基于K型熱電偶的電阻爐溫控系統設計

0引言
　　在化工、電力、冶金等工業(yè)中，電阻爐應用極為廣泛,電阻爐溫控系統是其核心"。電阻爐溫度控制系統是一種典型的一階環(huán)節,具有純滯后、大慣性、非線(xiàn)性等特點(diǎn)。對于電阻爐,如采用傳統的溫度調節方式控制溫度,則調節時(shí)間長(cháng)、超調大、精度低2]。單片機以其靈活性強、可靠性高、控制簡(jiǎn)單等一系列優(yōu)點(diǎn),已在工業(yè)自動(dòng)化系統、智能化檢測及儀器儀表等諸多領(lǐng)域得到廣泛應用。采用單片機進(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、易控制調節、電路簡(jiǎn)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STC89C52作為控制核心，設計了一種溫度控制系統,其溫控范圍為300℃~1300℃;控制精度可達±0.5C,超調量<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、結構簡(jiǎn)單4。本系統采用的K型(鎳鉻-鎳硅)熱電偶,其線(xiàn)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,需放大處理后,再經(jīng)A/D轉換成數字信號單片機系統才能識別。MAX6675是一種內部帶有斷線(xiàn)檢測、線(xiàn)性校正、冷端補償的串行K型熱電偶A/D轉換芯片。MAX6675的特點(diǎn):(1)冷端補償電路的范圍是-20℃~80℃;(2)帶有3位串行接口;(3)溫度分辨率達0.25℃;(4)內置熱電偶斷線(xiàn)檢測電路5。其內部結構如圖1所示。

2系統及硬件電路設計
　　系統硬件原理如圖2所示，其由單片機STC89C52模塊、溫度采集模塊路、按鍵、報警和顯示模塊、時(shí)鐘模塊、溫控模塊等部分組成。在系統中，熱電偶將電阻爐實(shí)際溫度轉換成微弱的電信號,該電信號放大后經(jīng)MAX6675芯片換成與爐溫相對應的數字信號送人單片機STC89C52,單片機進(jìn)行數據處理后,最終送液晶顯示溫度值并判斷是否報警，同時(shí)將該溫度值與設定溫度比較,根據軟件設定的PID算法計算出控制量,再由控制固態(tài)繼電器的導通和關(guān)閉從而控制電阻絲的導通時(shí)間,以實(shí)現對爐溫的控制。系統中的時(shí)鐘電路可準確計時(shí),同時(shí)可根據系統要求進(jìn)行自由設置電阻爐溫度值。

2.1單片機控制模塊
　　系統控制核心采用單片機STC89C52,電路如圖3所示,其由STC89C52芯片、復位電路和晶振電路組成。系統時(shí)鐘采用了內部時(shí)鐘方式,在單片機的XTAL1和XTAL2口外接12MHz石英晶振,在單片機內部產(chǎn)生12MHz時(shí)鐘脈沖信號，圖中電容器C1和C2起穩定頻率和快速起振作用，典型值是[6]22pF。復位電路采用按鍵復位,由10k電阻按、10μF電容和開(kāi)關(guān)S構成,按下按鍵S,系統自動(dòng)復位。

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構成。MAX6675芯片的SCK端接單片機STC89C52的P3.0口、CS端接P3.1口、SO端接P3.2口。工作原理:當單片機STC89C52的P3.0口產(chǎn)生脈沖且P3.1=0時(shí)，MAX6675的so端輸出轉換數據到單片機STC89C52,在P3.0口連續16個(gè)脈沖,可完成一個(gè)數據輸出,溫度數據由高位D15到低位DO串行依次輸出,當P3.1=1時(shí)，MAX6675停止轉換。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離電源的地方，以降低電源噪聲對其的影響[7]

2.3時(shí)鐘模塊
　　因為電阻爐隨時(shí)間變化,爐溫隨著(zhù)變化,系統需鐘芯片來(lái)記錄在不同溫度值對應的時(shí)間。這里對時(shí)鐘芯片的要求:功耗低、使用簡(jiǎn)單。系統采用了DS1302時(shí)鐘芯片,其廣泛應用于便攜式儀器儀表、傳真、電話(huà)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數據線(xiàn)和RES(復位)。通過(guò)定時(shí)器中斷,STC89C52每隔0.4秒讀--次DS1302的內部時(shí)標寄存器,得到實(shí)時(shí)時(shí)間,并送到液晶顯示。當電阻爐從一個(gè)狀態(tài)轉入另一個(gè)狀態(tài)，STC89C52通過(guò)DS1302把時(shí)間清零,重新開(kāi)始計時(shí)。另外通過(guò)DS1302,可自由設定電阻爐的恒溫時(shí)間和加熱時(shí)間。

2.4鍵盤(pán)、顯示和報警模塊
　　系統鍵盤(pán)、報警和顯示模塊如圖6所示，鍵盤(pán)其采用3×3鍵盤(pán),由單片機STC89C52的P1口控制，行線(xiàn)對應的接口為單片機的P1.0-P1.2,列線(xiàn)對應的接口為P1.3-P1.5。系統通過(guò)按鍵設定時(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STC89C52的PO口接其數據端口，P2.5、P2.5、P2.5口接液晶控制端口,用于實(shí)現LCD1602片選、復位、讀寫(xiě)等功能,LCD1602的顯示形式是16x2行,可設定時(shí)間、顯示時(shí)間及爐溫等。報警電路是將單片機STC89C52的P2.0口與驅動(dòng)，當單片機P2.0輸出高電平時(shí),三極管導通，蜂鳴器工作發(fā)出報警聲,P2.0為低電平時(shí)三極管關(guān)斷,蜂鳴器不工作。

2.5加熱控制電路的設計
　　系統加熱控制電路采用Z型SSR固態(tài)繼電器，電爐絲的通斷通過(guò)SSR-40DA固態(tài)繼電器控制。SSR一40DA的使用非常簡(jiǎn)單，通過(guò)單片機STC89C52的P2.0口在SSR-40DA控制端加電平信號,即可實(shí)現對繼電器的開(kāi)關(guān)控制。系統采用電壓跟隨器來(lái)驅動(dòng)SSR-40DA固態(tài)繼電器”。當STC89C52的P2.0=1時(shí),三極管驅動(dòng)固態(tài)繼電器工作接通加熱器工作,當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。在系統中，采用了PID控制算法,用在閉環(huán)控制系統中對被控對象實(shí)施控制,被控對象為電阻爐，通過(guò)改變Z型固態(tài)繼電器SSR的導通和關(guān)斷時(shí)間,來(lái)達到改變電阻爐的加熱功率、調節爐內溫度的目的。

3軟件設計
　　在系統軟件設計中,采用C語(yǔ)言、匯編語(yǔ)言相結合混合編程。主程序完成系統初始化和電爐絲的導通和關(guān)斷,爐溫測定、鍵盤(pán)輸人、時(shí)間確定和顯示、控制算法等都由子程序來(lái)完成,用中斷服務(wù)程序實(shí)現定時(shí)測溫和讀取時(shí)間。主程序流程如圖8所示。

4結束語(yǔ)
　　系統采用了K型熱電偶及芯片MAX6675作為溫度采集模塊,使得測溫系統硬件電路大大簡(jiǎn)化,提高了系統的可靠性和穩定性。采用STC89C52單片機芯片,不僅使得整個(gè)系統操作簡(jiǎn)便、容易控制,而且明顯提高的測量和控制精度。經(jīng)反復實(shí)驗證明:系統控制精度達到0.5℃,溫控范圍為300℃~1300℃,超調量<1%,且性能穩定、可靠性高、操作簡(jiǎn)便。