基于單片機(jī)的電阻爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

１　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：溫控范圍：300℃～1000℃；恒溫時(shí)間：０～24小時(shí)；控制精度：±１℃；超調(diào)量1%。

２　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、硬件電路簡單。其硬件原理圖如圖１所示。

圖1 硬件原理圖

在系統(tǒng)中，利用熱電偶測得電阻爐實(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)。

３　硬件設(shè)計(jì)

3.1 溫度檢測電路

本系統(tǒng)采用的Ｋ型（鎳鉻－鎳硅）熱電偶，其可測量1312℃以內(nèi)的溫度，其線性度較好，而且價(jià)格便宜。Ｋ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通信。傳統(tǒng)的溫度檢測電路采用“傳感器－濾波器－放大器－冷端補(bǔ)償－線性化處理－Ａ/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－溫度”的轉(zhuǎn)換，不需外圍電路、I/O接線簡單、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電路，自帶冷端補(bǔ)償，能將K型熱電偶輸出的電勢直接轉(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?20～80℃,測量范圍是0～1023.75℃。表１為MAX6675的引腳功能圖。

表１ MAX6675的引腳功能圖

圖２為本系統(tǒng)中溫度檢測電路。

圖２ 溫度檢測電路

當(dāng)P2.5為低電平且P2.４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。

３.2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10Ｂ的時(shí)鐘控制寄存器、4Ｂ的狀態(tài)寄存器和114Ｂ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)鐘更新中斷可由軟件屏蔽或測試。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

３.３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)陣字符型液晶顯示器TC1602，系統(tǒng)中將擴(kuò)展芯片8155的P0 口、PC.0～PC.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。

３.4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。

Z型SSR內(nèi)部含有過零檢測電路，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，主程序完成系統(tǒng)初始化和電爐絲的導(dǎo)通和關(guān)斷；爐溫測定、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)小；整個(gè)設(shè)計(jì)電路簡單、設(shè)定功能多、操作簡單。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)用性強(qiáng)、控制效果好、應(yīng)用前景廣。

本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：改變了傳統(tǒng)的溫度檢測電路采用“傳感器－濾波器－放大器－冷端補(bǔ)償－線性化處理－Ａ/D轉(zhuǎn)換”模式，采用的是高精度的集成芯片MAX6675來完成“熱電偶電勢－溫度”的轉(zhuǎn)換，不需外圍電路，接線簡單，精度高；采用時(shí)鐘芯片便于精確計(jì)時(shí)，減小單片機(jī)的負(fù)擔(dān)；采用先進(jìn)PID控制算法控制，控制效果好，超調(diào)小。

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