基于单片机的电阻炉温度控制设计及仿真

湖湖 南南 科科 技技 大大 学学 毕业设计（论文）毕业设计（论文） 题目题目 基于单片机的电阻炉温度基于单片机的电阻炉温度 控制设计控制设计 作者作者彭彭 朗朗 学院学院信息与电气工程学院信息与电气工程学院 专业专业电气工程及其自动化电气工程及其自动化 学号学号 指导教师指导教师周少武周少武 二一二 年 六 月 五 日 湖南科技大学潇湘学院本科毕业设计（论文） I 基于单片机的电阻炉温度控制系统设计基于单片机的电阻炉温度控制系统设计 摘摘 要要 电阻炉是利用电流通过电阻体产生的热量来加热或熔化物料的一类电炉。电阻炉在化 工、冶金等行业应用广泛，因此温度控制在工业生产和科学研究中具有重要意义。 电阻炉由炉体、电气控制系统和辅助系统组成。炉体由炉壳、加热器、炉衬（包括隔 热屏）等部件组成。电气控制系统包括电子线路、微机控制、仪表显示及电气部件等。辅 助系统通常指传动系统、真空系统、冷却系统等，随炉种的不同而已。 本设计采用单片机作为数据处理与控制单元，用热电偶作为测量元件，用固态继电器 作为输出控制元件来实现对电阻炉温度自动控制。单片机控制 K 型热电偶温度传感器， 把温度信号通过 A/D 转换器采集到单片机里。单片机经数据处理、PID 运算，发出控制信 息改变执行模块的状态，同时用 LED 显示显示值 PV、设定值 SV。本设计通过 4 个按键 来进行人机交互和 LED 显示，进而使电阻炉的温度始终保持在要求范围内。 关键词关键词：单片机；温度；电阻炉； PID控制 湖南科技大学潇湘学院本科毕业设计（论文） II Res is tance Furnace Temperature Control Sys tem Based on Single chip Computer Abstract The resistance furnace is using the electric current through the resistance body heat generation to heating or melting of a class of materials electric stove. The resistance furnace in chemical industry, metallurgy industry, etc, so the temperature control is widely used in industrial production and scientific research of to have the important meaning. Resistance furnace, the furnace, the electric control system and auxiliary systems. Furnace shell, heater, by furnace lining (including insulation screen) and etc. Electrical control system including electronic circuits, microcomputer control, the instrument shows and electrical parts, etc. Auxiliary system usually refers to the transmission system, vacuum system, cooling system, etc, with the difference of the boiler. This design USES the single chip microcomputer as the data processing and the control unit, the thermocouples used as measuring element, with solid state relay as the output control elements to achieve resistance furnace temperature automatic control. Single-chip microcomputer control of the temperature sensor, K thermocouple temperature signal through the A/D converter collection to the chip. The single-chip microcomputer data processing, PID operation, a control information change executive module form, and the display value, in LED display PV, set data SV. This design through the 4 buttons for human-computer interaction and LED display, and the resistance furnace temperature remains in the requirements range. Key words：The resistance furnace; Temperature; SCM; PID control 湖南科技大学潇湘学院本科毕业设计（论文） III 目目 录录 摘 要 I ABSTRACTII 第一章 绪论1 1.1 温度控制系统设计的背景、发展历史及意义 1 第二章 系统总体方案设计与论2 2.1 温度控制系统的目的和功能 2 2.2 设计内容 2 2.3 系统设计方案的论证与比较 3 第三章 电阻炉温度控制系统硬件设计5 3.1 最小系统结构框图 5 3.1.1 单片机 5 3.1.2 单片机的主控单元 6 3.1.3 复位电路 8 3.1.4 时钟电路 9 3.2 温度采集与传感器10 3.2.1 放大电路12 3.2.2 温度传感器的选择13 3.2.3 热电偶温度信号的线性化15 3.2.4 A/D 转换电路 16 3.2.5 数字 PID 算法 18 3.3 人机交互电路20 3.3.1 按键20 3.3.2 显示电路22 3.4 串口通信25 3.5 输出电路设计26 湖南科技大学潇湘学院本科毕业设计（论文） IV 3.5.1 报警单元26 3.5.2 输出控制单元26 第 4 章 软件设计28 4.1 设计思路28 4.2 程序设计29 4.2.1 采样程序30 4.2.2 显示子序31 4.2.3 按键子程序32 4.2.4 PID 控制子程序 33 4.3 程序清单37 第五章 仿真 46 5.1 仿真说明 46 5.2 仿真结果 46 结 论 49 参考文献50 致 谢 51 附录：原理图 52 湖南科技大学潇湘学院本科毕业设计（论文） 1 第一章第一章 绪论绪论 1.11.1 温度控制系统设计的背景、发展历史及意义温度控制系统设计的背景、发展历史及意义 温度控制系统已应用到人们生活的各个方面，是与人们息息相关的一个实际问题。针 对这种实际情况，设计一个温度控制系统，具有广泛的应用前景与实际意义。 单片机在电子产品中的应用已经越来越广泛，在很多的电子产品中也用到了温度检测 和温度控制。随着温度控制器应用范围的日益广泛和多样，各种适用于不同场合的智能温 度控制器应运而生。 电阻炉是利用电流通过电阻体产生的热量来加热或熔化物料的一类电炉。它的特点： 电路简单；对炉料种类的限制少；（小型电阻炉可以加热食品、干燥木材等）； 炉温控制精度高；容易实现在真空或控制气氛中加热等特点。它适用于：机械零件 的淬火、回火、退火、渗碳、氮化等热处理 ；各种材料的加热、干燥、烧结、钎焊、 熔化等。电阻炉的主要参数有额定电压、额定功率、额定温度、工作空间尺寸。电阻炉按 炉温不同可以分为低温电阻炉(600700以下)、中温电阻炉(7001200)、高温电阻 炉(1200以上)。 电阻炉被广泛应用在冶金、机械、石油化工、电力等工业生产中，在很多生产过程中， 温度的测量和控制与生产安全、生产效率、产品质量、能源节约等重大技术经济指标紧紧 相连。因此各个领域对电阻炉温度控制的稳定性、可靠性、精度等要求也越来越高，温度 测量控制技术也成为现代科技发展中的一项重要技术。 温度控制技术的发展经历了三个阶段：1、定值开关控制；2、PID控制；3、智能控制。 PID控制温度的效果主要取决于P、I、D三个参数。PID控制大滞后、大惯性、时变温度系 统时，其控制品质难以保证。电阻炉是由电阻丝加热升温，靠自然冷却降温，PID控制对 小型电阻炉的温度控制效果良好。 本文以电阻炉为控制对象，以单片机为硬件核心，利用单片机使电阻炉的温度维持在 一个稳定的范围。 湖南科技大学潇湘学院本科毕业设计（论文） 2 第二章第二章 系统总体方案设计与论证系统总体方案设计与论证 2.12.1 温度控制系统的目的和功能温度控制系统的目的和功能 温度是一个非常重要的物理量，因为它直接影响燃烧、化学反应、发酵、烘烤、煅烧、 蒸馏、浓度、挤压成形、结晶以及空气流动等物理和化学过程。温度控制失误就可能引起 生产安全、产品质量、产品产量等一系列问题。因此对温度的检测的意义就越来越大。温 度采集控制系统在工业生产、科学研究和人们的生活领域中，得到了广泛应用。在工业生 产过程中，很多时候都需要对温度进行严格的监控，以使得生产能够顺利的进行，产品的 质量才能够得到充分的保证。使用自动温度控制系统可以对生产环境的温度进行自动控制， 保证生产的自动化、智能化能够顺利、安全进行，从而提高企业的生产效率。 温度采集控制系统是在嵌入式系统设计的基础上发展起来的。嵌入式系统虽然起源于 微型计算机时代，但是微型计算机的体积、价位、可靠性，都无法满足广大对象对嵌入式 系统的要求，因此，嵌入式系统必须走独立发展道路。这条道路就是芯片化道路。将计算 机做在一个芯片上，从而开创了嵌入式系统独立发展的单片机时代。单片机诞生于二十世 纪七十年代末，经历了SCM、MCU和SOC三大阶段。 2.22.2 设计内容设计内容 本设计的内容是电阻炉温度控制系统，控制对象是温度。温度控制在日常生活及工业 领域应用相当广泛。而以往温度控制是采用模拟信号，这种控制精度低，维护工作量大， 易出故障，现在采用数字化仪表，精度高。 本设计是对电阻炉温度进行实时监测与控制，设计的温度控制系统实现了基本的温度 控制功能：当电阻炉温度低于设定下限温度时，系统对电阻炉发出加热信号，使电阻炉温 度上升，当电阻炉温度高于设定上限温度时，系统使电阻炉停止加热，使温度下降，当电 子流温度下降到下限温度以下时，系统发出信号使电阻炉继续加热。不断重复该过程，使 温度始终保持在上下限温度之间。LED灯即时显示温度。 2.32.3 系统设计方案的论证与比较系统设计方案的论证与比较 湖南科技大学潇湘学院本科毕业设计（论文） 3 根据题目要求，温度控制器是由核心处理模块、温度采集模块、键盘显示模块、及控 制执行模块等组成，所以本设计要考虑这些模块器件的选型以及所设计出来的温度控制器 的可行性，其主要有以下几种设计方案。 方案一：采用8031作为控制核心,以使用最为普遍的器件ADC0809作模数转换,控制上 使用对电阻丝加电使其升温。此方案在理论上是可行的，所选器件的价格便宜，但8031内 部没有程序存储器,需要内存扩展，增加了电路的复杂性，且ADC0809是8位的模数转换,转 换的精度很低，一般不能满足控制的要求。 方案二：采用比较流行的AT89C52作为电路的控制核心,AT89C52是一种低功耗、高 性能CMOS8位微控制器。数据的采集部分采用K型热电偶传感器，数据转换部分采用 ADC0832，它改变传统温度测试方法,能在现场采集温度数据,并直接将温度物理量变换为 数字信号传送到计算机进行数据处理,测试温度范围为- 270 + 1300。可应用于各种 领域、各种环境的自动化测试和控制系统,使用方便灵活,测试精度高,优于任何传统的温度 数字化、自动化测控设备。控制电路部分采用固态继电器以实行对被控温度的控制,此方 案电路简单并且可以满足一般的控制要求。 方案三：采用PLC作为控制电路的核心，其他部分的电路采用和方案二同样的设计。 这种方案不仅具有和方案二同样的控制精度，而且整个电路的稳定性比方案二更高，但是 PLC的价格远远高于单片机，其不适合大批量的生产，所以考虑到价格因素，此种方案不 宜选择。 综上分析,我们采用方案二。系统由单片机AT89C52、温度检测电路、键盘显示、显 示电路、温度控制电路等部分组成。 在系统中，利用热电偶测得电阻炉实际温度并转换成毫伏级电压信号。该电压信号经 过温度检测电路转换成与炉温相对应的数字信号进入单片机，单片机进行数据处理后，通 过液晶显示器显示温度，同时将温度与设定温度比较，根据设定计算出控制量，根据控制 量通过控制继电器的导通和关闭从而控制电阻丝的导通时间，以实现对炉温的控制。 系统设计总体框图如下图2-1所示： 湖南科技大学潇湘学院本科毕业设计（论文） 4 电 阻 炉 温度检测 电路 传感器 键盘 固态继电器LED显示 AT89C52 单片机 指示灯 图2-1 控制器设计总体框图 在本系统的电路由四部分组成: (1)控制部分主芯片采用单片机AT89C52； (2)显示部分采用4位LED数码管实现温度显示； (3)温度采集部分采用K型热电偶传感器； (4)温度控制部分采用固态继电器。 根据温度变化慢，并且控制精度不易掌握的特点，我们设计了以AT89C52单片机为检 测控制中心，将温度控制在设定的范围之内。 其主要的控制原理为：对被控对象的温度进行实时采集，其主要是通过热电偶传感器 将温度转变成模拟电信号，并由A/D转换器ADC0832将所得的模拟量转变成数字量送入单 片机中。单片机将传感器所采集到的温度和事先设定的温度进行对比，当小于设定值时将 发出信号启动加热装置；当大于设定值时将关闭加热装置，从而使得被控温度控制在一定 的范围之内，达到实时控制的功能。 整个控制器主要有以下功能： (1)被控温度可以根据实际的需要设定； (2)实时显示当前温度值； (3)按键控制：a、设置复位键、加一键、减一键、确定键；b、修改P、I、D系数； (4)越限报警。 湖南科技大学潇湘学院本科毕业设计（论文） 5 第三章第三章 电阻炉温度控制系统硬件设计电阻炉温度控制系统硬件设计 3.13.1 最小系统结构框图最小系统结构框图 本系统以 AT89C52 单片机为核心，本系统选用 12MHZ 的晶振，使得单片机有合理 的运行速度,复位电路为按键高电平复位。AT89C52 单片机最小系统电路设计如图 3-1 所 示： 图 3-1 AT89C52 单片机最小系统 3.1.1 单单片片机机 在多数电子设计当中，基于性价比的考虑，8 位单片机仍是首选。AT89C52 是一种低 功耗/低电压、高性能的 8 位单片机。片内带有一个 8KB 的 Flash 可编程、可擦除只读存 储器（EPROM）。它采用了 CMOS 工艺和 ATMEL 公司的高密度非易失性存储器 （NURAM）技术，而且其输出引脚和指令系统都与 MCS-51 兼容、片内的 Flash 存储器 湖南科技大学潇湘学院本科毕业设计（论文） 6 允许在系统内改编程序或用常规的非易失性存储器编程器来编程。因此，AT89C52 是一 种功能强、灵活性高，且价格合理的单片机，可方便地应用在各种控制领域。基于上述这 些特点，这里选择 AT89C52 单片机作为控制核心。 3.1.2 单单片片机机的的主主控控单单元元 本部分主要介绍单片机最小系统的设计。单片机系统的扩展，一般是以基本最小系统 为基础的。所谓最小系统，是指一个真正可用的单片机最小配置系统，对于片内带有程序 存储器的单片机，只要在芯片外接时钟电路和复位电路就是一个小系统了。小系统是嵌入 式系统开发的基石。本电路的小系统主要由三部分组成，一块AT89C52芯片、复位电路及 时钟电路。 AT89C52单片机：AT89C52是美国ATMEL公司生产的低功耗，高性能CMOS8位单片 机，器件采用ATMEL公司的高密度，非易失性存储技术生产，兼容标准8051指令系统及 引脚。4K 字节可系统编程的Flash 程序存储器，128字节内部RAM，32个I/O口线，看门 狗(WDT)，两个数据指针，两个16位定时/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工 串行通信口，片内振荡器及时钟电路。同时，AT89C52停止CPU的工作，但允许RAM、 定时/计数器、串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器 停止工作，并禁止其它所有部件工作，直到下一个硬件复位。 AT89C52 单片机的引脚说明 VCC：供电电压； Vss：接地。 P0是一个8位双向I/O端口，端口置1时作高阻抗输入端，作为输出口时能驱动8个TTL 电平。对内部Flash程序存储器编程时，接收指令字节；校验程序时输出指令字节，需要接 上拉电阻。在访问外部程序和外部数据存储器时，P0口是分时转换的地址(低8位)/数据总 线，访问期间内部的上拉电阻起作用。 P1是一个带有内部上拉电阻的8 位准双向I/0端口。输出时可驱动4个TTL电平。端口 置1时，内部上拉电阻将端口拉到高电平作输入用。对内部Flash程序存储器编程时，接收 低8位地址信息。 P2是一个带有内部上拉电阻的8位准双向I/0端口。输出时可驱动4个TTL电平。端口置 1 时，内部上拉电阻将端口拉到高电平作输入用。对内部Flash程序存储器编程时，接收高 湖南科技大学潇湘学院本科毕业设计（论文） 7 8位地址和控制信息。在访问外部程序和16位外部数据存储器时，P2口送出高8位地址。而 在访问8位地址的外部数据存储器时其引脚上的内容在此期间不会改变。 P3 口：P3 口管脚是 8 个带内部上拉电阻的双向 I/O 口，可接收输出 4 个 TTL 门 电流。当 P3 口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于 外部下拉为低电平， P3 口将输出电流（ ILL）这是由于上拉的缘故。 P3 口也可作为 STC89C52 的一些特殊功能口，如下所示： P3.0 /RXD（串行输入口）； P3.1 /TXD（串行输出口）； P3.2 /INT0（外部中断 0）； P3.3 /INT1（外部中断 1）； P3.4 T0（记时器 0 外部输入）； P3.5 T1（记时器 1 外部输入）； P3.6 /WR（外部数据存储器写选通）； P3.7 /RD（外部数据存储器读选通）； P3 口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。 RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST 脚两个机器周期的高电平时 间。 ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地 位字节。在 FLASH 编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时， ALE 端以不变的 频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的 脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个 ALE 脉冲。如想禁止 ALE 的输出可在 SFR8EH 地址上置 0。此时，ALE 只有在执行 MOVX，MOVC 指令是 ALE 才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在 外部执行状态 ALE 禁止，置位无效。 PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取值期间，每个机器周 期两次/PSEN 有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的 /PSEN 信号将不出现。 湖南科技大学潇湘学院本科毕业设计（论文） 8 EA/VPP：当/EA 保持低电平时，则在此期间外部程序存储器，不管是否有内部程 序存储器。注意加密方式 1 时 EA 将内部锁定为 RESET；当/EA 端保持高电平时，此 间内部程序存储器。在 FLASH 编程期间，此引脚也用于施加 12V 编程电源（ VPP）。 XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 XTAL2：来自反向振荡器的输出。 振荡器特性： XTAL1 和 XTAL2 分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片 内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2 应 不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉 宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。 本设计 STC89C52 单片机的 P14、P15、P16、P17 口接的是四位按键， P1.0 口 和 P1.1 口接 LED 显示，X1 和 X2 接的是晶振电路， RESET 接复位电路。 3.1.3 复位电路复位电路 计算机在启动运行的时候都需要复位，使中央处理器 CPU 和系统中的其他部件都处 于一个确定的初始状态，并且从这个初始状态开始工作。单片机的复位是靠外部电路实现 的，MCS-51 单片机有一个复位引脚 RST，高电平有效。MCS-51 单片机通常采用上电自 动复位和按钮复位两种。复位电路的基本功能是系统上电时，RC 电路充电，RST 引脚出 现正脉冲，提供复位信号直至系统电源稳定后，撤销复位信号，为可靠起见，电源稳定后 还要经一定的延时，才撤销复位信号，以防电源开关或电源插头分合过程中引起的抖动而 影响复位。RC 复位电路可以实现上述基本功能。调整 RC 常数会令对驱动能力产生影响。 复位电路如下图 3-2 所示： 湖南科技大学潇湘学院本科毕业设计（论文） 9 图 3-2 复位电路图 3.1.4 时钟电路时钟电路 时钟电路提供单片机的时钟控制信号，单片机时钟产生方式有内部时钟方式和外部时 钟方式。最常用的是内部时钟方式是采用外接晶振和电容组成的。 时钟振荡电路如图3-3所示： 123456 A B C D 654321 D C B A T itle Num berRevisionSize B Date:17-Jun-2011Sheet of File:F:三三三三三三三三99三三三x dd.DDB Drawn By: C7 30PF C6 30PF Y1 11.0592M HZ J1 J2 J1 J2 图 3-3 时钟振荡电路 单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反向放大器，引脚 XTAL1 和引脚 XTAL2 分别是反相放大器的输入端和输出端，由这个放大器与作为反馈元件的片外晶体或陶瓷谐 振器一起构成一个自己振荡器，这种方式形成的时钟信号称为内部时钟方式。系统的时钟 电路设计是采用的内部方式，即利用芯片内部的振荡电路。内部方式时，时钟发生器对振 荡脉冲二分频，如晶振为 12MHz，时钟频率就为 6MHz。晶振的频率可以在 1MHz- 24MHz 内选择。电容取 30PF 左右。因此，此系统电路的晶体振荡器的值为 12MHz，电 容应尽可能的选择陶瓷电容，电容值为 30F。在焊接刷电路板时，晶体振荡器和电容应 尽可能安装得与单片机芯片靠近，以减少寄生电容，更好地保证震荡器稳定和可靠地工作。 XTAL1 是片内振荡器的反相放大器输入端，XTAL2 则是输出端，使用外部振荡器时，外 部振荡信号应直接加到 XTAL1，而 XTAL2 悬空。 湖南科技大学潇湘学院本科毕业设计（论文） 10 3.2 温度采集与传感器温度采集与传感器 图3-4 热电偶传感器 温度检测是本次设计前向通道的重要组成部分，它的精确程度将直接影响到控制效果。 因此，我们首先要选择合适的测温元件，对温度进行准确的测量。 热电偶的冷锻温度补偿有四种方法：补偿导线法；冷端补偿法；计算修正法；电桥补 偿法。 补偿导线法： 湖南科技大学潇湘学院本科毕业设计（论文） 11 图 3-5 补偿导线法的连接图 冷端补偿法： （1）将热电偶的冷端置于放有冰水混合物的冰瓶中，使冷端温度保持 0不变的方 法称为冰浴法。采用这种方法可以消除冷端温度 t0不等于 0而引起的误差。由于冰融化 比较快，因而一般只适合在实验室中使用。 （2）将热电偶的冷端置于电热恒温器中，恒温器的温度要略高于环境温度的上限。 （3）将热电偶的冷端置于恒温的空调房间中，使冷端温度保持恒定。 计算修正法： 当热电偶的冷端温度 t0 0C 时，由于热端与冷端的温差随冷端的变化而变化，所以 测得的热电势 EAB（t，t0）与冷端为 0 C 时所测得的热电势 EAB（t，0C）不等。若冷端 温度高于 0 C，则 EAB（t，t0）EAB（t，0 C）。可以利用下式计算并修正测量误差： EAB（t,0C）= EAB（t,t0）+ EAB（t0,0C） 电桥补偿法： 湖南科技大学潇湘学院本科毕业设计（论文） 12 图 3-6 电桥补偿法的接线图 本次设计采用计算修正法。 3.2.1 放放大大电电路路 运算放大器使所有的线性电路中最重要的基本构件。他在如饮品功率放大器、定时器、 稳压器、传感测试电路等领域具有广泛的应用。 运算放大器这一术语最早应用于在模拟计算机中执行默写数学运算的下限频率为零赫 兹的高增益放大器。这种高增益放大器现在已广泛用于各个方面，即使不再涉及数学运算， 但通常仍成为运算放大器或 op-amp。早期的运算放大器使用分立元件，但现在使用集成 电路就更为方便了。电路设计者对集成电路内部元件不感兴趣，而只关心作为一个整体的 单元性能。因此，图 3-7 所示的符号用来表示运算放大器。由图可以看出，运算放大器有 2 个输入端，一个输出和连接正、负电源线端子。 + - 同向输入端 反向输入端 输出 正电源 负电源 1 2 4 36 5 7 8 图 3-7 运算放大器的符号 图 3-8 运算放大器的封装 湖南科技大学潇湘学院本科毕业设计（论文） 13 3.2.2 温度传感器的选择温度传感器的选择 传感器是检测系统的第一个环节，其主要作用是将感知的被测非电量按照一定的规律 转化为某一量值输出，通常是电信号。也就是说，传感器是借检测元件（敏感元件）将被 测对象的一种信息按一定的规律转换成另一种信息的器件或装置。传感器所获取的信息通 常有物理量、化学量和生物量等，而经传感器转换后的信息多数为电量，如电阻、电容、 电感、电压、电流及频率与相位的变化等，它是实现自动化检测和自动控制的首要环节。 传感器将被测信息如温度、压力、流量等转换成电信号输出，一般称为一次变换。一 般情况下经过一次变换后的信息具有以下特点： （1） 输出电信号通常为模拟量； （2） 输出电信号一般较微弱； （3） 输出电信号的信号噪声比较小，甚至有用信号淹没在噪声之中； （4） 传感器的输入输出特性通常存在一定的非线性，并易受环境温度及周围电磁干 扰的影响； （5） 传感器的输出特性与电源的定性等有关，通常要求恒压或恒流供电。 本部分主要是论证温度传感器的选型。传感器的选择受到很多因素的影响，首先是各 种温度传感器自身的优缺点，其次是各种不同的环境因素，还有就是系统所要求实现的精 度等，所以在不同的设计当中温度传感器的选择也将不同。 方案一：热电偶传感器 热电偶传感的原理是将温度变化转换为电势变化。它是利用两种不同材料的金属连接 在一起，构成的具有热电效应原理的一种感温元件。其优点为精确度高、测量范围广、构 造简单、使用方便，型号种类比较多且技术成熟等。目前广泛应用于工业与民用产品中。 热电偶传感器的种类很多，在选择时必须考虑其灵敏度、精确度、可靠性、稳定性等条件。 方案二：热电阻传感器 热电阻传感器的原理是将温度变化转换为电阻值的变化。热电阻传感器是中低温区最 常用的一种温度传感器。它的主要特点是：测量精度高，性能稳定。其中铂热电阻的测量 精度是最高的，不仅广泛应用于工业测温，而且被制作成标准的基准仪。从热电阻的测温 原理可以知道，被测温度的变化是直接通过热电阻阻值的变化来表现的。因此，热电阻的 湖南科技大学潇湘学院本科毕业设计（论文） 14 引出线的电阻的变化会给测温带来影响。为消除引线电阻的影响，一般采用三线制或四线 制。热电阻测温系统一般由热电阻、连接导线、显示仪表组成。 方案三：半导体集成模拟温度传感器 半导体IC温度传感器是利用半导体PN 结的电流、电压与温度变换关系来测温的一种 感温元件。这种传感器输出线性好、精度高，而且可以把传感器驱动电路、信号处理电路 等，与温度传感器部分集成在同一硅片上，体积小，使用方便，应用比较广泛的有AD590 等。IC温度传感器在微型计算机控制系统中，通常用于室温或环境温度的检测，以便微型 计算机对温度测量值进行补偿。 方案四：半导体集成数字温度传感器 随着科学技术的不断进步和发展，新型温度传感器的种类繁多，应用逐渐广泛，并且 开始由模拟式向着数字式、单总线式、双总线式、多总线式发展。数字温度传感器，更因 适合与各种微处理器的I/O接口相连接，组成自动温度控制系统，这种系统克服了模拟传 感器与微处理器接口时需要信号调理电路和A/D转换器的弊端，被广泛应用于工业控制、 电子测温、医疗仪器等各种温度控制系统中，数字温度传感器中比较有代表性的有 DS18B20等。 PT100与AD590都不能与单片机的I/O口直接相连，需要设计信号调理电路，A/D转换 电路。而DS18B20是数字温度传感器，并且采用单总线技术，使该传感器不但可以直接与 单片机I/O口相连，并且只需要一个I/O就可以连接多个温度传感器，实现多点温度测量与 控制。所以使用数字温度传感器DS18B20不但可以节约单片机I/O口，还能使系统设计成 本降低。但是DS18B20的测温范围仅限-55+125，而电阻炉的温度大约在一千度左右， 所以从测温范围的大小、精度要求以及价格等多方面因素综合考虑，最终选择K型热电偶 传感器。K型（镍铬镍硅）热电偶可测量1300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。 热电偶的结构形式是热电极，绝缘材料和保护管，并与显示仪表、记录仪表或计算机 等配套使用。在现场使用中根据环境，被测介质等多种因素研制成适合各种环境的热电偶。 热电偶简单分为装配式热电偶，铠装式热电偶和特殊形式热电偶；按使用环境细分有耐高 温热电偶，耐磨热电偶，耐腐热电偶，耐高压热电偶，隔爆热电偶，铝液测温用热电偶， 循环硫化床用热电偶，水泥回转窑炉用热电偶，阳极焙烧炉用热电偶，高温热风炉用热电 湖南科技大学潇湘学院本科毕业设计（论文） 15 偶，汽化炉用热电偶，渗碳炉用热电偶，高温盐浴炉用热电偶，铜、铁及钢水用热电偶， 抗氧化钨铼热电偶，真空炉用热电偶，铂铑热电偶等。 3.2.3 热电偶温度信号的线性化热电偶温度信号的线性化 热电偶温度信号非线性是比较大的，如 B 型热电偶，从 0C 升高到 1800C，热电势 从 0mV 变化到 13.585mV，每 100C 热电势增加最大的约为最小的 8 倍。B 偶的最大输出 热电势只有 13.585mV，而且当温度升高到约 1700C 时，该增加值下降。其它热电偶都存 在类似的问题，尽管稍有不同。这又给线性化增加了难度。从这一特性出发，热电偶温度 信号的线性化主要有如下几种方法。 (1)单反馈法：利用负反馈，可以改善其线性，但是很有限。几种非线性稍小的热电偶 ，可以采用这种方法，特别是在温区要求不宽的情况下。有时，由于在其一温区有精度要 求，那么就在该温区对信号进行调理，达到要求的目标；在其它温区可以放宽精度要求， 甚至不要求，只作监视用。 (2)折线近似法：这是一种对非线性较大的信号处理的较好的方法。处理得好可以达到 较高的精度。这种方法普遍适用于各种热电偶的整个正信号温区。 + - IC 3 R 1 R 2 R 3 R 7 R ES 2 R 4 R ES 2 R 5 R ES 2 R 9 R ES 2 R 8 R ES 2 R 10 R ES 2 R 6 R ES 2 D 1 D 2 Q ? N PN 1 + - IC 2 + - IC 1 V CC 图 3-9 折线近似法 湖南科技大学潇湘学院本科毕业设计（论文） 16 该种方法的电路原理图如图 3-9 所示。该电路的工作过程是：当输入的电压信号较低 时，IC1 中的反相端电压较同相端(A)低得多（同相端的电压大小是根据线性化要求设定的， B 点同样），IC1 的输出端电压较高，D1 截止。当输入信号电压接近 IC1 的同相端时， IC1 的输出逐渐降低，随之，D1 逐渐导通，V4 逐渐增大，直到 V4 接近 A 点电压为止。 这就有效地限制了热电偶信号迅速增加，降低了非线性。IC2 的工作过程与此类似，不同 的是 B 点电位比 A 点高。当输入电压在 A 点电压以下时，D2 截止，IC2 不工作；只有当 输入电压高于 A 点电压或接近 B 点电压时 IC2 才工作。工作过程与 IC1 相同。所用折线 的段数是根据精度要求决定的。对于热电偶信号处理来说，有三段就可以使精度达到 0.5%以 上。 3.2.4 A/D 转换电路转换电路 本设计中温度检测电路输出信号为模拟量，要想将检测数据送入单片机，必须将其转 换为数字信号，这里选用集成 A/D 转换器ADC0832。 A/D 转换电路用来把连续的模拟信号转变成数字形式，即二进制数。实际的转换过程 包括在特定时刻的信号采样并保持其值直到一个稳定信号被输入到模/数转换器即止。模/ 数转换器产生的二进制数通过微机的输入通道进入微型机。复杂的硬件或具有合适的软件 指令的简单硬件都可能实现模数转换。软件的使用会降低模数转换过程的速度。高速模数 转换的整个过程均需要使用硬件。用于特定用途的模/数转换器可按其精度和速度分类。 出于各种实用的目的，模/数转换器可视为一个黑盒子，它能把在一定范围取任意连 续值的模拟电压转换成离散的二进制代码。模拟电压转换得到的二进制码的数值取决于模 /数转换器的位数。一个 N 位模/数转换器将提供 2N个离散代码来代表输入的模拟电压。大 多数模/数转换器基于逐次逼近和双斜式转换技术。N 位的逐次逼近模/数转换器涉及 N 次 比较操作。每次比较可以产生该位确切的二进制值(0 或 1)。最先产生的为最高位，最后产 生的则是最低位。第一次比较时，用输入的电压与参考信号电压的一半(1/22)进行比较。 如果输入电压大于参考信号的一半，那么最高位置为 1，否则置为 0。假定输人电压大于 参考信号的一半，对 8 位 ADC 来说，第一次比较将产生二进制码。下一步是把参考电压 的四分之一(1/22)迭加到由上面代码产生的电压上，并再次用它与输入电压比较。根据这 次比较，产生的二进制代码将是(模拟输入电压大于代码电压时)，或者是(模拟输入电压小 湖南科技大学潇湘学院本科毕业设计（论文） 17 于代码电压时)。接着把参考电压的八分之一(1/23)迭加到第二位转换后的二进制代码所产 生的电压上，把迭加后 的电压与输入模拟电压比较以确定第三位的二进制值。这个过程 重复进行 N 次(模数转换器的位数)。因此对于第 N 位，由第 N-1 位产生的代码得到的电压 被迭加到 1/2N倍的参考电压后，并且让它与输入电压比较以决定第 N 位的二进制值。 本设计采用的 A/D 转换器为 ADC0832 一ADC0832 简介 ADC0832是美国国家半导体公司生产的一种8位分辨率、双通道A/D转换芯片。由于 它体积小，容性强，性价比高而深受单片机爱好者及企业欢迎，其目前已经有很高的普及 率。ADC0832具有以下特点：8位分辨率；双通道A/D转换；输入输出电平与TTL/CMOS 相兼容；5V电源供电时输入电压在05V之间；工作频率为250KHZ，转换时间为32S；一 般功耗仅为15mW；8P、14PDIP（双列直插）、PICC多种封装；商用级芯片温宽为0 C+70C，工业级芯片温宽为40C+85C； 图3-11 ADC0832引脚图 二信号引脚 ADC0832引脚如图3-11所示。 CS 片选使能，低电平芯片使能。 CH0 模拟输入通道0，或作为IN+/-使用。 CH1 模拟输入通道1，或作为IN+/-使用。 GND 芯片参考0电位（地）。 DI 数据信号输入，选择通道控制。 湖南科技大学潇湘学院本科毕业设计（论文） 18 DO 数据信号输出，转换数据输出。 CLK 时钟信号。ADC0832的内部没有时钟电路，所需时钟信号由外界提供，因此有 时钟信号引脚。通常使用频率为500KHz的时钟信号。 VREF参考电源参考电压用来与输入的模拟信号进行比较，作为逐次逼近的基准。 其典型值为+5V(Vref(+)=+5V, Vref(-)=-5V)。 三单片机与ADC0832的接口 ADC0832为8位分辨率A/D转换芯片，其最高分辨可达256级，可以适应一般的模拟量 转换要求。其内部电源输入与参考电压的复用，使得芯片的模拟电压输入在05V之间。 芯片转换时间仅为32S，据有双数据输出可作为数据校验，以减少数据误差，转换速度快 且稳定性能强。独立的芯片使能输入，使多器件挂接和处理器控制变的更加方便。通过DI 数据输入端，可以轻易的实现通道功能的选择。 123456 A B C D 654321 D C B A Title NumberRevisionSize B Date:2-Jun-2003 Sheet of File:H:三三99三三三xdd.DD BDrawn B y: CH 0 2 CH 1 3 CS 1 CL K 7 DI 5 VR EF 8 DO 6 U2 AD C0832 VC C P20 P31 P20 CH 0 图3-11 ADC0832与单片机的连接 正常情况下ADC0832与单片机的接口应为4条数据线，分别是CS、CLK、DO、DI。 但由于DO端与DI端在通信时并未同时有效并与单片机的接口是双向的，所以电路设计时 可以将DO和DI并联在一根数据线上使用。ADC0832与单片机的连接如上图3-11所示。 当ADC0832未工作时其CS输入端应为高电平，此时芯片禁用，CLK和DO/DI的电平可 任意。当要进行A/D转换时，须先将CS使能端置于低电平并且保持低电平直到转换完全结 束。此时芯片开始转换工作，同时由处理器向芯片时钟输入端CLK输入时钟脉冲，DO/DI 端则使用DI端输入通道功能选择的数据信号。在第1个时钟脉冲的下沉之前DI端必须是高 电平，表示启始信号。 湖南科技大学潇湘学院本科毕业设计（论文） 19 3.2.5 数数字字 PID 算算法法 PID 调节的一般步骤： a.确定比例增益 P：确定比例增益 P 时，首先去掉 PID 的积分项和微分项，一般是令 Ti=0、Td=0（具体见 PID 的参数设定说明），使 PID 为纯比例调节。输入设定为系统允 许的最大值的 60%70%，由 0 逐渐加大比例增益 P，直至系统出现振荡；再反过来，从 此时的比例增益 P 逐渐减小，直至系统振荡消失，记录此时的比例增益 P，设定 PID 的比 例增益 P 为当前值的 60%70%。比例增益 P 调试完成。 b.确定积分时间常数 Ti 比例增益 P 确定后，设定一个较大的积分时间常数 Ti 的初值，然后逐渐减小 Ti，直 至系统出现振荡，之后在反过来，逐渐加大 Ti，直至系统振荡消失。记录此时的 Ti，设 定 PID 的积分时间常数 Ti 为当前值的 150%180%。积分时间常数 Ti 调试完成。 c.确定积分时间常数 Td 积分时间常数 Td 一般不用设定，为 0 即可。若要设定，与确定 P 和 Ti 的方法相同， 取不振荡时的 30%。 d.系统空载、带载联调，再对 PID 参数进行微调，直至满足要求