基于單片機的溫度控制系統設計

蔡新梅

摘 要：在現代化生產過程中，溫度的控制越來越重要和嚴格。文章應用單片機對溫度進行控制，具有控制方便、簡單和靈活性大等優點，可大幅度提高被控溫度的技術指標。

關鍵詞：溫度控制；MCS-51；熱電偶

隨著現代工業的逐步發展，在工業生產中，溫度、壓力、流量和液位是4種最常見的過程變量。其中，溫度是非常重要的過程變量。然而，用常規的控制方法，潛力是有限的，難以滿足較高的性能要求。采用單片機對其進行控制不僅具有控制方便、簡單和靈活性大的優點，而且可大幅度提高被測溫度的技術指標，從而能大大提高產品質量和數量。本單片機溫度控制系統的具體指標要求是，對加熱器加熱溫度調整范圍為600～1000℃，溫度控制精度小于3℃，系統的超調量須小于15%。軟件設計須能進行人機對話，考慮到本系統控制對象為電爐，是一個大延遲環節，且溫度調節范圍較寬，所以本系統對過渡過程時間不予要求。

1 設計思想及功能

為滿足系統對溫度的控制要求，本設計包括硬件電路設計和軟件設計2部分。硬件電路設計主要包括：控制電路、數據采集、數據處理、模/數（A/D）轉換；外部硬件包括接口、鍵盤和顯示器3部分。軟件部分主要運用MCS-51系列單片集中的8051單片機為主控制器，通過軟件設計實現人機對話功能及溫度控制。主程序是本系統的監控程序，用戶可通過監控程序監控系統工作。

2 硬件設計

2.1 溫度檢測部分

本設計中，溫度檢測部位采用熱電偶。熱電偶式傳感器適于測量溫度較高的場所，在工業領域中，熱電偶是最常用的溫度檢測元件之一。

①熱電偶的種類及結構形式。A.熱電偶的種類。常用熱電偶可分為標準熱電偶和非標準熱電偶2大類。所調用標準熱電偶是指國家標準規定了其熱電勢與溫度的關系、允許誤差、并有統一的標準分度表的熱電偶，它有與其配套的顯示儀表可供選用。非標準化熱電偶在使用范圍或數量級上均不及標準化熱電偶，一般也沒有統一的分度表，主要用于某些特殊場合的測量。B.熱電偶的結構形式。為了保證熱電偶可靠、穩定地工作，對其結構要求有：a.組成熱電偶的2個熱電極的焊接必須牢固；b.2個熱電極彼此之間應很好地絕緣，以防短路；c.補償導線與熱電偶自由端的連接要方便可靠；d.保護套管應能保證熱電極與有害介質充分隔離。

②熱電偶冷端的溫度補償。由于熱電偶的材料一般都較貴重，而測溫點到儀表的距離都很遠，為了節省熱電偶材料，降低成本，通常采用補償導線把熱電偶的冷端延伸到溫度較穩定的控制室內，連接到儀表端子上。熱電偶補償導線只起延伸熱電極作用，使熱電偶的冷端移動到控制室的儀表端子上，本身并不能消除冷端溫度變化對測溫的影響，不起補償作用。因此，還需采用其他修正方法補償冷端溫度t0≠0℃時對測溫的影響。在使用熱電偶補償導線時須注意型號相配，極性不能接錯，補償導線與熱電偶連接端的溫度不能超過100℃。溫度測量儀表按測溫方式可分為接觸式和非接觸式2大類。通常來說，接觸式測溫儀表簡單、可靠，測量精度較高；但因測溫元件與被測介質需要充分的熱交金剛，需一定時間才能達到熱平衡，所以存在測溫延遲現象。同時受耐高溫材料限制，不能應用于很高的溫度測量。非接觸式儀表測溫通過熱輻射原理測量溫度，測溫元件不需與被測介質接觸，測溫范圍廣，不受測溫上限限制，也不會破壞被測物體溫度場，反應速度一般較快；但受物體發射率、測量距離、煙塵和水氣等因素影響，測量誤差較大。熱電阻是中低溫區最常用的一種溫度檢測器。它的主要特點是測量精度高，性能穩定。其中鉑熱電阻的測量精確度最高，不僅廣泛應用于工業測溫，而且被制成標準的基準儀。

③熱電阻測溫原理及材料。熱電阻測溫基于金屬導體的電阻值隨溫度的增加而增加這一特性測量溫度。熱電阻大都由純金屬材料制成，目前應用最多的是鉑和銅，此外，現已開始采用甸、鎳、錳和銠等材料制造熱電阻。

④熱電阻的結構。A.精通型熱電阻。從熱電阻的測溫原理可知，被測溫度的變化直接通過熱電阻阻值的變化來測量，因此，熱電阻體的引出線等各種導線電阻的變化會給溫度測量帶來影響。為消除引線電阻的影響一般采用三線制或四線制。B.鎧裝熱電阻。鎧裝熱電阻是由感溫元件（電阻體）、引線、絕緣材料、不銹鋼套管組合而成的堅實體。其外徑一般為φ2～φ8mm，最小可達φmm。C.端面熱電阻。端面熱電阻感溫元件由特殊處理的電阻絲材繞制，緊貼在溫度計端面。它與一般軸向熱電阻相比，能更正確和快速地反映被測端面的實際溫度，適用于測量軸瓦和其他機件的端面溫度。D.隔爆型熱電阻。隔爆型熱電阻通過特殊結構的接線盒，把其外殼內部爆炸性混合氣體因受到火花或電弧等影響而發生的爆炸局限在接線盒內，生產現場不會引發爆炸。隔爆型熱電阻可用于Bla～B3c級區內具有爆炸危險場所的溫度測量。

⑤熱電阻測溫系統的組成。熱電阻測溫系統一般由熱電阻、連接導線和顯示儀表等組成。必須注意：A.熱電阻和顯示儀表的分度號必須一致；B.為了消除連接導線電阻變化的影響，必須采用三線制接法。

2.2 變換器

本文根據設計任務書的溫度要求，選用了HD2011T型變送器模塊。

①功能介紹。測量范圍：5%～98%RH；溫度測量范圍：-50～200℃；溫度精度：±0.25℃；輸出：4～20mA，0～20mA，0～10V；

防護等級：IP67；負載：電流小于500歐，電壓大于10000歐；供電：24VAC；工作溫度：傳感器-4～+150℃，變送器：-5～+50℃。

②特點。采用全密封防水結構，對傳感器采用燒結頭防塵處理、保證其在粉塵環境可靠工作；工作溫度范圍廣，量程寬、響應時間短；有探頭分體安裝形式，可分離2m引線。

③工作原理。利用環境溫度、濕度變化引起材料電特性變化的原理進行溫、濕度測量。整機采用進口熱敏器件，溫敏芯片進行信號處理，并將其整理為標準信號輸出。測量范圍：T：0～50℃；輸出信號：T：0～5VDC，4～20mA；測量精度：T：±0.5℃；工作溫度：-10～60℃；負載能力：電壓型輸出負載≥3K；電流型輸出負載≤500Ω/24VDC；電源需求：電壓供電電壓：12～24VDC。

2.3 ADC0809模塊轉換原理

①ADC0809模塊內部結構。ADC0809芯片是最常用的8位模數轉換器。它的模數轉換原理采用逐次逼進型，芯片有單個+5V電源供電，可以分時對8路輸入模擬量進行A/D轉換，典型的A/D轉換時間為100微秒左右。在同類型產品中，ADC0809模數轉換器的分辨率、轉換速度和價位都屬于居中位。

②引腳功能說明。D7～D0：8位數字量輸出，A/D轉換結果；IN0～IN7：8路模擬電量輸入，可以是：0～5V或-5V～+5V；+VREF：正極性參考電源；-VREF：負極性參考電源；START：啟動A/D轉換控制輸入，高電平有效；CLK：外部輸入的工作時鐘，典型頻率為500KHz；ALE：地址鎖存控制輸入，高電平開啟接受3位地址碼，低電平鎖存地址；CBA：3位地址輸入，其8個地址值分別選中8路輸入模擬量IN0～IN7之一進行模數。C是高位地址，A是最低位地址；OE：數字量輸出使能控制，輸入高有效，輸出A/D轉換結果D7～D0；EOC：模數轉換狀態輸出。當模數轉換未完成時，EOC輸出低電平；當模數轉換完成時，EOC輸出高電平；EOC輸出信號可作為中斷請求或查詢控制；Vcc：芯片工作電源+5V；GND：芯片接地端。

③ST為轉換啟動信號。當ST上跳沿時，所有內部寄存器清零；下跳沿時，開始進行A/D轉換；轉換期間ST應保持低電平。EOC為轉換結束信號。當EOC為高電平時，表明轉換結束；否則表明正進行A/D轉換。OE為輸出允許信號，用于控制3條輸出鎖存器向單片機輸出轉換得到的數據。OE=1，輸出轉換得到的數據；OE=0，輸出數據呈高阻狀態。D7～D0為數字量輸出線。CLK為時鐘輸入信號線。因ADC0809的內部沒有時鐘電路，所需時鐘信號須由外界提供，通常使用頻率為500KHz。

2.4 過零觸發電路

過零同步脈沖是一種50Hz交流電壓過零時刻的間脈沖。可使可控硅在交流電壓正弦波過零時觸發導通。過零同步脈沖由過零觸發電路產生，更為詳細的電路原理圖如圖1所示。圖中，電壓比較器LM311將50Hz正弦交流電壓變為方波。方波的正邊沿和負邊沿分別作為2個單穩態觸發器的輸入觸發信號，單穩態觸發器輸出的2個窄脈沖經二極管或門混合后即可得到對應于交流220V市電的過零同步脈沖。此脈沖一方面作為可控硅的出發同步脈沖加到溫度控制電路，另一方面還作為計數脈沖加到單片機的P2.3/TCLK端。

單片機對溫度的控制通過可控硅調功電路實現，雙向可控硅和加熱絲串接在交流220V，50Hz交流是電回路。在給定周期T內，單片機只要改變可控硅的接通時間便可改變加熱絲功率，以達到調節溫度的目的。可控硅在給定周期T的100%時間內接通時的功率最大。可控硅接通時間可以通過可控硅門極上觸發脈沖控制。該觸發脈沖由單片機用軟件在P1.3引腳上產生，經過零同步脈沖同步后再經光耦和驅動器輸出送到可控硅的門極上。

2.4 外部硬件設備

外部硬件電路主要包括鍵盤和顯示電路，在單片機應用系統中，鍵盤和顯示器往往須同時使用，為節省I/O口線，可將鍵盤和顯示電路做在一起，構成實用的鍵盤、顯示電路。

整個系統也可劃分為控制電路單片機單片機部分、加熱電路溫度檢測元件部分和測量電路3部分。

3 溫度控制系統的軟件設計

在軟件設計中，首先利用MCS-51語言設定初始化子程序，以便系統識別輸入、輸出端口及輸出格式等，然后進行當前溫度信息的檢測，并通過調用通訊子程序把結果傳遞給遠程單片機，然后進行讀鍵，如果開始鍵按下，就要調用參數設置子程序，如果數據合格就進行監控操作，數據不合格就驅動加熱器動作，控制溫度的變換，如果開始鍵沒按下就繼續監控操作。主要包括主程序、中斷服務程序和主要服務子程序3大部分。主程序是本系統的監控程序，用戶可通過監控程序監控系統工作。在程序運行中，必須首先對系統初始化，為簡化起見本程序只給出有關標志。大體說來，本程序包括設置有關標志、暫存單元和顯示緩沖區清零、8051本身的初始化、并行接口8155初始化、T0初始化、CPU開中斷、溫度顯示和鍵盤掃描等程序。T0中斷服務程序是溫度控制系統的主體程序，用于啟動數/模轉換器、讀入采樣數據、數字濾波、越限溫度報警和越限處理、PID計算和輸出可控硅的觸發脈沖等。同步觸發脈沖寬度由T1計數器的溢出中斷控制，8051利用等待T1溢出中斷的空閑時間完成把本次采樣值轉換成顯示值而放入顯示單元緩沖區和調用溫度顯示程序。8051從T1中斷服務程序返回后即可恢復現場和返回主程序。主要服務子程序包括溫度檢測采樣及數字濾波子程序、帶符號雙字節乘法子程序和標度轉換。子程序目的是把實際采樣取得的二進制值轉換成BCD碼形式的溫度值，然后存放到顯示緩沖區中，供顯示子程序調用。

4 結論

本設計采用的單片機是作為現代工業中最常用的集成芯片，具有體積小、重量輕、抗干擾能力強、對環境要求不高、價格低廉、可靠性高、靈活性好、易于推廣應用等顯著優點，通過軟件邏輯控制實現對溫度的控制和調節。本文的溫度控制系統，只是單片機廣泛應用于各行各業中的一例。本設計中應用了許多單片機芯片和單片機常用的外部設備。單片機芯片如：ADC196，ADC0809，2732等。單片機外部設備如：溫度檢測元件熱電偶，地址鎖存器74LS373，電流/電壓變送器，鍵盤和顯示系統中的LCD顯示器等。采用單片機控制可以提高溫度的控制水平，減少引進設備的投資，為國家和企業貢獻力量。

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