基于A T 8 9 S 5 1的控制爐溫系統的硬件設計

山東科技大學電氣與自動化工程學院 楊 柳 崔明亮

基于A T 8 9 S 5 1的控制爐溫系統的硬件設計

山東科技大學電氣與自動化工程學院 楊 柳 崔明亮

本次設計主要完成了以下任務：由K型鎳鉻／鎳硅熱電偶進行爐溫采樣，由LM358芯片將微弱的電信號進行放大，經ADC0832芯片將模擬信號轉換成數字信號輸入到AT89S51單片機，輸出PWM波控制主回路電路的雙向可控硅的導通時間來控制功率；通過采樣電阻與電壓比較器LM339N設計了電阻絲過功率保護電路，從安全角度設計了聲光報警以防爐溫超限報警系統，從人機交互角度設計了數碼管顯示電路顯示實時溫度采集值。

單片機；PID算法；溫度測量；爐溫控制

1 系統的工作原理

電加熱爐隨著工業技術的發展和生產水平提高，已經冶金、化工和機械等各類工業控制中得到廣泛應用。在溫控系統中，需要將溫度變化對應轉換為電信號的變化，由于熱電偶的結構簡單，價格低廉，測量范圍寬，在高溫測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傳感器，其測溫范圍0℃-600℃，最高可測量999℃，爐溫控制系統原理圖如圖1所示。

圖1 爐溫控制系統原理圖

K型鎳鉻／鎳硅熱電偶將測量到的爐溫信號轉換成弱電壓信號，經過信號放大電路進行信號放大后，再通過A/D轉換器ADC0832轉變成數字信號，輸入單片機AT89S51并將檢測溫度通過數碼管顯示，在電爐溫度和設定溫度進行對比后，系統進行PI調節，通過控制可控硅導通時間來控制爐溫。

2 硬件選型

2.1 溫度測量放大電路設計

0℃-600℃的溫度對應0mV-40.3mV，K型鎳鉻／鎳硅熱電偶出來的mV級電壓，大概熱端變化1℃進行A/D轉換，必須進行放大處理。采用LM358運放組成放大器，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算放大器的場合。對幾十微伏變化信號測量比較精確，可根據需要設計，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，由同相比例運算放大電路的放大倍數公式可知：

則如果放大100倍，則取RF3=10KΩ, RF2=100Ω。

2.2 模數轉換電路

作為單通道模擬信號輸入時ADC0832的輸入電壓是0～5V且8位分辨率時的電壓精度為19.53mV。如果作為由IN+與IN-輸入的輸入時，可是將電壓值設定在某一個較大范圍之內，從而提高轉換的寬度。但值得注意的是，在進行IN+與IN-的輸入時，如果IN-的電壓大于IN+的電壓則轉換后的數據結果始終為00H。轉換電路如圖3所示：

圖3 模數轉換電路

2.3 溫度控制及過流保護電路

AT89S51對溫度的控制是通過可控硅調功電路實現的，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，AT89S51只要改變可控硅管的接通時間便可改變加熱絲功率，以達到調解溫度的目的，可控硅在給定周期T內具有不同接通時間的情況。顯然可控硅在給定周期T的100%時間內接通時的功率最大，可控硅接通時間可以通過可控硅控制極上的觸發脈沖控制。

其中過功率保護電路有過流保護作用，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 溫度控制模塊設計圖

本次設計中就是使用了阻值為0.5Ω的采樣電阻用來監測回路電流，并將其采樣電壓與標準電壓通過電壓比較器LM339N進行比較，并將輸出端接到單片機外部中斷0的P3.2口，以保證當系統電流超過額定值時系統可以及時作出反應。

3 小結

對設計技術指標和精度要求等因素組合考慮后，確定爐溫控制系統總體方案，緊接著在對元件庫，器件封裝，原理圖布置等硬件電路原理圖的繪制后，對其中放大電路、模數轉換電路、MOSFET溫控以及過功率保護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,劉進軍.電力電子技術[M].機械工業出版社,2008.

[2]劉曉莉.模糊自校正控制在加熱爐溫度控制中的應用[J].湘潭礦業學院學報,2001,4.

[3]童詩白.模擬電子技術基礎[M].高等教育出版社,2006,5.