新型电加热型恒温振荡器的设计

易 飚

(苏州市职业大学 机电工程系，江苏 苏州 215104)

在医疗过程中，医生经常需要使用粉状针剂，使用前要在针剂中加入溶剂，通过加热和摇晃，加速针剂的溶解.在化工、生物等领域也经常需要对物料进行加热振荡.目前，同时具备对物料进行加热和振荡功能的设备还很少，且价格昂贵.本设计同时具有加热和振荡功能，具有结构简单、工作可靠、成本低廉的特点，此项装置填补了国内市场空白.该设计中恒温、精确定时的控制部分尤为重要，本文完成了控制电路部分的硬件设计:以AT89C52单片机为核心，LED数码管和按键为人机界面，MAX232为通讯接口，DS18B20为测温传感器，固态继电器控制加热器，电磁继电器控制振荡电机.

1 电加热型恒温振荡器控制电路的硬件设计

1.1 系统电路的结构图

系统结构如图1所示[1].嵌入式系统以嵌入式处理器及其外围硬件设备为基础，软件为灵魂.软硬件的有机组合才能充分发挥嵌入式系统的性能，实现对电气设备的监视、控制与管理.嵌入式系统硬件设计的好坏从根本上决定了嵌入式系统性能优劣，因此，在进行硬件设计时，首先，应该根据设计要求充分评估所设计的嵌入式系统的性能，根据具体实际选择合适的处理芯片以及外围器件，其次还需要搭建合适的硬件电路，保证所选硬件能够发挥最大效能，再次还要进行成本控制，保证良好的性价比.根据系统功能的要求，系统的硬件电路包括:主机、温度检测、温度控制、电机控制、人机对话(键盘/显示/报警)5个主要部分.

AT89C52是51系列单片机的一个型号，它是一个低电压、高性能CMOS 8位单片机，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元.

1.2 电源电路

电源是控制系统稳定工作的前提.为了减轻装置的重量，本系统采用开关稳压电源的方案.其电源原理图如图2所示[2].

图1 系统的电路结构图

图2 电源原理图

变压器T1副边输出经D5整流，C15两端电压为+12 V，供隔离变压器使用;+12 V电压经过LM2576后，输出电压为5 V，供单片机使用.

1.3 电机驱动电路

振荡器的振荡功能采用直流电机实现，选用功率为35 W，900 r/min的直流电机，电机驱动控制只要控制器通过I/O的高低电平变化，经MOS驱动来控制电机的启动和关闭，控制电路如图3所示.

1.4 温度采样和控制电路

恒温加热功能的控制电路采用固态继电器(solid state relay，SSR)，SSR是一种四端器件: 两端输入，两端输出，之间用光耦合器隔离.

温度信号传感器采用数字温度传感器DS18B20，测温范围为－55 ℃～＋125 ℃，在-10 ℃～+85 ℃时精度为±0.5 ℃，测量结果直接输出数字温度信号，以“一线总线”串行传送给CPU，同时可传送CRC校验码，具有极强的抗干扰纠错能力.DS18B20测温系统具有系统简单、精度高、连接方便、占用口线少等优点[3-4].图4为温度采样电路.

图5为单片机I/O口线与固态继电器SSR接口电路.温度传感器检测温度，经放大后进入单片机;单片机将设定的温度值与检测到的实际温度进行比较，并由PID控制算法处理后的误差信号去控制产生具有一定占空比的脉冲，发出脉冲控制信号，经固态继电器控制电热丝的通电，从而控制温度，起到恒温的功能.

图3 电机控制电路

图4 温度采样电路

图5 温度控制电路

1.5 人机接口电路

设计良好的人机界面可以为用户提供友好的操作界面，外观美观、结构简单、操作方便是其设计的目标[5].人机界面设计了4个按键和4个LED数码管，用于完成数据的设置和显示.人机接口包括键盘、显示两部分电路.显示界面如图6所示.

2 恒温振荡器控制电路软件的系统框架设计

硬件电路确定之后，系统的主要功能将依赖于软件来实现.本装置拟采用Keil µV2作为开发工具.软件系统设计的重点在于设计一个良好的软件体系结构，该系统采用传统单片机系统设计常用的前后台设计方法，但在子程序的调度和执行时间上有所改变.系统的功能模块见图7.

图6 显示界面

图7 系统的功能模块

3 结 论

本设计是根据振荡器的系统结构和系统性能要求，对其硬件进行详细的分析和设计.从核心处理器AT89C52、最小系统、外围电路，到系统的人机交互模块，详细地阐述了各个功能模块的实现，对实际制造有指导意义.

[1] 郭宏亮. PC机与AT89C52单片机的串行通信接口设计[J]. 平原大学学报,2007(3):117-119.

[2] 高鹏. 电路设计与制版:Protel 99入门与提高[M]. 北京:北京人民邮电出版社,2000.

[3] 马田华,陈东,蒋国平. 可编程单总线数字式温度传感器DS18B20的原理与应用[J]. 电子质量,2004(7):27-39.

[4] 刘鸣,车立新,陈兴梧,等. 温度传感器DS18B20的特性及程序设计方法[J]. 电测与仪表,2001(10):77-80.

[5] 常玉臣,郭其一. 基于Modbus协议的液晶显示控制模块设计[J]. 工业仪表与自动化装置,2010(1):48-51.