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基于单片机的电阻炉温度控制系统
设计
武汉理工大学《计算机控制技术》课程设计说明书
1 整体设计及系统原
. . .2 2 硬件设
2.1 温度检测电
.5 2.3 加热控制电
心得体
参考文
3 2.2 键盘控制和显示电
武汉理工大学《计算机控制技术》课程设计说明书9
基于单片机的电阻炉温度控制系统设计
概述
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。其控制系统属于一阶纯滞后环节，具有大惯性、纯滞后、非线性等特点，导致传
统控制方式超调大、调节时间长、控制精度低。采用单片机进行炉温控制，具有电路设计
简单、精度高、控制效果好等优点，对提高生产效率、促进科技进步等方面具有重要的现
实意义。此次课程设计温度控制系统的主要技术指标有：温控范围：300?
1000?;恒温时间：0?24小时；控制精度：？1?;超调量＜1%
1 整体设计及系统原理
本系统由单片机AT89C51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。系统中采用了新型元件，功能强、精度高、硬件电路简单。其硬件原理图如图1 所示。
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。
温度检测传感器键盘电路AT89C51
电阻炉
单片机显示温度控制
图1 硬件原理图
武汉理工大学《计算机控制技术》课程设计说明书程序流程图
在系统软件中，主程序完成系统初始化和电炉丝的导通和关断；炉温测定、键盘输入、
时间确定和显示、控制算法等都由子程序来完成；中断服务程序实现定时测温和读取时间。流程图如图2 所示。
开始
系统初始化设置
键盘输入及目标炉温设置
炉温测量与显示停止加热全速加热
Y 炉温等于下限温度?
Y 炉温等于上限温度?
PID 算法控制炉温加热炉温测定并显示
N 等于目标温度且稳定时间到?
结束
图2 总体流程图2 硬件设计
2.1 温度检测电路
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本系统采用的K 型（镍铬－镍硅）热电偶，其可测量1312?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。传统的温度检测电路采用“传感器-滤波器-放大器-冷端补偿-
线性化处理
-A/D转换”模式，转换环节多、电路复杂、精度低。在本系统中，采用的是高精度的集
成芯片MAX6675来完成“热电偶电势-温度”的转换，不需外围电路、I/O接
线简单、精度高、成本低。
MAX667是MAXI尬司开发的K型热电偶转换器，集成了滤波器、放大器等,
并带有
热电偶断线检测电路，自带冷端补偿，能将K型热电偶输出的电势直接转换成12位数字量，分辨率0.25?，工作电压为3.0?5.5V。温度数据通过SPI端口输出
给单片机,其冷端补偿的范围是-20?80?,测量范围是0?1023.75?。表1为
MAX6675I勺引脚功能图：
表1 MAX6675的引脚功能图
引脚号名称功能
1 GND 接地端
2 T-热电偶负极（使用时接地）
3 T+热电偶正极
4 VCC电源端
5 SCK串行时钟输入端
CS
6片选信号
7 SO数据串行输出口
8 NC悬空不用
当MAX6675I勺CS引脚从高电平变为低电平时,MAX6675将停止任何信号的转换并
在时钟SCK的作用下向外输出已转化的数据。相反,当CS从低电平变回高电平时,MAX6675将进行新的转换。在CS引脚从高电平变为低电平时,第一个字节
D15将出现在引脚SO 一个完整的数据读过程需要16个时钟周期，数据的读取通常在SCK的下降沿进行。
MAX6675勺输出数据为16位,其中D15始终无用,D14?D3对应于热电偶模拟
输入电压的数字转换量，D2用于检测热电偶是否断线（D2为1表明热电偶断开）,
D1为MAX6675的标识符，D0为三态。需要指出的是：在以往的热电偶电路设计中,
往往需要专门的断线检测电路,而MAX6675已将断线检测电路集成于片内,从而简化了电路设计。
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D14?D3为12位数据,其最小值为0,对应的温度值为0 ?;最大值为4095 ,
对应的温度值为1023.75 ?;由于MAX6675内部经过了激光修正，因此，其转换结
果与对应温度
值具有较好的线性关系。温度值与数字量的对应关系为
温度值=1023.75 X转换后的数字量/ 4095 。
由于MAX6675的数据输出为3位串行接口,因此只需占用微处理器的3个1/
O 口。图2是以89C51系列单片机为例给出的系统连接图。使用时,可用软件模拟同步串行读取
过程。图中串行外界时钟由微处理器的P1.3提供,片选信号由P1.2提供,转
换数据由P1. 1读取。热电偶的模拟信号由T+和T-端输入,其中T-需接地。
MAX6675的转换结果将在SCK勺控制下连续输出。
图3温度检测电路
2.2键盘控制和显示电路
按键控制电路如图所示，分别接在单片机P0.0 —P0.5 口。它由9个按键构成，直接与单片机I/O 口相连。当按键闭合时，单片机的P0.0 —P0.2 口的高电转移到P0.3 —P0.5 口。
当用于温度调节时，开关分别用于调整温度的上下限值，以及控制温度的输出。另外,
设定1键用于显示采集的温度，第二次按下则进行温度的上限调整，第三次按下进行温度的下限调整，第四次按下则进行采集温度的显示构成循环。选择2键进行移位