Resistance Furnace Temperature Control System Based on Single-chip Computer
摘 要：文中介紹了以單片機(jī)AT89C52作為核心元件構(gòu)成的電阻爐溫度控制系統(tǒng)的工作原理，詳細(xì)說明了采用的新型元件，分析了系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)，最后給出了系統(tǒng)流程圖。
關(guān)鍵詞：單片機(jī)； 電阻爐； 溫度測量； 控制系統(tǒng)
Abstract: This paper introduces the principle of resistance furnace temperature control system whose nuclear component is single-chip computer of AT89C52．The used new component and hardware structure of system is presented detailedly and the flow chart is given at last．
Key words： Single-chip computer；Resistance Furnace；Temperature measurement；Control system
１ 引言
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(diǎn)，導(dǎo)致傳統(tǒng)控制方式超調(diào)大、調(diào)節(jié)時(shí)間長、控制精度低。采用單片機(jī)進(jìn)行爐溫控制，具有電路設(shè)計(jì)簡單、精度高、控制效果好等優(yōu)點(diǎn)，對提高生產(chǎn)效率、促進(jìn)科技進(jìn)步等方面具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。本文介紹的溫度控制系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)有：溫控范圍：300℃～1000℃；恒溫時(shí)間：０～24小時(shí)；控制精度：±１℃；超調(diào)量<1%。
２ 整體設(shè)計(jì)及系統(tǒng)原理
本系統(tǒng)由單片機(jī)AT89C52、溫度檢測電路、鍵盤顯示及報(bào)警電路、時(shí)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(qiáng)、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(shí)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(jìn)入單片機(jī)，單片機(jī)進(jìn)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(bào)警，同時(shí)將溫度與設(shè)定溫度比較，根據(jù)設(shè)定的PID算法計(jì)算出控制量，根據(jù)控制量通過控制固態(tài)繼電器的導(dǎo)通和關(guān)閉從而控制電阻絲的導(dǎo)通時(shí)間，以實(shí)現(xiàn)對爐溫的控制。該系統(tǒng)中的時(shí)鐘電路可以根據(jù)要求進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)時(shí)。
３ 硬件設(shè)計(jì)
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(jià)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(bǔ)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(bǔ)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(jī),其冷端補(bǔ)償?shù)姆秶?20～80℃,測量范圍是0～1023.75℃。表１為MAX6675的引腳功能圖。
圖２為本系統(tǒng)中溫度檢測電路。
當(dāng)P2.5為低電平且P2.４口產(chǎn)生時(shí)鐘脈沖時(shí)，MAX6675的SO腳輸出轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。在每一個(gè)脈沖信號的下降沿輸出一個(gè)數(shù)據(jù)，16個(gè)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(yīng)的溫度轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。當(dāng)P2.5為高電平時(shí)，MAX6675開始進(jìn)行新的溫度轉(zhuǎn)換。在應(yīng)用MAX6675時(shí)，應(yīng)該注意將其布置在遠(yuǎn)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(zhǔn)確性。
３.2時(shí)鐘電路
在系統(tǒng)中需要準(zhǔn)確顯示升溫時(shí)間、恒溫時(shí)間等，因而選用了時(shí)鐘芯片DS12887構(gòu)成定時(shí)電路來完成對時(shí)間的準(zhǔn)確計(jì)時(shí)。DS12887具有時(shí)鐘、鬧鐘、12/24小時(shí)選擇和閏年自動補(bǔ)償功能；包含有10Ｂ的時(shí)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(bào)警中斷、周期性中斷、時(shí)鐘更新中斷可由軟件屏蔽或測試。使用時(shí)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(fù)用總線與單片機(jī)的P0口相連。通過定時(shí)器中斷，CPU每隔0.4秒讀一次DS12887的內(nèi)部時(shí)標(biāo)寄存器，得到當(dāng)前的時(shí)間，并送到液晶顯示器進(jìn)行顯示。每當(dāng)電阻爐從一個(gè)狀態(tài)轉(zhuǎn)入另一個(gè)狀態(tài)，CPU通過DS12887把時(shí)間清零，重新開始計(jì)時(shí)。此外，通過DS12887，還可以設(shè)定電阻爐的加熱時(shí)間和恒溫時(shí)間。電路如圖3中所示。
