直流PTC热敏电阻恒温控制系统

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  • 1、引言

      现有的加热器大都采用电热管、电热丝等传统器件加热,电热管的外壳为不锈钢制成的钢管,内有发热元件电阻丝,加热时通过电阻丝及钢管向外界传热,当空气不流动时,电热管的热量就散不出去,温度会越来越高,严重时会烧毁电热管,甚至发生火灾。而PTC热敏电阻作为发热材料,具有节能恒温、无明火、安全性好、发热量较易调节、受电源电压的波动影响小、升温迅速等特点,因此,设计使用PTC热敏电阻做加热材料的恒温加热系统对安全度要求较高的应用是很有意义的。

    2、系统总体设计方案

      本系统采用AT89C2051为控制核心,PTC热敏电阻对加热区域进行加热,数字温度计DS18B20实时采集温度,由外设键盘设定所要加热温度值的上限和下限, 通过实时采集到的温度值与设定温度值的比较,确定是否达到所设定的温度范围,由AT89C2051控制多路继电器实现对多片PTC热敏电阻(一路继电器控制一片PTC热敏电阻)工作状态的开关控制,使加热区域温度维持在设定的温度范围内。系统原理图如图1所示。

    3、单片机控制加热

    3.1 单片机系统

      AT89C2051是美国ATMEL公司生产的低电压,高性能CMOS 8位单片机,期间采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产,兼容MCS-51指令系统,片内置通用8位中央处理器和2K字节Flash闪速存储器,128字节内部RAM,15个I/O口线,2个16位定时/计数器,1个5向量两级中断结构,1个全双工串行通信口,内置1个精密比较器,片内振荡器及时钟电路[1]。


    3.2 PTC热敏电阻

      PTC是英文Positive Temperature Coefficie-nt的缩写,即为正温度系数,其电阻阻值随温度的升高而增大。PTC热敏电阻在未达到一个特定的温度之前,电阻阻值随温度的变化非常缓慢,当超过这个温度时,PTC热敏电阻的阻值急剧增大,发生阻值剧变的这个温度,称之为居里温度,它是PTC热敏电阻的一个重要技术指标[2]。
    图2为PTC热敏电阻的电流-时间特性。

     
    3.3 数字温度计DS18B20

      DS18B20数字温度计是DALLAS公司生产的1—Wire,即单总线器件,具有线路简单,体积小的特点。测量温度范围为-55℃~+125℃,在-10℃~85℃范围内,精度为±0.5℃。DS18B20的精度检查为±2℃。现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输,大大提高了系统的抗干扰性。

      由于DS18B20采用的是1—Wire总线协议方式,即在一根数据线实现数据的双向传输,而对AT89C2051单片机来说,硬件上并不支持单总线协议,因此,必须采用软件的方法来模拟单总线的协议时序来完成对DS18B20芯片的访问。该协议定义了几种信号的时序:初始化时序、读时序、写时序。所有时序都是将主机作为主设备,单总线器件作为从设备,数据和命令的传输都是低位在先[3]。

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