單片機在溫度控制中的應用

1 前言

單片微型計算機是隨著超大規(guī)模集成電路技術的發(fā)展而誕生的，由于它具有體積小、功能強、性價比高等特點，所以廣泛應用于電子儀表、家用電器、節(jié)能裝置、軍事裝置、機器人、工業(yè)控制等諸多領域，使產品小型化、智能化，既提高了產品的功能和質量，又降低了成本，簡化了設計。本文主要介紹單片機在溫度控制中的應用。

東風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大，誤差達±10℃左右。并且儀表使用環(huán)境教惡劣，油煙、灰塵常使儀表的機械傳動部分卡死，不但維修工作量大，而且產品質量不易保證。隨著國民經濟的發(fā)展，汽車工業(yè)不斷壯大，產品市場競爭激烈，優(yōu)勝劣汰。由此，我們經過認真的調研和設計，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型自動平衡記錄儀。

2 WDY-1溫度儀介紹

該儀器采用美國Intel公司八位單片機作為控制核心，配以其他進口集成電路，加上精心對軟件設計，實現(xiàn)了儀表智能化?？膳c熱電偶、熱電阻等傳感器配合使用，對0~1600℃范圍內的各種電加熱爐的溫度進行精密測量，同時，四位LED顯示器直接跟蹤顯示被控對象的溫度值，準確度高，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。整個儀表的工作原理是：由8031單片機控制，按預先編制的程序定時對熱電偶信號（即被測信號）進行采樣，并自動進行零漂校正，最后顯示所測溫度值，同時按設定值、所測溫度值、溫度變化速率，自動進行PID參數(shù)自整定和運算，并輸出0~10mA控制電流，配以主回路實現(xiàn)溫度的控制。

3 WDY-1溫控儀的測量及控制作用

該溫控儀屬智能化儀表，測量精度0.2級，顯示分辨率1℃，控制精度0.5級，控制方式為PID算法，設定方式為直接溫度值設定，同時具有超溫及斷偶報警，因而內部的電路比較多，下面就該測量儀中主要電路及各個環(huán)節(jié)的作用予以介紹。

1） 熱電偶

型號 WRN，分度號K，測溫范圍0~1300℃，可以長時間工作在0~1000℃，短時間工作到1300℃，是一種測量溫度信號的傳感器，其正極是鎳锘合金，負極是鎳硅合金。使用時直接按要求放進無罐爐，鎳锘-鎳硅作為一種標準熱電偶，在測取熱電勢時，其冷端溫度T0=0℃（實際應用中要通過補償實現(xiàn)），根據(jù)測得的熱電勢通過查表，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量，因此，必須定期對熱電偶進行檢查、更換。

2） 預處理電路

其作用包括：對熱電偶信號的冷端補償；斷偶報警保護；三極濾波。電路組成見圖2，圖中冷端補償電路主要為一直流電橋，Rt為銅電阻，是一標準熱電阻，當溫度變化時，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。當溫度=0℃時，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應的熱電勢。斷偶報警通過8031輸出控制四位LED顯示器同時閃爍顯示“E”或蜂鳴器報警（電路未畫）。

3） 放大及切換電路

由4066B四雙向開關和兩級運算放大器組成。首先，在8031的控制下，模擬地信號經兩級放大后進入A/D轉換，在8031內完成模擬地和數(shù)字地的轉換。然后，參考電壓輸入放大，送到A/D轉換器，為測熱電偶信號做好準備，最后熱電偶信號輸入放大，送A/D轉換?？梢?，該電路的作用是：把熱電偶拾取的信號放大，以及把模擬地在單片機的控制下轉換為數(shù)字地。

4） 模數(shù)轉換電路

由4066B四雙向開關和LM358低功耗雙運算放大器組成。轉換原理是雙積分式轉換，整個過程分為三個階段，（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在時間T1（T1為定值）內積分；（3）反積分期：對標準電壓反向積分，這樣就將輸入的模擬電壓轉換成與其平均值成正比的時間間隔，最后利用時鐘脈沖和計數(shù)器將此時間間隔轉化成數(shù)字信號[1]。

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5）撥盤定值電路

用來設定工藝溫度。由3 位撥盤和專用I/O擴展芯片8243組成，3 位覆蓋了實際的溫度使用范圍，通過撥盤直接設定溫度值，利用撥盤內部觸點的開合，分別把個、十、百、千位上預置的溫度送入8243芯片，然后根據(jù)單片機指令，把設定值送入8031內存。

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單片機把要顯示的熱電偶溫度信號通過P1.0~P1.3口送到74LS247，經譯碼后送七段數(shù)碼顯示器，然后再由8031的P1.4~P1.5口輸出位選通信號，選通要顯示的位。四位顯示器從個位到千位依次輪番點亮，每位顯示時間1ms，顯示實際測量的溫度以及斷偶報警。

7）數(shù)模轉換電路

將PID運算的數(shù)字量轉換成相應的模擬量，經放大和V/I轉換后得到0~10mA的電流連續(xù)信號作為輸出控制。

8）RS-232通訊接口

如圖3所示，將單片機作為前端機進行數(shù)據(jù)采集或預處理，經電平轉換電路獲得與TTL電平兼容的信號電壓，最后通過RS-232通訊接口電路將采集的數(shù)據(jù)儲存到系統(tǒng)機內[2]，以便今后查詢或備份。

4 控制規(guī)律的選擇與分析

1）被測對象的特征

本文熱處理爐的溫度要求在任何時間都保持定值（或在規(guī)定的誤差范圍以內），但由于外界影響，例如，材料的加入、電源電壓的波動等，會使爐溫有一定程度的變化。

2）控制規(guī)律的選擇

根據(jù)被測對象的特征，必須選擇一種控制規(guī)律，使爐溫有變化趨勢時而被限制，本系統(tǒng)采用自整定PID調節(jié)。當WDY-1溫控儀剛進入工作狀態(tài)時，有一個飛升機會，儀器將輸出100%，使爐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，直接按事先放置在內存中的經驗表格，查出對應的PID參數(shù)，從而實現(xiàn)控制參數(shù)的自動整定過程，按PID運算并輸出，實現(xiàn)爐子溫度的自動控制(滿足無靜差要求)。同時，該整定過程還省去了儀器初始整定的麻煩，使用方便。

5 結束語

該溫控儀從設計到應用，一直從實際出發(fā)，比如技術指標、使用環(huán)境的要求等。實踐證明，WDY-1溫控儀控制精度比較高，而且節(jié)省人力，并設有超溫和斷偶報警，有問題立即就能發(fā)現(xiàn)。另外，該儀器與適當?shù)膱?zhí)行器配合可與被測對象組成PID爐溫自動調節(jié)系統(tǒng)[3]，通過自動調節(jié)，輸入電爐的電壓幾乎可以無慣性地作相應的改變，使爐溫控制在設定值上。

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