1、引言
現有的加熱器大都采用電熱管、電熱絲等傳統器件加熱，電熱管的外殼為不銹鋼制成的鋼管，內有發熱元件電阻絲，加熱時通過電阻絲及鋼管向外界傳熱，當空氣不流動時，電熱管的熱量就散不出去，溫度會越來越高，嚴重時會燒毀電熱管，甚至發生火災。而PTC熱敏電阻作為發熱材料，具有節能恒溫、無明火、安全性好、發熱量較易調節、受電源電壓的波動影響小、升溫迅速等特點，因此，設計使用PTC熱敏電阻做加熱材料的恒溫加熱系統對安全度要求較高的應用是很有意義的。
2、系統總體設計方案
本系統采用AT89C2051為控制核心，PTC熱敏電阻對加熱區域進行加熱，數字溫度計DS18B20實時采集溫度，由外設鍵盤設定所要加熱溫度值的上限和下限， 通過實時采集到的溫度值與設定溫度值的比較，確定是否達到所設定的溫度范圍，由AT89C2051控制多路繼電器實現對多片PTC熱敏電阻（一路繼電器控制一片PTC熱敏電阻）工作狀態的開關控制，使加熱區域溫度維持在設定的溫度范圍內。系統原理圖如圖1所示。
3、單片機控制加熱
3.1 單片機系統
AT89C2051是美國ATMEL公司生產的低電壓，高性能CMOS 8位單片機，期間采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術生產，兼容MCS-51指令系統，片內置通用8位中央處理器和2K字節Flash閃速存儲器，128字節內部RAM，15個I/O口線，2個16位定時/計數器，1個5向量兩級中斷結構，1個全雙工串行通信口，內置1個精密比較器，片內振蕩器及時鐘電路[1]。
3.2 PTC熱敏電阻
PTC是英文Positive Temperature Coefficie-nt的縮寫，即為正溫度系數，其電阻阻值隨溫度的升高而增大。PTC熱敏電阻在未達到一個特定的溫度之前，電阻阻值隨溫度的變化非常緩慢，當超過這個溫度時，PTC熱敏電阻的阻值急劇增大，發生阻值劇變的這個溫度，稱之為居里溫度，它是PTC熱敏電阻的一個重要技術指標[2]。
圖2為PTC熱敏電阻的電流-時間特性。
3.3 數字溫度計DS18B20
DS18B20數字溫度計是DALLAS公司生產的1—Wire，即單總線器件，具有線路簡單，體積小的特點。測量溫度范圍為-55℃～+125℃，在-10℃～85℃范圍內，精度為±0.5℃。DS18B20的精度檢查為±2℃。現場溫度直接以“一線總線”的數字方式傳輸，大大提高了系統的抗干擾性。
由于DS18B20采用的是1—Wire總線協議方式，即在一根數據線實現數據的雙向傳輸，而對AT89C2051單片機來說，硬件上并不支持單總線協議，因此，必須采用軟件的方法來模擬單總線的協議時序來完成對DS18B20芯片的訪問。該協議定義了幾種信號的時序：初始化時序、讀時序、寫時序。所有時序都是將主機作為主設備，單總線器件作為從設備，數據和命令的傳輸都是低位在先[3]。
3.4 單片機控制多路繼電器
單片機控制繼電器如圖1所示，圖中只給出一路繼電器的控制電路接法，它占用了單片機P3口的一位，多路繼電器可通過占用不同引腳實現，本系統使用P3口的3位控制3路繼電器。PTC熱敏電阻選用直流12V，電壓由開關電源提供。由于單片機P3口的驅動電流是20mA，而繼電器的驅動對于單片機來說相當于大功率器件的驅動，必須放大P3口的驅動電流，而PTC熱敏電阻是采用直流12V電壓供電，可能會對單片機的工作穩定性有影響，因此選用光電耦合器4N33提高P3口的驅動能力，同時因為光電耦合器4N33是應用電-光-電的轉換形式來放大驅動電流，這樣隔離了單片機和繼電器，消除了系統可能潛在的不穩定的因素。當單片機P3口接繼電器的引腳給一低電平，則4N33輸入端的發光二極管導通，輸出端輸出放大電流，驅動繼電器吸合，使PTC熱敏電阻環路導通，開始加熱[4-5]。
PTC熱敏電阻在開始工作的初期有一個沖擊電流，這從它的電流-時間特性（如圖2所示）中可以看出，在經過一段時間后電流降到穩定工作狀態，這時的電流很小，大概在0.8～1A，這樣在開始加熱的時候就不能同時打開三路繼電器進行加熱，因為PTC熱敏電阻的供電電源選擇的是直流12V，12A，如果同時打開三路繼電器，在PTC熱敏電阻的沖擊電流達到最大值（5.7～7A）時，開關電源所承受的電流就會超過其額定值，導致電源停止工作甚至毀壞，影響了系統工作的連續性和可靠性。鑒于這個因素，測定了單片PTC熱敏電阻的電流從其開始工作到達到最大值的時間S1和從最大值降到4A以下的時間S2，這樣就可以根據這兩個時間來決定繼電器的開啟。現設定三路繼電器分別為1、2、3路，在單片機上電后就打開第1路繼電器，在經過電流由最小值上升到最大值時間S1后再打開第2路繼電器（如果第1路PTC熱敏電阻提供的溫度沒有達到設定溫度范圍），第3路繼電器的開啟同樣要經過時間S1。每一路繼電器的開、關狀態是由數字溫度計DS18B20測定的實時溫度與設定溫度的上、下限進行比較來決定的，繼電器的開啟先后順序設定為1、2、3，關斷先后順序設定為3、2、1，這些設定由軟件來實現。
3.5 鍵盤、顯示
本系統外設鍵盤采用了HD7279A鍵盤顯示芯片，由于要顯示系統設定溫度的上、下限和實時加熱的溫度，因此只使用HD7279A的鍵盤功能，系統的顯示部分采用LT12864I液晶顯示模塊。系統開始工作的時候，通過鍵盤設定加熱溫度，數據傳遞給單片機，再由單片機將數據送顯示模塊顯示；系統工作的過程中，數字溫度計DS18B20測得的實時溫度值也傳遞給單片機，再由單片機轉換數據并送顯示模塊顯示 [6-7]。
4、系統軟件設計
系統軟件總體流程圖如圖3所示。系統上電后，首先進行初始化，對寄存器和I/O端口進行設置。當檢測到按鍵有效信號，讀取按鍵數據，傳遞給單片機并送顯示模塊顯示，鍵盤設定結束后置標志位，單片機檢測到此信號后，開啟第1路繼電器進行加熱。此時初始化數字溫度計DS18B20進行溫度測量，并將測得實時溫度數據送單片機處理，再由顯示模塊顯示。DS18B20每測完一次溫度后，就將實測溫度值與設定溫度值的上限和下限進行比較，如實測溫度高于設定溫度的上限，轉到繼電器關閉處理程序，檢測每一路繼電器的開、關狀態，按照第3路、第2路、第1路的順序關閉繼電器（每執行1次關閉1路繼電器）；如實測溫度低于設定溫度的下限，轉到繼電器開啟處理程序，檢測每一路繼電器的開、關狀態，按照第1路、第2路、第3路的順序開啟繼電器（每執行1次開啟1路繼電器）。在之后的系統工作中始終循環測溫～溫度值比較～開啟或者關閉繼電器這樣的流程，以達到對加熱區域溫度恒溫控制的目的。
下面是系統中幾個子程序的流程圖：三路繼電器控制子程序流程圖如圖4。
DS18B20測溫子程序流程圖如圖5。
鍵盤顯示子程序流程圖如圖6。
5、結論
本系統以AT89C2051芯片為控制核心部件，采用直流PTC熱敏電阻為加熱材料，利用硬件電路和軟件編程實現了對PTC熱敏電阻的順序控制，解決了其在啟動時沖擊電流很大的問題，達到了快速恒溫控制的目的。該系統使用安全，便捷，可應用在醫療輸液恒溫加熱、家用電器中的干燥器、加熱器等領域；另外，該系統同時也提出了一種控制大電流的方法，為單片機驅動大電流器件提供了一種可靠的依據，具有廣泛的應用價值。