基于单片机控制的淬火炉炉温控制系统设计

吴贵宝

(佳木斯大学信息电子技术学院，黑龙江 佳木斯 154000)

0 引言

在工业生产过程中，如果温度调节不好，涉及到安全生产，产品品质及产量等问题。对传统方法的温度测定程度低，交流机使用周期短，通断温度比例低，所以程序设定的温度无法实现上升曲线温度。本次设计是单片机为中心的温度控制技术为核心代替传统控制设计，根据特定的程序变更淬火炉炉温，达到较高的生产工艺，提高生产数量和质量，降低工人劳动强度等功能。

1 系统设计

1.1 系统整体结构设计方案

本文介绍了一种基于AT89C51单片机开发的淬火炉炉温控制系统。其主要功能就是控制淬火炉炉温，利用淬火炉加热提升炉内温度，使得炉温温度能够达到用户的设定温度。同时能够自动控温，在得到设定温度之后通过程序控制自动开启/关闭加热管来维持温度，以达到恒温的功能。本设计采用AT89C51单片机为主控芯片，有按键模块供用户调节设定炉温温度，LM016L液晶显示屏实时显示淬火炉温度，以及设计了加热管驱动控制电路。

本设计主要应用电子电路技术与制作电路板技术，同时对单片机运用以及单片机控制电路的开发也有一定要求。在功能实现方面，通过C语言编程进行控制单片机，最终实现单片机控制下取暖器的自动控温功能。

整个控制系统的硬件电路如图1所示，系统硬件分模块设计，各个模块实现独立功能。在主控芯片的控制下，各模块共同运行实现了系统功能。系统硬件可以分为几大模块，各模块与主控单片机之间的关系如图1所示，具体包括了以下模块：单片机最小系统模块、液晶显示模块、按键输入模块、ADC0832模块、热敏电阻检测模块、继电器驱动模块、加热模块。

图1 系统硬件总体结构设计框图

1.2 温度控制器原理

淬火炉炉温控制最重要的就是温度控制，在程序中其他模块都正常运行之后，就可以进行自动温控子函数了。这个控温的功能实际上就是控制加热管是否工作，那么这个控制的依据就是炉温温度和设定温度的比较。当炉温温度小于设定温度，加热管持续加热。当炉温温度达到设定温度后单片机自动控制加热管关闭。随后在加热管关闭期间炉温温度慢慢下降，当炉温温度下降到设定温度以下时，单片机自动控制加热管开启工作维持温度，以此循环得到稳定环境温度的功能。

2 系统设计硬件模块简介

2.1 单片机

本设计选用STC89C51为主控芯片，这款芯片在工作过程中消耗电流小，同时也是8位单片机中性能比较高的微型控制器。该芯片有8k内存，一般应用在产品设计上可以满足程序设计容量[1]。

2.2 加热电路模块

当淬火炉炉温温度低于预先设定的温度值时，经控制器判断后，发送给加热模块进行加热，加热控制电路原理图如图2所示。本方案中由于加热管的工作电流比较大，因此考虑采用继电器控制。因为线圈的工作电流在60mA左右，不能直接由芯片引脚提供，所以再通过一个NPN三极管驱动线圈。当芯片引脚输出高电平时三极管Q2导通，从而线圈两端被加上了VCC的电压，因此继电器吸合使得加热管工作。

图2 加热控制电路原理图

2.3 采集温度模块

该系统采用热敏电阻来采集温度，并使用ADC0832进行数模转换。VCC电压经过热敏电阻和1k电阻接地，通过两个电阻分压的方式建立检测电路，通过单片机去检测两个电阻中间连接点的电压即可得知此时的分压点的电压大小。通过引脚检测到的电压大小可以推算出此时热敏电阻的阻值，然后通过查阅热敏电阻阻值表可以得到当前热敏电阻阻值所对应的温度值。

2.4 LM016L显示模块

本设计的显示模块选用LCD1602，这是一种液晶字符显示屏。就如同它名称一样，它能够同时显示16x02个字符，换句话说就是32个字符。液晶显示屏的使用原理就是对其显示区域的电压控制，通过单片机去控制显示区域的电压就可以实现液晶显示功能。引脚VL是液晶屏的背光亮度调节，通过电阻分压可以调节背光屏的亮度。RS、RW、EN为液晶显示屏的控制引脚，D0-D7则为液晶显示屏的数据引脚，直接将数据引脚连接到单片机P0口引脚上接对应的数码显示端口，寄存器选择RS，读写操作RW，使能信号EN则分别采用P1.0-P1.2进行与软件相适应，通过单片机发生显示内容的数据就可以实现字符的显示。

2.5 A/D模块

本设计AD转换芯片选用ADC0832，其中引脚CH0是模拟信号的输入引脚，模拟电压通过该引脚输入到AD转换芯片中。然后通过AD转换之后从引脚DO输出数字信号，该引脚直接连接单片机引脚，通过程序去处理该引脚传回的数据就可以完成AD信号的采集过程。

2.6 按键输入模块

本设计中一共有2个按键，用来设置系统的加热温度。按键具有两个引脚，当按键未按下的时候两个引脚是不导通的，当按键按下后两个引脚就会导通。利用按键是否导通可以判断按键是否按下，根据这一特性设计了一个按键检测电路。将按键一端接GND，另一端接单片机IO口，通过程序去读取该IO口的电平信息，当按键没有按下的时候读取到的电平信息为高电平。当按键按下的后此时程序读取到的电平信息会变成低电平，则可以进行系统加热温度调节。

3 系统软件流程设计

软件控制是该系统的核心，进行反馈调制达到设计需要的淬火炉炉温，该系统设计的软件流程主要有温度采集，然后A/D转换模块发送到微处理器，并在LCD显示器中显示传送温度数值。接着判断键盘是否按键，按下控制温度数值加一按键，并在LCD显示器中显示设置好的温度数值。如果按下控制温度数值减一按键，并在LCD显示器中显示设定温度数值。将预定的温度和实际温度数值相比，实际温度比预定的温度小的情况下，加热装置进行控制加热，当实际温度高于预设温度时，采取自然降低温度的方法降低温度。在运行键盘扫描时会重复上述阶段。系统软件程序执行流程如图3所示。

图3 系统软件程序执行流程图

4 结论

本设计将单片机、按键检测、液晶显示、温度检测等模块应用到解决淬火炉温度控制的问题中。通过单片机程序控制可控加热元件开启/关闭，从而来恒定加热温度。同时设置按键调节温度功能，实现了自由控制淬火炉的温度的功能,使淬火炉的温度能够满足淬火工艺的需要。该系统可以准确地控制淬火炉温区的温度,减少损失,提高产品质量和生产,降低劳动成本,所以淬火炉的温度控制在工业生产中具有重要意义。