基于单片机的电阻炉炉温控制系统硬件设计

基于单片机的电阻炉炉温控制系统硬件设计内容摘要：

会更多的出现，而单片机和智能理论的结合，将来不但更多的改进现行智能温度测量与控制电器，而且将会产生全新的智能温度测量与控制电器。 3 总体设计 系统硬件框图 本系统由单片机 AT89C5温度检测电路、键盘显示及报警电路、时钟电路、温度控制电路等部分组成。 系统中采用了 新型 元 件，功能强、精度高、硬件电路简单。 本文是基于先进的单片机控制技术，在低耗能下可实现对炉温的精确控制。 该系统具体的工作原理是这样的：单片机定时对炉温进行检测，经 A／ D 转换后得到相应的数字量，送到计算机，计算机依据给定的控制规则算法进行判断和运算，得到应有的控制量去控制加热系统，从而实现对温度的控制。 选用 AT89C51 单片机实现。 技术指标： (1)控制温度可设定； (2)精度为177。 2℃ ； (3)实时显示被测温度； (4)故障报警。 温度智能控制系统的原理方框图如图 1所示。 计算机通过程序实现对被控对象 电热炉的 控制。 图 1 温度控制器的硬件框图 计算机输出脉冲触发电路，通过过零触发电路去驱动双向可控硅，从而控制电阻炉的加温电阻的功率，这就是后向通道。 同时，由测温传感器测量出电阻炉的温度，经温度检测变换后，转换为数字量反馈给计算机，形成前向通道，并使系统构成闭环。 本系统主要完成数据采集、温度显示、炉温控制、故障检测以及报警功能，智能控制器由单片机完成，采用规则 自寻优的控制算法进行过程控制。 加热炉采用双向可控硅控制，由单片机输出通断率控制信号，产生可控硅的过零触发脉冲。 . AT89C51 键盘 故障检测 报警电路 数码显示 双向可控硅 固态继电器 加热炉 传感器 集成温度检测 PC上位机 基于单片机的电阻炉炉温控制系统硬件设计 4 AT89C51 单片机简介 AT89C51 单片机的基本组成 在一小块芯片上，集成了一个微型计算机的各个组成部分，即 AT89C51 单片机芯片内包括： （ 1）一个 8 位的微处理器（ CPU）。 （ 2）片内 256 字节数据存储器 RAM/SFR，用以存放可以读 /写的数据，如运算的中间结果、最终结果以及欲显示的数据等。 （ 3）片内 4KB 程序存储器 Flash ROM，用以存放程序、一些原始数据和表 格。 （ 4） 4 个 8 位并行 I/O 端口 P0P3,每个端口既可以用作输入，也可以用作输出。 （ 5）两个 16 位的定时器 /计数器，每个定时器 /计数器都可以设置成计数方式。 （ 6）具有 5 个中断源、两个中断优先级的中断控制系统。 （ 7）一个全双工 UART 的串行 I/O 口，用于实现单片机之间或单片机与 PC 机之间的串行通信。 （ 8）片内振荡器和时钟产生电路，但石英晶体和微调电容需要外接。 （ 9）具有节电工作方式，即休闲方式和掉电方式。 以上各个部分通过片内八位数据总线相连接。 [3] AT89C51 单片机引脚及其功 能 如图 2所示为单片机 AT89C51 的引脚图。 图 2 单片机 AT89C51的引脚图 （ 1） XTAL1（ 19 脚）：振荡器反相放大器的及内部时钟发生器的输入端。 基于单片机的电阻炉炉温控制系统硬件设计 5 （ 2） XTAL2（ 18 脚）：振荡器反相放大器的输出端。 （ 3） RST（ 9 脚）：复位输入，当振荡器工作时， RST 引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。 （ 4） P0 口（ 39～ 32脚）： P0口是一个漏极开路的 8位准双向 I/O 端口。 作为漏极开路的输出端口，每位能驱动 8 个 LS 型 TTL 负载。 当 P0口作为输入口使用时，应先向口锁存器写入全 1，此时 P0 口的全部引脚浮空，可作为高阻抗输入。 （ 5） P3 口（ 10～ 17脚）： P3 口是一组带有内部上拉电阻的 8位双向 I/O多功能口。 P3 口输出缓冲器可驱动 4 个 TTL 逻辑门电路。 对 P3 口写入 “1” 时，它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口，此时，被外部拉低的 P3 口将用上拉电阻输出电流。 当 CPU不对 P3 口进行 SFR 寻址访问时，即用作第二功能输出 /输入线时，由内部硬件使锁存器Q置 1。 用作第二功能时如表 1 所示。 整个 PEROM 阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持 ALE 管脚处低电平 10ms 来完成。 在芯片 擦除操作中，代码陈列全被写“ 1”且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。 此外， AT89C51 设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。 在闲置模式下， CPU 停止工作。 但 RAM，定时器，计数器，串口和中断系统仍在工作。 在掉电模式下，保存 RAM 的内容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。 [45] 表 1 P3口与第二功能表 端口引脚 第二功能 RXD（串行输入口） TXD (串行输出口 ) INT0（外中断 0） INT1（外中断 1） T0（定时器 /计数器 0） T1（定时器 /计数器 1） WR（外部数据存储器写选通） RD（外部数据存储器读选通） 基于单片机的电阻炉炉温控制系统硬件设计 6 3 系统各模块硬件电路图设计 温度检测电路 本系统采用的 K型（镍铬 镍硅）热电偶，其可测量 1312℃以内的温度，其线性度较好，而且价格便宜。 K 型热电偶的输出是毫伏级电压信号，最终要将其转换成数字信号与 CPU 通信。 传统的温度检测电路采用“传感器 滤波器 放大器 冷端补偿 线性化处理 A/D 转换”模式，转换 环节多、电路复杂、精度低。 在本系统中，采用的是高精度的集成芯片 MAX6675 来完成“热电偶电势 温度”的转换，不需外围电路、 I/O接线简单、精度高、成本低。 MAX6675 是 MAXIM 公司开发的 K 型热电偶转换器，集成了滤波器、放大器等，并带有热电偶断线检测电路，自带冷端补偿，能将 K 型热电偶输出的电势直接转换成 12 位数字量，分辨率 ℃。 温度数据通过 SPI 端口输出给单片机，其冷端补偿的范围是20℃ —— 80℃，测量范围是 0—— ℃。 表 2为 MAX6675 的引脚功能图。 [67] 表 2 MAX6675 的引脚功能图 引脚号 名称 功能 1 GND 接地端 2 T 热电偶负极 (使用时接地 ) 3 T+ 热电偶正极 4 VCC 电源端 5 SCK 串行时种输入端 6 CS 片选信号 7 SO 数据串行输入端 8 NC 悬空不用 图 2为系统的温度检测电路。 当 为低电平且 口产生时钟脉冲时， MAX6675的 SO脚输出转换数据。 在每一个脉冲信号的下降沿输出一个数据， 16个脉冲信号完成一串完整的数据输出，先输出高电位 D15，最后输出的是低电位 D0， D14D3为相应的温度转换数据。 当 为高电平时， MAX6675 开始进行新的温度转换。 在应用 MAX6675时，应该注意将其布置在远离其它 I/O 芯片的地方，以降低电源噪声的影响； MAX6675的 T端必须接地，而且和该芯片的电源地都是模拟地，不要和数字地混淆而影响芯片读数的准确性。 基于单片机的电阻炉炉温控制系统硬件设计 7 图 2 温度检测电路图 LED 显示电路图 本系统采用 4 个共阴极 LED 数码管及驱动芯片 MC1449 74HC139 共同构成显示电路。 MC14495 是 BCD— 7段十六进制锁存译码驱动芯片。 — 用于输出段码， 控制 24译码器的使能端，低电平有效； — 为位选码输出。 工作中，在需要改变显示数据时，单片机才通过 P0 口送出相应的数据，平时不需要刷新。 如下图 3为 LED显示电路图。 基于单片机的电阻炉炉温控制系统硬件设计 8 图 3 LED显示电路图 基于单片机的电阻炉炉温控制系统硬件设计 9 图 3中给出了四位共阴性数码管的静态显示应用电路。 本系统中采用静态显示方式。 静态显示器就是当显示器显示某个字符时，相应的段（发光二极管 ）恒定地导通或截止，直到显示另一个字符为止。 例如， 7 段显示器的 a, b, c段恒定。