自动炉温控制系统设计

◎安林艳

在工农业生产或科学实验中，温度是极为普遍又极为重要的热工参数之一。为了保证生产过程正常安全地进行，提高产品的质量和数量，以及减轻工人的劳动强度，节约能源，对加热用的各种电炉要求在一定条件下保持恒温，不能随电源电压波动或炉内物体而变化；或者要求有的电炉的炉温根据工艺条件，按照某个指定的升温或保温规律而变化。随着单片机技术的发展，其运行功能不断增强，运行速度不断提高，所以选用单片机作为自动炉温控制系统的处理器，完成自动炉温控制系统设计。

一、主要器件的使用和介绍

1.单片机。在这个系统中，单片机处于核心地位，是构成单片机系统的硬件和软件的基础。本系统选用AT89C52单片机，其具有并行8K可编程的非易失性FLASH程序存储器。要实现对器件串行在系统编程（ISP）和在应用中编程（IAP），该系列单片机是80C51微控制器的派生器件是采用先进CMOS工艺制造的8位微控制器指令系统与80C51完全相同。

2.DAC0832芯片。该芯片具有两个输入数据寄存器的8位DAC，能直接与MCS51单片机接口，分辨率为8位，电流稳定时间1us， 可单缓冲﹑ 双缓冲或直接数字输入，只需在满量程下调整其线性度，单一电源供电（+5V～+15V），低功耗，200mW。

DAC0832是微处理器兼容型D/A转换器，可以充分利用微处理器的控制力实现对D/A转换的控制；有两级锁存控制功能，能够实现多通道D/A的同步转换输出；DAC0832内部无参考电压源；须外接参考电压源；DAC0832为电流输出型D/A转换器，要获得模拟电压输出是，需要外加转换电路。

3.ADC0804。采用ADC0804将输入的模拟信号转换成数字信号。提供给微处理器（本系统中的单片机），作为温度依据。

ADC0804具有8位COMS逐次逼近型的A/D转换器，三态锁定输出，存取时间135us，8位分辨率，转换时100us，总误差±1LSB，工作温度：ADC0804LCN——0℃----+70℃，ADC0804LCD——--40℃----+85℃。

4.LM741运算放大器。与普通运放功能相同，只是多了调零功能，使用更精确，性能更优。

5.单片机键盘和键盘接口。

（1）独立式键盘。该系统采用独立式键盘。独立式键盘实际上就是一组相互独立的按键，这些按键可直接与单片机的I/O连接，即每个按键独占一条口线，接口简单。矩阵式键盘也称为行列式键盘，因为键的数目较多，所以键按行列组成矩阵。

（2）键盘接口处理。键盘接口处理的核心内容是测试有无闭合键，对闭合键进行去抖动处理，求得闭合键的键码。这些操作内容通常都是由软硬件结合的方法实现的。为了使键盘操作更稳定可靠，还可以加一些附加功能，例如屏蔽功能；对一个键，不管按下多长时间，仅执行一次键处理子程序等。

（3）键处理子程序。在计算机中每一个键都对应一个处理子程序，得到闭合的键的键码后，可以根据键玛，转相应的键处理子程序，进行字符、数据的输入或命令处理。这样就可以实现该键所设定的功能了。

6.LED显示器接口。LED显示器接口与单片机接口的显示主要是LED显示器和LCD显 示 器 两 种，LED（Light Emiting Diode）是发光二极管构成的，所以在显示器前面冠以“LED”。LED显示器在单片机中的应用非常普遍。通常所说的LED显示器由7个发光二极管组成，因此也称之为七段LED显示器。此外，显示器中还有一个圆点型发光二极管，用于显示小数点。通过七段发光二极管亮暗的不同组合，可以显示多种数字、字母以及其它符号。

二、实际电路

1.电路的制作。对于温度的控制，需要始终保持在我们所设定的范围内，先设定我们期望的温度范围值，需通过单片机指令来实现。但是我们设定的值是数字量，而温度是模拟量，采用ADC0804模数转换器完成数字和模拟量之间的转换，单片机完成数据处理，达到控制温度的升降。由于温度传感器的输出信号Ui与设定值的差值较小，所以通过运算放大器MC1741或LM741或UA741放 大，再 应 用DAC0832数模转换器，将温度的变化量转换成0~-10V的电压变化量，再加到A/D变换器ADC0804的输入端转变成数字信号传入单片机。在实际制作电路时考虑到实用性和可行性决定用独立式键盘，用来改变单片机设定温度值的上下限。

2.自检子程序设计。自检就是系统开始工作前，对系统所有的硬件进行检测，只有当所有硬件准备就绪才能进行系统工作。自检的内容有：CPU、键盘、显示。其工作原理：首先写CPU个指令（例mov、inc、dptr、rrc、等）是否正常，如正常跳过检查，否则继续检查CPU直到正常；在检查键盘的方法是写一段键盘扫描程序，扫描一次如果没有键按下正常跳过到显示检测，否则继续检查键盘直到正常；在检查显示的方法是分别点亮2个数码管以0、1、2、3、4、5、6、7、8、9如正常则自检完毕。

3.理论算法。PID控制算法，比例+积分+微分调节（Propor tional+Integral+Deviative即PID）是工业控制中常用的调节方法，无论是速度、位置等快过程，还是温度、化工合成等慢过程，都能得到满意的控制效果。积分调节可以消除静差，微分调节可以改善系统的动态响应速度。比例、积分、微分三者结合起来可以消除静差，微分调节可以改善系统的动态响应速度。

三、功能说明

1.采集部分。利用AD590以及接口电路把温度转换成模拟电压，经由ADC0804转换成数字信号。

2.控制部分。AD590采集到的温度模拟量经放大后，输入到ADC0804的VIN端则转变为数字量后由DB0―DB7输出八位数字量，此数字信号送入AT89C51的P0口，单片机89C51得到传来的信号量与其设定的温度值相比较，如果此温度值高于设定值的上限，则高温报警指示灯亮，同时单片机经P0口输出上限值给DAC0832，DAC0832经过数摸转换在通过运算放大器LM741输出电平信号来控制晶闸管的导通角，使温度逐步降低下来。如果次温度值低于设定的下限值，则低温报警指示灯亮，同时单片机经P0口输出下限值给DAC0832，DAC0832经过数摸转换在通过运算放大器LM741输出一个电平信号来控制晶闸管的导通角，使温度逐步升高。当温度值在给定的温度值范围之内则输出不便，及晶闸管的导通角不发生变化。为了实际应用的方便我们还加做了键盘输入功能，及可以改变设定温度的上下限，以达到实际使用的要求。为了更直观的显示温度，我制作了两位的LED显示，正常情况下让它显示当前的电炉温度，当要改变设定温度上下限值时让它显示改变的温度值。

四、结束语

该设计的温度控制系统运行可靠，控制精度要求高，价格较低，适用于工农业生产对温度控制精度要求高的场合，但不适于在过于恶劣的环境下工作。

在这次设计过程中，我了解了单片机的基本功能和使用，以及它的一些外围器件的功能和使用，掌握了A/D转换和D/A转换。理解了工业电炉温度控制的一些基本原理和方法，这对我的知识水平是个很大的提高。