1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上基于單片機的電阻爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計、概述電阻爐在化工、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，導(dǎo)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(shè)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。此次課程設(shè)計溫度控制系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)有：溫控范圍：3001000；恒溫時間：024小時；控制精度：±1；超調(diào)量<1%。1 整體設(shè)計及系統(tǒng)原理本系統(tǒng)由單片機AT89C51、溫度檢測電路、鍵盤顯示、顯示電

2、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。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(yīng)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，同時將溫度與設(shè)定溫度比較，根據(jù)設(shè)定計算出控制量，根據(jù)控制量通過控制繼電器的導(dǎo)通和關(guān)閉從而控制電阻絲的導(dǎo)通時間，以實現(xiàn)對爐溫的控制。AT89C51單片機鍵盤 顯示傳感器電阻爐溫度檢測電路溫度控制圖1 硬件原理圖程序流程圖鍵盤輸入及目標(biāo)爐溫設(shè)置開始系統(tǒng)初始化設(shè)置爐溫測量與顯示爐溫等于下限溫度?爐溫等于上限溫度?PID算法控制

3、爐溫加熱全速加熱等于目標(biāo)溫度且穩(wěn)定時間到?YN停止加熱YN爐溫測定并顯示結(jié)束YN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)定時測溫和讀取時間。流程圖如圖2所示。圖2 總體流程圖2 硬件設(shè)計2.1 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(fù)雜、精度低。在本系統(tǒng)中，采用的是高精度

4、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，工作電壓為3.05.5V。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?2080,測量范圍是01023.75。表1為MAX6675的引腳功能圖:表1 MAX6675的引腳功能圖引腳號名稱功能1GND接地端2T-熱電偶負(fù)極（使用時接地）3T+熱電偶正極4VCC電源端5SCK串行時鐘輸入端6片選信號7SO數(shù)據(jù)

5、串行輸出口8NC懸空不用當(dāng)MAX6675的CS引腳從高電平變?yōu)榈碗娖綍r, MAX6675 將停止任何信號的轉(zhuǎn)換并在時鐘SCK的作用下向外輸出已轉(zhuǎn)化的數(shù)據(jù)。相反,當(dāng)CS從低電平變回高電平時, MAX6675將進行新的轉(zhuǎn)換。在CS 引腳從高電平變?yōu)榈碗娖綍r, 第一個字節(jié)D15 將出現(xiàn)在引腳SO。一個完整的數(shù)據(jù)讀過程需要16個時鐘周期,數(shù)據(jù)的讀取通常在SCK的下降沿進行。MAX6675的輸出數(shù)據(jù)為16位,其中D15 始終無用, D14D3對應(yīng)于熱電偶模擬輸入電壓的數(shù)字轉(zhuǎn)換量, D2用于檢測熱電偶是否斷線(D2為1表明熱電偶斷開) , D1 為MAX6675 的標(biāo)識符, D0 為三態(tài)。需要指出的是:在

6、以往的熱電偶電路設(shè)計中,往往需要專門的斷線檢測電路, 而MAX6675 已將斷線檢測電路集成于片內(nèi),從而簡化了電路設(shè)計。D14D3 為12 位數(shù)據(jù),其最小值為0 ,對應(yīng)的溫度值為0 ; 最大值為4095 , 對應(yīng)的溫度值為1023.75 ; 由于MAX6675 內(nèi)部經(jīng)過了激光修正, 因此, 其轉(zhuǎn)換結(jié)果與對應(yīng)溫度值具有較好的線性關(guān)系。溫度值與數(shù)字量的對應(yīng)關(guān)系為:溫度值= 1023.75 ×轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量/ 4095。由于MAX6675 的數(shù)據(jù)輸出為3 位串行接口, 因此只需占用微處理器的3 個I/ O 口。圖2 是以89C51系列單片機為例給出的系統(tǒng)連接圖。使用時, 可用軟件模擬同步串

7、行讀取過程。圖中串行外界時鐘由微處理器的P1.3 提供,片選信號由P1.2 提供,轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)由P1. 1 讀取。熱電偶的模擬信號由T+ 和T-端輸入,其中T- 需接地。MAX6675 的轉(zhuǎn)換結(jié)果將在SCK的控制下連續(xù)輸出。圖3 溫度檢測電路2.2鍵盤控制和顯示電路按鍵控制電路如圖所示，分別接在單片機P0.0P0.5口。它由9個按鍵構(gòu)成，直接與單片機I/O口相連。當(dāng)按鍵閉合時，單片機的P0.0P0.2口的高電轉(zhuǎn)移到P0.3P0.5口。當(dāng)用于溫度調(diào)節(jié)時，開關(guān)分別用于調(diào)整溫度的上下限值，以及控制溫度的輸出。另外，設(shè)定1鍵用于顯示采集的溫度，第二次按下則進行溫度的上限調(diào)整，第三次按下進行溫度的下限調(diào)整，

8、第四次按下則進行采集溫度的顯示構(gòu)成循環(huán)。選擇2鍵進行移位調(diào)整，第一次顯示個位，第二次顯示十位。3鍵用于增加一個數(shù)，按下一次在原基礎(chǔ)之上加1，這個值在0-9-0之間變化。4鍵用于減少一個數(shù)，按下一次在原基礎(chǔ)之上減1，這個值在9-0-9之間變化。圖4 鍵盤接口電路顯示電路采用3位共陽LED動態(tài)顯示方式,選用7段顯示數(shù)碼管7SEG-COM-ANODE。顯示內(nèi)容有溫度值的十位、個位及小數(shù)點后一位。用P2口作為段控碼輸出，并用74LS244作驅(qū)動。P1.4P1.6作為位控碼輸出，用PNP型三極管做驅(qū)動。模塊電路如下圖5：圖5 顯示接口電2.3加熱控制電路用于在閉環(huán)控制系統(tǒng)中對被控對象實施控制，被控對象為

9、電熱杯，采用對加在電熱杯兩端的電壓進行通斷的方法進行控制，以實現(xiàn)對水加熱功率的調(diào)整，從而達(dá)到對水溫控制的目的。對電爐絲通斷的控制采用SSR-40DA固態(tài)繼電器。它的使用非常簡單，只要在控制端TTL電平，即可實現(xiàn)對繼電器的開關(guān)，使用時完全可以用 NPN型三極管接成電壓跟隨器的形式驅(qū)動。當(dāng)單片機的P1.7為高電平時，三極管驅(qū)動固態(tài)繼電器工作接通加熱器工作，當(dāng)單片機的P1.7為低電平時固態(tài)繼電器關(guān)斷，加熱器不工作?？刂齐娐穲D如下圖6：圖6 電阻爐的溫度控制圖其中, 固態(tài)繼電器SSR-40DA是由固態(tài)元件組成的無觸點開關(guān)，具有工作安全可靠、壽命長、無觸點、無火花、無污染、高絕緣、高耐壓（越過2.5kv）、低觸發(fā)電流、開關(guān)速度快、可與數(shù)字電路巨配，以阻燃型環(huán)氧樹脂為原料，采用灌封技術(shù)，使與外界隔離，具有良好的耐壓、防潮、防腐、抗震動等性能。 固態(tài)繼電器內(nèi)部采用電壓過零時開啟，負(fù)載過零時關(guān)斷的特性，在