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单片机控制电阻炉温控系统
第一章 系统概述
1.1 AT89C51单片机性能介绍
AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。如图1。
图1 AT89C51引脚
1.1.1 主要特性
（1）与MCS-51 兼容
（2）4K字节可编程闪烁存储器
（3）寿命：1000写/擦循环数据保留时间：10年 （4）全静态工作：0Hz-24Hz （5）三级程序存储器锁定 （6）128*8位内部RAM （7）32可编程I/O线
（8）两个16位定时器/计数器 （9）5个中断源
（10）可编程串行通道
（11）低功耗的闲置和掉电模式 （12）片内振荡器和时钟电路
1.1.2 管脚说明
（1）P3.0RXD（串行输入口） （2）P3.1TXD（串行输出口） （3）P3.2/INT0（外部中断0） （4）P3.3/INT1（外部中断1）
（5）P3.4T0（计时器0外部输入） （6）P3.5T1（计时器1外部输入）
（7）P3.6/WR（外部数据存储器写选通） （8）P3.7/RD（外部数据存储器读选通）
（9）P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。
（10）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。
（11）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
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址的地位字节。
（12）/PSEN：外部程序存储器的选通信号。
(13)/EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。
1.2 传感器简介
传感器是能感受规定的被测量并按一定的规律将其转换成可用的输出信号的器件或装置。传感器的输出信号通常由是电量，它便于传输，转换，处理，显示等。通用的传感器由敏感元件和转换元件组成.如图2。
图2 传感器的基本组成框图
1.3 热处理设备的分类
按加温方法分可分为电热炉和燃料炉。
1.3.1 电热炉
这类设备通过电热元件通电发热而升温，调节加入炉子的电功率则改变炉内的温度。电功率的调节一般采用接触器通断控制、晶闸管移相触发或通断控制。
1.3.2 燃料炉
这类设备通过燃烧燃料发热而升温，调节加入炉子的燃料量则改变炉内的温度，如锅炉、焦炉等。常用的燃料有煤、燃气、重油等。燃料量的调节常利用阀门、翻版等实现。
1.4 系统的组成
系统由计算机、接口电路、外部设备等组成，如图3。控制对象的被测参数经传感器、变换器，转换成统一的标准信号，再经多路开关送到A／D转换器时行模数转换，转换后的数字量经接口送入计算机。
图3 系统组成基本框图
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1.5 温度控制的工艺要求
在工业生产中，对温度控制系统的要求，主要是保证炉温按规定的工艺曲线变化，超调小或无超调，稳定性好，不震荡，对系统的快速性要求不高。由以下四部分组成：
1.5.1 自然升温段
要求执行元件向加热炉输送最大能量，使加热炉全速升温到某一数值。
1.5.2 等速升（降）温度
要求加热炉在规定时间内等速从某个温度变换到另一个温度。
1.5.3 恒温段（保温段）
要求控制系统保证炉温在各种干扰下能稳定在允许范围内。
1.5.4 自然降温段
这一过程执行元件不再向炉子输送能量，让其自然冷却到某一温度。此时，微机只须监测炉温即可，有时甚至无须做任何工作。
第二章 系统总体方案设计
2.1 确定系统任务
设计任务：用一台单片机及其相应的组成部件组成电阻炉温的自动控制系统，测温范围为0~1300°C，使其控制系统控制的保温值的范围为：800～1000°C，超调量σ<=10%,静态误差ev<=2°C,恒温时间为50－100min，显示实际炉温和恒温时间，并要求对其主电路和控制电路设计相应的保护电路，使其安全可靠地工作。
2.2 系统组成与工作原理
电阻炉运行时，用热电偶连续检测其温度，热电偶电势经冷端补偿后，送入运算放大器，经放大，可得0—+2V范围内变化的直流电压信号。再由A/D变换器变为数字信号后，送给单片机89C51。由单片机的P2口引入。经处理后，一方面送往LED显示器，另一方面，与系统温度设定值比较，求出系统偏差值，其结果通过输入/输出口去改变控制脉冲宽度以此来调节双向晶闸管在一个固定的控制周期内的导通时间，从而可以控制电阻炉的平均输入功率，实现炉温控制。系统工作原理框图如图4。
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图4 系统工作原理框图
2.3 电阻炉的数学模型及炉温控制要求 2.3.1 数学模型
被控对象是一个电阻炉，它的传递函数可以表示为：Wp(s)=Ke，其中，
Tps?1Tp 表示对象惯性时间，K表示对象放大系数。
??s
2.3.2 炉温控制要求
一个电炉的炉温从加温开始到a点为自由升温段，当温度达到Ta后收入PID
控制，使炉温在超调满足给定指标的条件下进入保温段b－c，保温段时间为50－100min，c－d段为自然降温段，无需控制。根据炉温控制曲线，对各项品质指标的要求如下：过度过程时间：从升温到保温的时间：ts ≤100min；超调量σ：升温过程的温度最大值（TM）和要求保温值（To）之差与保温值之比：σ＝（TM－To）／To≤10%；静态误差ev ：保温段实际温度值T与要求保温值To之差与要求保温值To之比ev＝（T-To）/To≤2%。
第三章 硬件设计
硬件电路主要由模拟和数字两大部分组成。从功能模块上有：主机、电源部分、数据采集、键盘设置、显示电路、控制执行及越限报警。下面将具体介绍各部分。
3.1 主机的设计
主机选用ATMELL公司的MCS-51系列单片机89C51来实现，利用单片机软件编程灵活、自由度大的特点，力求用软件完善各种控制算法和逻辑控制。芯片如图5。
图5 89C51芯片引脚
3.2 电源部分
由于本系统所用到的一系列芯片的电源都是直流电源，而现实中用的都是交流电，故要把交流电整流成直流电，本设计运用的是桥式整流法把交流电整流成直流电，从而满足系统的要求。如图6。
3.3 温度检测及补偿放大电路
由于本系统要求的测温范围为0～1300℃,是不能选用热电阻作为传感器的，只能选热电偶，根据要测的温度范围，选用镍铬-镍硅热电偶作为温度传感器。
3.3.1 热电偶测温原理
两种不同材料的导体（或半导体）组成一个闭和回路，当两接点温度不同时，
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