武汉理工大学《计算机控制技术》课程设计说明书
1系统的描述与要求
1.1系统的介绍
该系统的被控对象为电加热炉，采用热阻丝加热，利用大功率可控硅控制器控制热阻丝两端所加的电压大小，来改变流经热阻丝的电流，从而改变电炉炉内的温度。可控硅控制器输入为0~5伏时对应电炉温度0~500℃；，温度传感器测量值对应也为0~5伏，对象的特性为带有纯滞后环节的一阶惯性系统。
该系统利用单片机可以实现温度智能控制。它采用温度传感器将检测到的实际炉温进行A/D转换，再送入计算机中，与设定值进行比较，得出偏差。对此偏差按达林算法进行调整，得出对应的控制量来控制驱动电路，调节电炉的加热功率，从而实现对炉温的控制。利用单片机实现温度智能控制，能自动完成数据
采集、处理、转换、并进行施密斯预估控制算法和终端处理（各参数数值的修正）及显示。
1.2技术指标
设计一个基于达林控制算法的电阻炉温度控制系统具体化技术指标如下： 1.电阻炉温度控制在0~500℃； 2.加热过程中恒温控制，误差为±2℃；
3. LED实时显示系统温度，用键盘输入温度，精度为1℃； 4.采用达林控制算法，要求误差小，平稳性好； 5.温度超出预置温度±5℃时发出报警。
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2方案设计
本温度控制系统为一典型的反馈式系统，其设想的系统框图如下。
图1系统框图
整个系统由四个部分组成，即：AT89C51单片机作为系统的微处理器来完成对炉温的智能控制，AT89C51单片机应用广泛，性能高。温度测量变送部分采用温度传感器采用MAX6675进行当前电阻炉温度的采集，MAX6675结构简单，集成了信号放大，冷端补偿，及线性化A/D转换测温范围及精度也满足设计要求；执行机构部分采用了可控硅调功电路来实现，连接MOC3021及驱动器即可完成控制，通过改变可控硅的导通角改变输出电功率而改变电阻炉的温度；显示部分了连接74HC00通过LED7位数码管，可将温度控制结果输出，其中前两个数码管显示设定控制温度，后两个数码管显示当前温度。工作时，温度由集成温度传感器MAX6675转换成电压信号，在MAX667内部由热电偶输出的热电势经放大，再经过电压跟随器缓冲后，被送至ADC的输入端，此信号与温度的给定值比较得到温度的偏差，通过施密斯预估控制算法，此控制量经可控硅控制加在电阻炉上的电压的通断时间以达到温度控制的目的。
ＭＡＸ６６７５温度控制温度显示输出AT89C51炉温控制输出报警装置图2硬件结构框图
系统的给定值、达林控制算算法的参数由键盘输入，并可以随时修改，给温度和采样温度同时显示在LED上。
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3 硬件电路设计
硬件电路的设计依照系统的控制过程进行：首先由MAX6675集成芯片组成的检测现场温度的温度采集电路，然后将检测的现场的温度送至单片机并与给定值进行比较，然后根据比较的结果按已定的施密斯预估控制算法决定系统要采取的控制行为，这是在单片机内进行的，最后是系统对执行机构发出控制信号完成控制，这是由可控硅调功器电路实现的。另外在电路中加了显示部分和报警部分。
3.1温度采集电路
本系统选用了Ｋ型热电偶作为炉温测量传感器，热电偶作为一种主要的测温元件，具有结构简单，制造容易，使用方便，测温范围宽，测温精度高等特点。但是将热电偶应用在基于单片机的嵌入式系统领域时，却存在着以下几方面的问题：1）非线性：热电偶输出热电势与温度之间的关系为非线性关系，因此在应用时必须进行线性化处理。 2）冷补偿：热电偶输出的热电势为冷端保持为0℃时与测量端的电势差值，而在实际应用中冷端的温度是随着环境温度而变化的，故需进行冷端补偿。 3）数字化输出：与嵌入式系统接口必然要采用数字化输出及数字化接口，而作为模拟小信号测温元件的热电偶显然法直接满足这个要求。因此，若将热电偶应用于嵌入式系统时，须进行复杂的信号放大。A/D转换。查表线性线。温度补偿及数字化输出接口等软硬件设计。如果能将上述的功能集成到一个集成电路芯片中，即采用单芯片来完成信号放大。冷端补偿。线性化及数字化输出功能，则将大大简化热电偶在嵌入式领域的应用设计。
Maxim公司新近推出的MAX6675即是一个集成了热电偶放大器。冷端补偿，A/D转换器及SPI串口的热电偶放大器与数字转换器。不需外围电路、I/O接线简单、精度高、成本低。MAX6675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，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℃,测量范围是0℃～ 1024℃，满足题目要求。 MAX6675各引脚的功能：
T--：热电偶负极（使用时接地）
T+：热电偶正极 SCK：串行时钟输入
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CS：片选信号
SO:串行数据输出
MAX6675内部具有将热电偶信号转换为与ADC输入通道兼容电压的信号调节放大器，T和T-输入端连接到低噪声放大器,以保证检测输入的高精度，同时使热电偶连接导线与干扰源隔离。热电偶输出的热电势经低噪声放大器放大，再经过电压跟随器缓冲后，被送至ADC的输入端。在将温度电压值转换为相等价的温度值之前，它需要对热电偶的冷端温度进行补偿，冷端温度即是MAX6675周围温度与0℃实际参考值之间的差值。对于K型热电偶，电压变化率为41μV/℃，电压可由线性公式Vout=(41μV/℃)(tR-tAMB)来近似热电偶的特性。上式中，Vout为热电偶输出电压(mV),tR是测量点温度；tAMB是周围温度。
图3 温度集成电路图
系统中我们将MAX6675的5，6，7口分别连接AT89C51芯片的P2.4，P2.5，P2.6，当P2.5为低电平并且P2.4口产生时钟脉冲时，MAX6675输出转换数据。在每一个脉冲信号的下降沿输出一个数据，16个脉冲信号完成一串完整的数据输出，先输出高电位D15，最后输出的是低电位D0，D14-D3为相应的温度转换数据。当P2.5为高电平时，MAX6675开始进行新的温度转换。
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3.2单片机电路
温度控制系统核心为AT89C51单片机，其带有4KB的EEPROM，是一种低电压，高性能的单片机。具有４组可编程的I/O口，其中P0口为一个8位漏极开路双向I/O口，编程时作为原码输入口，校验时，输出原码，在温度控制系统中P0口连接数码显示管显示实测的温度值；P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，在编程和校验时，作为第八位地址接收；P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，在编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号，在温度控制系统中，将其P2.0至P2. 2个端口连接74HC00驱动LED显示温度值；P3口为8个带内部上拉电阻的双向I/O口，同时也偶一些特殊功能，我们所使用到的P3.6/WR可作为外部数据存储器写选通，P3.7/RD可作为外部数据存储器读选通，在温度控制系统中，将P3.6端口可连接控制电路输出控制量改变电阻炉温度；RST口为复位输入；XTAL1口为反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入；XTAL2口为反向振荡器的输出，后向电路连接频率为11.0592MHz的晶振。
图４ 单片机电路
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