山東科技大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院 楊 柳 崔明亮

基于A T 8 9 S 5 1的控制爐溫系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

山東科技大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院 楊 柳 崔明亮

本次設(shè)計(jì)主要完成了以下任務(wù)：由K型鎳鉻／鎳硅熱電偶進(jìn)行爐溫采樣，由LM358芯片將微弱的電信號(hào)進(jìn)行放大，經(jīng)ADC0832芯片將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)輸入到AT89S51單片機(jī)，輸出PWM波控制主回路電路的雙向可控硅的導(dǎo)通時(shí)間來控制功率；通過采樣電阻與電壓比較器LM339N設(shè)計(jì)了電阻絲過功率保護(hù)電路，從安全角度設(shè)計(jì)了聲光報(bào)警以防爐溫超限報(bào)警系統(tǒng)，從人機(jī)交互角度設(shè)計(jì)了數(shù)碼管顯示電路顯示實(shí)時(shí)溫度采集值。

單片機(jī)；PID算法；溫度測(cè)量；爐溫控制

1 系統(tǒng)的工作原理

電加熱爐隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展和生產(chǎn)水平提高，已經(jīng)冶金、化工和機(jī)械等各類工業(yè)控制中得到廣泛應(yīng)用。在溫控系統(tǒng)中，需要將溫度變化對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的變化，由于熱電偶的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，測(cè)量范圍寬，在高溫測(cè)量中都保持較高的精度，所以選用K型鎳鉻／鎳硅熱電偶做熱感應(yīng)傳感器，其測(cè)溫范圍0℃-600℃，最高可測(cè)量999℃，爐溫控制系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

圖1 爐溫控制系統(tǒng)原理圖

K型鎳鉻／鎳硅熱電偶將測(cè)量到的爐溫信號(hào)轉(zhuǎn)換成弱電壓信號(hào)，經(jīng)過信號(hào)放大電路進(jìn)行信號(hào)放大后，再通過A/D轉(zhuǎn)換器ADC0832轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號(hào)，輸入單片機(jī)AT89S51并將檢測(cè)溫度通過數(shù)碼管顯示，在電爐溫度和設(shè)定溫度進(jìn)行對(duì)比后，系統(tǒng)進(jìn)行PI調(diào)節(jié)，通過控制可控硅導(dǎo)通時(shí)間來控制爐溫。

2 硬件選型

2.1 溫度測(cè)量放大電路設(shè)計(jì)

0℃-600℃的溫度對(duì)應(yīng)0mV-40.3mV，K型鎳鉻／鎳硅熱電偶出來的mV級(jí)電壓，大概熱端變化1℃進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，必須進(jìn)行放大處理。采用LM358運(yùn)放組成放大器，它的使用范圍包括傳感放大器、直流增益模塊和其他所有可用單電源供電的使用運(yùn)算放大器的場(chǎng)合。對(duì)幾十微伏變化信號(hào)測(cè)量比較精確，可根據(jù)需要設(shè)計(jì)，其具體放大電路圖如圖2所示。

圖2 放大電路圖

傳感器輸出電壓為0mV-40.3mV，而ADC0832輸入電壓為0V-5V，由同相比例運(yùn)算放大電路的放大倍數(shù)公式可知：

則如果放大100倍，則取RF3=10KΩ, RF2=100Ω。

2.2 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路

作為單通道模擬信號(hào)輸入時(shí)ADC0832的輸入電壓是0～5V且8位分辨率時(shí)的電壓精度為19.53mV。如果作為由IN+與IN-輸入的輸入時(shí)，可是將電壓值設(shè)定在某一個(gè)較大范圍之內(nèi)，從而提高轉(zhuǎn)換的寬度。但值得注意的是，在進(jìn)行IN+與IN-的輸入時(shí)，如果IN-的電壓大于IN+的電壓則轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)結(jié)果始終為00H。轉(zhuǎn)換電路如圖3所示：

圖3 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路

2.3 溫度控制及過流保護(hù)電路

AT89S51對(duì)溫度的控制是通過可控硅調(diào)功電路實(shí)現(xiàn)的，雙向可控硅和加熱絲串接在交流220V、50Hz交流市電回路中。在給定的周期T內(nèi)，AT89S51只要改變可控硅管的接通時(shí)間便可改變加熱絲功率，以達(dá)到調(diào)解溫度的目的，可控硅在給定周期T內(nèi)具有不同接通時(shí)間的情況。顯然可控硅在給定周期T的100%時(shí)間內(nèi)接通時(shí)的功率最大，可控硅接通時(shí)間可以通過可控硅控制極上的觸發(fā)脈沖控制。

其中過功率保護(hù)電路有過流保護(hù)作用，電路圖與控制電路需一體連接確保電路完整性。具體溫度控制電路如下圖4所示。

圖4 溫度控制模塊設(shè)計(jì)圖

本次設(shè)計(jì)中就是使用了阻值為0.5Ω的采樣電阻用來監(jiān)測(cè)回路電流，并將其采樣電壓與標(biāo)準(zhǔn)電壓通過電壓比較器LM339N進(jìn)行比較，并將輸出端接到單片機(jī)外部中斷0的P3.2口，以保證當(dāng)系統(tǒng)電流超過額定值時(shí)系統(tǒng)可以及時(shí)作出反應(yīng)。

3 小結(jié)

對(duì)設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)和精度要求等因素組合考慮后，確定爐溫控制系統(tǒng)總體方案，緊接著在對(duì)元件庫(kù)，器件封裝，原理圖布置等硬件電路原理圖的繪制后，對(duì)其中放大電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、MOSFET溫控以及過功率保護(hù)等主要電路原理及功能闡述后，完成總體硬件電路圖。

[1]王兆安,劉進(jìn)軍.電力電子技術(shù)[M].機(jī)械工業(yè)出版社,2008.

[2]劉曉莉.模糊自校正控制在加熱爐溫度控制中的應(yīng)用[J].湘潭礦業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào),2001,4.

[3]童詩(shī)白.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].高等教育出版社,2006,5.