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）。

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74L