基于K型熱電偶的電阻爐溫控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

0引言
　　在化工、電力、冶金等工業(yè)中，電阻爐應(yīng)用極為廣泛,電阻爐溫控系統(tǒng)是其核心"。電阻爐溫度控制系統(tǒng)是一種典型的一階環(huán)節(jié),具有純滯后、大慣性、非線性等特點(diǎn)。對(duì)于電阻爐,如采用傳統(tǒng)的溫度調(diào)節(jié)方式控制溫度,則調(diào)節(jié)時(shí)間長、超調(diào)大、精度低2]。單片機(jī)以其靈活性強(qiáng)、可靠性高、控制簡單等一系列優(yōu)點(diǎn),已在工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)、智能化檢測及儀器儀表等諸多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。采用單片機(jī)進(jìn)行爐溫控制,可以提高控制質(zhì)量和自動(dòng)化程度,同時(shí)具有精度高、易控制調(diào)節(jié)、電路簡單等優(yōu)點(diǎn)中。本文采用K型熱電偶作為溫度采集模塊,以單片機(jī)STC89C52作為控制核心，設(shè)計(jì)了一種溫度控制系統(tǒng),其溫控范圍為300℃~1300℃;控制精度可達(dá)±0.5C,超調(diào)量<1%;恒溫時(shí)間24小時(shí)。
1MAX6675芯片
　　熱電偶是一種典型的自發(fā)電型傳感器，工作時(shí)不需要外加電源、使用方便、結(jié)構(gòu)簡單4。本系統(tǒng)采用的K型(鎳鉻-鎳硅)熱電偶,其線性度好、測溫范圍寬且價(jià)格低廉。K型熱電偶輸出一般非常微弱,一-般只有毫伏級(jí),需放大處理后,再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)單片機(jī)系統(tǒng)才能識(shí)別。MAX6675是一種內(nèi)部帶有斷線檢測、線性校正、冷端補(bǔ)償?shù)拇蠯型熱電偶A/D轉(zhuǎn)換芯片。MAX6675的特點(diǎn):(1)冷端補(bǔ)償電路的范圍是-20℃~80℃;(2)帶有3位串行接口;(3)溫度分辨率達(dá)0.25℃;(4)內(nèi)置熱電偶斷線檢測電路5。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2系統(tǒng)及硬件電路設(shè)計(jì)
　　系統(tǒng)硬件原理如圖2所示，其由單片機(jī)STC89C52模塊、溫度采集模塊路、按鍵、報(bào)警和顯示模塊、時(shí)鐘模塊、溫控模塊等部分組成。在系統(tǒng)中，熱電偶將電阻爐實(shí)際溫度轉(zhuǎn)換成微弱的電信號(hào),該電信號(hào)放大后經(jīng)MAX6675芯片換成與爐溫相對(duì)應(yīng)的數(shù)字信號(hào)送人單片機(jī)STC89C52,單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后,最終送液晶顯示溫度值并判斷是否報(bào)警，同時(shí)將該溫度值與設(shè)定溫度比較,根據(jù)軟件設(shè)定的PID算法計(jì)算出控制量,再由控制固態(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(duì)爐溫的控制。系統(tǒng)中的時(shí)鐘電路可準(zhǔn)確計(jì)時(shí),同時(shí)可根據(jù)系統(tǒng)要求進(jìn)行自由設(shè)置電阻爐溫度值。

2.1單片機(jī)控制模塊
　　系統(tǒng)控制核心采用單片機(jī)STC89C52,電路如圖3所示,其由STC89C52芯片、復(fù)位電路和晶振電路組成。系統(tǒng)時(shí)鐘采用了內(nèi)部時(shí)鐘方式,在單片機(jī)的XTAL1和XTAL2口外接12MHz石英晶振,在單片機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生12MHz時(shí)鐘脈沖信號(hào)，圖中電容器C1和C2起穩(wěn)定頻率和快速起振作用，典型值是[6]22pF。復(fù)位電路采用按鍵復(fù)位,由10k電阻按、10μF電容和開關(guān)S構(gòu)成,按下按鍵S,系統(tǒng)自動(dòng)復(fù)位。

2.2溫度檢測模塊
　　圖4為溫度采集電路,其主要由K型熱電偶和芯片MAX6675構(gòu)成。MAX6675芯片的SCK端接單片機(jī)STC89C52的P3.0口、CS端接P3.1口、SO端接P3.2口。工作原理:當(dāng)單片機(jī)STC89C52的P3.0口產(chǎn)生脈沖且P3.1=0時(shí)，MAX6675的so端輸出轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)到單片機(jī)STC89C52,在P3.0口連續(xù)16個(gè)脈沖,可完成一個(gè)數(shù)據(jù)輸出,溫度數(shù)據(jù)由高位D15到低位DO串行依次輸出,當(dāng)P3.1=1時(shí)，MAX6675停止轉(zhuǎn)換。在使用MAX6675時(shí)，MAX6675的T-端需接模擬地,另外注意將其放置在遠(yuǎn)離電源的地方，以降低電源噪聲對(duì)其的影響[7]

2.3時(shí)鐘模塊
　　因?yàn)殡娮锠t隨時(shí)間變化,爐溫隨著變化,系統(tǒng)需鐘芯片來記錄在不同溫度值對(duì)應(yīng)的時(shí)間。這里對(duì)時(shí)鐘芯片的要求:功耗低、使用簡單。系統(tǒng)采用了DS1302時(shí)鐘芯片,其廣泛應(yīng)用于便攜式儀器儀表、傳真、電話器等領(lǐng)域7]。由DS1302芯片時(shí)鐘電路如圖5所示。其外接32MHz晶振，通信時(shí)僅需要3個(gè)端口:SCLK(串行時(shí)鐘),I/0數(shù)據(jù)線和RES(復(fù)位)。通過定時(shí)器中斷,STC89C52每隔0.4秒讀--次DS1302的內(nèi)部時(shí)標(biāo)寄存器,得到實(shí)時(shí)時(shí)間,并送到液晶顯示。當(dāng)電阻爐從一個(gè)狀態(tài)轉(zhuǎn)入另一個(gè)狀態(tài)，STC89C52通過DS1302把時(shí)間清零,重新開始計(jì)時(shí)。另外通過DS1302,可自由設(shè)定電阻爐的恒溫時(shí)間和加熱時(shí)間。

2.4鍵盤、顯示和報(bào)警模塊
　　系統(tǒng)鍵盤、報(bào)警和顯示模塊如圖6所示，鍵盤其采用3×3鍵盤,由單片機(jī)STC89C52的P1口控制，行線對(duì)應(yīng)的接口為單片機(jī)的P1.0-P1.2,列線對(duì)應(yīng)的接口為P1.3-P1.5。系統(tǒng)通過按鍵設(shè)定時(shí)間和溫度值。顯示器采用點(diǎn)陣字符型液晶顯示器LCD1602,單片機(jī)STC89C52的PO口接其數(shù)據(jù)端口，P2.5、P2.5、P2.5口接液晶控制端口,用于實(shí)現(xiàn)LCD1602片選、復(fù)位、讀寫等功能,LCD1602的顯示形式是16x2行,可設(shè)定時(shí)間、顯示時(shí)間及爐溫等。報(bào)警電路是將單片機(jī)STC89C52的P2.0口與驅(qū)動(dòng)，當(dāng)單片機(jī)P2.0輸出高電平時(shí),三極管導(dǎo)通，蜂鳴器工作發(fā)出報(bào)警聲,P2.0為低電平時(shí)三極管關(guān)斷,蜂鳴器不工作。

2.5加熱控制電路的設(shè)計(jì)
　　系統(tǒng)加熱控制電路采用Z型SSR固態(tài)繼電器，電爐絲的通斷通過SSR-40DA固態(tài)繼電器控制。SSR一40DA的使用非常簡單，通過單片機(jī)STC89C52的P2.0口在SSR-40DA控制端加電平信號(hào),即可實(shí)現(xiàn)對(duì)繼電器的開關(guān)控制。系統(tǒng)采用電壓跟隨器來驅(qū)動(dòng)SSR-40DA固態(tài)繼電器”。當(dāng)STC89C52的P2.0=1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)P2.1=0時(shí),固態(tài)繼電器關(guān)斷，加熱器不工作?？刂齐娐啡鐖D7所示。在系統(tǒng)中，采用了PID控制算法,用在閉環(huán)控制系統(tǒng)中對(duì)被控對(duì)象實(shí)施控制,被控對(duì)象為電阻爐，通過改變Z型固態(tài)繼電器SSR的導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間,來達(dá)到改變電阻爐的加熱功率、調(diào)節(jié)爐內(nèi)溫度的目的。

3軟件設(shè)計(jì)
　　在系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)中,采用C語言、匯編語言相結(jié)合混合編程。主程序完成系統(tǒng)初始化和電爐絲的導(dǎo)通和關(guān)斷,爐溫測定、鍵盤輸人、時(shí)間確定和顯示、控制算法等都由子程序來完成,用中斷服務(wù)程序?qū)崿F(xiàn)定時(shí)測溫和讀取時(shí)間。主程序流程如圖8所示。

4結(jié)束語
　　系統(tǒng)采用了K型熱電偶及芯片MAX6675作為溫度采集模塊,使得測溫系統(tǒng)硬件電路大大簡化,提高了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。采用STC89C52單片機(jī)芯片,不僅使得整個(gè)系統(tǒng)操作簡便、容易控制,而且明顯提高的測量和控制精度。經(jīng)反復(fù)實(shí)驗(yàn)證明:系統(tǒng)控制精度達(dá)到0.5℃,溫控范圍為300℃~1300℃,超調(diào)量<1%,且性能穩(wěn)定、可靠性高、操作簡便。