基于AT89S51单片机的保温炉温度控制系统

摘要：作为PCD复合片钎焊热处理设备的保温炉，其温度控制精度直接影响到PCD刀具的质量。因此，对温控精度较差的传统保温炉进行数字化改造具有重要的现实意义。本文设计并制造了一种基于 at89s51单片机的温度控制系统, 介绍了控制系统的基本组成和工作原理，比较详细地论述了系统的硬件电路、控制策略以及软件设计。用该系统对保温炉进行控制效果较好，能够满足PCD复合片钎焊保温工艺要求。

关键词： AT89S51；单片机；温度控制；PID控制；控制精度

Abstract:Holding furnace is the heat treatment equipment for the brazing of PCD compacts, and its temperature control accuracy can directly influence the quality of PCD cutting tools. Hence, the digital modification of the traditional holding furnaces, which have bad temperature control accuracy, is considered to have significance. A temperature control system of holding furnace based on AT89S51 Single Chip Microcomputer was designed in this paper. The structure and work principle of the temperature control system were presented. Meanwhile, the hardware, the software and the strategies of temperature control were mainly described. The results showed that this system, which was tested with holding furnace, could achieve quite good control performance and could satisfy the thermal insulation requirement of the brazing of PCD compacts.

Key words:AT89S51; Single Chip Microcomputer; Temperature control; PID control; Control accuracy

中图分类号：P184.5+3 文献标识码：A 文章编号：

引言

在PCD复合片钎焊过程中广泛使用着各种保温电阻炉，其温度控制精度直接影响到PCD刀具的质量。目前，国内有不少中小PCD刀具生产厂家使用的保温炉控制系统仍沿用上世纪80年代末至90年代初生产的温度控制仪表。这些传统自动控制仪表多采用热电偶加时间继电器、电位器的间断控制模式，其控制精度低、稳定性差、超调量大，导致生产的PCD刀具质量不稳定，不能满足PCD复合片焊后保温工艺要求。而利用单片机对保温炉的温度控制进行改造后的系统则具有温控精度高、稳定性好、成本低以及简单灵活等诸多优点，能够较好的满足生产要求。本文就国产SDG-4-9型电阻保温炉改造后的温度控制系统，简单介绍AT89S51单片机温度控制的设计原理。

1 系统组成与工作原理

改造后的保温炉控制系统原理如图1所示。单片机定时对炉温进行检测，经A/D转换芯片得到相应的数字量，送到单片机进行判断和运算，得到应有的控制量，以控制加热功率

使电阻炉的实际温度向着给定温度变化并最终达到给定温度，从而实现对温度的控制。

图1 温控系统原理图Fig.1 The principle of temperature control system

2 硬件电路设计

本系统硬件部分主要由AT89S51单片机、温度检测电路、温度控制电路以及8155、6116、AD574与单片机的接口电路组成。

2.1AT89S51单片机

图1中AT89S51为主控制器件。AT89S51是ATMEL公司生产的低功耗、高性能CMOS 8位单片机，片内含有4KB的EPROM和128字节的RAM，并含有看门狗定时器WDT。因此，既不需扩展外部ROM又可有效防止软件“跑飞”。作为本系统的CPU，AT89S51主要是根据读取的采样值计算出相应的控制输出量，并将该控制量输出去以控制保温炉温度。AT89S51还负责按键处理、数码管显示等工作。

2.2温度检测电路

根据PCD复合片焊后保温工艺要求，选用带有温度变送器的一体化铠装式K型热电偶作为炉温检测元件，其测温范围为0～600℃。热电偶所带温度变送模块直接安装在热电偶的接线盒内，其内含调零、冷端补偿和线性放大等电路，能将热电偶输出的电压信号转变成与所测温度成线性的4～20mA输出信号。由于采用二线制电流方式传送信号，所以不会受到传输线的压降、接触电势以及电压噪声等因素的影响，因此具有很强的抗电磁干扰能力。

一体化热电偶输出的电流信号经过I/V变换电路转换成0～10V电压信号，送到A/D转换器的模拟信号输入端。I/V变换电路主要由运放LM124构成，具体电路如图2所示。

图2 I/V变换电路Fig.2 I/V transform circuit

2.3温度控制电路

保温炉的温度控制是通过调节其输入电功率来实现的。本系统采用可控硅调功方式，并通过 MOC3061光耦过零触发驱动器实现对双向可控硅的过零触发[1]。MOC3061内部含有过零检测电路，在P1.4控制电压作用下，完成双向可控硅的触发导通。双向可控硅串接在50Hz交流电源和加热电阻丝中，通过改变给定周期内可控硅的接通时间，就能改变加热功率，从而实现温度调节的目的。单片机 P1.4口输出能控制可控硅通断时间的脉冲信号。P1.4=1时，关断可控硅；P1.4=0时，开启可控硅。

2.4外部接口电路

AT89S51外部接口电路主要有键盘/显示接口、外部数据存储器以及A/D转换器AD574等。

为处理因突发事件剧增的数据，外部设有2KB的数据存储器RAM6116，P2.3与其CE相连作为片选信号，P3.7和P3.6分别与OE和WE相连，作为读写信号，6116地址为：9000H～97FFH。

8155作为键盘/LED显示接口，当 P2.4=0，P2.5=0时选中它内部RAM工作；当 P2.4=0，P2.5=1时选中它的3个I/O端口工作，其地址分配为A口：A801H；B口：A802H；C口：A803H。8155外接4位LED显示器及16键小键盘。为减少硬件开销和提高系统可靠性，LED采用动态扫描显示，A口作为段选口，C口作为位选口。键盘接口电路中从C口输出作为行线，从B口输入作为列线，键盘工作采用行扫描法。键盘上设有0～9 10个数字键，6个功能键，以便于在线修改各项参数并且设置多个运行控制命令。

AD574将I/V电路输出的0～+10V范围的模拟电压信号转变成数字信号。AD574的12位数据分两次输出，P0.7～P0.0与其DB11～DB4相连，P0.7～P0.4与DB3～DB0相连。当P2.7=0，P3.6=0，P0.0=0， P0.1=0时CE=1，CS=0，R/C=0，A0=0，AT89S51启动A/D转换；当P2.7=0，P3.7=0，P0.0=1，P0.1=0时 R/C=1，A0=0，AT89S51读取经AD574转换后的高八位数字量，P0.1=1时A0=1，读取低四位。其地址分配为启动转换：7FFC；读转换高八位结果：7FFD；读转换低四位结果：7FFF。

3 控制策略

本系统采用工业上常用的PID控制法。所谓PID控制，就是按设定值与实测值之间偏差的比例、偏差的积累和偏差变化的趋势进行控制。在模拟系统中，PID算法的表达式为：

（1）

式中：为控制量；为偏差值，它等于给定量与实测量之差；为比例系数；为积分时间常数；为微分时间常数。

由于计算机只能处理数字信号，将式（1）离散化可得[2]：

（2）

上式即为位置式PID控制算法的表达式。其中，；；=++；=+；=。

（2）式中比例系数、积分系数和微分系数的选择取决于保温炉的阶跃响应特性和实际经验，工程上已经积累了不少行之有效的参数整定方法。例如，按归一化参数整定法进行整定[3]，即令采样周期= 0.1；= 0.5；= 0.125，其中为纯比例作用下的临界振荡周期，则有：= 0.2，= 1.25。从而可调整的参数只有一个，通过键盘输入反复调试值，可以得到满意的控制效果。本系统采用归一化整定法对相关参数进行整定，经反复调试，可取 = 3.8，采样周期= 5。

4 软件设计

4.1主程序设计

主程序流程如图3所示。主程序主要完成： T0初始化，参数输入，温度采样，PID计算与温度显示等。

图3 主程序流程图图4 T0中断服务程序框图

Fig.3 The flow chart of main program Fig.4 The flow chart of T0 interruption serve program

4.2T0中断服务程序

T0用于产生采样周期和可控硅通断周期，程序流程如图4所示。

4.3主要子程序

主程序中涉及的子程序主要有温度采样子程序、数字滤波子程序、PID计算子程序以及温度标度转换子程序等。

4.3.1温度采样子程序

采用单片机高级语言C51编写的AD574采样子程序如下所示：

int ad574(void)

{

int caiyang1=0, caiyang2=0;

XBYTE[7FFC]=0x0000; /* 启动A/D转换 */

while(P1.5= =1); /* 查询转换是否完成 */

caiyang1=XBYTE[7FFD] ; /* 读转换结果高八位 */

caiyang2=XBYTE[7FFF] ; /* 读转换结果低四位 */

caiyang1=(caiyang14) ; /* 调整、拼装成12位采样值*/

return(caiyang1) ;/* 返回采样值 */

}

4.3.2数字滤波子程序

所谓数字滤波，就是通过程序计算或判断以减少干扰在有用信号中的比重，用于滤去来自控制现场对采样值的干扰。本系统采用的是去极值平均滤波法[4]，即连续4次采样后累加求和，同时找出其中的最大值和最小值，再从其中减去最大值和最小值，最后对剩下的2个数据求平均，作为有效采样值。由于所测温度为慢变参数，所以采取一边采样一边处理的方法，这样可以节省数据存储区。滤波子程序框图如图5所示。

图5 数字滤波子程序框图 图6 PID子程序框图

Fig.5 The flow chat of digital filter sub-program Fig.6 The flow chart of PID sub-program

4.3.3PID计算子程序

PID计算采用位置式算法，其程序框图如图6所示。

4.3.4温度标度转换子程序

该程序的目的是要把实际采样的二进制值转换成BCD码形式的温度值，然后存放到显示缓冲区，供显示子程序调用。

对于一般线性仪表，标度转换公式为[5]：

（3）

式中：为参数测量值；为测量范围最大值；为测量范围最小值；为对应的A/D转换值；为对应的A/D转换值；为测量值对应的A/D转换值。本系统中，=0℃，=600℃，=0，=4095，故有：

（4）

根据上述表达式，即可编写出温度标度转换子程序。

5 结论

（1）用该系统对SDG-4-9型保温炉进行温度控制，运行结果表明，在温控范围为0～600℃时，系统最大超调量小于5℃，稳态误差不超过±1℃，因而系统具有精度高、稳定性好等特点。经该系统保温处理后的PCD刀具质量稳定，满足生产要求。

（2）在现场使用过程中，系统较快达到了设定温度值，显著缩短了工艺时间，从而提高了生产效率和设备利用率，节约了能源。

作者简介：朱朋飞(1983-)，男，湖北天门人，大连理工大学机械工程学院硕士研究生，研究方向为机械制造及自动化。

导师：李

参考文献

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