單片機(jī)在溫度控制中的應(yīng)用

1 前言

單片微型計(jì)算機(jī)是隨著超大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展而誕生的，由于它具有體積小、功能強(qiáng)、性價(jià)比高等特點(diǎn)，所以廣泛應(yīng)用于電子儀表、家用電器、節(jié)能裝置、軍事裝置、機(jī)器人、工業(yè)控制等諸多領(lǐng)域，使產(chǎn)品小型化、智能化，既提高了產(chǎn)品的功能和質(zhì)量，又降低了成本，簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)。本文主要介紹單片機(jī)在溫度控制中的應(yīng)用。

東風(fēng)汽車公司變速箱廠熱工科無罐爐，主要用于變速箱齒輪、軸類零件的滲碳熱處理工序。原來用XWB型自動(dòng)平衡記錄儀控制溫度，二位式控溫方式，使得具有大慣量性的無罐爐溫度波動(dòng)大，誤差達(dá)±10℃左右。并且儀表使用環(huán)境教惡劣，油煙、灰塵常使儀表的機(jī)械傳動(dòng)部分卡死，不但維修工作量大，而且產(chǎn)品質(zhì)量不易保證。隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，汽車工業(yè)不斷壯大，產(chǎn)品市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)激烈，優(yōu)勝劣汰。由此，我們經(jīng)過認(rèn)真的調(diào)研和設(shè)計(jì)，尋求了一種更好的控溫方法，亦即本文介紹的 WDY-1溫控儀取代XWB型自動(dòng)平衡記錄儀。

2 WDY-1溫度儀介紹

該儀器采用美國(guó)Intel公司八位單片機(jī)作為控制核心，配以其他進(jìn)口集成電路，加上精心對(duì)軟件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了儀表智能化?？膳c熱電偶、熱電阻等傳感器配合使用，對(duì)0~1600℃范圍內(nèi)的各種電加熱爐的溫度進(jìn)行精密測(cè)量，同時(shí)，四位LED顯示器直接跟蹤顯示被控對(duì)象的溫度值，準(zhǔn)確度高，顯示清晰，穩(wěn)定可靠，使用方便。

WDY-1溫控儀原理框圖如圖1所示。整個(gè)儀表的工作原理是：由8031單片機(jī)控制，按預(yù)先編制的程序定時(shí)對(duì)熱電偶信號(hào)（即被測(cè)信號(hào)）進(jìn)行采樣，并自動(dòng)進(jìn)行零漂校正，最后顯示所測(cè)溫度值，同時(shí)按設(shè)定值、所測(cè)溫度值、溫度變化速率，自動(dòng)進(jìn)行PID參數(shù)自整定和運(yùn)算，并輸出0~10mA控制電流，配以主回路實(shí)現(xiàn)溫度的控制。

3 WDY-1溫控儀的測(cè)量及控制作用

該溫控儀屬智能化儀表，測(cè)量精度0.2級(jí)，顯示分辨率1℃，控制精度0.5級(jí)，控制方式為PID算法，設(shè)定方式為直接溫度值設(shè)定，同時(shí)具有超溫及斷偶報(bào)警，因而內(nèi)部的電路比較多，下面就該測(cè)量?jī)x中主要電路及各個(gè)環(huán)節(jié)的作用予以介紹。

1） 熱電偶

型號(hào) WRN，分度號(hào)K，測(cè)溫范圍0~1300℃，可以長(zhǎng)時(shí)間工作在0~1000℃，短時(shí)間工作到1300℃，是一種測(cè)量溫度信號(hào)的傳感器，其正極是鎳锘合金，負(fù)極是鎳硅合金。使用時(shí)直接按要求放進(jìn)無罐爐，鎳锘-鎳硅作為一種標(biāo)準(zhǔn)熱電偶，在測(cè)取熱電勢(shì)時(shí)，其冷端溫度T0=0℃（實(shí)際應(yīng)用中要通過補(bǔ)償實(shí)現(xiàn)），根據(jù)測(cè)得的熱電勢(shì)通過查表，可以直接讀出熱端溫度值?？梢?，熱電偶在爐中的位置并不是任意的，其熱端所處的位置必須準(zhǔn)確反映爐溫。另外，熱電偶性能的好壞直接影響熱處理工件的質(zhì)量，因此，必須定期對(duì)熱電偶進(jìn)行檢查、更換。

2） 預(yù)處理電路

其作用包括：對(duì)熱電偶信號(hào)的冷端補(bǔ)償；斷偶報(bào)警保護(hù)；三極濾波。電路組成見圖2，圖中冷端補(bǔ)償電路主要為一直流電橋，Rt為銅電阻，是一標(biāo)準(zhǔn)熱電阻，當(dāng)溫度變化時(shí)，Rt的阻值將發(fā)生變化，因此把Rt放置在熱電偶的冷端，讓其感受冷端溫度的變化。當(dāng)溫度=0℃時(shí)，橋壓輸出U0=0V，如果溫度升高，則Rt變大，使橋壓輸出大于零，由此橋壓的輸出值即熱電偶冷端溫度所對(duì)應(yīng)的熱電勢(shì)。斷偶報(bào)警通過8031輸出控制四位LED顯示器同時(shí)閃爍顯示“E”或蜂鳴器報(bào)警（電路未畫）。

3） 放大及切換電路

由4066B四雙向開關(guān)和兩級(jí)運(yùn)算放大器組成。首先，在8031的控制下，模擬地信號(hào)經(jīng)兩級(jí)放大后進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換，在8031內(nèi)完成模擬地和數(shù)字地的轉(zhuǎn)換。然后，參考電壓輸入放大，送到A/D轉(zhuǎn)換器，為測(cè)熱電偶信號(hào)做好準(zhǔn)備，最后熱電偶信號(hào)輸入放大，送A/D轉(zhuǎn)換?？梢?，該電路的作用是：把熱電偶拾取的信號(hào)放大，以及把模擬地在單片機(jī)的控制下轉(zhuǎn)換為數(shù)字地。

4） 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路

由4066B四雙向開關(guān)和LM358低功耗雙運(yùn)算放大器組成。轉(zhuǎn)換原理是雙積分式轉(zhuǎn)換，整個(gè)過程分為三個(gè)階段，（1）休止期：消除積分器上的零偏電壓。（2）積分期：將放大后的模擬電壓信號(hào)在時(shí)間T1（T1為定值）內(nèi)積分；（3）反積分期：對(duì)標(biāo)準(zhǔn)電壓反向積分，這樣就將輸入的模擬電壓轉(zhuǎn)換成與其平均值成正比的時(shí)間間隔，最后利用時(shí)鐘脈沖和計(jì)數(shù)器將此時(shí)間間隔轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)[1]。

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5）撥盤定值電路

用來設(shè)定工藝溫度。由3 位撥盤和專用I/O擴(kuò)展芯片8243組成，3 位覆蓋了實(shí)際的溫度使用范圍，通過撥盤直接設(shè)定溫度值，利用撥盤內(nèi)部觸點(diǎn)的開合，分別把個(gè)、十、百、千位上預(yù)置的溫度送入8243芯片，然后根據(jù)單片機(jī)指令，把設(shè)定值送入8031內(nèi)存。

6）顯示電路

由74LS247七段譯碼器、74LS139雙二四線譯碼器、74LS05六倒向器各一片和四位LED顯示器組成。8031單片機(jī)把要顯示的熱電偶溫度信號(hào)通過P1.0~P1.3口送到74LS247，經(jīng)譯碼后送七段數(shù)碼顯示器，然后再由8031的P1.4~P1.5口輸出位選通信號(hào)，選通要顯示的位。四位顯示器從個(gè)位到千位依次輪番點(diǎn)亮，每位顯示時(shí)間1ms，顯示實(shí)際測(cè)量的溫度以及斷偶報(bào)警。

7）數(shù)模轉(zhuǎn)換電路

將PID運(yùn)算的數(shù)字量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬量，經(jīng)放大和V/I轉(zhuǎn)換后得到0~10mA的電流連續(xù)信號(hào)作為輸出控制。

8）RS-232通訊接口

如圖3所示，將單片機(jī)作為前端機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集或預(yù)處理，經(jīng)電平轉(zhuǎn)換電路獲得與TTL電平兼容的信號(hào)電壓，最后通過RS-232通訊接口電路將采集的數(shù)據(jù)儲(chǔ)存到系統(tǒng)機(jī)內(nèi)[2]，以便今后查詢或備份。

4 控制規(guī)律的選擇與分析

1）被測(cè)對(duì)象的特征

本文熱處理爐的溫度要求在任何時(shí)間都保持定值（或在規(guī)定的誤差范圍以內(nèi)），但由于外界影響，例如，材料的加入、電源電壓的波動(dòng)等，會(huì)使?fàn)t溫有一定程度的變化。

2）控制規(guī)律的選擇

根據(jù)被測(cè)對(duì)象的特征，必須選擇一種控制規(guī)律，使?fàn)t溫有變化趨勢(shì)時(shí)而被限制，本系統(tǒng)采用自整定PID調(diào)節(jié)。當(dāng)WDY-1溫控儀剛進(jìn)入工作狀態(tài)時(shí)，有一個(gè)飛升機(jī)會(huì)，儀器將輸出100%，使?fàn)t子溫度按較陡斜率上升到給定值的80%左右(滿足快速性要求)，然后根據(jù)爐子的溫度變化率、溫度偏差以及純滯后的特點(diǎn)，直接按事先放置在內(nèi)存中的經(jīng)驗(yàn)表格，查出對(duì)應(yīng)的PID參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)控制參數(shù)的自動(dòng)整定過程，按PID運(yùn)算并輸出，實(shí)現(xiàn)爐子溫度的自動(dòng)控制(滿足無靜差要求)。同時(shí)，該整定過程還省去了儀器初始整定的麻煩，使用方便。

5 結(jié)束語

該溫控儀從設(shè)計(jì)到應(yīng)用，一直從實(shí)際出發(fā)，比如技術(shù)指標(biāo)、使用環(huán)境的要求等。實(shí)踐證明，WDY-1溫控儀控制精度比較高，而且節(jié)省人力，并設(shè)有超溫和斷偶報(bào)警，有問題立即就能發(fā)現(xiàn)。另外，該儀器與適當(dāng)?shù)膱?zhí)行器配合可與被測(cè)對(duì)象組成PID爐溫自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)[3]，通過自動(dòng)調(diào)節(jié)，輸入電爐的電壓幾乎可以無慣性地作相應(yīng)的改變，使?fàn)t溫控制在設(shè)定值上。

6 參考文獻(xiàn)
[1]戴明楨、周建江編，微型計(jì)算機(jī)接口技術(shù)[M]，北京：航空工業(yè)出版社，1993
[2]孫育才編，單片微型計(jì)算機(jī)及其應(yīng)用[M]，江蘇：東南大學(xué)出版社，1987
[3]李均宜編，爐溫儀表與熱控制[M]，北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1981