基于單片機(jī)的電阻爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、基于單片機(jī)的電阻爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘要：文中介紹了以單片機(jī)at89c52作為核心元件構(gòu)成的電阻爐溫度控制系統(tǒng)的工作原理，詳細(xì)說明了采用的新型元件，分析了系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)，最后給出了系統(tǒng)流程圖。 關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)；電阻爐；溫度測(cè)量；控制系統(tǒng) 引言電阻爐在化工、冶金等行業(yè)應(yīng)用廣泛，因此溫度控制在工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究中具有重要意義。其控制系統(tǒng)屬于一階純滯后環(huán)節(jié)，具有大慣性、純滯后、非線性等特點(diǎn)，導(dǎo)致傳統(tǒng)控制方式超調(diào)大、調(diào)節(jié)時(shí)間長、控制精度低。采用單片機(jī)進(jìn)行爐溫控制，具有電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、精度高、控制效果好等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)提高生產(chǎn)效率、促進(jìn)科技進(jìn)步等方面具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。本文介紹的溫度控制系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)有：溫控范

2、圍：3001000；恒溫時(shí)間：24小時(shí)；控制精度：±；超調(diào)量<1%。整體設(shè)計(jì)及系統(tǒng)原理本系統(tǒng)由單片機(jī)at89c52、溫度檢測(cè)電路、鍵盤顯示及報(bào)警電路、時(shí)鐘電路、溫度控制電路等部分組成。系統(tǒng)中采用了新型元件，功能強(qiáng)、精度高、硬件電路簡(jiǎn)單。其硬件原理圖如圖所示。                           &

3、#160;  圖1 硬件原理圖在系統(tǒng)中，利用熱電偶測(cè)得電阻爐實(shí)際溫度并轉(zhuǎn)換成毫伏級(jí)電壓信號(hào)。該電壓信號(hào)經(jīng)過溫度檢測(cè)電路轉(zhuǎn)換成與爐溫相對(duì)應(yīng)的數(shù)字信號(hào)進(jìn)入單片機(jī)，單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后，通過液晶顯示器顯示溫度并判斷是否報(bào)警，同時(shí)將溫度與設(shè)定溫度比較，根據(jù)設(shè)定的pid算法計(jì)算出控制量，根據(jù)控制量通過控制固態(tài)繼電器的導(dǎo)通和關(guān)閉從而控制電阻絲的導(dǎo)通時(shí)間，以實(shí)現(xiàn)對(duì)爐溫的控制。該系統(tǒng)中的時(shí)鐘電路可以根據(jù)要求進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)時(shí)。硬件設(shè)計(jì)3.1 溫度檢測(cè)電路本系統(tǒng)采用的型（鎳鉻鎳硅）熱電偶，其可測(cè)量1312以內(nèi)的溫度，其線性度較好，而且價(jià)格便宜。型熱電偶的輸出是毫伏級(jí)電壓信號(hào)，最終要將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)與cpu

4、通信。傳統(tǒng)的溫度檢測(cè)電路采用“傳感器濾波器放大器冷端補(bǔ)償線性化處理/d轉(zhuǎn)換”模式，轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)多、電路復(fù)雜、精度低。在本系統(tǒng)中，采用的是高精度的集成芯片max6675來完成“熱電偶電勢(shì)溫度”的轉(zhuǎn)換，不需外圍電路、i/o接線簡(jiǎn)單、精度高、成本低。max6675是maxim公司開發(fā)的k型熱電偶轉(zhuǎn)換器，集成了濾波器、放大器等，并帶有熱電偶斷線檢測(cè)電路，自帶冷端補(bǔ)償，能將k型熱電偶輸出的電勢(shì)直接轉(zhuǎn)換成12位數(shù)字量，分辨率0.25。溫度數(shù)據(jù)通過spi端口輸出給單片機(jī),其冷端補(bǔ)償?shù)姆秶?2080,測(cè)量范圍是01023.75。表為max6675的引腳功能圖。 表 max6675的引腳功能圖圖為本系統(tǒng)

5、中溫度檢測(cè)電路。                                 圖 溫度檢測(cè)電路當(dāng)p2.5為低電平且p2.口產(chǎn)生時(shí)鐘脈沖時(shí)，max6675的so腳輸出轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。在每一個(gè)脈沖信號(hào)的下降沿輸出一個(gè)數(shù)據(jù)，16個(gè)脈沖信號(hào)完成一串完整的數(shù)據(jù)輸出，先輸出高電位d15，最后輸出的是低電

6、位d0，d14-d3為相應(yīng)的溫度轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。當(dāng)p2.5為高電平時(shí)，max6675開始進(jìn)行新的溫度轉(zhuǎn)換。在應(yīng)用max6675時(shí)，應(yīng)該注意將其布置在遠(yuǎn)離其它i/o芯片的地方，以降低電源噪聲的影響；max6675的t-端必須接地，而且和該芯片的電源地都是模擬地，不要和數(shù)字地混淆而影響芯片讀數(shù)的準(zhǔn)確性。.2時(shí)鐘電路在系統(tǒng)中需要準(zhǔn)確顯示升溫時(shí)間、恒溫時(shí)間等，因而選用了時(shí)鐘芯片ds12887構(gòu)成定時(shí)電路來完成對(duì)時(shí)間的準(zhǔn)確計(jì)時(shí)。ds12887具有時(shí)鐘、鬧鐘、12/24小時(shí)選擇和閏年自動(dòng)補(bǔ)償功能；包含有10的時(shí)鐘控制寄存器、4的狀態(tài)寄存器和114的通用ram；具有可編程方波輸出功能；報(bào)警中斷、周期性中斷、時(shí)鐘更

7、新中斷可由軟件屏蔽或測(cè)試。使用時(shí)不需任何外圍電路，并具有良好的外圍接口。在本系統(tǒng)中，ds12887的地址數(shù)據(jù)復(fù)用總線與單片機(jī)的p0口相連。通過定時(shí)器中斷，cpu每隔0.4秒讀一次ds12887的內(nèi)部時(shí)標(biāo)寄存器，得到當(dāng)前的時(shí)間，并送到液晶顯示器進(jìn)行顯示。每當(dāng)電阻爐從一個(gè)狀態(tài)轉(zhuǎn)入另一個(gè)狀態(tài)，cpu通過ds12887把時(shí)間清零，重新開始計(jì)時(shí)。此外，通過ds12887，還可以設(shè)定電阻爐的加熱時(shí)間和恒溫時(shí)間。電路如圖3中所示。圖3 鍵盤、時(shí)鐘、報(bào)警和控溫電路.鍵盤顯示和報(bào)警電路本系統(tǒng)采用3*3鍵盤，由單片機(jī)i/o口控制，可通過按鍵設(shè)定溫度和時(shí)間，有的按鍵在不同情況下可以實(shí)現(xiàn)不同功能。顯示器選用點(diǎn)陣字符型

8、液晶顯示器tc1602，系統(tǒng)中將擴(kuò)展芯片8155的p0 口、pc.0pc.2口與tc1602接口相連，tc1602的顯示形式是16*2行,可顯示爐溫、設(shè)定時(shí)間、實(shí)際時(shí)間等。報(bào)警電路是將單片機(jī)的i/o口與驅(qū)動(dòng)芯片mc1413相連，通過mc1413驅(qū)動(dòng)蜂鳴器。鍵盤電路和時(shí)鐘電路如圖3中所示。.4控溫電路    控溫電路包括驅(qū)動(dòng)芯片mc1413、過零型交流固態(tài)繼電器（z型ssr）。報(bào)警和控溫電路如圖3中所示。              

9、60;           z型ssr內(nèi)部含有過零檢測(cè)電路，當(dāng)加入控制信號(hào)，且負(fù)載電源電壓過零時(shí)，ssr才能導(dǎo)通；而控制信號(hào)斷開后，ssr在交流電正負(fù)半周交界點(diǎn)處斷開。也就是說，當(dāng)z型ssr在1秒內(nèi)為全導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，其被觸發(fā)頻率為100hz；當(dāng)z型ssr在1秒內(nèi)導(dǎo)通時(shí)間為0.5秒時(shí)，其被觸發(fā)頻率為50hz。在本系統(tǒng)中，采用pid控制算法，通過改變z型ssr在單位時(shí)間內(nèi)的導(dǎo)通時(shí)間達(dá)到改變電阻爐的加熱功率、調(diào)節(jié)爐內(nèi)溫度的目的。4 軟件設(shè)計(jì)    在系統(tǒng)軟件中，主程序完成系

10、統(tǒng)初始化和電爐絲的導(dǎo)通和關(guān)斷；爐溫測(cè)定、鍵盤輸入、時(shí)間確定和顯示、控制算法等都由子程序來完成；中斷服務(wù)程序?qū)崿F(xiàn)定時(shí)測(cè)溫和讀取時(shí)間。流程圖如圖4所示。                       圖4 控制系統(tǒng)程序流程圖5 結(jié)語該系統(tǒng)采用了k型熱電偶信號(hào)處理集成芯片max6675，改變了傳統(tǒng)測(cè)溫電路電路復(fù)雜、程序復(fù)雜、精度低等問題；采用時(shí)鐘芯片可以對(duì)時(shí)間準(zhǔn)確計(jì)時(shí)；采用先進(jìn)pid控制算法控制 、精度高、超調(diào)??；整個(gè)設(shè)計(jì)電路簡(jiǎn)單、設(shè)定功能多、操作簡(jiǎn)單。經(jīng)反復(fù)實(shí)驗(yàn)證明：其工作穩(wěn)定性強(qiáng)、精度高、實(shí)用性