本科生课程设计（论文）
第2章 课程设计的方案
2.1 概述
本次设计：加热炉温度控制系统的设计，正是运用单片机和温度传感器对温度进行控制。本次设计的内容为：以89S51单片机为核心，设计加热炉温度控制系统，用于进行金属的热处理。工业中金属的热处理是将金属工件放在一定的介质中加热到适宜的温度，并在此温度中保持一定时间后，又以不同速度冷却，通过改变金属材料表面或内部的组织结构来控制其性能的一种工艺。金属热处理是机械制造中的重要工艺之一，与其他加工工艺相比，热处理一般不改变工件的形状和整体的化学成分，而是通过改变工件内部的显微组织，或改变工件表面的化学成分，赋予或改善工件的使用性能。为使金属工件具有所需要的力学性能、物理性能和化学性能，除合理选用材料和各种成形工艺外，热处理工艺往往是必不可少的。而进行金属热处理最主要的设备为加热炉。因此，本次设计的温度监测器主要应用于热处理加热炉。
2.2 系统组成总体结构
方案一：选用AT89C51为控制核心，是大家所熟悉的单片机，因为教材就是以C51为实力讲解，但C51单片机不支持ISP（在线更新程序）功能，必须加上ISP功能等新功能才能更好延续CS51的传奇。
方案二：选用AT89S51为控制核心，新增加ISP在线编程功能，这个功能的优势在于改写单片机储存器内的程序不需要把芯片从工作环境中剥离。是一个强大易用的功能。向下完全兼容51全部字系列产品。比如8051、89C51等等早期MCS-51兼容产品。也就是说所有教科书、网络教程上的程序（不论教科书上采用的单片机是8051还是89C51还是MCS-51等等），在89S51上一样可以照常运行，但价格比C51甚至还要便宜。
以上分析选折89S51为控制核心及加热炉的功能和指标要求，本系统可以从元件级开始设计，选用89S51单片机为主控机，通过连接外围控制电路，实现对加热炉温度的测量。由温度传感器、运算放大器、A/D转换器、入驱动电路、LED显示电路共同组成。在系统中，温度的设置、温度值及误差显示、控制参数的设置、运行、暂停及复位等功能由键盘及显示电路完成。温度传感器把测量的电阻炉温
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度信号转换成弱电压信号，经过信号放大电路，送入低通滤波电路，以消除噪音和干扰，滤波后的信号输入到A/D转换器，转换成数字信号输入89S51单片机。下图为加热炉温度控制系统框图：
温度传感器 显示 单片机 电源电路 图2.1 加热炉温度控制系统框图
运算放大器 A/D转换器 具体设计如下：
1、由于温度测量范围为0～1000℃，温度控制精度要求高，温度控制范围大，因此采用K型热电偶温度传感器进行温度测量。并选用K型热电偶信号放大器MAX6675对热电偶检测的温度信号进行放大。
2、温度显示由四路LED显示电路组成，实时显示加热炉内温度值并能显示温度给定值及各种参数值。进行各种操作时有必要的声、光提示。
硬件和软件功能划分： 1.硬件系统应包括以下电路：
A、测量电路，应包括温度传感器、放大器、A\\D转换及接口。 B、温度显示电路。由4位LED显示电路组成。 C、报警电路。 2.软件功能应包括：
A、温度检测，应包括定时采样和软件虑波。
B、利用定时器定时，以满足采样周期的要求，显示温度。
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第3章 硬件设计
3.1单片机最小系统设计
在课题设计的温度控制系统设计中，控制核心是89S52单片机，该单片机为51系列增强型8位单片机，它有32个I/O口，片内含4K FLASH工艺的程序存储器，便于用电的方式瞬间擦除和改写，而且价格便宜，其外部晶振为12MHz，一个指令周期为1μS。使用该单片机完全可以完成设计任务，其最小系统主要包括：复位电路、震荡电路以及存储器选择模式（EA脚的高低电平选择），一片AT89S51,加晶振，加复位电路，加电源。顺便把P0,1,2,3引脚都用排针引出来。这就是最小系统了。主要用来验证程序算法，过排线外扩各种电路。由于最小系统可靠性高，以此为前提很方便验证外扩电路的正确性和可靠性,或者方便通电路如下图所示:
图3.1 AT89S51最小系统
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3.2微处理器及温度检测设计
在总体方案确定之后，首要的任务是选择一台合适的微型计算机。虽然现在的微型计算机种类很多，但是所选的微型计算机必须符合本次设计的具体要求。
本次设计的温度控制系统精度较高，需要的I/O接口也比较多，因此采用AT89S51单片机作为本系统的微处理器。
89S51 在工艺上进行了改进，89S51 采用 0.35 新工艺，成本降低,而且将功能提升,增 加了竞争力。89SXX 可以像下兼容89SXX 等51 系列芯片。市场上见到的89S51 实际都是Atmel 前期生产的巨量库存而以。如果市场需要，Atmel当然也可以再恢复生产AT89S51。 AT89S51/LS51单片机是低功耗的、具有4KB在线课编程Flash存储器的单片机。它与通用80S51系列单片机的指令系统和引脚兼容。片内的Flash可允许在线重新编程，也可使用非易失性存储器编程。他将通用CPU和在线可编程Flash集成在一个芯片上，形成了功能强大、使用灵活和具有较高性能性价比的微控制器。
温度检测电路是本次设计的主要内容，是整个单片机温度控制系统设计中不可缺少的一部分。本系统要求对加热炉内温度进行实时采集与检测，在充分保证安全的情况下对待加工器件进行热处理。
根据要求，本系统的温度检测电路主要由温度传感器、运算放大器及A/D转换器组成。经固定周期T对加热炉内温度进行检测，实现加热功能，并使系统安全稳定。
温度传感器的选择:
由于本次设计的加热炉温度范围为：0℃—1000℃，加热温度高，而本系统对加热炉温度控制精度的要求为±5℃，此K型热电偶温度传感器的测温基本原理是：将两种不同材料的导体A和B焊接起来，构成一个闭合回路，当导体A和B的两个执着点1和2之间存在温差时，两者之间便产生电动势,因而在回路中形成一个大小的电流,这种现象称为热电效应。热电偶温度传感器就是利用这一效应来工作的。
由于热电偶温度传感器的材料一般都比较贵重，而测温点到仪表的距离都很远，为了节省热电偶材料，降低成本，通常采用补偿导线把温度传感器热电偶的冷端（自由端）延伸到温度比较稳定的控制室内，连接到 仪表端子上。必须指出，热电偶温度传感器补偿导线的作用只起延伸热电极，使温度传感器热电偶的冷端移动到控制室的仪表端子上，它本身并不能消除冷端温度变化对测温的影响，不起补偿作用。因此，还需采用其他修正方法来补偿冷端温度t0≠0℃时对测温的影响。
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在使用热电偶温度传感器补偿导线时必须注意型号相配，极性不能接错，补偿导线与温度传感器热电偶连接端的温度不能超过100℃。
温度传感器信号转换设备的选择：由于温度传感器测量的温度信号为模拟信号，且测量信号比较微弱，因此必须要对此温度信号进行处理。处理过程为：首先要把温度信号经运算放大器进行放大，然后用A/D转换器把放大后的模拟信号转换为数字信号输入单片机。因此要进行温度的检测，温度传感器信号转换设备必不可少。
在本系统中，我们可以用单独的运算放大器和A/D转换器作为温度传感器的信号转换设备，但是由于运算放大器的连接复杂，连接的器件数量较大。因此系统不稳定，并且由于中间环节过多，影响系统的控制精度。
因此本系统采用MAX6675作为温度传感器的信号转换设备。
其工作原理如下：K型热电偶产生的热电势，经过低噪声电压放大器A1和电压跟随器A2放大、缓冲后，得到热电势信号U1，再经过S4送至ADC。对于K型热电偶，电压变化率为(41μV/℃)，电压可由如下公式来近似热电偶的特性。
U1=(41μV/℃)×(T-T0) (3-1)
上式中，U1为热电偶输出电压（mV），T是测量点温度；T0是周围温度。 在将温度电压值转换为相应的温度值之前，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。通过冷端温度补偿二极管，产生补偿电压U2经S4输入ADC转换器。
在数字控制器的控制下，ADC首先将U1、U2转换成数字量,即获得输出电压U0的数据，该数据就代表测量点的实际温度值T。这就是MAX6675进行冷端温度补偿和测量温度的原理。该转换器集信号放大、冷端补偿、A/D转换于一体，直接输出温度的数字信号，使温度测量的前端电路变得十分简单。MAX6675的内部由精密运算放大器、基准电源、冷端补偿二极管、模拟开关、数字控制器及ADC电路构成，完成热电偶微弱信号的放大、冷端补偿和A／D转换功能。因此，MAX6675简化了温度控制系统中热电偶测温电路的设计，实际运行结果表明，该测温系统抗干扰能力强、结构简单、可靠性高，测量精度满足要求。因此，在基于微处理器的单片机嵌入式工业测温系统中，由MAX6675构成的单片机热电偶测温解决方案，具有良好的实用价值。
U2=(41μV/℃)×T0 (3-2)
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