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(dāng)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(yán)重時會燒毀電熱管，甚至發(fā)生火災(zāi),。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(shè)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(yīng)用是很有意義的,。
2,、系統(tǒng)總體設(shè)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(shè)鍵盤設(shè)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(shè)定溫度值的比較,，確定是否達(dá)到所設(shè)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(shè)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(dá)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(dāng)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(biāo)[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℃?，F(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(shè)備,，單總線器件作為從設(shè)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(dāng)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(yīng)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(dāng)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(dǎo)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(dǎo)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(dá)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(dǎo)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(dá)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?，F(xiàn)設(shè)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(dá)到設(shè)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(shè)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(shè)定為1、2,、3,，關(guān)斷先后順序設(shè)定為3、2,、1,，這些設(shè)定由軟件來實現(xiàn)。
3.5 鍵盤,、顯示
本系統(tǒng)外設(shè)鍵盤采用了HD7279A鍵盤顯示芯片,，由于要顯示系統(tǒng)設(shè)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(shè)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(shè)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(shè)置,。當(dāng)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(shè)定結(jié)束后置標(biāo)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(shè)定溫度值的上限和下限進行比較,，如實測溫度高于設(shè)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(shè)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(dá)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(dá)到了快速恒溫控制的目的,。該系統(tǒng)使用安全,，便捷，可應(yīng)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(yīng)用價值,。