基于單片機的電阻爐溫度控制系統(tǒng)設計

１　引言

電阻爐在化工、冶金等行業(yè)應用廣泛，因此溫度控制在工業(yè)生產(chǎn)和科學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，導致傳統(tǒng)控制方式超調(diào)大、調(diào)節(jié)時間長、控制精度低。采用單片機進行爐溫控制，具有電路設計簡單、精度高、控制效果好等優(yōu)點，對提高生產(chǎn)效率、促進科技進步等方面具有重要的現(xiàn)實意義。本文介紹的溫度控制系統(tǒng)的主要技術指標有：溫控范圍：300℃～1000℃；恒溫時間：０～24小時；控制精度：±１℃；超調(diào)量1%。

２　整體設計及系統(tǒng)原理

本系統(tǒng)由單片機AT89C52、溫度檢測電路、鍵盤顯示及報警電路、時鐘電路、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、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際溫度并轉(zhuǎn)換成毫伏級電壓信號。該電壓信號經(jīng)過溫度檢測電路轉(zhuǎn)換成與爐溫相對應的數(shù)字信號進入單片機，單片機進行數(shù)據(jù)處理后，通過液晶顯示器顯示溫度并判斷是否報警，同時將溫度與設定溫度比較，根據(jù)設定的PID算法計算出控制量，根據(jù)控制量通過控制固態(tài)繼電器的導通和關閉從而控制電阻絲的導通時間，以實現(xiàn)對爐溫的控制。該系統(tǒng)中的時鐘電路可以根據(jù)要求進行準確計時。

３　硬件設計

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，而且價格便宜。Ｋ型熱電偶的輸出是毫伏級電壓信號，最終要將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號與CPU通信。傳統(tǒng)的溫度檢測電路采用“傳感器－濾波器－放大器－冷端補償－線性化處理－Ａ/D轉(zhuǎn)換”模式，轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)多、電路復雜、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,其冷端補償?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P2.5為低電平且P2.４口產(chǎn)生時鐘脈沖時，MAX6675的SO腳輸出轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。在每一個脈沖信號的下降沿輸出一個數(shù)據(jù)，16個脈沖信號完成一串完整的數(shù)據(jù)輸出，先輸出高電位D15，最后輸出的是低電位D0，D14-D3為相應的溫度轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。當P2.5為高電平時，MAX6675開始進行新的溫度轉(zhuǎn)換。在應用MAX6675時，應該注意將其布置在遠離其它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)的準確性。

３.2時鐘電路

在系統(tǒng)中需要準確顯示升溫時間、恒溫時間等，因而選用了時鐘芯片DS12887構成定時電路來完成對時間的準確計時。DS12887具有時鐘、鬧鐘、12/24小時選擇和閏年自動補償功能；包含有10Ｂ的時鐘控制寄存器、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；報警中斷、周期性中斷、時鐘更新中斷可由軟件屏蔽或測試。使用時不需任何外圍電路，并具有良好的外圍接口。在本系統(tǒng)中，DS12887的地址／數(shù)據(jù)復用總線與單片機的P0口相連。通過定時器中斷，CPU每隔0.4秒讀一次DS12887的內(nèi)部時標寄存器，得到當前的時間，并送到液晶顯示器進行顯示。每當電阻爐從一個狀態(tài)轉(zhuǎn)入另一個狀態(tài)，CPU通過DS12887把時間清零，重新開始計時。此外，通過DS12887，還可以設定電阻爐的加熱時間和恒溫時間。電路如圖3中所示。

圖3 鍵盤、時鐘、報警和控溫電路

３.３鍵盤顯示和報警電路

本系統(tǒng)采用3*3鍵盤，由單片機I/O口控制，可通過按鍵設定溫度和時間，有的按鍵在不同情況下可以實現(xiàn)不同功能。顯示器選用點陣字符型液晶顯示器TC1602，系統(tǒng)中將擴展芯片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、設定時間、實際時間等。報警電路是將單片機的I/O口與驅(qū)動芯片MC1413相連，通過MC1413驅(qū)動蜂鳴器。鍵盤電路和時鐘電路如圖3中所示。

３.4控溫電路

控溫電路包括驅(qū)動芯片MC1413、過零型交流固態(tài)繼電器（Z型SSR）。報警和控溫電路如圖3中所示。

Z型SSR內(nèi)部含有過零檢測電路，當加入控制信號，且負載電源電壓過零時，SSR才能導通；而控制信號斷開后，SSR在交流電正負半周交界點處斷開。也就是說，當Z型SSR在1秒內(nèi)為全導通狀態(tài)時，其被觸發(fā)頻率為100HZ；當Z型SSR在1秒內(nèi)導通時間為0.5秒時，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在單位時間內(nèi)的導通時間達到改變電阻爐的加熱功率、調(diào)節(jié)爐內(nèi)溫度的目的。

4 軟件設計

在系統(tǒng)軟件中，主程序完成系統(tǒng)初始化和電爐絲的導通和關斷；爐溫測定、鍵盤輸入、時間確定和顯示、控制算法等都由子程序來完成；中斷服務程序?qū)崿F(xiàn)定時測溫和讀取時間。流程圖如圖4所示。

圖4 控制系統(tǒng)程序流程圖

5 結語

該系統(tǒng)采用了K型熱電偶信號處理集成芯片MAX6675，改變了傳統(tǒng)測溫電路電路復雜、程序復雜、精度低等問題；采用時鐘芯片可以對時間準確計時；采用先進PID控制算法控制 、精度高、超調(diào)??；整個設計電路簡單、設定功能多、操作簡單。經(jīng)反復實驗證明：其工作穩(wěn)定性強、精度高、實用性強、控制效果好、應用前景廣。

本文作者創(chuàng)新點：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；采用時鐘芯片便于精確計時，減小單片機的負擔；采用先進PID控制算法控制，控制效果好，超調(diào)小。

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