1、单片机的电阻炉温度控制系统设计概述 21 整体设计及系统原理 22 硬件设计 32.1 温度检测电路 32.2 键盘控制和显示电路 52.3 加热控制电路 63 心得体会 8参考文献 9基于单片机的电阻炉温度控制系统设计概述电阻炉在化工、冶金等行业应用广泛，因此温度控制在工业生产和科学研究中具有重 要意义。其控制系统属于一阶纯滞后环节，具有大惯性、纯滞后、非线性等特点，导致传 统控制方式超调大、调节时间长、控制精度低。采用单片机进行炉温控制，具有电路设计 简单、精度高、控制效果好等优点，对提高生产效率、促进科技进步等方面具有重要的现 实意义。此次课程设计温度控制系统的主要技术指标有：温控范围：
2、 300C1000C ；恒温时间：024小时；控制精度：C；超调量1%。1整体设计及系统原理本系统由单片机AT89C51、温度检测电路、键盘显示、显示电路、温度控制电路等部分组成。系统中采用了新型元件，功能强、精度高、硬件电路简单。其硬件原理图如图 1所示。在系统中，利用热电偶测得电阻炉实际温度并转换成毫伏级电压信号。该电压信号经 过温度检测电路转换成与炉温相对应的数字信号进入单片机，单片机进行数据处理后，通 过液晶显示器显示温度，同时将温度与设定温度比较，根据设定计算出控制量，根据控制 量通过控制继电器的导通和关闭从而控制电阻丝的导通时间，以实现对炉温的控制。图1硬件原理图程序流程图在系统软
3、件中，主程序完成系统初始化和电炉丝的导通和关断； 炉温测定、键盘输入、 时间确定和显示、控制算法等都由子程序来完成；中断服务程序实现定时测温和读取时间。 流程图如图2所示。图2总体流程图2硬件设计2. 1温度检测电路本系统采用的K型（镍铬镍硅）热电偶，其可测量1312C以内的温度，其线性度较 好，而且价格便宜。K型热电偶的输出是毫伏级电压信号，最终要将其转换成数字信号与CPU通信。传统的温度检测电路采用“传感器-滤波器-放大器-冷端补偿-线性化处理-A/D转换”模式，转换环节多、电路复杂、精度低。在本系统中，采用的是高精度的集 成芯片MAX6675来完成“热电偶电势温度”的转换， 不需外围电路
4、、I/O接线简单、精 度咼、成本低。MAX6675是MAXIM公司开发的K型热电偶转换器，集成了滤波器、放大器等，并带有 热电偶断线检测电路，自带冷端补偿，能将 K型热电偶输出的电势直接转换成12位数字量，分辨率0. 25C,工作电压为3.05. 5V。温度数据通过SPI端口输出给单片机,其冷 端补偿的范围是-2080C,测量范围是01023. 75T。表1为MAX6675的引脚功能图：表1 MAX6675的引脚功能图引脚号名称功能1GND接地端2T-热电偶负极（使用时接地）3T+热电偶正极4VCC电源端5SCK串行时钟输入端6CS片选信号7SO数据串行输出口8NC悬空不用当MAX6675的C
5、S引脚从高电平变为低电平时,MAX6675将停止任何信号的转换并在时钟SCK的作用下向外输出已转化的数据。相反 ，当CS从低电平变回高电平时MAX6675将进行新的转换。在CS引脚从高电平变为低电平时,第一个字节D15将出现 在引脚SO。一个完整的数据读过程需要16个时钟周期,数据的读取通常在SCK的下降沿 进行。MAX6675的输出数据为16位，其中D15始终无用，D14D3对应于热电偶模拟输入 电压的数字转换量,D2用于检测热电偶是否断线（D2为1表明热电偶断开）,D1为 MAX6675的标识符,D0为三态。需要指出的是：在以往的热电偶电路设计中,往往需要 专门的断线检测电路,而MAX66
6、75已将断线检测电路集成于片内,从而简化了电路设计。D14D3为12位数据,其最小值为0,对应的温度值为0 C ;最大值为4095 ,对应的温 度值为1023.75 C;由于MAX6675内部经过了激光修正,因此，其转换结果与对应温度 值具有较好的线性关系。温度值与数字量的对应关系为 ：温度值=1023 75 X转换后的数字量/ 4095。由于MAX6675的数据输出为3位串行接口，因此只需占用微处理器的3个1/ O 口。 图2是以89C51系列单片机为例给出的系统连接图。使用时，可用软件模拟同步串行读取 过程。图中串行外界时钟由微处理器的 P1.3提供,片选信号由P1.2提供,转换数据由P1
7、. 1读取。热电偶的模拟信号由 T+和T-端输入,其中T-需接地。MAX6675的转换结果2. 2键盘控制和显示电路按键控制电路如图所示，分别接在单片机 P0.0 P0. 5 口。它由9个按键构成，直接 与单片机I/O 口相连。当按键闭合时，单片机的 P0. 0 P0. 2 口的高电转移到 P0. 3 P0. 5 口。当用于温度调节时，开关分别用于调整温度的上下限值， 以及控制温度的输出。另外， 设定1键用于显示采集的温度，第二次按下则进行温度的上限调整，第三次按下进行温度 的下限调整，第四次按下则进行采集温度的显示构成循环。选择 2键进行移位调整，第一次显示个位，第二次显示十位。3键用于增加
8、一个数，按下一次在原基础之上加 1,这个值在0-9-0之间变化。4键用于减少一个数，按下一次在原基础之上减 1，这个值在9-0-9之间变化。图4键盘接口电路显示电路采用3位共阳LED动态显示方式,选用7段显示数码管7SEG-COM-ANODE。 显示内容有温度值的十位、个位及小数点后一位。用P2 口作为段控码输出，并用74LS244 作驱动。P1.4 P1.6作为位控码输出，用PNP型三极管做驱动。模块电路如下图 5：图5显示接口电路2. 3加热控制电路用于在闭环控制系统中对被控对象实施控制，被控对象为电热杯，采用对加在电热杯 两端的电压进行通断的方法进行控制，以实现对水加热功率的调整，从而达
9、到对水温控制 的目的。对电炉丝通断的控制采用 SSR-40DA固态继电器。它的使用非常简单，只要在控 制端TTL电平，即可实现对继电器的开关，使用时完全可以用 NPN型三极管接成电压跟随器的形式驱动。当单片机的 P1.7为高电平时，三极管驱动固态继电器工作接通加热器 工作，当单片机的P1.7为低电平时固态继电器关断，加热器不工作。控制电路图如下图6：图6电阻炉的温度控制图其中,固态继电器SSR-40DA是由固态元件组成的无触点开关，具有工作安全可靠、 寿命长、无触点、无火花、无污染、高绝缘、高耐压（越过 2. 5kv）、低触发电流、开关速 度快、可与数字电路巨配，以阻燃型环氧树脂为原料，采用灌
10、封技术，使与外界隔离，具 有良好的耐压、防潮、防腐、抗震动等性能。 固态继电器内部采用电压过零时开启，负载过零时关断的特性，在负载上可以得到一个完整的正弦波形。 因此电路的射频干扰很小， 可降低感性负载（如风扇、三相电动机等）的反电动势以及驱动阻性负载（如白炽灯、发 热丝等）时可显著降低浪涌电流等优点，其内部结构如图7:图7 SSR-40DA内部结构图3 心得体会天很热，借着课设的机会宅在寝室倒也还凉快。从拿到课设题目到完成这次课设也只 不过一个星期的多一点的时间，虽然对单片机只有粗略的认识，很多程序还有原理图都不 是很透彻的理解， 但是，借着世界杯的激情， 再借助从网上借鉴的资料， 加以简单
11、的自学， 做题的思路还是蛮清晰的呈现出来了。这次的题目是有关电阻炉的温度控制。电阻炉在我们的日常生活，工业生产当中有着 相当广泛的应用，所以说这次做的课设题目具有很强的实际意义，这让我感到蛮欣慰的。 通过查阅相关的书本，同时借助网络的资料，通过严格的删选及考虑实际的应用效果，我 知道了选择 MAX6675 芯片做测温点路， 89C51 做处理芯片， SSR-40DA 做继电器控制加 热电路是很好的思路，也是比较容易实现并且能够实现较理想的效果。最后将几个部分加 以整合及优化，以及必要的改造，就完成了最后的电路。最后的成果通过程序的调试显示 可以较好地完成既定的要求，整个电路结构简单、思路清晰、
12、效果显著。整个课设的过程经历的时间虽然不是很长，但是当我真正去投入创作的时候，感觉到 很充实，很满足。重要的是，通过这次课设所学到的知识，不仅是对理论的一次充实，还 是对自己整个知识面的一次审视。这短短一个星期时间的经验，将会潜移默化的对以后的 学习生活，甚至在工作中有深远的指导意义。另外，个人的能力毕竟是有限的，非常感谢 同学及老师对我的建议和帮助。网络也是一个相当有用的平台，有效合理地利用网络资源 将是对自己的又一个极大的帮助。参考文献1 于海生 . 计算机控制技术 M. 北京：机械工业出版社 ,2007.2 赖寿宏 . 微型计算机控制技术 M. 北京：机械工业出版社 ,2004.,199
13、7.3 熊静琪 . 计算机控制技术 M. 北京：电子工业出版社 ,2003.4 王福瑞 . 单片微机测控系统设计大全 . 北京：北京航空航天大学出版社5 黄一夫 . 微型计算机控制技术 M. 北京：机械工业出版社 ,1996.R84 7kR9i7kR104.7K1i30R11CSQOPNPC1i1_x 厂C2HIQMPwctfxn XTAL1POD/ADOXTAL2PO1/AD1 PDAP? PO3tfAD3 P04TAD4 ros/ADSRSIPOLADSP0 7/AD7P2 WA9PUN ALEEAP2.3M11P2.Wt2 P2 513 PS.a/AKn 7/415Pl 0 pi 1P3.DRXD pa imPI 2Pl 3FM AP33/1NTOP3 3NT1IP34/TO pasrn ra.wSJ?PI石Pl 7PS.TfftDd-ATBK51nIJQLED2LED1LEDO223 123.24 A2G7仃weAMLS244ec A&AADA1gAjA4 ASABA?GND自动化0701朱贝尔R12Q%R13OlikSSR-44DAU4lMOTlJ*6V
