自動(dòng)爐溫控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

◎安林艷

在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)或科學(xué)實(shí)驗(yàn)中，溫度是極為普遍又極為重要的熱工參數(shù)之一。為了保證生產(chǎn)過程正常安全地進(jìn)行，提高產(chǎn)品的質(zhì)量和數(shù)量，以及減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)約能源，對(duì)加熱用的各種電爐要求在一定條件下保持恒溫，不能隨電源電壓波動(dòng)或爐內(nèi)物體而變化；或者要求有的電爐的爐溫根據(jù)工藝條件，按照某個(gè)指定的升溫或保溫規(guī)律而變化。隨著單片機(jī)技術(shù)的發(fā)展，其運(yùn)行功能不斷增強(qiáng)，運(yùn)行速度不斷提高，所以選用單片機(jī)作為自動(dòng)爐溫控制系統(tǒng)的處理器，完成自動(dòng)爐溫控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

一、主要器件的使用和介紹

1.單片機(jī)。在這個(gè)系統(tǒng)中，單片機(jī)處于核心地位，是構(gòu)成單片機(jī)系統(tǒng)的硬件和軟件的基礎(chǔ)。本系統(tǒng)選用AT89C52單片機(jī)，其具有并行8K可編程的非易失性FLASH程序存儲(chǔ)器。要實(shí)現(xiàn)對(duì)器件串行在系統(tǒng)編程（ISP）和在應(yīng)用中編程（IAP），該系列單片機(jī)是80C51微控制器的派生器件是采用先進(jìn)CMOS工藝制造的8位微控制器指令系統(tǒng)與80C51完全相同。

2.DAC0832芯片。該芯片具有兩個(gè)輸入數(shù)據(jù)寄存器的8位DAC，能直接與MCS51單片機(jī)接口，分辨率為8位，電流穩(wěn)定時(shí)間1us， 可單緩沖﹑ 雙緩沖或直接數(shù)字輸入，只需在滿量程下調(diào)整其線性度，單一電源供電（+5V～+15V），低功耗，200mW。

DAC0832是微處理器兼容型D/A轉(zhuǎn)換器，可以充分利用微處理器的控制力實(shí)現(xiàn)對(duì)D/A轉(zhuǎn)換的控制；有兩級(jí)鎖存控制功能，能夠?qū)崿F(xiàn)多通道D/A的同步轉(zhuǎn)換輸出；DAC0832內(nèi)部無參考電壓源；須外接參考電壓源；DAC0832為電流輸出型D/A轉(zhuǎn)換器，要獲得模擬電壓輸出是，需要外加轉(zhuǎn)換電路。

3.ADC0804。采用ADC0804將輸入的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。提供給微處理器（本系統(tǒng)中的單片機(jī)），作為溫度依據(jù)。

ADC0804具有8位COMS逐次逼近型的A/D轉(zhuǎn)換器，三態(tài)鎖定輸出，存取時(shí)間135us，8位分辨率，轉(zhuǎn)換時(shí)100us，總誤差±1LSB，工作溫度：ADC0804LCN——0℃----+70℃，ADC0804LCD——--40℃----+85℃。

4.LM741運(yùn)算放大器。與普通運(yùn)放功能相同，只是多了調(diào)零功能，使用更精確，性能更優(yōu)。

5.單片機(jī)鍵盤和鍵盤接口。

（1）獨(dú)立式鍵盤。該系統(tǒng)采用獨(dú)立式鍵盤。獨(dú)立式鍵盤實(shí)際上就是一組相互獨(dú)立的按鍵，這些按鍵可直接與單片機(jī)的I/O連接，即每個(gè)按鍵獨(dú)占一條口線，接口簡(jiǎn)單。矩陣式鍵盤也稱為行列式鍵盤，因?yàn)殒I的數(shù)目較多，所以鍵按行列組成矩陣。

（2）鍵盤接口處理。鍵盤接口處理的核心內(nèi)容是測(cè)試有無閉合鍵，對(duì)閉合鍵進(jìn)行去抖動(dòng)處理，求得閉合鍵的鍵碼。這些操作內(nèi)容通常都是由軟硬件結(jié)合的方法實(shí)現(xiàn)的。為了使鍵盤操作更穩(wěn)定可靠，還可以加一些附加功能，例如屏蔽功能；對(duì)一個(gè)鍵，不管按下多長(zhǎng)時(shí)間，僅執(zhí)行一次鍵處理子程序等。

（3）鍵處理子程序。在計(jì)算機(jī)中每一個(gè)鍵都對(duì)應(yīng)一個(gè)處理子程序，得到閉合的鍵的鍵碼后，可以根據(jù)鍵瑪，轉(zhuǎn)相應(yīng)的鍵處理子程序，進(jìn)行字符、數(shù)據(jù)的輸入或命令處理。這樣就可以實(shí)現(xiàn)該鍵所設(shè)定的功能了。

6.LED顯示器接口。LED顯示器接口與單片機(jī)接口的顯示主要是LED顯示器和LCD顯 示 器 兩 種，LED（Light Emiting Diode）是發(fā)光二極管構(gòu)成的，所以在顯示器前面冠以“LED”。LED顯示器在單片機(jī)中的應(yīng)用非常普遍。通常所說的LED顯示器由7個(gè)發(fā)光二極管組成，因此也稱之為七段LED顯示器。此外，顯示器中還有一個(gè)圓點(diǎn)型發(fā)光二極管，用于顯示小數(shù)點(diǎn)。通過七段發(fā)光二極管亮暗的不同組合，可以顯示多種數(shù)字、字母以及其它符號(hào)。

二、實(shí)際電路

1.電路的制作。對(duì)于溫度的控制，需要始終保持在我們所設(shè)定的范圍內(nèi)，先設(shè)定我們期望的溫度范圍值，需通過單片機(jī)指令來實(shí)現(xiàn)。但是我們?cè)O(shè)定的值是數(shù)字量，而溫度是模擬量，采用ADC0804模數(shù)轉(zhuǎn)換器完成數(shù)字和模擬量之間的轉(zhuǎn)換，單片機(jī)完成數(shù)據(jù)處理，達(dá)到控制溫度的升降。由于溫度傳感器的輸出信號(hào)Ui與設(shè)定值的差值較小，所以通過運(yùn)算放大器MC1741或LM741或UA741放 大，再 應(yīng) 用DAC0832數(shù)模轉(zhuǎn)換器，將溫度的變化量轉(zhuǎn)換成0~-10V的電壓變化量，再加到A/D變換器ADC0804的輸入端轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號(hào)傳入單片機(jī)。在實(shí)際制作電路時(shí)考慮到實(shí)用性和可行性決定用獨(dú)立式鍵盤，用來改變單片機(jī)設(shè)定溫度值的上下限。

2.自檢子程序設(shè)計(jì)。自檢就是系統(tǒng)開始工作前，對(duì)系統(tǒng)所有的硬件進(jìn)行檢測(cè)，只有當(dāng)所有硬件準(zhǔn)備就緒才能進(jìn)行系統(tǒng)工作。自檢的內(nèi)容有：CPU、鍵盤、顯示。其工作原理：首先寫CPU個(gè)指令（例mov、inc、dptr、rrc、等）是否正常，如正常跳過檢查，否則繼續(xù)檢查CPU直到正常；在檢查鍵盤的方法是寫一段鍵盤掃描程序，掃描一次如果沒有鍵按下正常跳過到顯示檢測(cè)，否則繼續(xù)檢查鍵盤直到正常；在檢查顯示的方法是分別點(diǎn)亮2個(gè)數(shù)碼管以0、1、2、3、4、5、6、7、8、9如正常則自檢完畢。

3.理論算法。PID控制算法，比例+積分+微分調(diào)節(jié)（Propor tional+Integral+Deviative即PID）是工業(yè)控制中常用的調(diào)節(jié)方法，無論是速度、位置等快過程，還是溫度、化工合成等慢過程，都能得到滿意的控制效果。積分調(diào)節(jié)可以消除靜差，微分調(diào)節(jié)可以改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度。比例、積分、微分三者結(jié)合起來可以消除靜差，微分調(diào)節(jié)可以改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度。

三、功能說明

1.采集部分。利用AD590以及接口電路把溫度轉(zhuǎn)換成模擬電壓，經(jīng)由ADC0804轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。

2.控制部分。AD590采集到的溫度模擬量經(jīng)放大后，輸入到ADC0804的VIN端則轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字量后由DB0―DB7輸出八位數(shù)字量，此數(shù)字信號(hào)送入AT89C51的P0口，單片機(jī)89C51得到傳來的信號(hào)量與其設(shè)定的溫度值相比較，如果此溫度值高于設(shè)定值的上限，則高溫報(bào)警指示燈亮，同時(shí)單片機(jī)經(jīng)P0口輸出上限值給DAC0832，DAC0832經(jīng)過數(shù)摸轉(zhuǎn)換在通過運(yùn)算放大器LM741輸出電平信號(hào)來控制晶閘管的導(dǎo)通角，使溫度逐步降低下來。如果次溫度值低于設(shè)定的下限值，則低溫報(bào)警指示燈亮，同時(shí)單片機(jī)經(jīng)P0口輸出下限值給DAC0832，DAC0832經(jīng)過數(shù)摸轉(zhuǎn)換在通過運(yùn)算放大器LM741輸出一個(gè)電平信號(hào)來控制晶閘管的導(dǎo)通角，使溫度逐步升高。當(dāng)溫度值在給定的溫度值范圍之內(nèi)則輸出不便，及晶閘管的導(dǎo)通角不發(fā)生變化。為了實(shí)際應(yīng)用的方便我們還加做了鍵盤輸入功能，及可以改變?cè)O(shè)定溫度的上下限，以達(dá)到實(shí)際使用的要求。為了更直觀的顯示溫度，我制作了兩位的LED顯示，正常情況下讓它顯示當(dāng)前的電爐溫度，當(dāng)要改變?cè)O(shè)定溫度上下限值時(shí)讓它顯示改變的溫度值。

四、結(jié)束語

該設(shè)計(jì)的溫度控制系統(tǒng)運(yùn)行可靠，控制精度要求高，價(jià)格較低，適用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對(duì)溫度控制精度要求高的場(chǎng)合，但不適于在過于惡劣的環(huán)境下工作。

在這次設(shè)計(jì)過程中，我了解了單片機(jī)的基本功能和使用，以及它的一些外圍器件的功能和使用，掌握了A/D轉(zhuǎn)換和D/A轉(zhuǎn)換。理解了工業(yè)電爐溫度控制的一些基本原理和方法，這對(duì)我的知識(shí)水平是個(gè)很大的提高。