Resistance Furnace Temperature Control System Based on Single-chip Computer
摘 要：文中介紹了以單片機AT89C52作為核心元件構成的電阻爐溫度控制系統(tǒng)的工作原理，詳細說明了采用的新型元件，分析了系統(tǒng)硬件結構，最后給出了系統(tǒng)流程圖。
關鍵詞：單片機； 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。本文介紹的溫度控制系統(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%。
２ 整體設計及系統(tǒng)原理
本系統(tǒng)由單片機AT89C52、溫度檢測電路、鍵盤顯示及報警電路、時鐘電路、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、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并判斷是否報警，同時將溫度與設定溫度比較，根據設定的PID算法計算出控制量，根據控制量通過控制固態(tài)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。該系統(tǒng)中的時鐘電路可以根據要求進行準確計時。
３ 硬件設計
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。
MAX6675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℃。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。
圖２為本系統(tǒng)中溫度檢測電路。
當P2.5為低電平且P2.４口產生時鐘脈沖時，MAX6675的SO腳輸出轉換數據。在每一個脈沖信號的下降沿輸出一個數據，16個脈沖信號完成一串完整的數據輸出，先輸出高電位D15，最后輸出的是低電位D0，D14-D3為相應的溫度轉換數據。當P2.5為高電平時，MAX6675開始進行新的溫度轉換。在應用MAX6675時，應該注意將其布置在遠離其它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，不要和數字地混淆而影響芯片讀數的準確性。
３.2時鐘電路
在系統(tǒng)中需要準確顯示升溫時間、恒溫時間等，因而選用了時鐘芯片DS12887構成定時電路來完成對時間的準確計時。DS12887具有時鐘、鬧鐘、12/24小時選擇和閏年自動補償功能；包含有10Ｂ的時鐘控制寄存器、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；報警中斷、周期性中斷、時鐘更新中斷可由軟件屏蔽或測試。使用時不需任何外圍電路，并具有良好的外圍接口。在本系統(tǒng)中，DS12887的地址／數據復用總線與單片機的P0口相連。通過定時器中斷，CPU每隔0.4秒讀一次DS12887的內部時標寄存器，得到當前的時間，并送到液晶顯示器進行顯示。每當電阻爐從一個狀態(tài)轉入另一個狀態(tài)，CPU通過DS12887把時間清零，重新開始計時。此外，通過DS12887，還可以設定電阻爐的加熱時間和恒溫時間。電路如圖3中所示。
