单片机在炉温控制中的应用
时间：10-02
整理：3721RD
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1 引言 单片机具有集成度高，运算快速快，体积小、运行可靠，价值低廉，因此在过程控制、数据采集、机电一体化、智能化仪表、家用电器以及网络技术等方面得到广泛应用，本文主要介绍单片机在炉温控制中的应用。
在工业生产中，有很多行业有大量的加热设备，如用于热处理的加热炉、用于熔化金属的坩埚炉，以及各种不同用途的加热炉，反应炉，这样温度就成为了工业对象中一种重要的被测控对象，但是由于炉子的种类，用途不同，因此，采用的加热方法及燃料也就不同，如煤气、天然气、油、电等，但究其控制系统本身的动态特性而言，基本上都是一阶纯滞后环节。
实践证明，用于工业生产中的炉温控制的微机控制系统具有高精度、功能强、经济性好的特点，无论在提高产品质量还是产品数量，节约能源，还是改善劳动条件等方面都显示出无比的优越性。
2 整体设计及其工作原理
对于温度控制，可采用适用于工业控制的单片机组成的自动控制系统，其硬件原理如图1。
其系统被测参数主要是温度，被测参数温度值由热电偶传感器测定后得到的mV信号经过温度变送器放大滤波后变为0－5V的电压信号，再送到采样/保持器，经过A/D转换器后，将模拟信号变为数字信号进入8031单片机，在单片机进行数据处理，一方面，与所设定的期望温度值进行比较后，产生偏差信号，单片机根据预定的PID算法计算出相应的控制量，该控制量控制双向可控硅的导通和关闭，以便切断和连通加热设备，从而控制温度稳定在设定值上，另一方面送去显示接口，并判断是否有报警需要。
3 硬件接口设计
3.1 温度检测元件及温度变送器
由于所测的温度不同，所以选用的检测元件也就不尽相同，目前的热点偶传感器有：铂铹10－铂热电偶，其可在1300℃以下范围长期工作，符号LB；镍铬－镍硅热电偶，测量范围在－50～＋1312℃，符号EU等等，温度传感器输出的都是mV信号，而温度变送器由毫伏变送器和电流/电压变送器组成，其毫伏变送器就是把温度传感器的mV信号变换成mA的电流；电流/电压变送器再把毫伏变送器输出的mA电流变成V电压。
3.2 8031的接口电路
8031的接口电路有A/D转换器，8155、报警设置、AC－SSR等芯片，其中8155作为LED和键盘接口，A/D转换器作为温度测量电路的输入接口。
3.2.1 A/D转换及数据采集
根据需要，A/D转换器可采用ADC0809或AD574，ADC0809与AD574不同在于：ADC0809的数字量是8位，转换时间为100μs，输入模拟电压为单极性的0－5V，而AD574的数字量位数可设成8位也可以设为12位，且无需外接CLOCK时钟，转换时间达到25μs，输出模拟电压可以是单极性的0－10V或0－20V，也可以是双极性的±5V或±10V之间，这里以AD574为例。
AD574的VIN和采样/保持器的VOUT相连，采样/保持器的工作状态由AD574的转换结束STS的状态控制，当A/D转换正在进行时，STS输出为高电平，经反相后，变为低电平，送到采样/保持器的逻辑控制端，使其处于保持状态，开始A/D转换，转换结束后，STS变为低电平，反相后变为高电平，使采样/保持器进入采样状态。
3.2.2 键盘显示接口
键盘显示系统采用8155芯片控制4×4矩阵键盘和4个七段数码管LED显示，以实现用户的输入和数据输出。键盘的16个键中0－9为数字键，A－F为功能键，完成参数设置、显示方式选择、自动/手动转换、系统停止和启动。
系统中将8155的B口作为显示接口，经74LS48的驱动器与LED相连，8155的A口的PA3－PA0作为扫描接口，从B口的PB3－PB0读入列值，键盘处理为中断方式，所以8155的B口工作在两种方式下：在显示状态时为输入方式，在键盘中断服务程序处理过程中为输入方式。
3.2.3 报警部分
可采用单频报警，如图1，其中7406是驱动器，接在8031的P1.0口，在8031使P1.0输出高电平时，7406输出低电平，使蜂鸣器鸣音，反之，使蜂鸣器停止鸣音。
3.2.4 温度控制部分
对于温度的控制可通过带光电隔离的过零触发型双向可控硅AC－SSR来实现。如图2所示。
AC－SSR和加热丝串接在交流200V50Hz的电源上，AC－SSR接通时间可以通过AC－SSR控制极上触发脉冲控制，过零检测电路输出经反相器和8031的T0输出相“与”后去触发AC－SSR（高电平触发），若T0在1s内总为高电平，则AC－SSR被开通100次，此时达最大功率加热；反之，若T0在1s内总为低电平，则AC－SSR输出功率为0，在给定周期T内，只要改变AC－SSR接通时间就可改变加热器功率，从而达到调节温度的目的。
4 软件设计
温度控制程序所要完成的任务：8031，8155芯片的初始化以及分配内存单片及设置定时器参数，温度采样，数字滤波，进行转换计算，判断温度是否在规定范围内，超限报警和处理；显示温度及输入控制。
流程图如图3所示。
5 结语
该系统控制精度高，具有良好的人机交互功能，并设有超温和断偶报警，有问题立即就能发现，通过自动调节控制温度并实现温度的自动控制，使炉温控制在设定值上，正常运行时不需人工干预，操作人员劳动强度小。
在工业生产中，有很多行业有大量的加热设备，如用于热处理的加热炉、用于熔化金属的坩埚炉，以及各种不同用途的加热炉，反应炉，这样温度就成为了工业对象中一种重要的被测控对象，但是由于炉子的种类，用途不同，因此，采用的加热方法及燃料也就不同，如煤气、天然气、油、电等，但究其控制系统本身的动态特性而言，基本上都是一阶纯滞后环节。
实践证明，用于工业生产中的炉温控制的微机控制系统具有高精度、功能强、经济性好的特点，无论在提高产品质量还是产品数量，节约能源，还是改善劳动条件等方面都显示出无比的优越性。
2 整体设计及其工作原理
对于温度控制，可采用适用于工业控制的单片机组成的自动控制系统，其硬件原理如图1。
其系统被测参数主要是温度，被测参数温度值由热电偶传感器测定后得到的mV信号经过温度变送器放大滤波后变为0－5V的电压信号，再送到采样/保持器，经过A/D转换器后，将模拟信号变为数字信号进入8031单片机，在单片机进行数据处理，一方面，与所设定的期望温度值进行比较后，产生偏差信号，单片机根据预定的PID算法计算出相应的控制量，该控制量控制双向可控硅的导通和关闭，以便切断和连通加热设备，从而控制温度稳定在设定值上，另一方面送去显示接口，并判断是否有报警需要。
3 硬件接口设计
3.1 温度检测元件及温度变送器
由于所测的温度不同，所以选用的检测元件也就不尽相同，目前的热点偶传感器有：铂铹10－铂热电偶，其可在1300℃以下范围长期工作，符号LB；镍铬－镍硅热电偶，测量范围在－50～＋1312℃，符号EU等等，温度传感器输出的都是mV信号，而温度变送器由毫伏变送器和电流/电压变送器组成，其毫伏变送器就是把温度传感器的mV信号变换成mA的电流；电流/电压变送器再把毫伏变送器输出的mA电流变成V电压。
3.2 8031的接口电路
8031的接口电路有A/D转换器，8155、报警设置、AC－SSR等芯片，其中8155作为LED和键盘接口，A/D转换器作为温度测量电路的输入接口。
3.2.1 A/D转换及数据采集
根据需要，A/D转换器可采用ADC0809或AD574，ADC0809与AD574不同在于：ADC0809的数字量是8位，转换时间为100μs，输入模拟电压为单极性的0－5V，而AD574的数字量位数可设成8位也可以设为12位，且无需外接CLOCK时钟，转换时间达到25μs，输出模拟电压可以是单极性的0－10V或0－20V，也可以是双极性的±5V或±10V之间，这里以AD574为例。
AD574的VIN和采样/保持器的VOUT相连，采样/保持器的工作状态由AD574的转换结束STS的状态控制，当A/D转换正在进行时，STS输出为高电平，经反相后，变为低电平，送到采样/保持器的逻辑控制端，使其处于保持状态，开始A/D转换，转换结束后，STS变为低电平，反相后变为高电平，使采样/保持器进入采样状态。
3.2.2 键盘显示接口
键盘显示系统采用8155芯片控制4×4矩阵键盘和4个七段数码管LED显示，以实现用户的输入和数据输出。键盘的16个键中0－9为数字键，A－F为功能键，完成参数设置、显示方式选择、自动/手动转换、系统停止和启动。
系统中将8155的B口作为显示接口，经74LS48的驱动器与LED相连，8155的A口的PA3－PA0作为扫描接口，从B口的PB3－PB0读入列值，键盘处理为中断方式，所以8155的B口工作在两种方式下：在显示状态时为输入方式，在键盘中断服务程序处理过程中为输入方式。
3.2.3 报警部分
可采用单频报警，如图1，其中7406是驱动器，接在8031的P1.0口，在8031使P1.0输出高电平时，7406输出低电平，使蜂鸣器鸣音，反之，使蜂鸣器停止鸣音。
3.2.4 温度控制部分
对于温度的控制可通过带光电隔离的过零触发型双向可控硅AC－SSR来实现。如图2所示。
AC－SSR和加热丝串接在交流200V50Hz的电源上，AC－SSR接通时间可以通过AC－SSR控制极上触发脉冲控制，过零检测电路输出经反相器和8031的T0输出相“与”后去触发AC－SSR（高电平触发），若T0在1s内总为高电平，则AC－SSR被开通100次，此时达最大功率加热；反之，若T0在1s内总为低电平，则AC－SSR输出功率为0，在给定周期T内，只要改变AC－SSR接通时间就可改变加热器功率，从而达到调节温度的目的。
4 软件设计
温度控制程序所要完成的任务：8031，8155芯片的初始化以及分配内存单片及设置定时器参数，温度采样，数字滤波，进行转换计算，判断温度是否在规定范围内，超限报警和处理；显示温度及输入控制。
流程图如图3所示。
5 结语
该系统控制精度高，具有良好的人机交互功能，并设有超温和断偶报警，有问题立即就能发现，通过自动调节控制温度并实现温度的自动控制，使炉温控制在设定值上，正常运行时不需人工干预，操作人员劳动强度小。