89C51单片机电阻炉炉温控制系统设计+源程序(4)
2. 硬件系统设计
2.1 温度输入电路
温度信号输入通道的原理图如图3所示。电路主要由温度传感器、运算放大器和模/数(A/D)转换器三部分组成。本方案比采用温度变送器的方案结构简单、体积小、价格低。
图3 温度信号输入通道的原理图
2.2 执行信号输出电路
为了简化输出通道的硬件结构，考虑到加热系统具有较大的热惯性，即一阶惯性纯滞后特性动态特性，本系统采用脉冲宽度调制(PWM)的控制方法。单片机输出控温信号：输出高电平时，使双向可控硅导通，电热丝通电；输出低电平时，双向可控硅截止，电热丝断电。脉冲宽度T1与周期T的比值为P，它反映了系统的输出控制量[7]。
执行信号输出通道的原理如图4所示，单片机系统AT89C51的P2.5口输出信号经过光电耦合器，直接控制双向可控硅的门极，从而控制电热丝的平均加热功率。这样不仅大大简化了硬件，而且提高了设备的功率因数，减轻了对电网的干扰。
AT89C51的I/O脚的负载能力不足以驱动光电耦合器的发光二极管，所以用1413做为功放。光电耦合器的光敏二极管所能通过的电流足以触发5A的双向可控硅，其间不必加功放环节，其中对可控硅可用负极性触发。
图4 执行信号输出通道
触发电路6V不必采用稳压，只需一般的阻容滤波即可，但不能与单片机基本系统5V电源相通。可控硅门极回路与220V电源相通，光电耦合器的绝缘耐压能有效地把单片机系统与220V强电隔离[8]。
2.3 系统控制器电路
单片机控制系统原理图如图5所示，微处理器采用51系列单片机AT89C51。单片机系统的硬件结构简单，调试方便。单片机系统主要I/O口的分配如下：89C51的P1口为温度信号的输入口，P0口为温度显示信号数据输出，P2口的P2.0端到P2.3端为显示信号的扫描，P2.4端口为执行信号输出口。
图5 单片机控制系统原理图
表1 主要I/O口分配
主要I/O口 说明
P0 温度显示信号数据输出
P1 温度信号的输入口
P2.0-P2.3 显示信号扫描
P2.4 执行信号输出口
2.4 系统显示模块
设计中用到四个LED数码管显示器，LED有共阴、共阳数码管两种，使用LED显示器时，要注意区分这两种不同的接法。为了显示数字或字符，必须对数字或字符进行编码。七段数码管加上一个小数点，共计8段[9]。因此为LED显示器提供的编码正好是一个字节。显示模块电路图如图6所示。
图6 显示模块电路图
2.5 报警模块
报警功能由鸣器实现，当由于意外因素导致电阻炉温度高于设置温度时，单片机驱动蜂鸣器鸣叫报警。报警上限温度值为预置温度+5℃，即当前温度上升到高于预置温度+5℃时报警，并停止加热；报警下限温度值设为预置温度-5℃，即当前温度下降到低于预置温度-5℃，且报警允许时报警，这是为了防止开始从较低温度加温时误报警。
2.6炉温控制系统电路图
图7 炉温控制系统电路图
3. 软件系统设计
系统主程序初始化时，允许INT0中断，并设置为边沿触发方式，ADC0809 EOC为中断请求信号口，中断服务程序把“转换结束”标志置位时，采用查询的方式，根据ADC0809的D0~D7的信息分别进行处理和存放。程序的每次循环，只读入一组数据。为了削弱干扰和纯滞后带来的影响，程序采用纯滞后补偿的方法，对读入信号进行平滑加工，显示更新程序把滤波后的温度从单片机的P0输送到显示接口电路[10]。
图8 程序流程图