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模集成電路技術的發展而誕生的，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、節能裝置、軍事裝置、機器人、工業控制等諸多領域，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。隨著國民經濟的發展，汽車工業不斷壯大，產品市場競爭激烈，優勝劣汰。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，實現了儀表智能化。可與熱電偶、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參數自整定和運算，并輸出0~10mA控制電流，配以主回路實現溫度的控制。

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節的作用予以介紹。

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），根據測得的熱電勢通過查表，可以直接讀出熱端溫度值。可見，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。可見，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字地。

4） 模數轉換電路

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器將此時間間隔轉化成數字信號[1]。