課程設(shè)計(jì)---基于單片機(jī)的電阻爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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

2、 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .2</p><p>　　2 硬件設(shè)計(jì). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3</p><p>　　2.1溫度檢測(cè)電路. . . . . . . . . . . . .

3、. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3</p><p>　　2.2鍵盤(pán)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(huì). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .8</p><p>　　參考文獻(xiàn). . . . . . . . . . . .

5、 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .9</p><p>　　基于單片機(jī)的電阻爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)</p><p><b>　　概述</b></p><p>　　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

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(xiàn)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(zhǎng)、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(jiǎn)單、精度高、控制效果好等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)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。此次課程設(shè)計(jì)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%。</p><p>　　1 整體設(shè)計(jì)及系統(tǒng)原

7、理</p><p>　　本系統(tǒng)由單片機(jī)AT89C51、溫度檢測(cè)電路、鍵盤(pán)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(qiáng)、精度高、硬件電路簡(jiǎn)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(cè)得電阻爐實(shí)際溫度并轉(zhuǎn)換成毫伏級(jí)電壓信號(hào)。該電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)溫度檢測(cè)電路轉(zhuǎn)換成與爐溫相對(duì)應(yīng)的數(shù)字信號(hào)進(jìn)入單片機(jī)，單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后，通過(guò)液晶顯示器顯示溫度，同時(shí)將溫

8、度與設(shè)定溫度比較，根據(jù)設(shè)定計(jì)算出控制量，根據(jù)控制量通過(guò)控制繼電器的導(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(duì)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(dǎo)通和關(guān)斷；爐溫測(cè)定、鍵盤(pán)輸入

9、、時(shí)間確定和顯示、控制算法等都由子程序來(lái)完成；中斷服務(wù)程序?qū)崿F(xiàn)定時(shí)測(cè)溫和讀取時(shí)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(shè)計(jì)</b></p><p>　　2.1 溫度檢測(cè)電路</p><p>　　本系統(tǒng)采用的K型（鎳鉻－鎳硅

10、）熱電偶，其可測(cè)量1312℃以?xún)?nèi)的溫度，其線(xiàn)性度較好，而且價(jià)格便宜。K型熱電偶的輸出是毫伏級(jí)電壓信號(hào)，最終要將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)與CPU通信。傳統(tǒng)的溫度檢測(cè)電路采用“傳感器－濾波器－放大器－冷端補(bǔ)償－線(xiàn)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(lái)完成“熱電偶電勢(shì)－溫度”的轉(zhuǎn)換，不需外圍電路、I/O接線(xiàn)簡(jiǎn)單、精度高、成本低。</p><p>　　MAX

11、6675是MAXIM公司開(kāi)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(xiàn)檢測(cè)電路，自帶冷端補(bǔ)償，能將K型熱電偶輸出的電勢(shì)直接轉(zhuǎn)換成12位數(shù)字量，分辨率0.25℃，工作電壓為3.0～5.5V。溫度數(shù)據(jù)通過(guò)SPI端口輸出給單片機(jī),其冷端補(bǔ)償?shù)姆秶?20～80℃,測(cè)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(dāng)MAX6675的

12、CS引腳從高電平變?yōu)榈碗娖綍r(shí), MAX6675 將停止任何信號(hào)的轉(zhuǎn)換并在時(shí)鐘SCK的作用下向外輸出已轉(zhuǎn)化的數(shù)據(jù)。相反,當(dāng)CS從低電平變回高電平時(shí), MAX6675將進(jìn)行新的轉(zhuǎn)換。在CS 引腳從高電平變?yōu)榈碗娖綍r(shí), 第一個(gè)字節(jié)D15 將出現(xiàn)在引腳SO。一個(gè)完整的數(shù)據(jù)讀過(guò)程需要16個(gè)時(shí)鐘周期,數(shù)據(jù)的讀取通常在SCK的下降沿進(jìn)行。</p><p>　　MAX6675的輸出數(shù)據(jù)為16位,其中D15 始終無(wú)用, D14～D

13、3對(duì)應(yīng)于熱電偶模擬輸入電壓的數(shù)字轉(zhuǎn)換量, D2用于檢測(cè)熱電偶是否斷線(xiàn)(D2為1表明熱電偶斷開(kāi)) , D1 為MAX6675 的標(biāo)識(shí)符, D0 為三態(tài)。需要指出的是:在以往的熱電偶電路設(shè)計(jì)中,往往需要專(zhuān)門(mén)的斷線(xiàn)檢測(cè)電路, 而MAX6675 已將斷線(xiàn)檢測(cè)電路集成于片內(nèi),從而簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)。D14～D3 為12 位數(shù)據(jù),其最小值為0 ,對(duì)應(yīng)的溫度值為0 ℃; 最大值為4095 , 對(duì)應(yīng)的溫度值為1023.75 ℃; 由于MAX6675 內(nèi)部經(jīng)

14、過(guò)了激光修正, 因此, 其轉(zhuǎn)換結(jié)果與對(duì)應(yīng)溫度值具有較好的線(xiàn)性關(guān)系。溫度值與數(shù)字量的對(duì)應(yīng)關(guān)系為:</p><p>　　溫度值= 1023.75 ×轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量/ 4095。</p><p>　　由于MAX6675 的數(shù)據(jù)輸出為3 位串行接口, 因此只需占用微處理器的3 個(gè)I/ O 口。圖2 是以89C51系列單片機(jī)為例給出的系統(tǒng)連接圖。使用時(shí), 可用軟件模擬同步串行讀取過(guò)程。圖中

15、串行外界時(shí)鐘由微處理器的P1.3 提供,片選信號(hào)由P1.2 提供,轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)由P1. 1 讀取。熱電偶的模擬信號(hào)由T+ 和T-端輸入,其中T- 需接地。MAX6675 的轉(zhuǎn)換結(jié)果將在SCK的控制下連續(xù)輸出。</p><p>　　圖3 溫度檢測(cè)電路</p><p>　　2.2鍵盤(pán)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(jī)P0.0—P0.5

16、口。它由9個(gè)按鍵構(gòu)成，直接與單片機(jī)I/O口相連。當(dāng)按鍵閉合時(shí)，單片機(jī)的P0.0—P0.2口的高電轉(zhuǎn)移到P0.3—P0.5口。</p><p>　　當(dāng)用于溫度調(diào)節(jié)時(shí)，開(kāi)關(guān)分別用于調(diào)整溫度的上下限值，以及控制溫度的輸出。另外，設(shè)定1鍵用于顯示采集的溫度，第二次按下則進(jìn)行溫度的上限調(diào)整，第三次按下進(jìn)行溫度的下限調(diào)整，第四次按下則進(jìn)行采集溫度的顯示構(gòu)成循環(huán)。選擇2鍵進(jìn)行移位調(diào)整，第一次顯示個(gè)位，第二次顯示十位。3鍵用于增

17、加一個(gè)數(shù)，按下一次在原基礎(chǔ)之上加1，這個(gè)值在0-9-0之間變化。4鍵用于減少一個(gè)數(shù)，按下一次在原基礎(chǔ)之上減1，這個(gè)值在9-0-9之間變化。</p><p>　　圖4 鍵盤(pán)接口電路</p><p>　　顯示電路采用3位共陽(yáng)LED動(dòng)態(tài)顯示方式,選用7段顯示數(shù)碼管7SEG-COM-ANODE。顯示內(nèi)容有溫度值的十位、個(gè)位及小數(shù)點(diǎn)后一位。用P2口作為段控碼輸出，并用74LS244作驅(qū)動(dòng)。P1.4

18、—P1.6作為位控碼輸出，用PNP型三極管做驅(qū)動(dòng)。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(duì)被控對(duì)象實(shí)施控制，被控對(duì)象為電熱杯，采用對(duì)加在電熱杯兩端的電壓進(jìn)行通斷的方法進(jìn)行控制，以實(shí)現(xiàn)對(duì)水加熱功率的調(diào)整，從而達(dá)到對(duì)水溫控制的目的

19、。對(duì)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(jiǎn)單，只要在控制端TTL電平，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)繼電器的開(kāi)關(guān)，使用時(shí)完全可以用 NPN型三極管接成電壓跟隨器的形式驅(qū)動(dòng)。當(dāng)單片機(jī)的P1.7為高電平時(shí)，三極管驅(qū)動(dòng)固態(tài)繼電器工作接通加熱器工作，當(dāng)單片機(jī)的P1.7為低電平時(shí)固態(tài)繼電器關(guān)斷，加熱器不工作。控制電路圖如下圖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(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)，具有工作安全可靠、壽命長(zhǎng)、無(wú)觸點(diǎn)、無(wú)火花、無(wú)污染、高絕緣、高耐壓（越過(guò)2.5kv）、低觸發(fā)電流、開(kāi)關(guān)速度快、可與數(shù)字電路巨配，以阻燃型環(huán)氧樹(shù)脂為原料，采用灌封技術(shù)，使與外界隔離，具有良好的耐壓、防潮、防腐、抗震動(dòng)等性能。 固態(tài)繼電器內(nèi)部采用電壓過(guò)零時(shí)開(kāi)啟，負(fù)載過(guò)零時(shí)關(guān)斷的特性，在負(fù)載上可以得到一個(gè)完整的正弦波形。因此電路的射頻干擾很小，可降低感性負(fù)載（如風(fēng)扇、三相電動(dòng)機(jī)等

21、）的反電動(dòng)勢(shì)以及驅(qū)動(dòng)阻性負(fù)載（如白熾燈、發(fā)熱絲等）時(shí)可顯著降低浪涌電流等優(yōu)點(diǎn),其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖7:</p><p>　　圖7 SSR-40DA內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖</p><p><b>　　3 心得體會(huì)</b></p><p>　　天很熱，借著課設(shè)的機(jī)會(huì)宅在寢室倒也還涼快。從拿到課設(shè)題目到完成這次課設(shè)也只不過(guò)一個(gè)星期的多一點(diǎn)的時(shí)間，雖然對(duì)單片機(jī)只有粗略

22、的認(rèn)識(shí)，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(wǎng)上借鑒的資料，加以簡(jiǎn)單的自學(xué)，做題的思路還是蠻清晰的呈現(xiàn)出來(lái)了。</p><p>　　這次的題目是有關(guān)電阻爐的溫度控制。電阻爐在我們的日常生活，工業(yè)生產(chǎn)當(dāng)中有著相當(dāng)廣泛的應(yīng)用，所以說(shuō)這次做的課設(shè)題目具有很強(qiáng)的實(shí)際意義，這讓我感到蠻欣慰的。通過(guò)查閱相關(guān)的書(shū)本，同時(shí)借助網(wǎng)絡(luò)的資料，通過(guò)嚴(yán)格的刪選及考慮實(shí)際的應(yīng)用效果，我知道了選擇MAX66

23、75芯片做測(cè)溫點(diǎn)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(shí)現(xiàn)并且能夠?qū)崿F(xiàn)較理想的效果。最后將幾個(gè)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(guò)程序的調(diào)試顯示可以較好地完成既定的要求，整個(gè)電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、思路清晰、效果顯著。</p><p>　　整個(gè)課設(shè)的過(guò)程經(jīng)歷的時(shí)間雖然不是很長(zhǎng)，但是當(dāng)我真正去投入創(chuàng)作的時(shí)候，感覺(jué)到很充實(shí)，很滿(mǎn)足。重要的是，通

24、過(guò)這次課設(shè)所學(xué)到的知識(shí)，不僅是對(duì)理論的一次充實(shí)，還是對(duì)自己整個(gè)知識(shí)面的一次審視。這短短一個(gè)星期時(shí)間的經(jīng)驗(yàn)，將會(huì)潛移默化的對(duì)以后的學(xué)習(xí)生活，甚至在工作中有深遠(yuǎn)的指導(dǎo)意義。另外，個(gè)人的能力畢竟是有限的，非常感謝同學(xué)及老師對(duì)我的建議和幫助。網(wǎng)絡(luò)也是一個(gè)相當(dāng)有用的平臺(tái)，有效合理地利用網(wǎng)絡(luò)資源將是對(duì)自己的又一個(gè)極大的幫助。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p

25、>　　[1]于海生. 計(jì)算機(jī)控制技術(shù)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2007.</p><p>　　[2]賴(lài)壽宏. 微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2004.</p><p>　　[3]熊靜琪. 計(jì)算機(jī)控制技術(shù)[M]. 北京：電子工業(yè)出版社,2003.</p><p>　　[4]王福瑞. 單片微機(jī)測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)大全. 北京：北京航空航天大學(xué)出版