多通道智能温度控制仪的设计

　　1 引言

　　温度控制是钢铁、化学、轻工、食品等生产进程中的重要环节, 是现代工业生产过程中的 1个主要参数,特别是大型企业的主设备往往需要测量和控制多个温度参数, 同时温度控制的精度直接影响产品的质量。相对于本系统, 传统的温度控制仪表主要有以下几个不足:

　　1.1 传统温度控制仪表一次只能测量一路温度;

　　1.2 传统温度控制仪表采用 4~20mV 标准电压传递控制量, 不能直接作用于控制对象。

　　因此, 我们设计了一种基于 AT89C52 和CPLD 为核心控制器的多通道智能温度控制仪,本智能温度控制仪一次可以监视测量 4 路温度并给予控制, 可以节省大量的成本。在节省成本的同时本系统还具有测量精度高, 抗干扰能力强, 测温范围广, 可以远程通讯的特点。

　　2 系统分析

        智能仪表主要由单片机、人机交互、CPLD、信号输入、信号输出以及串口通信这些模块组成, 如图 1 所示。

　　信号处理和 A/D 转换: 工业现场中的四个通信信号值经过八选一模拟开关 CD4051 按序进入系统的模拟信号处理部分, 模拟电路对信号 进 行 滤 波 , 放 大 后 送 入 A/D 转 换 芯 片 I-CL7135, 由于 ICL7135 为双积分型芯片, 其转换精度非常高, 在本系统中, 可达到 0.1℃的设计要求。

　　PID 算法设计: 利用智能仪表内部的单片机编制计算 PID 的程序, 将对象温度与设定温度之差作为误差, 从而计算出控制量。并交给CPLD 定时器, CPLD 内部编程产生 4 路定时器,定时器根据控制量输出占空比可变的方波, 控制可控硅导通角, 由此可以控制四路通道。

　　功率控制电路: 采用 MOTOROLA 公司生产的 MOC3081 过零触发双向可控硅输出光耦通过它的导通与关断的时间比值来调节送给加热器件的功率。

　　单片机及 CPLD 电路: 单片机负责对 RS485通信及键盘输入、液晶显示和过零检测进行处理。CPLD 模块用于产生 4 路 PWM控制信号。

　　3 CPLD 设计分析

　　系统核心控制芯片采用的是 ALTERA 公司MAX7000 系列 CPLD 来产生 PWM信号。CPLD减轻了单片机的负担, 且集成度高, 省去了外部D/A 数模转换器和模拟比较器, 另外还可以改善普通数字电路产生 PWM是的干扰问题。本系统中采用计数器法产生 PWM波形。

　　PWM发生器原理

　　全数字 PWM电路占空比数据载入 D [ n :0] 中 n 的位宽决定 PWM输出信号占空比的精度:

          ΔD = 1/ 2 ⁿ(1)

　　PWM输出信号占空比: D=Value/M (2)

　　若设 PWM输出信号频率为 fpwm , 则时钟信号频率 fclk 与 fpwm 有如下关系: