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摘　要：文中介紹了以單片機AT89C52作為核心元件構成的工業電阻爐溫度控制系統的工作原理，詳細說明了采用的新型元件，分析了系統硬件結構，Z后給出了系統流程圖。
關鍵詞：單片機；　工業電阻爐；　溫度測量；　控制系統

１　引言

工業電阻爐在化工、冶金等行業應用廣泛，因此溫度控制在工業生產和科學研究中具有重要意義。其控制系統屬于一階純滯后環節，具有大慣性、純滯后、非線性等特點，導致傳統控制方式超調大、調節時間長、控制**度低。采用單片機進行爐溫控制，具有電路設計簡單、**度高、控制效果好等優點，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的主要技術指標有：溫控范圍：300℃～1000℃；恒溫時間：０～24小時；控制**度：±１℃；超調量<1%。

２　整體設計及系統原理

本系統由單片機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。系統中采用了新型元件，功能強、**度高、硬件電路簡單。其硬件原理圖如圖１所示。

圖1 硬件原理圖

在系統中，利用熱電偶測得工業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，Z終要將其轉換成數字信號與CPU通信。傳統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，轉換環節多、電路復雜、**度低。在本系統中，采用的是高**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、**度高、成本低。

MAX6675是MAXIM公司開發的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。

工業電阻爐溫度控制系統設計

表１ MAX6675的引腳功能圖

圖２為本系統中溫度檢測電路。

工業電阻爐溫度控制系統設計

圖２ 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，Z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。每當工業電阻爐從一個狀態轉入另一個狀態，CPU通過DS12887把時間清零，重新開始計時。此外，通過DS12887，還可以設定工業電阻爐的加熱時間和恒溫時間。電路如圖3中所示。

工業電阻爐溫度控制系統設計

圖3 鍵盤、時鐘、報警和控溫電路

３.３鍵盤顯示和報警電路

本系統采用3*3鍵盤，由單片機I/O口控制，可通過按鍵設定溫度和時間，有的按鍵在不同情況下可以實現不同功能。顯示器選用點陣字符型液晶顯示器TC1602，系統中將擴展芯片8155的P0 口、PC.0～PC.2口與TC1602接口相連，TC1602的顯示形式是16*2行,可顯示爐溫、設定時間、實際時間等。報警電路是將單片機的I/O口與驅動芯片MC1413相連，通過MC1413驅動蜂鳴器。鍵盤電路和時鐘電路如圖3中所示。

３.4控溫電路

控溫電路包括驅動芯片MC1413、過零型交流固態繼電器（Z型SSR）。報警和控溫電路如圖3中所示。

Z型SSR內部含有過零檢測電路，當加入控制信號，且負載電源電壓過零時，SSR才能導通；而控制信號斷開后，SSR在交流電正負半周交界點處斷開。也就是說，當Z型SSR在1秒內為全導通狀態時，其被觸發頻率為100HZ；當Z型SSR在1秒內導通時間為0.5秒時，其被觸發頻率為50HZ。在本系統中，采用PID控制算法，通過改變Z型SSR在單位時間內的導通時間達到改變工業電阻爐的加熱功率、調節爐內溫度的目的。

4 軟件設計

在系統軟件中，主程序完成系統初始化和電爐絲的導通和關斷；爐溫測定、鍵盤輸入、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4所示。

工業電阻爐溫度控制系統設計

圖4 控制系統程序流程圖

5 結語

該系統采用了K型熱電偶信號處理集成芯片MAX6675，改變了傳統測溫電路電路復雜、程序復雜、**度低等問題；采用時鐘芯片可以對時間準確計時；采用先進PID控制算法控制 、**度高、超調小；整個設計電路簡單、設定功能多、操作簡單。經反復實驗證明：其工作穩定性強、**度高、實用性強、控制效果好、應用前景廣。

本文作者創新點：改變了傳統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，采用的是高**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，接線簡單，**度高；采用時鐘芯片便于**確計時，減小單片機的負擔；采用先進PID控制算法控制，控制效果好，超調小。

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