基于单片机的电阻炉温度控制系统设计

    １　引言
    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。本文介绍的温度控制系统的主要技术指标有：温控范围：300℃～1000℃；恒温时间：０～24小时；控制精度：±１℃；超调量<1%。
    ２　整体设计及系统原理
    本系统由单片机AT89C52、温度检测电路、键盘显示及报警电路、时钟电路、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并判断是否报警，同时将温度与设定温度比较，根据设定的PID算法计算出控制量，根据控制量通过控制固态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。该系统中的时钟电路可以根据要求进行准确计时。
    ３　硬件设计
    3.1 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1312℃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、I/O接线简单、精度高、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0.25℃。温度数据通过SPI端口输出给单片机,其冷端补偿的范围是-20～80℃,测量范围是0～1023.75℃。表１为MAX6675的引脚功能图。
    表１ MAX6675的引脚功能图
    当P2.5为低电平且P2.４口产生时钟脉冲时，MAX6675的SO脚输出转换数据。在每一个脉冲信号的下降沿输出一个数据，16个脉冲信号完成一串完整的数据输出，先输出高电位D15，最后输出的是低电位D0，D14-D3为相应的温度转换数据。当P2.5为高电平时，MAX6675开始进行新的温度转换。在应用MAX6675时，应该注意将其布置在远离其它I/O芯片的地方，以降低电源噪声的影响；MAX6675的T-端必须接地，而且和该芯片的电源地都是模拟地，不要和数字地混淆而影响芯片读数的准确性。
    ３.2时钟电路
    在系统中需要准确显示升温时间、恒温时间等，因而选用了时钟芯片DS12887构成定时电路来完成对时间的准确计时。DS12887具有时钟、闹钟、12/24小时选择和闰年自动补偿功能；包含有10Ｂ的时钟控制寄存器、4Ｂ的状态寄存器和114Ｂ的通用RAM；具有可编程方波输出功能；报警中断、周期性中断、时钟更新中断可由软件屏蔽或测试。使用时不需任何外围电路，并具有良好的外围接口。在本系统中，DS12887的地址／数据复用总线与单片机的P0口相连。通过定时器中断，CPU每隔0.4秒读一次DS12887的内部时标寄存器，得到当前的时间，并送到液晶显示器进行显示。每当电阻炉从一个状态转入另一个状态，CPU通过DS12887把时间清零，重新开始计时。此外，通过DS12887，还可以设定电阻炉的加热时间和恒温时间。电路如图3中所示。
    ３.３键盘显示和报警电路
    本系统采用3*3键盘，由单片机I/O口控制，可通过按键设定温度和时间，有的按键在不同情况下可以实现不同功能。显示器选用点阵字符型液晶显示器TC1602，系统中将扩展芯片8155的P0 口、PC.0～PC.2口与TC1602接口相连，TC1602的显示形式是16*2行,可显示炉温、设定时间、实际时间等。报警电路是将单片机的I/O口与驱动芯片MC1413相连，通过MC1413驱动蜂鸣器。键盘电路和时钟电路如图3中所示。
    ３.4控温电路
    控温电路包括驱动芯片MC1413、过零型交流固态继电器（Z型SSR）。报警和控温电路如图3中所示。
    Z型SSR内部含有过零检测电路，当加入控制信号，且负载电源电压过零时，SSR才能导通；而控制信号断开后，SSR在交流电正负半周交界点处断开。也就是说，当Z型SSR在1秒内为全导通状态时，其被触发频率为100HZ；当Z型SSR在1秒内导通时间为0.5秒时，其被触发频率为50HZ。在本系统中，采用PID控制算法，通过改变Z型SSR在单位时间内的导通时间达到改变电阻炉的加热功率、调节炉内温度的目的。
    4 软件设计
    在系统软件中，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4所示。
    5 结语
    该系统采用了K型热电偶信号处理集成芯片MAX6675，改变了传统测温电路电路复杂、程序复杂、精度低等问题；采用时钟芯片可以对时间准确计时；采用先进PID控制算法控制 、精度高、超调小；整个设计电路简单、设定功能多、操作简单。经反复实验证明：其工作稳定性强、精度高、实用性强、控制效果好、应用前景广。
    本文作者创新点：改变了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，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，接线简单，精度高；采用时钟芯片便于精确计时，减小单片机的负担；采用先进PID控制算法控制，控制效果好，超调小。
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