智能散热器单片机控制系统的设计与实现*

吴 宁，尚坡利

(1.兰州工业学院电气工程学院，甘肃兰州 730050;2.兰州交通大学，自动化与电气工程学院，甘肃兰州 730070)

智能散热器单片机控制系统的设计与实现*

吴 宁1，尚坡利2

(1.兰州工业学院电气工程学院，甘肃兰州 730050;2.兰州交通大学，自动化与电气工程学院，甘肃兰州 730070)

温度控制是众多工业控制中重要的组成部分，散热器则是其中不可缺少的一环。介绍一款智能散热系统的设计，其核心以8051为主控制器、AD590集成温度传感器作为采集器、ADC0809为A/D转换器，其可实现耗能低，可靠性高，抗干扰能力强，使用方便等特征。

单片机;集成温度传感器;A/D转换器;智能控制

1 引言

温度是工业生产中重要的被控参数之一，很多工艺过程温度的控制效果直接影响着产品质量。各种温度控制系统广泛应用于冶金、化工、机械、食品等领域，在工业企业中，如何提高温度控制对象的运行性能一直以来都是控制人员和现场技术人员努力解决的问题。这类控制对象惯性大，滞后现象严重，存在很多不确定的因素，难以建立精确的数学模型，从而导致控制系统性能不佳，甚至出现控制不稳定、失控现象。散热器就是温度控制系统中非常重要的一环，笔者基于此提出一种智能化的散热器设计解决方案。

2 总体设计方案

系统主要由控制单元、输入单元、检测单元、显示单元、执行单元及报警单元组成。其中控制单元由单片机8051及其附属电路构成;输入单元由74LS164扩展的矩阵式键盘来完成;检测单元以AD590集成温度传感器为主要构成部件，用来采集温度变化信号并使用模数转换装置将其转换为数字信号;显示单元由数码显示管来完成;执行单元用来执行控制单元所发出的指令，以满足设计任务的要求;报警单元采用蜂鸣器来完成报警功能。

3 硬件系统设计

系统总体框图如图1所示。

图1 系统总体框图

3.1 控制单元

控制单元由单片机来完成，它的作用是通过在单片机内编的程序来控制单片机的运行，从而完成设计要求［1－2］。有两种设计方案可供选择:

(1)方案一:采用8051单片机实现多点温度的检测与控制。8051单片机的特点是价格低廉，结构简单，易于开发，有较强的位处理功能，有全双工异步串行通信口，片内有4k ROM，无须外接外存储器和74LS373。

(2)方案二:采用8031单片机实现多点温度的检测与控制。8031片内不带程序存储器ROM，使用时用户需外接程序存储器和一片逻辑电路74LS373，外接的程序存储器多为EPROM的2764系列。用户若想对写入到EPROM中的程序进行修改，必须先用一种特殊的紫外线灯将其照射擦除，之后再可写入。写入到外接程序存储器的程序代码没有什么保密性可言。

通过比较，本次的设计方案选方案一，因为8051芯片在设计中不用再扩展，而8031需要扩展;方案一的键盘非编码/串行方式比方案二的编码/并行更省接口，这样就可以让更多的I/O接口得到更好的利用;在方案一中所用的器件比方案二少，方案一比方案二经济。综上所述，方案一优于方案二。

3.2 输入单元

键盘采用74LS164扩展的矩阵式键盘，本次输入单元由键盘来完成，该键盘适用于微处理器I/O接口资源较多、按键数量较少的场合，采用查询扫描方式工作，并不经常需要控键操作。键盘显示接口电路是用来实现输入、键盘控制和数据显示。键盘显示接口电路的设计主要有三种方法:①采用并行I/O接口芯片来实现，如8155、8255等;②采用微处理器的串行口进行扩展;③采用专用芯片8279键盘/显示器接口芯片来实现。本设计采用微处理器的串行口进行扩展。

3.3 检测单元

检测单元主要由温度采集电路和A/D转换电路组成。温度传感器采集温度，将信号传送给A/D转换电路，再由A/D转换电路把模拟信号转换成数字信号，传送到的单片机中实施控制［3－4］。

(1)温度传感器

本次设计温度传感器选用AD590，它可将温度转换成电流。这种传感器的输出电流正比于热力学温度，传感器具有高输出阻抗，其值可达20 MΩ，该器件输出电流信号传输距离可达到1 km以上，适用于多点温度测量及远距离测温。此外，该器件精度高，价格低，不需要辅助电源，线性好，可以承受44 V正向电压和20 V的反向电压，因而一般情况下器件反接也不会被损坏。

(2)A/D转换电路

为满足多种需要，目前国内外各半导体器件生产厂家设计并生产出了多种多样的ADC芯片。本次设计A/D转换器选用ADC0809具有8位多路开关以及微处理兼容的控制逻辑CMOS组件，是逐次逼近式A/D转换器，可以和单片机直接接口，其主要特征为:具有8位模拟量输入，8位A/D转换器;转换时间为100 μs;模拟输入电压范围0～+5 V，不需要零点和满刻度校准;低功耗，约15 MW。通过外接电路，ADC0809可对0～5 V的双极性模拟信号进行转换。

3.4 显示单元

在单片机应用系统中，人机接口是系统不可缺少的组成部分，用户通过人机接口的输出部分可获取运行状态以及过程量。人机输出接口主要为显示输出部分，在本次设计中，显示电路部分主要实现的功能是指显示室内的环境温度及设定温度。显示部分可以采用LED和LCD两种显示方式，但是考虑到程序编辑和硬件的成本，选用LED显示器，用4个8段LED数码管来显示室内温度数据和设定温度数据，有以下两种方案可以选择:

(1)方案一:采用静态显示的方法进行显示，静态显示的特点是每个数码管的段选必须接一个8位数据线来保持显示的字形码［5］。当送入一次字形码后，显示字形可一直保持，直到送入新字形码为止。这种方法的优点是占用CPU时间少，显示便于监测和控制;缺点是硬件电路比较复杂，成本较高。

(2)方案二:采用LED动态显示方式进行显示，所谓动态显示就是用扫描方式一位一位地轮流点亮LED显示器的各个位，特点是将多个8段LED显示器同名端的段选线复接在一起，只有一个8位I/O控制各个LED显示器公共阴极轮流接地的方法，逐一扫描点亮，使每位 LED显示该位应当显示的字符［6－7］。恰当地选择点亮 LED的时间间隔(1～5 ms)，会给人一种视觉暂停效应，似乎多位LED都在“同时”显示。该方案的动态显示操作主要靠软件完成，占用的硬件资源相对较少。

综上比较，选用第二种方案来实现显示部分。

3.5 执行单元

执行单元由驱动电路和降温电路组成，主要用于实际控制温度的变化，从而实现温度控制功能。

(1)驱动电路

P1.0通过V1控制继电器。在继电器吸合到断开的瞬间，晶体管集电极将承受很高的电压，V1有可能被损坏，为此在继电器线圈两端并接一个续流二极管VD2进行保护。此外，继电器吸合到断开的瞬间会产生一定的干扰，当吸合电流比较大时，在单片机与继电器之间需要隔离电路，如光耦等，如图2所示，R1是光耦输出管集电极限流电阻;R2是驱动管V1基极泄放电阻，R2一般取4.7～10 Ω，R2太大会失去泄放作用，太小会降低继电器吸合的灵敏度。

图2 驱动电路图

(2)降温电路

该环节可采用光耦合器，晶体管以及继电器等相互配合实现对温度的控制。当温度升高时光耦合器输入端输入电平信号导通强电环路使其工作，其中需加入限流环节保护光耦合器，光耦合器又将单片机的工作电源与继电器以及直流电动机的驱动电源进行了有效的隔离，这样既可以防止强电流流入弱电器件将器件损坏，又可以避免一定的干扰。

3.6 报警单元

在微机测控系统中，为了实现安全生产，对于重要的参数和系统部位，都要设置紧急状态报警系统，以便提醒操作人员注意，或采取应急措施，使生产继续进行或在保证人身及设备安全的前提下终止生产，其方法是把计算机采集的数据进行滤波，标度变换之后，与该参数上下限给定值进行比较，如果高于上限值(或低于下限值)则进行报警，否则就作为采样的正常值，进行显示和控制。在检测与控制系统中，通常采用有光报警、声报警等。光报警通常采用发光二极管(LED)和白炽灯实现;所谓声报警，就是用报警声提醒操作人员，此外还可通过扩展语音录放芯片实现语言报警。本次设计采用声报警，即使利用蜂鸣器。电路图如图3所示。

图3 报警电路

4 软件系统设计

系统的主程序流程图如图4所示。系统启动并初始化后，采集相应温度值并给予显示，当不满足温度要求时进行处理，同时间隔采样温度，满足要求时继续监控，不满足时继续处理，程序循环执行。

图4 系统的主程序流程图

5 结论

本设计使用8051作为主控芯片进行控制，具有集成度高，通用性好，功能强，特别是具有体积小，重量轻，耗能低，可靠性高，抗干扰能力强和使用方便等优点。在本系统中，若采用模糊控制或者神经网络及遗传算法控制，不但使控制简捷，降低了产品的成本，更能提高了生产效率，进一步提高控制精度，这将是下一步研究的方向。

［1］ 胡汉才.单片机原理及接口技术［M］.北京:清华大学出版社，2004.

［2］ 张淑清.单片微型计算机接口及其应用［M］.北京:国防工业出版社，2001.

［3］ 方佩敏.新编传感器原理应用详解［M］.北京:电子工业出版社，2001.

［4］ 郁有文.传感器原理及工程应用［M］.西安:西安电子科技大学出版社，2000.

［5］ 杨恢先.单片机原理及应用［M］.长沙:国防科技大学出版社，2003.

［6］ 刘 星.计算机接口技术［M］.北京:机械工业出版社，2003.

［7］ 徐秀娟，董继光.单片机控制自动装配机设计［J］.机械，2004 (8):41－43.

Design And Implementation of Intelligent Radiator MCU Control System

WU Ning1，SHANG Po－li2
(1.Electrical Engineering Department，Lanzhou Institute of Technology，Lanzhou Gansu 730050，China;
2.School of Automation＆Electrical Engineering，Lanzhou Jiaotong University，Lanzhou Gansu 730070，China)

Temperature control is an important part in many industrial control areas，and the radiator is an indispensable part in temperature control.A design on intelligent cooling system is introduced.The core of it are 8051 microcontroller，AD590 integrated temperature sensor as a collector and ADC0809 as the A/D converter.It could achieve low power consumption，high reliability，strong anti－interference capability and easy to use.

microcontroller;integrated temperature sensor;A/D converters;intelligent control

TP27

A

1007－4414(2013)05－0168－03

2013－09－05

吴 宁(1981－)，男，甘肃兰州人，讲师，硕士，主要从事计算机网络，自动化装置方面的教学和研究工作。