電爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要熱處理是提高金屬材料及其制品質(zhì)量的重要技術(shù)手段。近年來(lái)隨工業(yè)的發(fā)展，對(duì)金屬材料的性能提出了更多更高的要求，因而熱處理技術(shù)也向著優(yōu)質(zhì)、高效、節(jié)能、無(wú)公害方向發(fā)展。電阻爐是熱處理生產(chǎn)中應(yīng)用最廣泛的加熱設(shè)備，加熱時(shí)恒溫過(guò)程的測(cè)量與控制成為了關(guān)鍵技術(shù)，促使人們更加積極地研制熱加工工業(yè)過(guò)程的溫度控制器。此設(shè)計(jì)針對(duì)處理電阻爐爐溫控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了溫度檢測(cè)和恒溫控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了基本控制、數(shù)據(jù)采樣、實(shí)時(shí)顯示溫度控制器運(yùn)行狀態(tài)。控制器采用51單片機(jī)作為處理器，該溫度控制器具有自動(dòng)檢測(cè)、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集處理及控制結(jié)果顯示等功能，控制的穩(wěn)定性和精度上均能達(dá)到要求。滿(mǎn)足了本次設(shè)計(jì)的技術(shù)要求。關(guān)鍵詞：電阻爐，溫度測(cè)量與控制，單片機(jī)

目錄一、緒論 -1-1.1 選題背景 -1-1.2 電阻爐國(guó)內(nèi)發(fā)展動(dòng)態(tài) -1-1.3 設(shè)計(jì)主要內(nèi)容 -2-二、溫度測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求 -3-2.1設(shè)計(jì)任務(wù) -3-2.2系統(tǒng)的技術(shù)參數(shù) -3-2.3操作功能設(shè)計(jì) -4-三、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) -5-3.1CPU選型 -5-3.2溫度檢測(cè)電路設(shè)計(jì) -5-3.2.1溫度傳感器的選擇 -5-熱電偶的測(cè)溫原理 -6-3.2.1.2熱電偶的溫度補(bǔ)償 -7-3.2.2爐溫?cái)?shù)據(jù)采集電路的設(shè)計(jì) -7-3.2.2.1MAX6675芯片 -7-3.2.2.2MAX6675的測(cè)溫原理 -7-3.2.2.3MAX6675與單片機(jī)的連接 -8-3.3輸入/輸出接口設(shè)計(jì) -9-3.4保溫定時(shí)電路設(shè)計(jì) -10-3.4.1DS1302與單片機(jī)的連接 -11-3.5溫度控制電路設(shè)計(jì) -11-系統(tǒng)硬件電路圖 -13-四、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) -14-4.1軟件總體設(shè)計(jì) -14-4.2主程序設(shè)計(jì) -14-4.3溫度檢測(cè)及處理程序設(shè)計(jì) -15-4.4按鍵檢測(cè)程序設(shè)計(jì) -17-4.5顯示程序設(shè)計(jì) -19-4.6輸出程序設(shè)計(jì) -20-4.7中值濾波 -21-五、結(jié)論 -22-參考文獻(xiàn) -23-

一、緒論選題背景在現(xiàn)代化的工業(yè)生產(chǎn)中，電流、電壓、溫度、流速、流量、壓力和開(kāi)關(guān)量都是常用的主要被控參數(shù)。例如：在機(jī)械制造、電力工程、化工生產(chǎn)、造紙行業(yè)、冶金工業(yè)和食品加工等諸多領(lǐng)域中，人們都需要對(duì)各類(lèi)加熱爐、熱處理爐、反應(yīng)爐和鍋爐中的溫度進(jìn)行檢測(cè)和控制。其中溫度控制在生產(chǎn)過(guò)程中占有相當(dāng)大的比例，即使日常生活中的電熱水器、空調(diào)、微波爐、電烤箱等家用電器也同樣需要溫度監(jiān)控?？梢?jiàn)溫度控制電路廣泛應(yīng)用于社會(huì)生活的各領(lǐng)域，所以對(duì)溫度進(jìn)行控制是非常有必要和有意義的。準(zhǔn)確地測(cè)量和有效地控制溫度是優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、低耗和安全生產(chǎn)的重要條件。電阻爐國(guó)內(nèi)發(fā)展動(dòng)態(tài)電阻爐是熱處理生產(chǎn)中應(yīng)用最廣泛的加熱設(shè)備，它在機(jī)械、冶金等行業(yè)的生產(chǎn)中占有十分重要的地位，溫度控制質(zhì)量的好壞將直接影響著熱處理產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量，對(duì)于提高生產(chǎn)率和節(jié)約能源也有舉足輕重的意義。我國(guó)對(duì)電阻爐的控制進(jìn)行了廣泛的研究始于上世紀(jì)80年代，隨著微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，電阻爐計(jì)算機(jī)控制逐步進(jìn)入實(shí)用化階段。目前，國(guó)內(nèi)電阻爐控制系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀如下：(1)采用先進(jìn)的控制設(shè)備隨著單片機(jī)、可編程控制器與工業(yè)控制機(jī)等先進(jìn)控制系統(tǒng)的發(fā)展，逐步取代了以前大規(guī)模的繼電器、模擬式控制儀表。單片機(jī)也因其極高的性?xún)r(jià)比而受到人們的重視和關(guān)注，獲得廣泛地應(yīng)用和迅速地發(fā)展。單片機(jī)具有體積小、重量輕、控制功能強(qiáng)、價(jià)格低與開(kāi)發(fā)方便等優(yōu)點(diǎn)。單片機(jī)應(yīng)用的意義不僅在于它的廣闊范圍及所帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益，更重要的意義在于，單片機(jī)的應(yīng)用從根本上改變了控制系統(tǒng)傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想和設(shè)計(jì)方法。以前采用硬件電路實(shí)現(xiàn)的大部分控制功能，現(xiàn)在可以用單片機(jī)通過(guò)軟件的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。以前自動(dòng)控制中的PID調(diào)節(jié)，現(xiàn)在可以用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)具有智能化的數(shù)字計(jì)算控制、模糊控制和自適應(yīng)控制。這種以軟件取代硬件并能提高系統(tǒng)性能的控制技術(shù)稱(chēng)為微控技術(shù)。(2)采用新的控制方法對(duì)傳統(tǒng)的負(fù)反饋、單一PID控制系統(tǒng)做了多種補(bǔ)充，從而使控制性能更佳。同時(shí)，越來(lái)越多的控制系統(tǒng)采用新的控制方法如：模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、才遺傳算法控制、最優(yōu)控制、自整定PID參數(shù)控制器、自適應(yīng)控制和自校正控制器等。設(shè)計(jì)主要內(nèi)容設(shè)計(jì)分析了爐溫的特性和單片機(jī)爐溫控制系統(tǒng)的工作原理，完成了以AT89S5l單片機(jī)為控制器，控制系統(tǒng)包括溫度數(shù)據(jù)采集電路、功率控制輸出電路、鍵盤(pán)與顯示接口電路和聲光報(bào)警等電路的硬件電路設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了溫度數(shù)據(jù)采集、處理、顯示、狀態(tài)切換、定時(shí)保溫、系統(tǒng)的故障自診斷和超限聲光報(bào)警等功能。

二、溫度測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求電阻爐溫度控制系統(tǒng)應(yīng)具備溫度測(cè)量、顯示、過(guò)限報(bào)警等功能，并要求具有良好的穩(wěn)定性、高控制精度，以滿(mǎn)足熱處理對(duì)溫度的需求。系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，首先確定系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)，確定溫度控制器的規(guī)格與技術(shù)指標(biāo)，這對(duì)于明確設(shè)計(jì)的目的性和控制功能的邏輯性有重要的意義。然后設(shè)計(jì)系統(tǒng)的相關(guān)的操作規(guī)范及運(yùn)行參數(shù)，為硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)確定具體的目標(biāo)。2.1設(shè)計(jì)任務(wù)針對(duì)原有電阻爐溫度控制系統(tǒng)的功能缺陷及現(xiàn)有控制要求，確定本次設(shè)計(jì)的目標(biāo)如下：(1)系統(tǒng)的測(cè)溫范圍在0~1000℃，控溫精度≤±2℃，顯示精度0.1℃；(2)控制面板能便捷輸入控制參數(shù)，如P、I、D及保溫時(shí)間；(3)用7段高亮數(shù)碼管顯示設(shè)定爐溫（5位數(shù)碼管）、爐溫實(shí)時(shí)溫度（5位數(shù)碼管）、保溫時(shí)間（3位數(shù)碼管）等系統(tǒng)信息；(4)用三個(gè)發(fā)光二極管以不同的顏色和發(fā)光狀態(tài)來(lái)指示顯系統(tǒng)的工作狀態(tài)。2.2系統(tǒng)的技術(shù)參數(shù)整個(gè)系統(tǒng)最終達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)是由系統(tǒng)中的各個(gè)環(huán)節(jié)共同作用后完成的。比如要提高溫度檢測(cè)的精度，只采用高精度的A/D轉(zhuǎn)換器是不夠的，還需要好的抗干擾措施、精確度高的傳感器及軟件線性化處理等。一般情況下，技術(shù)指標(biāo)達(dá)到某個(gè)限度后，再想提高是不容易辦到的，為此可能付出更多的經(jīng)費(fèi)與時(shí)間。設(shè)備規(guī)格是硬件投資的主要依據(jù)。如電源的規(guī)格、傳感器類(lèi)型、控制器類(lèi)型等。根據(jù)需要確定所設(shè)計(jì)的溫度控制系統(tǒng)的主要技術(shù)參數(shù)如表2-1所示：表2-1系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)2.3操作功能設(shè)計(jì)為了便于操作，所設(shè)計(jì)的溫度控制器的面板總計(jì)五個(gè)按鍵、三個(gè)工作狀態(tài)指示燈、一個(gè)蜂鳴器和十三個(gè)高亮7段LED數(shù)碼管，用于完成參數(shù)的設(shè)置和信息的顯示。其中，五個(gè)按鍵分別為設(shè)置、加一、減一、左移、右移，用于設(shè)置溫度以及保溫時(shí)間。三個(gè)工作狀態(tài)指示燈分別指示暫停狀態(tài)、工作狀態(tài)、超限報(bào)警。十三個(gè)高亮7段LED數(shù)碼管中有五位顯示設(shè)定溫度、五位顯示實(shí)際溫度、三位顯示保溫時(shí)間。

三、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)電阻爐控制系統(tǒng)應(yīng)具備溫度測(cè)量、顯示、參數(shù)輸入等功能，并要求具有可靠性高、通用性強(qiáng)、控制精度佳等特點(diǎn)，以滿(mǎn)足控制需求?；谏鲜鲂阅芤螅到y(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖3-1所示，系統(tǒng)包括單片機(jī)、溫度檢測(cè)與處理電路、鍵盤(pán)與顯示接口電路、聲光報(bào)警電路以及計(jì)時(shí)電路等。圖3-1溫度控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖3.1CPU選型溫度控制系統(tǒng)選用ATMEL89系列單片機(jī)中的AT89S51作為微處理器。AT89S51是一個(gè)低功耗，高性能CMOS型8位單片機(jī)，片內(nèi)含4kBytesISP(In-systemprogrammable)Flash存儲(chǔ)器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)制造，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)及80C51引腳結(jié)構(gòu)，芯片內(nèi)集成了通用8位中央處理器和ISPFlash存儲(chǔ)單元，功能強(qiáng)大的微型計(jì)算機(jī)的AT89S51可為許多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高性?xún)r(jià)比的解決方案。3.2溫度檢測(cè)電路設(shè)計(jì)溫度檢測(cè)電路是電阻爐溫度控制系統(tǒng)的重要部分，其性能好壞直接決定了整個(gè)系統(tǒng)的性能，它承擔(dān)著檢測(cè)電阻爐溫度并將溫度數(shù)據(jù)傳送到單片機(jī)的任務(wù)。3.2.1溫度傳感器的選擇熱電偶在工程上使用最為廣泛的溫度傳感器之一，它具有構(gòu)造簡(jiǎn)單、精度高、熱響應(yīng)時(shí)間快、測(cè)溫范圍大（-200~+2000℃均可連續(xù)測(cè)溫）以及性能可靠使用壽命長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)，在溫度測(cè)量中占有很重要的地位。熱電偶的種類(lèi)很多，熱電偶有K型（鎳鉻-鎳硅）WRN系列，N型（鎳鉻硅-鎳硅鎂）WRM系列，E型（鎳鉻-銅鎳）WRE系列，J型（鐵-銅鎳）WRF系列，T型（銅-銅鎳）WRC系列，S型（鉑銠10-鉑）WRP系列，R型（鉑銠13-鉑）WRQ系列，B型（鉑銠30-鉑銠6）WRR系列等?？紤]設(shè)計(jì)成本與實(shí)際的溫度范圍（0～1000℃），在本設(shè)計(jì)中選用分度號(hào)為K的鎳鉻-鎳硅熱電偶WRN-120，表3-1所列的是常用熱電偶的材料規(guī)格和線徑使用溫度的關(guān)系：表3-1常用熱電偶材料規(guī)格和線徑使用溫度3熱電偶的測(cè)溫原理將兩種不同材料的導(dǎo)體或半導(dǎo)體（稱(chēng)為熱電偶絲材或熱電極）兩端焊接起來(lái)，構(gòu)成一個(gè)閉合回路，當(dāng)兩導(dǎo)體之間存在溫差時(shí)，便產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，在回路中就會(huì)形成一個(gè)大小的電流，這種現(xiàn)象稱(chēng)為熱電效應(yīng)，而這種電動(dòng)勢(shì)稱(chēng)為熱電勢(shì)。熱電偶就是利用這種原理進(jìn)行溫度測(cè)量的，其中，直接用作測(cè)量介質(zhì)溫度的一端叫做工作端（也稱(chēng)為測(cè)量端），另一端叫做冷端（也稱(chēng)為補(bǔ)償端）；冷端與顯示儀表或配套儀表連接，顯示儀表會(huì)指出熱電偶所產(chǎn)生的熱電勢(shì)，如圖3-2所示。圖3-2熱電偶溫度計(jì)系統(tǒng)原理圖不同種類(lèi)的兩根金屬導(dǎo)線A、B連接起來(lái)并保持接點(diǎn)的溫度為t0。若設(shè)由電壓計(jì)引出的導(dǎo)線與金屬線A、B連接點(diǎn)的溫度為t，則顯現(xiàn)出來(lái)的熱電勢(shì)EAB(t，t0)為：3.2.1.2熱電偶的溫度補(bǔ)償熱電偶都有對(duì)應(yīng)的分度表，即在參考端溫度為0℃時(shí)，熱電勢(shì)和測(cè)量溫度的對(duì)應(yīng)表。熱電偶的分度表是以冷端溫度0℃為基準(zhǔn)進(jìn)行分度的，熱電偶的實(shí)際工作環(huán)境，冷端溫度往往不為0℃，不能直接使用分度表，因此必須對(duì)熱電偶的冷端溫度進(jìn)行溫度補(bǔ)償。常用的冷端溫度補(bǔ)償方法有：冷端0℃恒溫法（將冷端放在冰水混合物的恒溫容器中等）、冷端溫度修正法、電橋補(bǔ)償法和冷端溫度自動(dòng)補(bǔ)償法等。在本設(shè)計(jì)中采用集成芯片MAX6675完成冷端溫度的自動(dòng)補(bǔ)償，可在很大程度上簡(jiǎn)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。3.2.2爐溫?cái)?shù)據(jù)采集電路的設(shè)計(jì)Ｋ型熱電偶是工業(yè)生產(chǎn)中最常用的溫度傳感器，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造容易、使用方便、測(cè)溫范圍寬等特點(diǎn)，本次設(shè)計(jì)就是選用K型熱電偶作為系統(tǒng)的溫度傳感器。目前，在以Ｋ型熱電偶為測(cè)溫元件的工業(yè)測(cè)溫系統(tǒng)中，熱電偶輸出的熱電勢(shì)信號(hào)必須經(jīng)過(guò)中間轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，才能輸入基于單片機(jī)系統(tǒng)。中間轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)包括信號(hào)放大、冷端補(bǔ)償、線性化及數(shù)字化等幾個(gè)部分，實(shí)際應(yīng)用中，由于中間環(huán)節(jié)較多，調(diào)試較為困難，系統(tǒng)的抗干擾性能往往也不理想。MAXIM公司推出的MAX6675，它是一個(gè)集成了熱電偶放大器、冷端補(bǔ)償、A/D轉(zhuǎn)換器及SPI串口的熱電偶放大器與數(shù)字轉(zhuǎn)換器，可以直接與單片機(jī)接口，大大簡(jiǎn)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，保證了溫度測(cè)量的快速性與準(zhǔn)確性。故在本設(shè)計(jì)中，為簡(jiǎn)化系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)采用芯片MAX6675作為熱電偶電勢(shì)與溫度的轉(zhuǎn)換。3.2.2.1MAX6675芯片MAX6675是具有冷端補(bǔ)償和A/D轉(zhuǎn)換功能的單片集成Ｋ型熱電偶變換器，測(cè)溫范圍0℃～1024℃，溫度范圍滿(mǎn)足本臺(tái)電爐的溫度需要，其主要功能特點(diǎn)如下：(1)直接將熱電偶信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)；(2)具有冷端補(bǔ)償功能；(3)簡(jiǎn)單的SPI串行接口與單片機(jī)通訊；(4)12位A/D轉(zhuǎn)換器、0.25℃分辨率；(5)熱電偶斷線檢測(cè)；（6）工作溫度范圍-20℃～+85℃。3.2.2.2MAX6675的測(cè)溫原理MAX6675是一個(gè)復(fù)雜的單片熱電偶數(shù)字轉(zhuǎn)換器，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要包括：低噪聲電壓放大器A1、電壓跟隨器A2、冷端溫度補(bǔ)償二極管、基準(zhǔn)電壓源、12位AD轉(zhuǎn)換器、SPI串行接口、模擬開(kāi)關(guān)及數(shù)字控制器。其工作原理如下：K型熱電偶產(chǎn)生的熱電勢(shì)，經(jīng)過(guò)低噪聲電壓放大器A1和電壓跟隨器A2放大、緩沖后，得到熱電勢(shì)信號(hào)U1，再經(jīng)過(guò)S4送至ADC。對(duì)于K型熱電偶，電壓變化率為(41μV/℃)，電壓可由如下公式來(lái)近似熱電偶的特性。上式中，U1為熱電偶輸出電壓（mV），T是測(cè)量點(diǎn)溫度，T0是周?chē)鷾囟?。在將溫度電壓值轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的溫度值之前，對(duì)熱電偶的冷端溫度進(jìn)行償，冷端溫度即是MAX6675周?chē)鷾囟扰c0℃實(shí)際參考值之間的差值。通過(guò)冷端溫度補(bǔ)償二極管，產(chǎn)生補(bǔ)償電壓U2經(jīng)S4輸入ADC轉(zhuǎn)換器。在數(shù)字控制器的控制下，ADC首先將U1、U2轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，即獲得輸出電壓U0的數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)就代表測(cè)量點(diǎn)的實(shí)際溫度值T，這就是MAX6675進(jìn)行冷端溫度補(bǔ)償和測(cè)量溫度的原理。3.2.2.3MAX6675與單片機(jī)的連接K型熱電偶K型熱電偶圖3-3MAX6675與單片機(jī)的連接MAX6675有五個(gè)引腳，腳（T-）接熱電偶負(fù)極，腳（T+）接熱電偶正極，腳（SCK）串行時(shí)鐘輸入端，腳（CS）片選端，使能啟動(dòng)串行數(shù)據(jù)通訊，腳（SO）串行數(shù)據(jù)輸出端。3.3輸入/輸出接口設(shè)計(jì)鍵盤(pán)和顯示電路實(shí)現(xiàn)了人機(jī)交互功能，通過(guò)鍵盤(pán)電路可以設(shè)置系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)和系統(tǒng)參數(shù)（P、I、D和保溫時(shí)間），顯示電路可以顯示系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)、控制時(shí)間、設(shè)定溫度、實(shí)際溫度等。該溫度控制系統(tǒng)采用7段高亮LED數(shù)碼管（紅色）顯示系統(tǒng)的設(shè)置參數(shù)、保溫時(shí)間及實(shí)際溫度值等?？傆?jì)13數(shù)碼管和3個(gè)發(fā)光二極管（指示控制系統(tǒng)的工作狀態(tài)）。數(shù)碼管的驅(qū)動(dòng)動(dòng)采用MAX7219，MAX7219是美國(guó)MAXIM公司生產(chǎn)的串行輸入／輸出共陰極顯示驅(qū)動(dòng)器。該芯片可直接驅(qū)動(dòng)最多8位7段數(shù)字LED顯示器，或64個(gè)LED和條形圖顯示器。它與微處理器的接口非常簡(jiǎn)單，僅用3個(gè)引腳與微處理器相應(yīng)端連接即可實(shí)現(xiàn)最高10MHz串行口。MAX7219的位選方式獨(dú)具特色，它允許用戶(hù)選擇多種譯碼方式譯碼選位，而且，每個(gè)顯示位都能個(gè)別尋址和刷新，而不需要重寫(xiě)其他的顯示位，這使得軟件編程十分簡(jiǎn)單且靈活。另外，它具有數(shù)字和模擬亮度控制以及與MOTOROLASPI，QSPI及MATIONALMICROWIRE串行口相兼容等特點(diǎn)。該芯片采用24腳DIP和SO封裝，工作電壓4.0～5.5V，最大功耗1.1W。本溫度控制系統(tǒng)采用兩片MAX7219級(jí)聯(lián)的方式驅(qū)動(dòng)控制13個(gè)7段數(shù)碼管，其中DIN引腳接P2.7，LOAD引腳接P2.6，CLCOK引腳接P2.5，顯示控制電路如圖3-4所示。設(shè)定目標(biāo)溫度保溫時(shí)間顯示實(shí)際溫度設(shè)定目標(biāo)溫度保溫時(shí)間顯示實(shí)際溫度圖3-4顯示與接口電路設(shè)計(jì)系統(tǒng)的工作狀態(tài)由三個(gè)發(fā)光二極管以不同的顏色與狀態(tài)顯示，如有報(bào)警信號(hào)蜂鳴器啟動(dòng)，三個(gè)發(fā)光二極管與蜂鳴器用P2.0~P2.3控制，具體電路連接如圖3-5所示：圖3-5工作狀態(tài)指示燈及報(bào)警電路設(shè)計(jì)對(duì)于參數(shù)的輸入通過(guò)按鍵實(shí)現(xiàn)，所設(shè)計(jì)的控制面板總計(jì)有5個(gè)按鍵，按鍵數(shù)量少，按鍵采用獨(dú)立按鍵的連接方式，其電路如圖3-6所示。圖3-6按鍵輸入電路3.4保溫定時(shí)電路設(shè)計(jì)電爐在某些時(shí)候需要某個(gè)溫度值保持一定的時(shí)間，系統(tǒng)必須有定時(shí)的功能單元。單片機(jī)有很多途徑實(shí)現(xiàn)定時(shí)與計(jì)時(shí)的功能，如軟件延時(shí)、采用內(nèi)部定時(shí)器定時(shí)。其中軟件定時(shí)要占用CPU資源，特別當(dāng)定時(shí)時(shí)間比較長(zhǎng)的時(shí)候，其定時(shí)的精度也無(wú)法保證；采用定時(shí)器定時(shí)，雖然能夠?qū)崿F(xiàn)精確定時(shí)，但長(zhǎng)久定時(shí)也不能有效保證定時(shí)精度。為了提高定時(shí)精度、降低系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)的復(fù)雜度，在本次設(shè)計(jì)采用專(zhuān)用時(shí)鐘芯片DS1302來(lái)完成系統(tǒng)計(jì)時(shí)功能。DS1302是美國(guó)DALLAS公司推出的一種高性能、低功耗、帶RAM的實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路，它可以對(duì)年、月、日、周日、時(shí)、分、秒進(jìn)行計(jì)時(shí)，具有閏年補(bǔ)償功能，工作電壓為2.5V～5.5V。采用三線接口與CPU進(jìn)行同步通信，并可采用突發(fā)方式一次傳送多個(gè)字節(jié)的時(shí)鐘信號(hào)或RAM數(shù)據(jù)。DS1302內(nèi)部有一個(gè)31×8的用于臨時(shí)性存放數(shù)據(jù)的RAM寄存器。DS1302是DS1202的升級(jí)產(chǎn)品，與DS1202兼容，但增加了主電源/后背電源雙電源引腳，同時(shí)提供了對(duì)后背電源進(jìn)行涓細(xì)電流充電的能力。3.4.1DS1302與單片機(jī)的連接如圖3-7所示：圖3-7DS1302與單片機(jī)的連接3.5溫度控制電路設(shè)計(jì)溫控系統(tǒng)的精度不僅受制于輸入檢測(cè)量的精度，同時(shí)也受制于輸出控制量的精度，要提高整個(gè)系統(tǒng)的精度，必須使兩者匹配。工藝要求加熱時(shí)在升溫階段快速，采用較大的恒定功率，但隨著溫度偏差減少，逐漸減少定周期內(nèi)的導(dǎo)通周波。降低加熱功率，防止熱慣性的作用而產(chǎn)生較大的溫度超調(diào)?？刂破髂軌蚣皶r(shí)控制加熱器件在電源半波內(nèi)的輸入有效值?？煽毓枵{(diào)功控制溫度具有不沖擊電網(wǎng)，對(duì)用電設(shè)備不產(chǎn)生干擾等優(yōu)點(diǎn)，是一種應(yīng)用廣泛的控溫方式。所謂調(diào)功控溫就是在給定周期內(nèi)控制可控硅的導(dǎo)通時(shí)間，從而改變加熱功率，來(lái)實(shí)現(xiàn)溫度調(diào)節(jié)。設(shè)采樣(控制)周期為T(mén)，在T周期內(nèi)工頻交流電的半周波數(shù)為N，如全導(dǎo)通時(shí)額定加熱功率為PH，則實(shí)際的平均加熱功率P與T周期內(nèi)實(shí)際導(dǎo)通的半周波數(shù)n成正比，即目前，采用可控硅進(jìn)行功率調(diào)節(jié)的觸發(fā)方式有兩種：過(guò)零觸發(fā)和移相觸發(fā)。移相觸發(fā)方式調(diào)功實(shí)際上是控制可控硅的導(dǎo)通角，達(dá)到調(diào)節(jié)功率的目的，此方式易造成電磁干擾且電路復(fù)雜。采用移相觸發(fā)的可控硅交流調(diào)功裝置，往往在可控硅導(dǎo)通的瞬間使電網(wǎng)電壓出現(xiàn)畸變，當(dāng)控制角為90時(shí)，產(chǎn)生的三次諧波電流為基波電流的50％，五次諧波也可達(dá)到基波的1/6。這些諧波分量引起電網(wǎng)電壓波形畸變，功率因數(shù)下降，給其它用電設(shè)備和通訊系統(tǒng)的工作帶來(lái)不良影響。為此，人們研究了各種避免電壓瞬間大幅度下降和抑制高次諧波的方法，過(guò)零觸發(fā)方式很好地解決了此類(lèi)問(wèn)題，它可把可控硅導(dǎo)通的起始點(diǎn)限制在電源電壓過(guò)零點(diǎn)，從而大大降低了諧波分量，然而，傳統(tǒng)的可控硅過(guò)零觸發(fā)調(diào)功器由同步脈沖產(chǎn)生電路、檢零電路、隔離電路組成，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，降低了可靠性，而且采用分立元件，器件的離散性和溫漂嚴(yán)重影響調(diào)功器控制精度及使用壽命。MOTOROLA公司生產(chǎn)的MOC3021-3081器件可以很好地解決這些問(wèn)題。該器件用于觸發(fā)晶閘管，具有價(jià)格低廉、觸發(fā)電路簡(jiǎn)單可靠的特點(diǎn)。本系統(tǒng)采用MOC3061作為可控硅的驅(qū)動(dòng)器，控制可控硅的導(dǎo)通與關(guān)斷，改變平均電壓的大小值，形成最佳加熱方式，從而控制溫度的超調(diào)。MOC3061系列光電雙向可控硅驅(qū)動(dòng)器是一種光電耦合器件，它可用直流低電壓、小電流來(lái)控制交流高電壓、大電流。用該器件觸發(fā)晶閘管，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、觸發(fā)可靠等優(yōu)點(diǎn)。采用MOC3061觸發(fā)晶閘管，強(qiáng)、弱的電之間在電氣上完全隔離，且可以直接可靠地觸發(fā)50A或更大的功率的晶閘管。經(jīng)軟件分析所得的控制脈沖送至MOC3061，直接形成驅(qū)動(dòng)信號(hào)，控制可控硅的導(dǎo)通與關(guān)斷，改變平均電壓的大小值，形成最佳加熱方式，從而控制溫度的超調(diào)，控制電路如圖3-8所示:圖3-8輸出電路設(shè)計(jì)電路中C3、R15為阻容吸收電路，MOC3061在輸出關(guān)斷下，有500uA的漏電流，串入R16這個(gè)限流電阻，可以控制觸發(fā)電流，消除漏電流對(duì)雙向可控硅的影響，防止雙向晶閘管的誤觸發(fā)。R13為限流電阻，R14為門(mén)極電阻，提高控制級(jí)的抗干擾性，電路中Q2集電極發(fā)出正弦過(guò)零出發(fā)脈沖。系統(tǒng)硬件電路圖圖3-9系統(tǒng)硬件電路圖控制系統(tǒng)采用熱電偶作為溫度傳感器，熱電偶把溫度轉(zhuǎn)換為毫伏級(jí)的電壓信號(hào)，這個(gè)信號(hào)必須進(jìn)行放大處理、冷端補(bǔ)償、非線性化處理和數(shù)字處理后才能送到單片機(jī)中，這個(gè)過(guò)程環(huán)節(jié)多，容易受到干擾，為簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)中采用集成芯片MAX6675來(lái)完成整個(gè)過(guò)程的溫度數(shù)據(jù)處理。單片機(jī)對(duì)溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后，首先進(jìn)行超限報(bào)警處理，如果超限就調(diào)用超限處理子程序，若未超限就對(duì)溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字濾波后進(jìn)行PID算法控制，得到輸出控制量。具體控制過(guò)程是：當(dāng)溫度偏差大于50℃時(shí)，讓雙向晶閘管全導(dǎo)通或全關(guān)閉實(shí)現(xiàn)快速縮小溫差，減小調(diào)節(jié)時(shí)間，當(dāng)溫度偏差小于50℃時(shí)調(diào)用PID控制算法，由算法得到雙向晶閘管導(dǎo)通率實(shí)現(xiàn)對(duì)雙向晶閘管正弦半波的個(gè)數(shù)控制以達(dá)到調(diào)溫的目的。系統(tǒng)中的時(shí)鐘電路的功能是根據(jù)熱處理工藝要求設(shè)置保溫時(shí)間，溫度控制系統(tǒng)所有的參數(shù)通過(guò)13位高亮7段數(shù)碼管顯示，狀態(tài)信息通過(guò)3個(gè)發(fā)光二極管指示。

四、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)硬件電路確定之后，系統(tǒng)的主要功能將依賴(lài)于軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。對(duì)同一個(gè)硬件電路，配以不同的軟件，它所實(shí)現(xiàn)的功能也就不同，而且有些硬件電路的功能可用軟件來(lái)替代。因此，系統(tǒng)的設(shè)計(jì)很大程度上是軟件設(shè)計(jì)。4.1軟件總體設(shè)計(jì)整個(gè)溫度控制系統(tǒng)不僅要處理按鍵、顯示外，而且要實(shí)時(shí)處理對(duì)溫度的采集信息并處理。整個(gè)系統(tǒng)包括主模塊、初始化模塊、溫度檢測(cè)模塊、鍵盤(pán)處理模塊、顯示控制模塊、計(jì)時(shí)控制模塊、中斷服務(wù)模塊、控制算法模塊、輸出通斷率控制模塊等幾個(gè)部分，其軟件總體結(jié)構(gòu)圖如圖4-1所示。圖4-1軟件總體結(jié)構(gòu)4.2主程序設(shè)計(jì)上電或復(fù)位后系統(tǒng)，首先進(jìn)行系統(tǒng)自檢，診斷正常后各功能模塊進(jìn)行初始化，包括初始化各寄存器、標(biāo)志位、端口、PID等；接著進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，經(jīng)過(guò)數(shù)字濾波、標(biāo)度變換后，計(jì)算溫度偏差及偏差變化率的大小，再由控制算法模塊得到輸出控制量。系統(tǒng)開(kāi)放定時(shí)器及外部中斷，一旦發(fā)生中斷或其他外部響應(yīng)，首先判斷是哪個(gè)響應(yīng)源，然后調(diào)用相應(yīng)的功能模塊完成執(zhí)行程序。監(jiān)控程序流程如圖4-2：圖4-2主程序流程圖4.3溫度檢測(cè)及處理程序設(shè)計(jì)溫度檢測(cè)采用K型熱電偶轉(zhuǎn)換器MAX6675完成，由MAX6675構(gòu)成的溫度檢測(cè)電路具有控制程序易于編寫(xiě)，讀數(shù)精確度高等優(yōu)點(diǎn)。MAX6675的轉(zhuǎn)換結(jié)果與溫度的數(shù)量關(guān)系滿(mǎn)足：實(shí)際溫度值=1023.75×熱電偶轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量／4095MAX6675芯片實(shí)現(xiàn)了對(duì)熱電偶輸出的電壓信號(hào)的放大、冷端補(bǔ)償和線性化的自動(dòng)處理，所以其轉(zhuǎn)換程序比較簡(jiǎn)單，程序流程如圖4-3所示。圖4-3溫度檢測(cè)控制程序流程圖下面是MAX6675溫度轉(zhuǎn)換的控制子程序：SbitSCK=P3^7;sbitSO=P3^5;sbitCS=P3^6；/************MAX6675溫度轉(zhuǎn)換程序**************************/unsignedintRe_Convert(void){unsignedchari；unsignedintP_Temp2=0；SCK=0；CS=0；for(i=0；i<16；i++){SCK=1；if(SO==1){P_Temp2=P_Temp2|0x01；}Delay_50us(1)；SCK=0；Delay_50us(1)；P_Temp2<<=1；}CS=1；P_Temp2=(P_Temp2&0x7fff)>>3；return(P_Temp2)；}調(diào)用后要進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)的格式轉(zhuǎn)換，具體按如下方式進(jìn)行：。P_Temp=Re_Convert()；P_Temp1=0.25*P_Temp；控制程序?qū)_Temp1進(jìn)行超限判斷，如果不超限，連續(xù)采樣3次溫度數(shù)據(jù)分別送到數(shù)組middle_value[]，為數(shù)字濾波程序做準(zhǔn)備。4.4按鍵檢測(cè)程序設(shè)計(jì)操作者要進(jìn)行參數(shù)（P、I、D和保溫時(shí)間等）的設(shè)定或狀態(tài)切換，必需通過(guò)按鍵（鍵盤(pán)）來(lái)實(shí)現(xiàn)，按鍵（鍵盤(pán)）是人機(jī)聯(lián)系的重要通道。根據(jù)操作規(guī)劃，輸入按鍵總計(jì)有5個(gè)，其中增減按鍵各一個(gè)，左右移位按鍵各一個(gè)，功能設(shè)置/狀態(tài)切換按鍵一個(gè)。鍵盤(pán)處理程序的主要任務(wù)是進(jìn)行有無(wú)按鍵按下的判斷并獲取鍵值，根據(jù)鍵值轉(zhuǎn)入相應(yīng)的按鍵控制程序，實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)的控制操作。圖4-4按鍵檢測(cè)程序流程圖按鍵掃描及鍵值判斷處理程序如下：unsignedcharKey_Left_Move=4;unsignedcharKey_Right_Move=3;unsignedcharKey_Inc_1=2;unsignedcharKey_Dec_1=1;unsignedcharKey_Set=0;unsignedcharkey_value;/***********************************************************************名稱(chēng)：Read_Key()*說(shuō)明：*功能：判斷是否有鍵按下，去抖動(dòng)，判斷鍵值*調(diào)用：delay1ms()*輸入：*返回值：key_value**********************************************************************/unsignedcharRead_Key(void)//讀鍵值{unsignedkey;P1=0x1f;key=P1;while((key&0x1f)!=0x1f)//當(dāng)有鍵按下時(shí){Delay1ms(10);//軟件延時(shí)10ms去抖動(dòng)P1=0x1f;while((key&0x1f)!=0x1f){if(key==0x1e)key_value=Key_Left_Move;elseif(key==0x1d)key_value=Key_Right_Move;elseif(key==0x1c)key_value=Key_Inc_1;elseif(key==0x17)key_value=Key_Dec_1;elseif(key==0x0f)key_value=Key_Set;elsekey_value=0xff;//非有效按鍵返回0xffwhile((key&0x1f)!=0x1f);//等待按鍵釋放}}key_value=0xff;//無(wú)鍵按下返回0xff}4.5顯示程序設(shè)計(jì)控制面板要顯示的內(nèi)容比較多總計(jì)有13個(gè)7段數(shù)碼管，為了簡(jiǎn)化系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，采用兩片MAX7219級(jí)聯(lián)方式來(lái)驅(qū)動(dòng)控制所有的數(shù)碼管，MAX7219須進(jìn)行初始化設(shè)置后才能正常工作，下面是MAX7219相關(guān)的常量與函數(shù)：sbitLOAD=P2^6;//MAX7219片選sbitDIN=P2^7;//MAX7219串行數(shù)據(jù)sbitCLK=P2^5;//MAX7219串行時(shí)鐘#defineDECODE_MODE0x09//譯碼控制寄存器#defineINTENSITY0x0A//亮度控制寄存器#defineSCAN_LIMIT0x0B//掃描界限寄存器#defineSHUT_DOWN0x0C//關(guān)斷模式寄存器#defineDISPLAY_TEST0x0F//測(cè)試控制寄存器voidWrite7219(unsignedcharaddress,unsignedchardat);voidInitial(void);voidWrite7219(unsignedcharaddress,unsignedchardat){unsignedchari;LOAD=0;//拉低片選線，選中器件for(i=0;i<8;i++)//移位循環(huán)8次{CLK=0;//清零時(shí)鐘總線DIN=(bit)(address&0x80);//每次取高字節(jié)address<<=1;//左移一位CLK=1;//時(shí)鐘上升沿，發(fā)送地址}for(i=0;i<8;i++){CLK=0;DIN=(bit)(dat&0x80);dat<<=1;CLK=1;//時(shí)鐘上升沿，發(fā)送數(shù)據(jù)}LOAD=1;//發(fā)送結(jié)束，上升沿鎖存數(shù)據(jù)}//MAX7219初始化，設(shè)置MAX7219內(nèi)部的控制寄存器voidInitial(void){Write7219(SHUT_DOWN,0x01);//開(kāi)啟正常工作模式（0xX1）Write7219(DISPLAY_TEST,0x00);//選擇工作模式（0xX0）Write7219(DECODE_MODE,0xff);//選用全譯碼模式Write7219(SCAN_LIMIT,0x07);//8只LED全用Write7219(INTENSITY,0x0F);//設(shè)置初始亮度}4.6輸出程序設(shè)計(jì)該系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)MOC3061，采用調(diào)整功率控制，控制流程圖如圖4-5所示：圖4-5輸出控制流程圖4.7中值濾波中值濾波方法對(duì)緩慢變化的信號(hào)中由于偶然因素引起的脈沖干擾具有良好的濾除效果。其原理是，對(duì)信號(hào)連續(xù)進(jìn)行n次采樣，然后對(duì)采樣值排序，并取序列中位值作為