单片机在温度控制中的应用

1 前言
    单片微型计算机是随着超大规模集成电路技术的发展而诞生的，由于它具有体积小、功能强、性价比高等特点，所以广泛应用于电子仪表、家用电器、节能装置、军事装置、机器人、工业控制等诸多领域，使产品小型化、智能化，既提高了产品的功能和质量，又降低了成本，简化了设计。本文主要介绍单片机在温度控制中的应用。
    东风汽车公司变速箱厂热工科无罐炉，主要用于变速箱齿轮、轴类零件的渗碳热处理工序。原来用XWB型自动平衡记录仪控制温度，二位式控温方式，使得具有大惯量性的无罐炉温度波动大，误差达±10℃左右。并且仪表使用环境教恶劣，油烟、灰尘常使仪表的机械传动部分卡死，不但维修工作量大，而且产品质量不易保证。随着国民经济的发展，汽车工业不断壮大，产品市场竞争激烈，优胜劣汰。由此，我们经过认真的调研和设计，寻求了一种更好的控温方法，亦即本文介绍的 WDY-1温控仪取代XWB型自动平衡记录仪。

2 WDY-1温度仪介绍
    该仪器采用美国Intel公司八位单片机作为控制核心，配以其他进口集成电路，加上精心对软件设计，实现了仪表智能化。可与热电偶、热电阻等传感器配合使用，对0~1600℃范围内的各种电加热炉的温度进行精密测量，同时，四位LED显示器直接跟踪显示被控对象的温度值，准确度高，显示清晰，稳定可靠，使用方便。
     WDY-1温控仪原理框图如图1所示。整个仪表的工作原理是：由8031单片机控制，按预先编制的程序定时对热电偶信号（即被测信号）进行采样，并自动进行零漂校正，最后显示所测温度值，同时按设定值、所测温度值、温度变化速率，自动进行PID参数自整定和运算，并输出0~10mA控制电流，配以主回路实现温度的控制。

3 WDY-1温控仪的测量及控制作用
    该温控仪属智能化仪表，测量精度0.2级，显示分辨率1℃，控制精度0.5级，控制方式为PID算法，设定方式为直接温度值设定，同时具有超温及断偶报警，因而内部的电路比较多，下面就该测量仪中主要电路及各个环节的作用予以介绍。
    1） 热电偶
    型号 WRN，分度号K，测温范围0~1300℃，可以长时间工作在0~1000℃，短时间工作到1300℃，是一种测量温度信号的传感器，其正极是镍锘合金，负极是镍硅合金。使用时直接按要求放进无罐炉，镍锘-镍硅作为一种标准热电偶，在测取热电势时，其冷端温度T0=0℃（实际应用中要通过补偿实现），根据测得的热电势通过查表，可以直接读出热端温度值。可见，热电偶在炉中的位置并不是任意的，其热端所处的位置必须准确反映炉温。另外，热电偶性能的好坏直接影响热处理工件的质量，因此，必须定期对热电偶进行检查、更换。
    2） 预处理电路
    其作用包括：对热电偶信号的冷端补偿；断偶报警保护；三极滤波。电路组成见图2，图中冷端补偿电路主要为一直流电桥，Rt为铜电阻，是一标准热电阻，当温度变化时，Rt的阻值将发生变化，因此把Rt放置在热电偶的冷端，让其感受冷端温度的变化。当温度=0℃时，桥压输出U0=0V，如果温度升高，则Rt变大，使桥压输出大于零，由此桥压的输出值即热电偶冷端温度所对应的热电势。断偶报警通过8031输出控制四位LED显示器同时闪烁显示“E”或蜂鸣器报警（电路未画）。[page]

    3） 放大及切换电路
    由4066B四双向开关和两级运算放大器组成。首先，在8031的控制下，模拟地信号经两级放大后进入A/D转换，在8031内完成模拟地和数字地的转换。然后，参考电压输入放大，送到A/D转换器，为测热电偶信号做好准备，最后热电偶信号输入放大，送A/D转换。可见，该电路的作用是：把热电偶拾取的信号放大，以及把模拟地在单片机的控制下转换为数字地。
    4） 模数转换电路
    由4066B四双向开关和LM358低功耗双运算放大器组成。转换原理是双积分式转换，整个过程分为三个阶段，（1）休止期：消除积分器上的零偏电压。（2）积分期：将放大后的模拟电压信号在时间T1（T1为定值）内积分；（3）反积分期：对标准电压反向积分，这样就将输入的模拟电压转换成与其平均值成正比的时间间隔，最后利用时钟脉冲和计数器将此时间间隔转化成数字信号[1]。
    5）拨盘定值电路
    用来设定工艺温度。由3 位拨盘和专用I/O扩展芯片8243组成，3 位覆盖了实际的温度使用范围，通过拨盘直接设定温度值，利用拨盘内部触点的开合，分别把个、十、百、千位上预置的温度送入8243芯片，然后根据单片机指令，把设定值送入8031内存。
    6）显示电路
    由74LS247七段译码器、74LS139双二四线译码器、74LS05六倒向器各一片和四位LED显示器组成。8031单片机把要显示的热电偶温度信号通过P1.0~P1.3口送到74LS247，经译码后送七段数码显示器，然后再由8031的P1.4~P1.5口输出位选通信号，选通要显示的位。四位显示器从个位到千位依次轮番点亮，每位显示时间1ms，显示实际测量的温度以及断偶报警。
    7）数模转换电路
    将PID运算的数字量转换成相应的模拟量，经放大和V/I转换后得到0~10mA的电流连续信号作为输出控制。
    8）RS-232通讯接口
    如图3所示，将单片机作为前端机进行数据采集或预处理，经电平转换电路获得与TTL电平兼容的信号电压，最后通过RS-232通讯接口电路将采集的数据储存到系统机内[2]，以便今后查询或备份。

4 控制规律的选择与分析
    1）被测对象的特征
    本文热处理炉的温度要求在任何时间都保持定值（或在规定的误差范围以内），但由于外界影响，例如，材料的加入、电源电压的波动等，会使炉温有一定程度的变化。
    2）控制规律的选择
    根据被测对象的特征，必须选择一种控制规律，使炉温有变化趋势时而被限制，本系统采用自整定PID调节。当WDY-1温控仪刚进入工作状态时，有一个飞升机会，仪器将输出100%，使炉子温度按较陡斜率上升到给定值的80%左右(满足快速性要求)，然后根据炉子的温度变化率、温度偏差以及纯滞后的特点，直接按事先放置在内存中的经验表格，查出对应的PID参数，从而实现控制参数的自动整定过程，按PID运算并输出，实现炉子温度的自动控制(满足无静差要求)。同时，该整定过程还省去了仪器初始整定的麻烦，使用方便。

5 结束语
    该温控仪从设计到应用，一直从实际出发，比如技术指标、使用环境的要求等。实践证明，WDY-1温控仪控制精度比较高，而且节省人力，并设有超温和断偶报警，有问题立即就能发现。另外，该仪器与适当的执行器配合可与被测对象组成PID炉温自动调节系统[3]，通过自动调节，输入电炉的电压几乎可以无惯性地作相应的改变，使炉温控制在设定值上。

6 参考文献
[1]戴明桢、周建江编，微型计算机接口技术[M]，北京：航空工业出版社，1993
[2]孙育才编，单片微型计算机及其应用[M]，江苏：东南大学出版社，1987
[3]李均宜编，炉温仪表与热控制[M]，北京：机械工业出版社，1981