1 智能温控器的控制原理 真空电阻炉对于控制精度有着较高的要求, 因此, 智能控制器除了具备温度检测、温度数值记录与显示、控制参数的调整之外, 还要满足精度、稳定性与可靠性的控制要求。智能温控器的结构主要包括由AT89S51CPU电路、温度检测电路、可控硅触发电路、显示输出电路、保护电路、通信电路等。温控器在工作时, 温度检测电路中的测温元件直接测量炉内的实时温度, 并将采集到信号发送到A/D芯片, A/D芯片受到AT89S51单片机控制, 它能将模拟的电压信号转换为对应的数字信号。A/D芯片在采样之前, 需要通过运算放大器对模拟的电压信号进行放大, 使电压信号达到A/D电路的有效工作区间[2]。在采集炉内温度数据的过程中, 由于受到电磁干扰等因素的影响, 会对采集到的数据造成一定的误差, 这时, 就需要利用滤波算法进行滤波, 经过滤波后才能在LED显示屏中实时显示当前的炉内温度, 同时单片机会将检测到的温度值与目标温度值进行比较和运算, 并根据运算结果通过I/O接口及时调整脉冲宽度, 从而实现可控硅在一个固定周期内的导通次数, 即调整了真空电阻炉的平均输入功率, 从而实现了真空电阻炉的温度控制。 2 智能温控器的结构 2.1 智能温控器的硬件构成 (1) CPU。CPU采用AT89S51, 该CPU为一个高性能、低功耗的8位单片机, 内置8位中央处理器和ISP Flash存储单元, 兼容MCS-51指令系统, 它拥有独立的输入输出和控制端口, 可通过A/D转换或者D/A转换电路, 配合运放电路实现对传感器的控制与信号采集, 可通过点阵或者LCD液晶显示输出, 并通过外接按键实现人机交互。 AT89S51单片机的接口电路主要有MCM2814芯片和AD574芯片, 其中MCM2814芯片主要的作用是提供掉电数据保护, AD574芯片的作用是提供A/D转换。 (2) 温度检测电路。温度检测电路是智能温控器的核心部件, 它的作用是检测炉内温度并将检测值实时传输至单片机。测温元件采用镍铬—镍硅热电偶, 它的工作范围为50～1372℃, 在1000℃以上其实际误差不会超过分度值的土1%[3]。具有极高的稳定性, 并且热电势与温度呈线性的关系。热电偶是由两种不同种类的金属导体组成的闭合回路, 当两端存在温度差, 在电路中就会产生电流, 从而在两端之间形成热电动势。其中, 直接测量炉温温度的一端叫做热端 (测量端) , 另一端叫做冷端 (补偿端) 。热电动势的大小是由热电偶的材料及两端的温度差决定的。 (3) 掉电保护电路。掉电保护电路的主要作用是, 防止突然系统突然失电、或者受到工作环境等因素的影响而丢失数据。MCM2814是一种价格低廉、性能可靠的掉电保护电路, 完全满足智能温控器对掉电保护的要求。 (4) A/D转换电路。测温元件采集到的温度值为模拟量信号, 因此, 需要利用A/D转换电路及时转换为数字量信号。AD574是12位逐次逼近型的中速A/D转换器, 转换误差较低, 仅为0.05%左右。内置三态电路, 可以单片机直接相连。同时内置参考电压源和时钟电路, 因此, 无需外接电压源与时钟信号就能进行A/D转换。 (5) 可控硅控温。可控硅具有响应速度快、抗干扰能力强、调节范围广、驱动功率大等特点, 被广泛应用于各类控制系统中。可控硅控温的实质是, 通过控制可控硅的导通与关断, 不断改变加热元件的功率, 从而实现调控温度的目的。 (6) 通讯模块。通讯模块主要的作用是与上位机和下位机进行通信。通信接口为RS484串行接口。通讯模块采用MAX485芯片作为RS-485的收发器, 每个器件中都包含一个驱动器和一个接收器, 它采用半双工的方式进行通讯。 (7) 保护电路。在真空电阻炉中, 如果产生掉电将会造成严重的后果, 因此, 智能温控器必须具备掉电保护功能。保护电路能够及时检测到电压下降, 在电源电容失电之前, 系统重要的运行数据和检测数据及时保存在RAM中。