基于CPLD的溫度自動控制系統(tǒng)的研制

“溫度”是各類工業(yè)控制生產(chǎn)中常見的、而又十分重要的控制參數(shù)。人們研制出各種針對不同控制對象的溫度自動控制系統(tǒng)，其中軟件控制算法已比較成熟，但溫度控制系統(tǒng)的硬件構(gòu)成特別是功率控制部分往往存在著硬件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，分離元件較多，結(jié)構(gòu)較為封閉等問題。隨著CPLD器件的大規(guī)模運(yùn)用，采用CPLD器件可簡化控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)。本文設(shè)計(jì)了一種以8051單片機(jī)為核心的溫度控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)的控制部分由CPLD來完成，針對不同的控制對象可采用不同的控制算法，因此該控制系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)開放、成本低廉、性能可靠等特點(diǎn)。

1 系統(tǒng)硬件構(gòu)成

對一個溫度自動控制系統(tǒng)來說，其硬件結(jié)構(gòu)由兩大部分構(gòu)成：溫度測量部分和功率控制部分。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)總框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總框圖

1.1 溫度測量部分

(1)信號轉(zhuǎn)換電路：根據(jù)被控對象的不同，采用不同的溫度傳感器，將物理信號變換為電信號，以便8051單片機(jī)處理。

(2)信號處理電路：由傳感器所變換得到的電信號一般為小的電壓信號，受到控制精度的限制，不能直接送入到A/D，而需要對小信號進(jìn)行放大。本系統(tǒng)中采用了程控差分放大器，其電路圖如圖2所示。差分放大器A3采用高精度運(yùn)放AD844;前置放大器A1改變了小信號的測量精度以及傳感器和差分放大器的匹配;射級跟隨器A2則實(shí)現(xiàn)了D/A和差分放大器的匹配和緩沖;由于小于1.2V的低阻驅(qū)動的電壓基準(zhǔn)源難以獲得，因此采用16位D/A轉(zhuǎn)換器MAX542構(gòu)成數(shù)控基準(zhǔn)源，整個數(shù)控基準(zhǔn)電壓源的最大輸出為2.5V，其最小分辨率為2.5V/216≈0.04mV;根據(jù)傳感器輸出電壓信號的范圍確定差分放大器的放大倍數(shù)，這樣就構(gòu)成了整個程控可變增益差分放大器。該程控放大電路不僅克服了傳統(tǒng)程控放大器增益分檔不夠多的缺點(diǎn)，還具有高精度，控制容易等優(yōu)點(diǎn)，因此系統(tǒng)的測量精度、控制精度得到了提高。

圖2 信號處理電路部分

(3)信號采集電路：該部分電路由12位的A/D轉(zhuǎn)換器構(gòu)成。A/D轉(zhuǎn)換器的字長，決定了系統(tǒng)的控制精度，字長越大，控制精度就越高，但綜合考慮系統(tǒng)控制指標(biāo)以及控制效率，采用12位的A/D轉(zhuǎn)換器即可，其轉(zhuǎn)換精度可以達(dá)到±0.012%。在本系統(tǒng)中我們采用MAXIM公司近年推出的高速A/D轉(zhuǎn)換器MAX197，與一般A/D芯片相比，品質(zhì)因素高、外圍電路簡單并具有標(biāo)準(zhǔn)的微機(jī)接口，數(shù)據(jù)總線的時序與絕大多數(shù)通用的微處理器兼容，全部邏輯輸入和輸出與TTL/CMOS電平兼容。