課程設計---基于單片機的電阻爐溫度控制系統(tǒng)設計

1、<p><b>　　目 錄</b></p><p>　　概述. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .2</p><p>　　1 整體設計及系統(tǒng)原理. . . . . . . . . . . . . . . .

2、 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .2</p><p>　　2 硬件設計. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3</p><p>　　2.1溫度檢測電路. . . . . . . . . . . . .

3、. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3</p><p>　　2.2鍵盤控制和顯示電路. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .5</p><p>　　2.3加熱控制電路. . . . . . . . . . . . . .

4、 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .6</p><p>　　3 心得體會. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .8</p><p>　　參考文獻. . . . . . . . . . . .

5、 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .9</p><p>　　基于單片機的電阻爐溫度控制系統(tǒng)設計</p><p><b>　　概述</b></p><p>　　電阻爐在化工、冶金等行業(yè)應用廣泛，因此溫度控制在工業(yè)生產和科學研究中具有重要意義。其控制

6、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，導致傳統(tǒng)控制方式超調大、調節(jié)時間長、控制精度低。采用單片機進行爐溫控制，具有電路設計簡單、精度高、控制效果好等優(yōu)點，對提高生產效率、促進科技進步等方面具有重要的現實意義。此次課程設計溫度控制系統(tǒng)的主要技術指標有：溫控范圍：300℃～1000℃；恒溫時間：0～24小時；控制精度：±1℃；超調量<1%。</p><p>　　1 整體設計及系統(tǒng)原

7、理</p><p>　　本系統(tǒng)由單片機AT89C51、溫度檢測電路、鍵盤顯示、顯示電路、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、精度高、硬件電路簡單。其硬件原理圖如圖1所示。</p><p>　　在系統(tǒng)中，利用熱電偶測得電阻爐實際溫度并轉換成毫伏級電壓信號。該電壓信號經過溫度檢測電路轉換成與爐溫相對應的數字信號進入單片機，單片機進行數據處理后，通過液晶顯示器顯示溫度，同時將溫

8、度與設定溫度比較，根據設定計算出控制量，根據控制量通過控制繼電器的導通和關閉從而控制電阻絲的導通時間，以實現對爐溫的控制。</p><p><b>　　圖1 硬件原理圖</b></p><p><b>　　程序流程圖</b></p><p>　　在系統(tǒng)軟件中，主程序完成系統(tǒng)初始化和電爐絲的導通和關斷；爐溫測定、鍵盤輸入

9、、時間確定和顯示、控制算法等都由子程序來完成；中斷服務程序實現定時測溫和讀取時間。流程圖如圖2所示。</p><p><b>　　圖2 總體流程圖</b></p><p><b>　　2 硬件設計</b></p><p>　　2.1 溫度檢測電路</p><p>　　本系統(tǒng)采用的K型（鎳鉻－鎳硅

10、）熱電偶，其可測量1312℃以內的溫度，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，最終要將其轉換成數字信號與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轉換”模式，轉換環(huán)節(jié)多、電路復雜、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”的轉換，不需外圍電路、I/O接線簡單、精度高、成本低。</p><p>　　MAX

11、6675是MAXIM公司開發(fā)的K型熱電偶轉換器，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換成12位數字量，分辨率0.25℃，工作電壓為3.0～5.5V。溫度數據通過SPI端口輸出給單片機,其冷端補償的范圍是-20～80℃,測量范圍是0～1023.75℃。表1為MAX6675的引腳功能圖:表1 MAX6675的引腳功能圖</p><p>　　當MAX6675的

12、CS引腳從高電平變?yōu)榈碗娖綍r, MAX6675 將停止任何信號的轉換并在時鐘SCK的作用下向外輸出已轉化的數據。相反,當CS從低電平變回高電平時, MAX6675將進行新的轉換。在CS 引腳從高電平變?yōu)榈碗娖綍r, 第一個字節(jié)D15 將出現在引腳SO。一個完整的數據讀過程需要16個時鐘周期,數據的讀取通常在SCK的下降沿進行。</p><p>　　MAX6675的輸出數據為16位,其中D15 始終無用, D14～D

13、3對應于熱電偶模擬輸入電壓的數字轉換量, 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 的標識符, D0 為三態(tài)。需要指出的是:在以往的熱電偶電路設計中,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,從而簡化了電路設計。D14～D3 為12 位數據,其最小值為0 ,對應的溫度值為0 ℃; 最大值為4095 , 對應的溫度值為1023.75 ℃; 由于MAX6675 內部經

14、過了激光修正, 因此, 其轉換結果與對應溫度值具有較好的線性關系。溫度值與數字量的對應關系為:</p><p>　　溫度值= 1023.75 ×轉換后的數字量/ 4095。</p><p>　　由于MAX6675 的數據輸出為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行讀取過程。圖中

15、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,轉換數據由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 的轉換結果將在SCK的控制下連續(xù)輸出。</p><p>　　圖3 溫度檢測電路</p><p>　　2.2鍵盤控制和顯示電路</p><p>　　按鍵控制電路如圖所示，分別接在單片機P0.0—P0.5

16、口。它由9個按鍵構成，直接與單片機I/O口相連。當按鍵閉合時，單片機的P0.0—P0.2口的高電轉移到P0.3—P0.5口。</p><p>　　當用于溫度調節(jié)時，開關分別用于調整溫度的上下限值，以及控制溫度的輸出。另外，設定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整，第三次按下進行溫度的下限調整，第四次按下則進行采集溫度的顯示構成循環(huán)。選擇2鍵進行移位調整，第一次顯示個位，第二次顯示十位。3鍵用于增

17、加一個數，按下一次在原基礎之上加1，這個值在0-9-0之間變化。4鍵用于減少一個數，按下一次在原基礎之上減1，這個值在9-0-9之間變化。</p><p>　　圖4 鍵盤接口電路</p><p>　　顯示電路采用3位共陽LED動態(tài)顯示方式,選用7段顯示數碼管7SEG-COM-ANODE。顯示內容有溫度值的十位、個位及小數點后一位。用P2口作為段控碼輸出，并用74LS244作驅動。P1.4

18、—P1.6作為位控碼輸出，用PNP型三極管做驅動。模塊電路如下圖5：</p><p>　　圖5 顯示接口電路</p><p><b>　　2.3加熱控制電路</b></p><p>　　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，以實現對水加熱功率的調整，從而達到對水溫控制的目的

19、。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，即可實現對繼電器的開關，使用時完全可以用 NPN型三極管接成電壓跟隨器的形式驅動。當單片機的P1.7為高電平時，三極管驅動固態(tài)繼電器工作接通加熱器工作，當單片機的P1.7為低電平時固態(tài)繼電器關斷，加熱器不工作?？刂齐娐穲D如下圖6：</p><p>　　圖6 電阻爐的溫度控制圖</p><p>　

20、　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，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、開關速度快、可與數字電路巨配，以阻燃型環(huán)氧樹脂為原料，采用灌封技術，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)繼電器內部采用電壓過零時開啟，負載過零時關斷的特性，在負載上可以得到一個完整的正弦波形。因此電路的射頻干擾很小，可降低感性負載（如風扇、三相電動機等

21、）的反電動勢以及驅動阻性負載（如白熾燈、發(fā)熱絲等）時可顯著降低浪涌電流等優(yōu)點,其內部結構如圖7:</p><p>　　圖7 SSR-40DA內部結構圖</p><p><b>　　3 心得體會</b></p><p>　　天很熱，借著課設的機會宅在寢室倒也還涼快。從拿到課設題目到完成這次課設也只不過一個星期的多一點的時間，雖然對單片機只有粗略

22、的認識，很多程序還有原理圖都不是很透徹的理解，但是，借著世界杯的激情，再借助從網上借鑒的資料，加以簡單的自學，做題的思路還是蠻清晰的呈現出來了。</p><p>　　這次的題目是有關電阻爐的溫度控制。電阻爐在我們的日常生活，工業(yè)生產當中有著相當廣泛的應用，所以說這次做的課設題目具有很強的實際意義，這讓我感到蠻欣慰的。通過查閱相關的書本，同時借助網絡的資料，通過嚴格的刪選及考慮實際的應用效果，我知道了選擇MAX66

23、75芯片做測溫點路，89C51做處理芯片，SSR-40DA做繼電器控制加熱電路是很好的思路，也是比較容易實現并且能夠實現較理想的效果。最后將幾個部分加以整合及優(yōu)化，以及必要的改造，就完成了最后的電路。最后的成果通過程序的調試顯示可以較好地完成既定的要求，整個電路結構簡單、思路清晰、效果顯著。</p><p>　　整個課設的過程經歷的時間雖然不是很長，但是當我真正去投入創(chuàng)作的時候，感覺到很充實，很滿足。重要的是，通

24、過這次課設所學到的知識，不僅是對理論的一次充實，還是對自己整個知識面的一次審視。這短短一個星期時間的經驗，將會潛移默化的對以后的學習生活，甚至在工作中有深遠的指導意義。另外，個人的能力畢竟是有限的，非常感謝同學及老師對我的建議和幫助。網絡也是一個相當有用的平臺，有效合理地利用網絡資源將是對自己的又一個極大的幫助。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p

25、>　　[1]于海生. 計算機控制技術[M]. 北京：機械工業(yè)出版社,2007.</p><p>　　[2]賴壽宏. 微型計算機控制技術[M]. 北京：機械工業(yè)出版社,2004.</p><p>　　[3]熊靜琪. 計算機控制技術[M]. 北京：電子工業(yè)出版社,2003.</p><p>　　[4]王福瑞. 單片微機測控系統(tǒng)設計大全. 北京：北京航空航天大學出版