波場中的溫度無法準(zhǔn)確測量。因此，微波場中溫度測量技術(shù)的發(fā)展將進(jìn)一步推動微波在其它工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用。

2.溫控系統(tǒng)硬件總體設(shè)計

如圖1所示：在該溫度控制加熱系統(tǒng)中，主要有三大電路模塊，分別是輸入電路模塊、輸出電路模塊、調(diào)功電路模塊，核心控制芯片是STC89C52RC單片機(jī)。此外還包括鍵盤電路、報警電路、電源電路。在該加熱系統(tǒng)中，反映了加熱區(qū)溫度通過集成紅外溫度傳感器(A2TPMI 334-L5.5 OAA 300)的熱電堆，熱電堆的電勢經(jīng)過信號處理，即溫度端補償、信號放大、濾波處理等，輸出0～5V的標(biāo)準(zhǔn)信號，再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換電路之后進(jìn)入單片機(jī)，單片機(jī)根據(jù)輸入的各種命令進(jìn)行PID算法得到控制量輸出脈沖觸發(fā)信號，通過過零觸發(fā)電路驅(qū)動雙向可控硅，單片機(jī)通過I/O口改變控制脈沖寬度，也即改變了可控硅在一個固定控制周期TC內(nèi)的導(dǎo)通時間，這樣加熱區(qū)的溫度就隨著磁控管的平均輸入功率改變而變化，也即達(dá)到了自動控溫的目的。

2.1溫控系統(tǒng)主控器件STC89C52RC單片機(jī)

隨著控制理論和電子技術(shù)的發(fā)展，控制器的強適應(yīng)能力和高度智能化正逐步成為現(xiàn)實。其中以單片機(jī)為核心實現(xiàn)的數(shù)字控制器因其體積小、成本低、功能強、簡便易行而得到廣泛應(yīng)用。單片機(jī)是大規(guī)模集成電路技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)物，屬于第四代電子計算機(jī)。它是把中央處理器CPU(Central Processing Unit)、隨機(jī)存取存儲器RAM(Random Access Memory)、只讀存儲器ROM(Read Only Memory)、定時器/計數(shù)器以及I/0(Input/Output)接口電路等主要計算機(jī)部件集成在一塊集成電路芯片上的微型計算機(jī)，它的特點是:功能強大、運算速度快、體積小巧、價格低廉、穩(wěn)定可靠、應(yīng)用廣泛。由此可見，采用單片機(jī)設(shè)計控制系統(tǒng)，不僅可以降低開發(fā)成本，精簡系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，而且控制算法由軟件實現(xiàn)，可以提高系統(tǒng)的兼容性和可移植性。微波加熱器溫度控制系統(tǒng)使用的是STC公司生產(chǎn)的STC89C52RC單片機(jī),它是一款性價比非常高的單片機(jī)，普通用戶可完全將其當(dāng)作一般的51單片機(jī)使用，高級用戶可使用其擴(kuò)展功能。STC公司的單片機(jī)內(nèi)部資源比起ATMEL公司的單片機(jī)來要豐富的多，它內(nèi)部有1280字節(jié)的SRAM、8-64K字節(jié)的內(nèi)部程序存儲器、2-8K字節(jié)的ISP引導(dǎo)碼、除P0-P3口外還多P4口(PLCC封裝)、片內(nèi)自帶EEPROM、片機(jī)自帶看門狗、雙數(shù)據(jù)指針等。STC89S52RC單片機(jī)，支持USB口在線下載程序及USB口在線仿真調(diào)試目前STC公司的單片機(jī)在國內(nèi)市場上的占有率與日俱增。

2.2單片機(jī)主控模塊電路設(shè)計

本系統(tǒng)單片機(jī)的主控模塊電路，主要分為晶振電路、復(fù)位電路、USB供電電路、串口通信電路。

(1)單片機(jī)的晶振和復(fù)位電路

由于這兩個電路組成簡單。系統(tǒng)采用的11.0592MHz晶振頻率，當(dāng)采用仿真芯片SST89E564RD時，要選擇該頻率進(jìn)行仿真。

(2)單片機(jī)總線供電電路

單片機(jī)供電電路主要控制芯片是PDIUSBD12。PDIUSBD12是一款性價比很高的USB器件它通常用作微控制器系統(tǒng)中實現(xiàn)與微控制器進(jìn)行通信的高速通用并行接口。PDIUSBD12所具有的低掛起功耗連同Lazy Clock輸出可以滿足使用ACPI、OnNOW和USB電源管理的要求低的操作功耗可以應(yīng)用于使用總線供電的外設(shè)。供電電路設(shè)計如圖3-9所示。通過電腦的USB接口電路對整個單片機(jī)進(jìn)行供電，不需要其它外接電源，電源穩(wěn)定性很好，整個電路簡單、靈活、便于操作。

(3)單片機(jī)串口通信電路

本系統(tǒng)單片機(jī)的串口通信電路的原理圖如圖2所示。MAX232作為RS232的電平轉(zhuǎn)換常用芯片，完成TTL電平到RS232電平的轉(zhuǎn)換。通過串口的連接，系統(tǒng)可以很方便進(jìn)行Keil C程序的下載以及在線調(diào)試。

3.溫控系統(tǒng)輸入模塊電路設(shè)計

單片機(jī)系統(tǒng)處理的信號都是數(shù)字信號，由傳感器輸出的信號為0-5V的模擬電壓信號，因此首先就要將該模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號送入單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。系統(tǒng)選用的是MAX187模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片。在模擬信號輸入時，為了減少系統(tǒng)外界帶來的干擾，需要再次進(jìn)行濾波。下一章節(jié)將具體闡述如何進(jìn)行數(shù)字濾波。模數(shù)轉(zhuǎn)換MAX187是美信公司推出的12位串行A/D轉(zhuǎn)換芯片，內(nèi)部含有采樣/保持電路．單5V操作電源，轉(zhuǎn)換速度為8.5μs，具有片上4.096V參考電壓，模擬量輸入范圍為0～BEFV三線串行接口，兼容SPI，QSPI，icroWire總線。

由于MAX187芯片是12位串行模數(shù)轉(zhuǎn)換器，只有8個管腳，比并行模數(shù)轉(zhuǎn)化器管腳少的多，整個電路設(shè)計就簡單的多。傳感器輸出的模擬信號由MAX187芯片的2管腳輸入，由6管腳輸出對應(yīng)的數(shù)字信號。

4.溫控系統(tǒng)輸出模塊電路設(shè)計

系統(tǒng)輸出模塊電路分為1602液晶顯示電路和報警電路。1602液晶顯示電路主要用來顯示當(dāng)前加熱溶樣的溫度和加熱時間。報警電路是為了防止系統(tǒng)加熱溫度過高或程序出現(xiàn)死循環(huán)而設(shè)計的蜂鳴器報警電路。

4.1 1602液晶顯示電路

為了可以顯示更多的指令信息，系統(tǒng)采用1602液晶作為顯示電路。數(shù)碼管雖然亮度高，但是顯示的資源有限。所以系統(tǒng)采1602液晶顯示。1602液晶可以顯示16×2個字符，芯片的工作電壓為4.5～5.5V，工作電流為2.0mA(5.0V)，字符尺寸為2.95×4.35(WXH)mm。圖4-12是1602液晶的寫操作的時序圖，系統(tǒng)只需要向該液晶芯片里寫數(shù)據(jù)，不需要進(jìn)行讀操作。

4.2報警電路

報警電路是系統(tǒng)不可缺少的電路，可以保護(hù)系統(tǒng)的硬件電路，也可以防止加熱溶樣的溫度過高而產(chǎn)生爆炸。系統(tǒng)采用簡單的蜂鳴器報警，蜂鳴器一端接地一端和PNP型三極管的發(fā)射極相連，三極管的基極接一個18?的電阻，電阻的另一端和單片機(jī)P2.6管腳連接。當(dāng)P2.6管腳為低電平信號時，三極管導(dǎo)通，蜂鳴器發(fā)出報警信號，應(yīng)立刻關(guān)閉電源，檢查相關(guān)電路和軟件程序。

5.溫控系統(tǒng)鍵盤電路的設(shè)計

鍵盤是人機(jī)對話的重要組成部分，本加熱系統(tǒng)主要是通過鍵盤進(jìn)行加熱溫度的設(shè)置。鍵盤分編碼鍵盤和非編碼鍵盤。鍵盤上閉合鍵的識別由專用的硬件編碼器實現(xiàn)，并產(chǎn)生鍵編碼號或鍵值的稱為編碼鍵盤，如計算機(jī)鍵盤；而靠軟件編程來識別的稱為非編碼鍵盤；在單片機(jī)組成的各種系統(tǒng)中，用的最多的是非編碼鍵盤。本系統(tǒng)也采用非編碼鍵盤，非編碼鍵盤又可分為矩陣鍵盤和獨立鍵盤。本系統(tǒng)采用的是矩陣式鍵盤。鍵盤P0-P9通過編程分別代表0-9十個數(shù)值，三個數(shù)碼管U12-U14分別表示三位十進(jìn)制數(shù)的百位、十位、個位。這樣通過按鍵就很方便的設(shè)置所要加熱的溫度值。其中74HC573為兩個鎖存器，分別可以控制數(shù)碼管的斷選和位選?！?/p>

參考文獻(xiàn)：

[1]李佩禹.家用微波爐的原理與維修.北京:人民郵電出版社,2000

[2]Lizhang Ma.Experimentl Validation of A Combined Electromagnetic and Thermal FDTD Model of A Microwave Heating Process.IEEE Transactions on Microwave Theory and Technique,

1995,43(3)

[3]王世杰，隋修武，張立儒等.微波治療機(jī)中的測溫與控溫技術(shù)研究.儀器儀表學(xué)報,2007，18(2)

作者單位：長沙市電子研究所