1、引言
現(xiàn)有的加熱器大都采用電熱管、電熱絲等傳統(tǒng)器件加熱，電熱管的外殼為不銹鋼制成的鋼管，內(nèi)有發(fā)熱元件電阻絲，加熱時通過電阻絲及鋼管向外界傳熱，當空氣不流動時，電熱管的熱量就散不出去，溫度會越來越高，嚴重時會燒毀電熱管，甚至發(fā)生火災。而PTC熱敏電阻作為發(fā)熱材料，具有節(jié)能恒溫、無明火、安全性好、發(fā)熱量較易調(diào)節(jié)、受電源電壓的波動影響小、升溫迅速等特點，因此，設計使用PTC熱敏電阻做加熱材料的恒溫加熱系統(tǒng)對安全度要求較高的應用是很有意義的。
2、系統(tǒng)總體設計方案
本系統(tǒng)采用AT89C2051為控制核心，PTC熱敏電阻對加熱區(qū)域進行加熱，數(shù)字溫度計DS18B20實時采集溫度，由外設鍵盤設定所要加熱溫度值的上限和下限， 通過實時采集到的溫度值與設定溫度值的比較，確定是否達到所設定的溫度范圍，由AT89C2051控制多路繼電器實現(xiàn)對多片PTC熱敏電阻（一路繼電器控制一片PTC熱敏電阻）工作狀態(tài)的開關(guān)控制，使加熱區(qū)域溫度維持在設定的溫度范圍內(nèi)。系統(tǒng)原理圖如圖1所示。
3、單片機控制加熱
3.1 單片機系統(tǒng)
AT89C2051是美國ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓，高性能CMOS 8位單片機，期間采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，兼容MCS-51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用8位中央處理器和2K字節(jié)Flash閃速存儲器，128字節(jié)內(nèi)部RAM，15個I/O口線，2個16位定時/計數(shù)器，1個5向量兩級中斷結(jié)構(gòu)，1個全雙工串行通信口，內(nèi)置1個精密比較器，片內(nèi)振蕩器及時鐘電路[1]。
3.2 PTC熱敏電阻
PTC是英文Positive Temperature Coefficie-nt的縮寫，即為正溫度系數(shù)，其電阻阻值隨溫度的升高而增大。PTC熱敏電阻在未達到一個特定的溫度之前，電阻阻值隨溫度的變化非常緩慢，當超過這個溫度時，PTC熱敏電阻的阻值急劇增大，發(fā)生阻值劇變的這個溫度，稱之為居里溫度，它是PTC熱敏電阻的一個重要技術(shù)指標[2]。
圖2為PTC熱敏電阻的電流-時間特性。
3.3 數(shù)字溫度計DS18B20
DS18B20數(shù)字溫度計是DALLAS公司生產(chǎn)的1—Wire，即單總線器件，具有線路簡單，體積小的特點。測量溫度范圍為-55℃～+125℃，在-10℃～85℃范圍內(nèi)，精度為±0.5℃。DS18B20的精度檢查為±2℃。現(xiàn)場溫度直接以“一線總線”的數(shù)字方式傳輸，大大提高了系統(tǒng)的抗干擾性。
由于DS18B20采用的是1—Wire總線協(xié)議方式，即在一根數(shù)據(jù)線實現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向傳輸，而對AT89C2051單片機來說，硬件上并不支持單總線協(xié)議，因此，必須采用軟件的方法來模擬單總線的協(xié)議時序來完成對DS18B20芯片的訪問。該協(xié)議定義了幾種信號的時序：初始化時序、讀時序、寫時序。所有時序都是將主機作為主設備，單總線器件作為從設備，數(shù)據(jù)和命令的傳輸都是低位在先[3]。
3.4 單片機控制多路繼電器
單片機控制繼電器如圖1所示，圖中只給出一路繼電器的控制電路接法，它占用了單片機P3口的一位，多路繼電器可通過占用不同引腳實現(xiàn)，本系統(tǒng)使用P3口的3位控制3路繼電器。PTC熱敏電阻選用直流12V，電壓由開關(guān)電源提供。由于單片機P3口的驅(qū)動電流是20mA，而繼電器的驅(qū)動對于單片機來說相當于大功率器件的驅(qū)動，必須放大P3口的驅(qū)動電流，而PTC熱敏電阻是采用直流12V電壓供電，可能會對單片機的工作穩(wěn)定性有影響，因此選用光電耦合器4N33提高P3口的驅(qū)動能力，同時因為光電耦合器4N33是應用電-光-電的轉(zhuǎn)換形式來放大驅(qū)動電流，這樣隔離了單片機和繼電器，消除了系統(tǒng)可能潛在的不穩(wěn)定的因素。當單片機P3口接繼電器的引腳給一低電平，則4N33輸入端的發(fā)光二極管導通，輸出端輸出放大電流，驅(qū)動繼電器吸合，使PTC熱敏電阻環(huán)路導通，開始加熱[4-5]。
PTC熱敏電阻在開始工作的初期有一個沖擊電流，這從它的電流-時間特性（如圖2所示）中可以看出，在經(jīng)過一段時間后電流降到穩(wěn)定工作狀態(tài)，這時的電流很小，大概在0.8～1A，這樣在開始加熱的時候就不能同時打開三路繼電器進行加熱，因為PTC熱敏電阻的供電電源選擇的是直流12V，12A，如果同時打開三路繼電器，在PTC熱敏電阻的沖擊電流達到最大值（5.7～7A）時，開關(guān)電源所承受的電流就會超過其額定值，導致電源停止工作甚至毀壞，影響了系統(tǒng)工作的連續(xù)性和可靠性。鑒于這個因素，測定了單片PTC熱敏電阻的電流從其開始工作到達到最大值的時間S1和從最大值降到4A以下的時間S2，這樣就可以根據(jù)這兩個時間來決定繼電器的開啟。現(xiàn)設定三路繼電器分別為1、2、3路，在單片機上電后就打開第1路繼電器，在經(jīng)過電流由最小值上升到最大值時間S1后再打開第2路繼電器（如果第1路PTC熱敏電阻提供的溫度沒有達到設定溫度范圍），第3路繼電器的開啟同樣要經(jīng)過時間S1。每一路繼電器的開、關(guān)狀態(tài)是由數(shù)字溫度計DS18B20測定的實時溫度與設定溫度的上、下限進行比較來決定的，繼電器的開啟先后順序設定為1、2、3，關(guān)斷先后順序設定為3、2、1，這些設定由軟件來實現(xiàn)。
3.5 鍵盤、顯示
本系統(tǒng)外設鍵盤采用了HD7279A鍵盤顯示芯片，由于要顯示系統(tǒng)設定溫度的上、下限和實時加熱的溫度，因此只使用HD7279A的鍵盤功能，系統(tǒng)的顯示部分采用LT12864I液晶顯示模塊。系統(tǒng)開始工作的時候，通過鍵盤設定加熱溫度，數(shù)據(jù)傳遞給單片機，再由單片機將數(shù)據(jù)送顯示模塊顯示；系統(tǒng)工作的過程中，數(shù)字溫度計DS18B20測得的實時溫度值也傳遞給單片機，再由單片機轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)并送顯示模塊顯示 [6-7]。
4、系統(tǒng)軟件設計
系統(tǒng)軟件總體流程圖如圖3所示。系統(tǒng)上電后，首先進行初始化，對寄存器和I/O端口進行設置。當檢測到按鍵有效信號，讀取按鍵數(shù)據(jù)，傳遞給單片機并送顯示模塊顯示，鍵盤設定結(jié)束后置標志位，單片機檢測到此信號后，開啟第1路繼電器進行加熱。此時初始化數(shù)字溫度計DS18B20進行溫度測量，并將測得實時溫度數(shù)據(jù)送單片機處理，再由顯示模塊顯示。DS18B20每測完一次溫度后，就將實測溫度值與設定溫度值的上限和下限進行比較，如實測溫度高于設定溫度的上限，轉(zhuǎn)到繼電器關(guān)閉處理程序，檢測每一路繼電器的開、關(guān)狀態(tài)，按照第3路、第2路、第1路的順序關(guān)閉繼電器（每執(zhí)行1次關(guān)閉1路繼電器）；如實測溫度低于設定溫度的下限，轉(zhuǎn)到繼電器開啟處理程序，檢測每一路繼電器的開、關(guān)狀態(tài)，按照第1路、第2路、第3路的順序開啟繼電器（每執(zhí)行1次開啟1路繼電器）。在之后的系統(tǒng)工作中始終循環(huán)測溫～溫度值比較～開啟或者關(guān)閉繼電器這樣的流程，以達到對加熱區(qū)域溫度恒溫控制的目的。
下面是系統(tǒng)中幾個子程序的流程圖：三路繼電器控制子程序流程圖如圖4。
DS18B20測溫子程序流程圖如圖5。
鍵盤顯示子程序流程圖如圖6。
5、結(jié)論
本系統(tǒng)以AT89C2051芯片為控制核心部件，采用直流PTC熱敏電阻為加熱材料，利用硬件電路和軟件編程實現(xiàn)了對PTC熱敏電阻的順序控制，解決了其在啟動時沖擊電流很大的問題，達到了快速恒溫控制的目的。該系統(tǒng)使用安全，便捷，可應用在醫(yī)療輸液恒溫加熱、家用電器中的干燥器、加熱器等領(lǐng)域；另外，該系統(tǒng)同時也提出了一種控制大電流的方法，為單片機驅(qū)動大電流器件提供了一種可靠的依據(jù)，具有廣泛的應用價值。