自動爐溫控制系統設計

◎安林艷

在工農業生產或科學實驗中，溫度是極為普遍又極為重要的熱工參數之一。為了保證生產過程正常安全地進行，提高產品的質量和數量，以及減輕工人的勞動強度，節約能源，對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或爐內物體而變化；或者要求有的電爐的爐溫根據工藝條件，按照某個指定的升溫或保溫規律而變化。隨著單片機技術的發展，其運行功能不斷增強，運行速度不斷提高，所以選用單片機作為自動爐溫控制系統的處理器，完成自動爐溫控制系統設計。

一、主要器件的使用和介紹

1.單片機。在這個系統中，單片機處于核心地位，是構成單片機系統的硬件和軟件的基礎。本系統選用AT89C52單片機，其具有并行8K可編程的非易失性FLASH程序存儲器。要實現對器件串行在系統編程（ISP）和在應用中編程（IAP），該系列單片機是80C51微控制器的派生器件是采用先進CMOS工藝制造的8位微控制器指令系統與80C51完全相同。

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

DAC0832是微處理器兼容型D/A轉換器，可以充分利用微處理器的控制力實現對D/A轉換的控制；有兩級鎖存控制功能，能夠實現多通道D/A的同步轉換輸出；DAC0832內部無參考電壓源；須外接參考電壓源；DAC0832為電流輸出型D/A轉換器，要獲得模擬電壓輸出是，需要外加轉換電路。

3.ADC0804。采用ADC0804將輸入的模擬信號轉換成數字信號。提供給微處理器（本系統中的單片機），作為溫度依據。

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

4.LM741運算放大器。與普通運放功能相同，只是多了調零功能，使用更精確，性能更優。

5.單片機鍵盤和鍵盤接口。

（1）獨立式鍵盤。該系統采用獨立式鍵盤。獨立式鍵盤實際上就是一組相互獨立的按鍵，這些按鍵可直接與單片機的I/O連接，即每個按鍵獨占一條口線，接口簡單。矩陣式鍵盤也稱為行列式鍵盤，因為鍵的數目較多，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容是測試有無閉合鍵，對閉合鍵進行去抖動處理，求得閉合鍵的鍵碼。這些操作內容通常都是由軟硬件結合的方法實現的。為了使鍵盤操作更穩定可靠，還可以加一些附加功能，例如屏蔽功能；對一個鍵，不管按下多長時間，僅執行一次鍵處理子程序等。

（3）鍵處理子程序。在計算機中每一個鍵都對應一個處理子程序，得到閉合的鍵的鍵碼后，可以根據鍵瑪，轉相應的鍵處理子程序，進行字符、數據的輸入或命令處理。這樣就可以實現該鍵所設定的功能了。

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

二、實際電路

1.電路的制作。對于溫度的控制，需要始終保持在我們所設定的范圍內，先設定我們期望的溫度范圍值，需通過單片機指令來實現。但是我們設定的值是數字量，而溫度是模擬量，采用ADC0804模數轉換器完成數字和模擬量之間的轉換，單片機完成數據處理，達到控制溫度的升降。由于溫度傳感器的輸出信號Ui與設定值的差值較小，所以通過運算放大器MC1741或LM741或UA741放 大，再 應 用DAC0832數模轉換器，將溫度的變化量轉換成0~-10V的電壓變化量，再加到A/D變換器ADC0804的輸入端轉變成數字信號傳入單片機。在實際制作電路時考慮到實用性和可行性決定用獨立式鍵盤，用來改變單片機設定溫度值的上下限。

2.自檢子程序設計。自檢就是系統開始工作前，對系統所有的硬件進行檢測，只有當所有硬件準備就緒才能進行系統工作。自檢的內容有：CPU、鍵盤、顯示。其工作原理：首先寫CPU個指令（例mov、inc、dptr、rrc、等）是否正常，如正常跳過檢查，否則繼續檢查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，否則繼續檢查鍵盤直到正常；在檢查顯示的方法是分別點亮2個數碼管以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+微分調節（Propor tional+Integral+Deviative即PID）是工業控制中常用的調節方法，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。積分調節可以消除靜差，微分調節可以改善系統的動態響應速度。比例、積分、微分三者結合起來可以消除靜差，微分調節可以改善系統的動態響應速度。

三、功能說明

1.采集部分。利用AD590以及接口電路把溫度轉換成模擬電壓，經由ADC0804轉換成數字信號。

2.控制部分。AD590采集到的溫度模擬量經放大后，輸入到ADC0804的VIN端則轉變為數字量后由DB0―DB7輸出八位數字量，此數字信號送入AT89C51的P0口，單片機89C51得到傳來的信號量與其設定的溫度值相比較，如果此溫度值高于設定值的上限，則高溫報警指示燈亮，同時單片機經P0口輸出上限值給DAC0832，DAC0832經過數摸轉換在通過運算放大器LM741輸出電平信號來控制晶閘管的導通角，使溫度逐步降低下來。如果次溫度值低于設定的下限值，則低溫報警指示燈亮，同時單片機經P0口輸出下限值給DAC0832，DAC0832經過數摸轉換在通過運算放大器LM741輸出一個電平信號來控制晶閘管的導通角，使溫度逐步升高。當溫度值在給定的溫度值范圍之內則輸出不便，及晶閘管的導通角不發生變化。為了實際應用的方便我們還加做了鍵盤輸入功能，及可以改變設定溫度的上下限，以達到實際使用的要求。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前的電爐溫度，當要改變設定溫度上下限值時讓它顯示改變的溫度值。

四、結束語

該設計的溫度控制系統運行可靠，控制精度要求高，價格較低，適用于工農業生產對溫度控制精度要求高的場合，但不適于在過于惡劣的環境下工作。

在這次設計過程中，我了解了單片機的基本功能和使用，以及它的一些外圍器件的功能和使用，掌握了A/D轉換和D/A轉換。理解了工業電爐溫度控制的一些基本原理和方法，這對我的知識水平是個很大的提高。